(57)【要約】【課題】  制限された範囲で多波長出力することが可能で、エネルギー効率が高く、温度変化によらず安定した波長域の光が出力されるレーザ光源装置を提供する。【解決手段】  半導体レーザ素子１の非出射側ミラー１２と共振器を成すように外部ミラー２が配置され、半導体レーザ素子１と外部ミラー２の間の光路上にバンドパスフィルタ３と波長変換素子４が配置されている。バンドパスフィルタ３は、透過率９０％以上の波長域が透過中心波長に対して±０．５ｎｍである狭帯域フィルタであり、光軸に対して０．２度以上０．５度未満の角度で傾けられている。【選択図】  図９
2015115509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、
半導体レーザ素子から出力される光の光路上に配置された外部ミラーとを備えたレーザ光源装置であって、
外部ミラーは半導体レーザ素子が備える非出射側ミラーとともに共振器を成すものであって、外部ミラーと半導体レーザ素子との間の光路上にはバンドパスフィルタが設けられており、
バンドパスフィルタは、半導体レーザ素子の出力波長範囲内に透過中心波長を有し、透過率９０％以上の波長域が透過中心波長に対して±０．５ｎｍである狭帯域フィルタであり、
バンドパスフィルタは、共振器の光軸に対して０．２度以上０．５度未満傾けられて配置されていることを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項２】
前記半導体レーザ素子は、一列に複数配置されており、
前記バンドパスフィルタの傾きの軸は、複数の半導体レーザ素子の配列方向と平行であることを特徴とする請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項３】
前記半導体レーザ素子と前記外部ミラーとの間に波長変換素子が配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ光源装置。
【請求項４】
前記波長変換素子は、擬似位相整合型波長変換素子であることを特徴とする請求項３記載のレーザ光源装置。
【請求項５】
波長変換素子と、
波長変換素子の波長許容幅よりも広い発振波長域を有する半導体レーザ素子と、
半導体レーザ素子から出力される光の光路上に配置された外部ミラーとを備えたレーザ光源装置であって、
外部ミラーは半導体レーザ素子が備える非出射側ミラーとともに共振器を成すものであって、外部ミラーと半導体レーザ素子との間の光路上にはバンドパスフィルタが設けられており、
バンドパスフィルタは、半導体レーザ素子の出力波長範囲内に透過中心波長を有し、透過率９０％以上の波長域が透過中心波長に対して±０．５ｎｍである狭帯域フィルタであり、
バンドパスフィルタは、共振器の光軸に対して傾けられて配置されており、傾きの角度は、当該バンドパスフィルタの透過率９０％以上の波長域内でマルチモード発振する角度であることを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載のレーザ光源装置を備えており、レーザ光源装置から出力される光をスクリーン上で走査又は投影することによりスクリーンに映像を投影するスクリーン投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願の発明は、レーザを光源として使用した光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光は、周知のように単一波長のコヒーレントな光であり、光通信を始めたとした各種の用途で実用化されている。最近では、レーザ光の単色性を利用してプロジェクタやデジタル映写機のようなスクリーン投影用の光源としても実用化が期待されている。色純度の高いＲＧＢの三色光源にレーザを使用することで、様々な色をより正確に表現できるようになり、スクリーンへの投影用の光源としてより好ましいものとなるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−９４１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、レーザ光はコヒーレントな光であるが故の欠点も有している。スクリーン上でレーザ光が干渉し、スペックルと呼ばれる縞模様が発生する問題がそれである。スペックル低減には光を多波長化して干渉を防ぐ必要があるが、多波長化は単色性の高い光源を採用するそもそもの要請に反してしまう。したがって、スペックル除去のための波長のブロード化と三色光源としての単色性とをうまく両立させることが必要であり、このためには、波長のブロード化をある制限された絶妙な範囲に制御していくことが必要になってくる。
【０００５】
波長のブロード化は、波長変換素子を採用した場合の光の利用効率の向上の観点でも考慮する必要性が生じてきている。非線形光学効果を使用したレーザ光の波長変換は、目的とする波長を直接発振する光源が開発されていない場合などに多用されている。前述したスクリーン投影用のＲＧＢ光源でも、５００ｎｍ付近の緑色のレーザ光源の開発が遅れていることから、ＧａＡｓレーザのような１０００ｎｍ付近の赤外線レーザを基本波として発振するレーザ素子を使用し、基本波を波長変換素子により第二高調波に変換して緑色光源とする構成が現在の主流となっている。
【０００６】
非線形光学効果による第二高調波発生方法として、周期的な分極反転構造により擬似的に位相整合を行う疑似位相整合（ＱＰＭ）がある。この方法では、レーザ素子の外部に共振用ミラー（外部ミラー）を配置した外部共振器型の構造において、共振器内に波長変換素子を配置した構成が好適に採用される。
【０００７】
波長変換において、最も変換効率が高い波長から変換効率がその５０％となる波長幅（変換前の波長幅）を波長許容幅と呼ぶとすると、ＱＰＭの波長許容幅は非常に狭く、例えば０．４ｎｍ程度となっている。従って、波長許容幅よりも広い波長域で基本波が発振している場合、その一部の波長範囲でしか波長変換できない。この場合、波長変換されない分のエネルギーは無駄となり、変換光の出力としては、エネルギー効率の悪いものとなってしまう。
【０００８】
基本波は、共振器に定在波が生じることによって縦モードと呼ばれる複数の離散的な発光波長を持ち、いわゆるマルチモードで発振している。高効率な波長変換のために波長選択素子を用いた基本波の発振波長の狭帯域化が必要であるが、波長変換素子によって基本波が波長変換されることは基本波自身にとっては損失となるため、付近の別なモードで発振しようとする。このとき波長選択素子による選択波長が狭帯域すぎて、基本波の発振波長がモード間隔以下に限定されてしまうと、基本波の発振が抑制され、結果的に変換光出力の低下が生じ、波長変換素子を使用するメリットが薄れてしまう。尚、モード間隔とは、基本波のマルチ縦モードのピーク間隔のことである。
また、多くの半導体レーザ素子は、媒質の温度により発振波長が変化する特性がある。温度変化によってブロードな出力波長範囲は少しシフトするものの、波長選択素子（バンドパスフィルタやエタロン等）を使用することで、波長をロックすることができ、温度変化によらず出力波長が安定した光源装置になる。
【０００９】
本願の発明は、これらの点を考慮して為されたものであり、ある制限された範囲で多波長出力することが可能で、エネルギー効率が高く、温度変化によらず安定した波長域の光が出力されるレーザ光源装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、半導体レーザ素子と、
半導体レーザ素子から出力される光の光路上に配置された外部ミラーとを備えたレーザ光源装置であって、
外部ミラーは半導体レーザ素子が備える非出射側ミラーとともに共振器を成すものであって、外部ミラーと半導体レーザ素子との間の光路上にはバンドパスフィルタが設けられており、
バンドパスフィルタは、半導体レーザ素子の出力波長範囲内に透過中心波長を有し、透過率９０％以上の波長域が透過中心波長に対して±０．５ｎｍである狭帯域フィルタであり、
バンドパスフィルタは、共振器の光軸に対して０．２度以上０．５度未満傾けられて配置されているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記半導体レーザ素子は、一列に複数配置されており、
前記バンドパスフィルタの傾きの軸は、複数の半導体レーザ素子の配列方向と平行であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、前記請求項１又は２の構成において、前記半導体レーザ素子と前記外部ミラーとの間に波長変換素子が配置されているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、前記請求項３の構成において、前記波長変換素子は、擬似位相整合型波長変換素子であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、波長変換素子と、波長変換素子の波長許容幅よりも広い発振波長域を有する半導体レーザ素子と、
半導体レーザ素子から出力される光の光路上に配置された外部ミラーとを備えたレーザ光源装置であって、
外部ミラーは半導体レーザ素子が備える非出射側ミラーとともに共振器を成すものであって、外部ミラーと半導体レーザ素子との間の光路上にはバンドパスフィルタが設けられており、
バンドパスフィルタは、半導体レーザ素子の出力波長範囲内に透過中心波長を有し、透過率９０％以上の波長域が透過中心波長に対して±０．５ｎｍである狭帯域フィルタであり、
バンドパスフィルタは、共振器の光軸に対して傾けられて配置されており、傾きの角度は、当該バンドパスフィルタの透過率９０％以上の波長域内でマルチモード発振する角度であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、前記請求項１乃至５いずれかに記載のレーザ光源装置を備えており、レーザ光源装置から出力される光をスクリーン上で走査又は投影することによりスクリーンに映像を投影するスクリーン投影装置であるという構成を有する。
【発明の効果】
【００１１】
以下に説明する通り、本願請求項１又は５記載の発明によれば、半導体レーザ素子の非出射側ミラーとバンドパスフィルタの間の共振が弱く存在し、この影響で、バンドパスフィルタの透過波長域においてマルチモード化したレーザ発振が得られるので、スペックルノイズの低減と色純度の低下防止が両立し、且つエネルギー効率が高く、さらに温度変換によらず出力波長が安定したレーザ光源装置が提供される。
また、請求項２記載の発明によれば、上記効果に加え、複数の半導体レーザ素子が配列されているので、それらの出力を合成することでより輝度の高い出力を得ることができる。この際、複数の半導体レーザ素子に対して一つのバンドパスフィルタが配置されているので、調整が容易である。
また、請求項３又は４記載の発明によれば、上記効果に加え、非出射側ミラーと外部ミラーとで形成される共振器内に波長変換素子が配置されているので、波長変換された光を得ることができる。この際、波長変換素子に入射する変換前の光は、制限された波長範囲内でマルチモード化した光であるので、波長変換の波長許容幅を十分に活かすことができ、この点でエネルギー効率を高くすることができる。
また、請求項６記載の発明によれば、上記請求項１乃至５いずれかに記載の効果を得つつ、スクリーン上に映像を投影できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本願発明の第一の実施形態のレーザ光源装置の概略図である。
【図２】図１に示すバンドパスフィルタ３の分光透過特性を示した図である。
【図３】半導体レーザ素子１の非出射側ミラー１２とバンドパスフィルタ３との間の共振に関して行った実験系の概略図である。
【図４】図３に示す実験系で、バンドパスフィルタ３の傾き角を変化させながらパワーメータで光出力を測定した結果を示す図である。
【図５】図４に示す光出力を得た際の一例をスペクトルで表したものである。
【図６】第一の実施形態のレーザ光源装置について行った発振実験の結果について示した図である。
【図７】第一の実施形態のレーザ光源装置について行った発振実験の結果について示した図である。
【図８】第一の実施形態のレーザ光源装置について行った発振実験の結果について示した図である。
【図９】第二の実施形態のレーザ光源装置の概略図である。
【図１０】第二の実施形態の装置におけるエネルギー効率について示した概略図である。
【図１１】図１０の各右側に示す光出力をトータルの光出力として示した図であり、図６と同様の図である。
【図１２】第三の実施形態のレーザ光源装置の斜視概略図である。
【図１３】第一の実施形態のスクリーン投影装置の概略図である。
【図１４】第二の実施形態のスクリーン投影装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本願発明を実施するための形態（以下、実施形態）について説明する。
図１は、本願発明の第一の実施形態のレーザ光源装置の概略図である。図１に示すレーザ光源装置は、半導体レーザ素子１と、外部ミラー２とを備えている。
半導体レーザ素子１としては、この実施形態では面発光レーザが使用されている。面発光レーザは、正式には垂直共振型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser, ＶＣＳＥＬ）と呼ばれるレーザであり、端面発光の半導体レーザに比べてへき開が不要である等の理由から製造コストを安くでき、アレイ化が容易で、低消費電力であるという長所を有している。
【００１４】
図１中に概略的に示すように、面発光レーザである半導体レーザ素子１は、レーザ利得が生じる活性層１１が一対の内部共振器１２，１３でサンドイッチされた構造となっている。内部共振器１２，１３は、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）と呼ばれる半導体多層膜で形成されている。一方のＤＢＲ１２の反射率は９９％以上と高いが、他方のＤＢＲ１３は反射率が９３〜９７％程度と低く設定されている。活性層１１で生じた光は一対のＤＢＲ１２，１３の間で繰り返し反射されて増幅され、出射側のＤＢＲ１３から出射される。以下、ＤＢＲも広い意味ではミラーと呼べるので、高反射のＤＢＲ１２を非出射側ミラー、低反射のＤＢＲ１３を出射側ミラーとする。
活性層１１としては、ＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓ系などが使用される。尚、このような半導体レーザ素子１の発振波長幅は、波長変換素子による波長許容幅および波長選択素子による波長選択幅よりも十分広いものとする。このような半導体レーザ素子１は、例えば米国ＮＥＣＳＥＬ社（本社：カリフォルニア州）から入手できる。
【００１５】
外部ミラー２は、半導体レーザ素子１が備える非出射側ミラー１２とともに共振器を成すものである。素子外部に共振器を形成しているため、外部共振器型と呼ぶことも可能である。但し、この実施形態では、厳密には、半導体レーザ素子１内部にも共振器が存在すると言えるので、素子内部に共振器を設けずに外部に設けた構造の外部共振器型とは異なる。
【００１６】
外部ミラー２は、半導体レーザ素子１の出射光軸に対して垂直に配置されており、従って内部共振器を成す各ＤＢＲ（非出射側ミラー１２、出射側ミラー１３）と平行である。外部ミラー２は、１０００〜１１００ｎｍにおいて９９％以上の高い反射率となっている。出力波長は、半導体レーザ素子１の出力波長範囲内において任意に設定し得るが、この実施形態では１０６５ｎｍ付近の赤外光となっている。出力は、外部ミラー２の１％未満の透過率において透過する光として得られる。このような外部ミラー２には、透明な基板上に誘電体多層膜を形成したものが使用される。
【００１７】
実施形態のレーザ光源装置は、出力光の波長安定性その他の目的から、図１に示すように、半導体レーザ素子１と外部ミラー２との間に、波長選択素子としてバンドパスフィルタ３を備えている。そして、バンドパスフィルタ３は、半導体レーザ素子１の出射光軸に対して垂直ではなく傾けられて配置されており、その角度（図１にθで示す）は、０．２度以上０．５度未満となっている。
【００１８】
図２は、図１に示すバンドパスフィルタ３の分光透過特性を示した図である。図２に示すように、この実施形態では、１０６５．４ｎｍに透過中心波長があり、透過率が９０％以上となる波長幅が±０．５ｎｍである狭帯域フィルタがバンドパスフィルタ３として使用されている。尚、自明であるが、透過中心波長は、透過率が最大となる波長である。
このように狭帯域のバンドパスフィルタ３を半導体レーザ素子１と外部ミラー２との間に配置し、且つその角度θを０．２度以上０．５度未満とすることは、温度変化に対する出力波長安定性を高めるとともに、ある制限された範囲内で出力をマルチモード化させる意義を有する。以下、この点について説明する。
【００１９】
図１に示すように、半導体レーザ素子１内の非出射側ミラー１２と外部ミラー２とが成す共振器内にバンドパスフィルタ３を配置すると、バンドパスフィルタ３の透過波長において非出射側ミラー１２と外部ミラー２とは共振し得る状態となり、この波長で半導体レーザ素子１がレーザ発振し得る状態となる。そして、外部ミラー２からこの波長の光を取り出すことができる。尚、バンドパスフィルタ３は上記のように狭帯域のものであるが、実施形態の説明の便宜上、５０％以上の透過率となっている波長（域）を「透過波長（域）」と呼ぶ。
【００２０】
上記のようにバンドパスフィルタ３の透過波長において非出射側ミラー１２と外部ミラー２とが共振し得るとしても、バンドパスフィルタ３は、透過波長域以外の波長域では反射ミラーとして機能するから、半導体レーザ素子１の非出射側ミラー１２とバンドパスフィルタ３とを平行に対向させて設置すると、バンドパスフィルタ３と半導体レーザ素子１との間で共振が起こってしまう。この共振は、当然ながらバンドパスフィルタ３の透過波長域を外れたところで生じるが、半導体レーザ素子１内の非出射側ミラー１２とバンドパスフィルタ３との間で共振が生じると、共振している波長の光について誘導放出が優先的に生じ、その波長で発振してしまう。
【００２１】
そして、半導体レーザ素子１内の非出射側ミラー１２とバンドパスフィルタ３との間の共振により生まれたレーザ光は、半導体レーザ素子１とバンドパスフィルタ３との間に閉じ込められてしまう。但し、バンドパスフィルタ３も透過波長域外で透過率ゼロではないから、発振したレーザ光は、バンドパスフィルタ３から僅かに漏れ出るような状態となる。いずれにしても、目的とする出力波長では半導体レーザ素子１は発振せず、この波長の光を取り出すことはできない。
【００２２】
一方、バンドパスフィルタ３を傾けて配置すると、バンドパスフィルタ３に反射した光が非出射側ミラー１２に戻らなくなり、非出射側ミラー１２とバンドパスフィルタ３とが共振器を構成することはなくなる。バンドパスフィルタ３は、一般的に光軸に対して傾けて配置すると透過中心波長が短波長側にシフトするが、１度程度までの傾きであれば透過波長に大きなシフトは生じない。したがって、バンドパスフィルタ３のところでは共振させずに波長選択をした上で、非出射側ミラー１２と外部ミラー２との間で共振させることができる。尚、この際、バンドパスフィルタ３は上記のように狭帯域であるので、レーザ発振は特定の波長のみで生じる。即ち、シングルモードでの発振となる。
【００２３】
本願の発明者は、このような点を考慮した上で、鋭意研究を行ったところ、バンドパスフィルタ３を傾けて配置するものの、傾き角θを非常に小さい値にすると、バンドパスフィルタ３と半導体レーザ素子１の非出射側ミラー１２との間の共振が僅かに残った状態となり、この影響で、バンドパスフィルタ３の透過波長域において発振がマルチモード化し、マルチモード化した状態で出力光を取り出せることを見い出した。以下、この点について説明する。
【００２４】
図３は、半導体レーザ素子１の非出射側ミラー１２とバンドパスフィルタ３との間の共振に関して行った実験系の概略図である。図３に示す実験では、図１に示す構成から外部ミラー２を除去し、バンドパスフィルタ３から出力される光を測定した。尚、パワー測定には光パワーメータ（オフィール社  ＰＤ３００−ＩＲ）を用い、スペクトル測定には光スペクトラムアナライザ（横河電機株式会社  ＡＱ６３７３）Ｍを使用した。
図４は、図３に示す実験系で、バンドパスフィルタ３の傾き角を変化させながらパワーメータで光出力を測定した結果を示す図であり、横軸をバンドパスフィルタ３の傾き角度、縦軸を光出力としたグラフである。尚、この実験では、半導体レーザ素子１とバンドパスフィルタ３の距離（図３にｄで示す）４、５、６、７ｍｍにて測定した。
【００２５】
図４に示すように、半導体レーザ素子１とバンドバスフィルタの距離ｄを長くすると光出力は顕著に低下するが、傾き角θが０〜０．２度程度の場合、１００〜２５００ｍＷ程度の出力が得られている。
図５は、図４に示す光出力を得た際の一例をスペクトルで表したものである。図５において、傾き角θ＝０度、距離ｄ＝４ｍｍのときのバンドパスフィルタ３からの光出力のスペクトルを「ＬＤ−ＢＰＦ発振スペクトル」と表記して示す。理解のため、「ＢＰＦ透過特性」と表記してバンドパスフィルタ３の分光透過特性を併せて示す。
【００２６】
図５に示すように、バンドパスフィルタ３の透過中心波長である１０６５．４ｎｍ付近では全く出力は確認されない。これは、当然ではあるが、半導体レーザ素子１からのこの波長の光はバンドパスフィルタ３を透過していってしまい共振していないので、レーザ発振が生じないからである。そして、１０５９ｎｍ付近で幾つかのモードでの発振が確認される。このモードで発振した光のトータルのパワーすなわち積分値が、図４に示す光出力値ということではあるが、スペクトル測定の場合、発振光を数ミクロン径のシングルモード光ファイバで取り込むためロスが大きく、図４に比べ小さい値となっている。ただし、図４の光出力とスペクトル積分値は相似関係にある。
【００２７】
図４及び図５からわかることは、バンドパスフィルタ３は、透過波長域以外のところでは反射ミラーとして働いて共振が生じ、半導体レーザ素子１において利得がある波長においてレーザ発振し、僅かにある透過率によってバンドパスフィルタ３を透過して出力されるということである。この半導体レーザ素子１では、その波長が１０５９ｎｍ付近であったということである。
【００２８】
このようなバンドパスフィルタ３の作用において、バンドパスフィルタ３の外側に外部ミラー２を配置して実施形態の構成とした際の発振実験の結果について図６〜図８を使用して説明する。図６〜図８は、第一の実施形態のレーザ光源装置について行った発振実験の結果について示した図である。図６〜図８に結果を示す実験では、図４及び図５と同様、バンドパスフィルタ３の傾き角θを変えながら、外部ミラー２から出力される光のパワーやスペクトルを測定した。
【００２９】
まず、図６には、各傾き角θにおいて外部ミラー２から出力される光出力をパワーメータによって測定した値が示されている。説明の都合上、図８図６に示す各値のうちの幾つかを代表値として取り、（ａ）〜（ｆ）とする。
前述したように、半導体レーザ素子１と外部ミラー２との間にバンドパスフィルタ３を配置すると、バンドパスフィルタ３の透過波長において半導体レーザの非出射側ミラー１２と外部ミラー２との間で共振が生じ、発振したレーザ光が出力される。また、図６からわかるように、θが０．５度以上の範囲では、光出力は４００ｍＷ程度で一定となっている。この範囲は、バンドパスフィルタ３において前述したような共振は生じておらず、バンドパスフィルタ３が単なる狭帯域フィルタとしてのみ作用している範囲である。
【００３０】
そして、０度以上０．５度未満の範囲内では、光出力にフィルタ角度依存性が見られる。これらの傾き角θにおいて発振スペクトルがどのようになっているのかを調べた結果が、図７及び図８に示されている。図７及び図８は、図６に示す（ａ）〜（ｆ）の各光出力の値を得た際のスペクトルを調べた結果を示す図である。図７及び図８における（ａ）〜（ｆ）は、図６の（ａ）〜（ｆ）に対応しており、（ａ）はθ＝０度、（ｂ）はθ＝０．２度、（ｃ）はθ＝０．３度、（ｄ）はθ＝０．５度、（ｅ）はθ＝１．０度、（ｆ）はθ＝２．０度のときのスペクトルである。
【００３１】
まず、図７（ａ）に示すように、傾き角０度の場合には、１０６３ｎｍ付近で多モード発振している。前述したように、外部ミラー２がない場合、傾き角０度の条件では非出射側ミラー１２とバンドパスフィルタ３との共振により１０５９ｎｍ付近での多モード発振となる。この場合、１０５９ｎｍ付近の光は外部ミラー２において高反射領域であるので、外部ミラー２を透過できず、バンドパスフィルタ３を通して半導体レーザ素子１に戻される。そして、この１０５９ｎｍ付近の光は、非出射側ミラー１２と外部ミラー２との間を複数回往復するうちに、バンドパスフィルタ３の透過率がやや高くなる１０６３ｎｍ付近の光の誘導放出に利用されるようになり、この波長域で発振が生じる。図７（ａ）に示すデータは、このような状況を示していると考えられる。
【００３２】
この例では、トータルの光出力は、バンドパスフィルタ３が単なるバンドパスフィルタ３としてのみ作用している領域（（ｄ）〜（ｆ））に比べて大きいものの（９００ｍＷ程度）、目的とする１０６５ｎｍ付近の光ではないうえにモード広がりが大きいためピーク分散によって出力が安定しない。また、図７（ａ）に示すように、約２ｎｍ程度のブロードな波長域においてマルチモードとなっているので、波長変換素子によって波長変換を行う場合、例えば０．４ｎｍ程度の狭い波長域での光しか変換されないため、無駄になる光が多くなってしまい、エネルギー効率が悪い。
図６に示すように、トータルの光出力は、傾き角θを０度から大きくすると少しずつ低下するが、０．１度から上昇に転じ、０．２度でピークとなり、以後、徐々に低下して０．５度で４００ｍＷ程度の値に落ち着く。この際のスペクトルが、図７（ｂ）（ｃ）及び図８（ｄ）に示されている。
【００３３】
図７（ｂ）（ｃ）に示すように、一方、傾き角θが０．２〜０．３度の場合には、発振波長はバンドパスフィルタ３の透過波長域内である１０６４．９〜１０６５．９ｎｍの範囲付近にシフトし、透過中心波長付近に限定された狭い波長領域でマルチモード発振している。これは、前述したように、半導体レーザ素子１内のレーザ媒質（ここでは活性層１１）を通した共振が、バンドパスフィルタ３との共振から外部ミラー２との共振に変わってきたためである。非出射側ミラー１２と外部ミラー２との間での共振、即ち、バンドパスフィルタ３を透過した光の共振が優勢になったため、１０６５ｎｍ付近での誘導放出にエネルギーが集中して利用され、この波長域でレーザが発振されている。
【００３４】
とはいえ、非出射側ミラー１２とバンドパスフィルタ３との間の共振も残っている（即ち、弱いながらも非出射側ミラー１２とバンドパスフィルタ３との間で共振しようとしている）。この共振の波長が、１０６５ｎｍ付近の光を放出する遷移に対して影響を与え、マルチモード化させているものと考えられる。非出射側ミラー１２とバンドパスフィルタ３との間の共振が全くない状態では、非出射側ミラー１２と外部ミラー２との間の共振のみとなり、非出射側ミラー１２と外部ミラー２との間で最も共振する波長（バンドパスフィルタ３において最も透過率が高い波長、透過中心波長）にエネルギーが集中し易く、単一波長（シングルモード）での発振となる。一方、非出射側ミラー１２とバンドパスフィルタ３との間の共振が少し残っていると、この共振波長は、バンドパスフィルタ３の最も透過率の高い波長ではないので、最も透過率の高い波長の光を放出する遷移以外の遷移に対してエネルギーを与える形となり、この結果、発振波長がマルチ化するものと考えられる。
【００３５】
そして、このように非出射側ミラー１２と外部ミラー２との間の弱い共振が影響する結果、バンドパスフィルタ３の透過中心波長近傍の狭い波長領域に限定されたマルチモード発振となることにより、広いスペクトル積分値が得られる。従って、スペクトル積分値と相似関係にある光出力も図６（ｂ）付近で大きくなる。また、光出力は、０．５度で４００ｍＷに落ち着いており、図８（ｄ）に示すように０．５度の場合にはシングルモードでの発振になっていることから、０．２度以上０．５度未満では、マルチモードの発振となっていると判断される。
尚、図８（ｄ）（ｅ）（ｆ）に示すように、傾き角θが０．５度以上では、シングルモードの発振波長が異なっているが、これは、傾き角θが変化する結果、バンドパスフィルタ３の透過中心波長が僅かに短波長シフトすることによる。
【００３６】
このように、実施形態のレーザ光源装置では、バンドパスフィルタ３の傾き角θを光軸に対して０．２度以上０．５度未満としているので、半導体レーザ素子１の非出射側ミラー１２とバンドパスフィルタ３の間の共振が弱く存在し、この影響で外部ミラー２から出力されるレーザ光は、バンドパスフィルタ３の透過中心波長においてマルチモード化する。このため、スペックルノイズの低減に効果がある。この際、非出射側ミラー１２−外部ミラー２間の共振が利用されるので、この間の共振を全く利用しない場合（バンドパスフィルタ３を単なる狭帯域フィルタとして利用する場合）に比べ、光出力が大きくなり、この点でエネルギー効率が高くなる。また、多モード化は、バンドパスフィルタ３の透過波長域という狭い範囲に限られるので、狭い波長域でのみ光が有効に利用される用途において無駄になるエネルギーがなく、この点でさらにエネルギー効率が高くなる。
【００３７】
次に、第二の実施形態のレーザ光源装置について説明する。図９は、第二の実施形態のレーザ光源装置の概略図である。図９に示す第二の実施形態のレーザ光源装置は、第一の実施形態と同様、半導体レーザ素子１と、外部ミラー２とを備えており、半導体レーザ素子１と外部ミラー２との光路上にはバンドパスフィルタ３が傾き角θで設けられている。
【００３８】
そして、図９に示すように、第二の実施形態では、半導体レーザ素子１と、バンドパスフィルタ３の間の光路上に波長変換素子４が設けられている。波長変換素子４は、非線形光学効果を利用したもの（非線形光学結晶）であり、この実施形態では擬似位相整合（ＱＰＭ）素子となっている。例えば、周期的に分極の方向を反転させたＬｉＮｂＯ３結晶（いわゆるＰＰＬＮ）が使用される。
【００３９】
ＱＰＭ素子である波長変換素子４は、入射波長に対して非線形光学効果により第二高調波（ＳＨＧ）を生じさせ、第二高調波は擬似位相整合により減衰することなく出射される。この実施形態では、１０６５．４ｎｍの基本波を５３２．７ｎｍの第二高調波に変換することを想定しており、ＱＰＭ素子である波長変換素子４における分極反転の周期Λは７μｍ程度である。
【００４０】
また、外部ミラー２は、波長変換素子４による波長変換後のレーザ光を出力させるものとなっている。即ち、外部ミラー２は、同様に誘電体多層膜より成るミラーではあるものの、５３２．７ｎｍ付近の波長（例えば５２０〜５４０ｎｍ）については９５％以上の透過率を持ち、それ以外の波長域では９９．５％以上の高い反射率のミラーであるローパスフィルタの設計となっている。
なお、通常、波長変換素子４の入射面と出射面には、基本波と第二高調波の反射防止膜が誘電体多層膜によって形成される。
【００４１】
第二の実施形態の装置は、波長変換素子４を設けた点及び外部ミラー２の低反射率波長域が異なる点以外については、第一の実施形態の装置と同様である。即ち、半導体レーザ素子１はＧａＡｓ系等の面発光レーザであり、バンドパスフィルタ３は、透過中心波長は１０６５．４ｎｍで９０％以上の透過率の波長域が透過中心波長に対して±０．５ｎｍである狭帯域フィルタである。そして、バンドパスフィルタ３は、傾き角θで光軸に対して傾けられており、θは０．２度以上０．５度未満となっている。
【００４２】
このような第二の実施形態のレーザ光源装置においては、半導体レーザ素子１から放出された光のうち、バンドパスフィルタ３を透過しない一部の波長の光が非出射側ミラー１２とバンドパスミラーとの間で弱く共振するとともに、バンドパスフィルタ３の透過波長域の光が非出射側ミラー１２と外部ミラー２との間で共振する。この結果、バンドパスフィルタ３の透過波長域である１０６５ｎｍ付近においてマルチモードでレーザ発振する。
【００４３】
発振したレーザ光は、波長変換素子４中を繰り返し通過し、この際、第二高調波に波長変換され、５３２．７ｎｍの光が波長変換素子４から出力される。外部ミラー２は、５３２．７ｎｍについては低反射率となっているので、波長変換素子４から出力された５３２．７ｎｍの光のうちの一部は、外部ミラー２を透過し、最終的に装置から出力される。この５３２．７ｎｍは緑色のレーザ光であり、第二の実施形態の装置は、プロジェクタ用の光源装置として好適に使用され得る。
【００４４】
ここで、前述した第一の実施形態の説明でわかるように、波長変換素子４に入射する基本波は、バンドパスフィルタ３の透過波長域内の適度な範囲でマルチモード化している。このため、波長変換素子４における波長許容範囲を十分に有効利用することができており、これによってエネルギー効率がより高くなっている。以下、この点について図１０を使用して説明する。図１０は、第二の実施形態の装置におけるエネルギー効率について示した概略図である。
【００４５】
図１０では、ＰＰＬＮ結晶を波長変換素子４として用い、外部ミラー２から出射される光のスペクトルを測定した結果が示されている。図１０の（ｂ）〜（ｆ）は、図６や図７及び図８の（ｂ）〜（ｆ）と同じ意味であり、（ｂ）が傾き角θ＝０．２度のときの結果、（ｃ）がθ＝０．３度のときの結果、（ｄ）がθ＝０．５度のときの結果、（ｅ）がθ＝１．０度のときの結果、（ｆ）がθ＝２．０度のときの結果をそれぞれ示す。
図１０の各（ｂ）〜（ｆ）において、波長変換素子４に入射していると想定される基本波のスペクトルが左側に示され、測定された第二高調波のスペクトルが右側に示されている。左側のスペクトルは、波長変換素子４を設けない第一の実施形態の装置におけるデータを流用したものである。尚、図７（ｃ）ではスケールが狭いのでわかりにくいが、図１０（ｃ）の左側に示すように、θ＝０．３度の条件ではマルチモード発振となっている。
【００４６】
ＱＰＭ素子において、分極反転周期Λは、変換しようとする基本波の波長に応じ、ＱＰＭ素子結晶の屈折率と使用温度を考慮して設定される。例えば、図１０に結果を示す実験では、分極反転周期Λ＝７μｍのＰＰＬＮ結晶を用いたが、この場合、ＰＰＬＮ温度は約９５度において１０６５．４６ｎｍを最も効率よく変換することができる。尚、最も効率よく変換できる波長での基本波と変換量の比率を１とし、このときの変換効率１００％と仮定すると、９０％の変換効率が得られる波長域は０．１２ｎｍ程度の幅、５０％では０．３６ｎｍ程度の幅である。図１０において、９０％変換の波長幅、５０％変換の波長幅（この明細書でいう波長許容幅）がそれぞれ異なる破線で示されている。
【００４７】
図１０において、（ｂ）〜（ｆ）の各左側のスペクトルで基本波が入射すると、出射される各第二高調波のスペクトルは各右側のようになった。ここで、θ＝０．２度（図１０（ｂ））やθ＝０．３度（図１０（ｃ））の場合には、波長が比較的ブロードであり、５０％変換効率のエリアに二つの発振ピークが入っている。したがって、出力される第二高調波も比較的ブロードであり、マルチモードとなっている。一方、θ＝０．５度（図１０（ｄ））、θ＝１．０度（図１０（ｅ））、θ＝２．０度（図１０（ｆ））の場合、入射基本波の波長域が狭くシングルモードであるため、出射される第二高調波も狭いシングルモードとなっている。前述したスペックルノイズ除去の観点からは、図１０（ｂ）や（ｃ）のスペクトルが好ましく、よりブロードであるため、図１０（ｂ）（θ＝０．２度）がより好ましい。
【００４８】
また、図１１は、図１０の各右側に示す光出力をパワーメータで測定した結果であり、図１１の（ｂ）〜（ｆ）各点の光出力の値は図１０の各右側のスペクトル積分値と相似関係にある。図６と同様の図である。
ここで、基本波はできる限り外部共振器内部に閉じ込めて利得を稼ぐとともに、第二高調波に変換された光は外部ミラー２を透過させて出射させたいため、外部ミラー２は、基本波発振波長付近１０００〜１１００ｎｍにおいては９９．５％以上の反射率を持ち、かつ５２０〜５４０ｎｍにおいて９５％以上の透過率を持つローパスフィルタとなっている。
傾き角θ＝０度において生じる非出射側ミラー１２とバンドパスフィルタ３との間の共振よる基本波は、図７（ａ）に示すように１０６１から１０６６ｎｍの広範囲で小さな発振しかないため、波長変換素子４によって殆ど変換されない。したがって、θ＝０度のときの出力はほぼゼロとなっている。
【００４９】
図１１に示すように、光出力は、θ＝０．１度あたりで急上昇し、θ＝０．２度で２０ｍＷ程度である。そして、θ＝０．３度でピークとなり、７５ｍＷ程度である。その後は、θの増加に伴い、バンドパスフィルタ３の透過中心波長の短波長シフトにより基本波の発振波長がＰＰＬＮで変換可能な波長域からずれてしまうために変換光の光出力は徐々に下降する。この図１１の結果を見る限り、エネルギー効率としては、θ＝０．３度が最適ということになる。つまり、スペックルノイズ除去に有効なブロード光を最優先するのであればθ＝０．２度であり、エネルギー効率を最優先するのであればθ＝０．３度ということになる。
ちなみに、バンドパスフィルタの透過中心波長の短波長シフトによる出力低下は、周知のことながらＰＰＬＮの温度制御によって防ぐことが可能である。例えばＰＰＬＮ温度を下げることによって変換波長が短波長になるが、そのような温度調節機構が必要となる。但し、温度調節によってＰＰＬＮの変換波長を基本波の発振波長に合わせたとしても図１１の（ｅ）θ＝１．０度と同等出力が最大であって、（ｃ）θ＝０．３度の出力には及ばない。
【００５０】
このように、第二の実施形態のレーザ光源装置では、面発光レーザの第二高調波として５３２．７付近ｎｍの緑色光が得られ、その際、適度な範囲でマルチモードとなっているのでスペックルノイズ除去に効果がある上、エネルギー効率が高くなっている。このため省消費電力で輝度の高い光源となり、スクリーン投影用の光源装置としてより好ましいものとなる。マルチモードとはいっても、０．１〜０．２ｎｍ程度の狭い範囲であるので、色純度の低下が問題となることはない。
尚、第二の実施形態において、波長変換素子４は、バンドパスフィルタ３と外部ミラー２との間に配置されていても良い。この場合も、非出射側ミラー１２と外部ミラー２との間の共振により発振されるレーザ光が基本波となって波長変換素子４に入射することに変わりはない。
【００５１】
次に、第三の実施形態のレーザ光源装置について説明する。図１２は、第三の実施形態のレーザ光源装置の斜視概略図である。図１２に示すように、第三の実施形態のレーザ光源装置は、複数の半導体レーザ素子１を備えている。複数の半導体レーザ素子１は、一列に配列されている。各半導体レーザ素子１は、光軸が互いに平行になるように配列されており、配列の方向は、各光軸に対して垂直方向である。
【００５２】
この実施形態においても、半導体レーザ素子１に対しては、外部ミラー２と、バンドパスフィルタ３と、波長変換素子４とが設けられている。図１２に示すように、外部ミラー２及び波長変換素子４は一つの半導体レーザ素子１に対して一つずつ設けられているが、バンドパスフィルタ３は、全ての半導体レーザ素子１に対して一つ設けられている。
各外部ミラー２は、対応する半導体レーザ素子１の光軸上に精度良く設けられている。各波長変換素子４も、対応する半導体レーザ素子１の光軸上に精度良く設けられている。
【００５３】
各半導体レーザ素子１は、同様にＧａＡｓ系等の面発光レーザである。外部ミラー２は、同様に５３２．７ｎｍを含む５２０〜５４０ｎｍ程度の波長域において９５％以上の透過率を持ち、他の波長域については９９．５％以上の高反射ミラーとして振舞うローパスフィルタである。波長変換素子４も、ＰＰＬＮのようなＱＰＭ素子であり、疑似位相整合を行いながら第二高調波を出力するものである。
【００５４】
また、バンドパスフィルタ３は、透過特性としては、前述したものと同様に、透過中心波長が１０６５．４ｎｍで９０％透過率の幅が透過中心波長に対して±０．５ｎｍである狭帯域フィルタである。図１２に示すように、バンドパスフィルタ３は、長方形の板状であり、長辺の方向が各半導体レーザ素子１の配列方向に向いている。
【００５５】
そして、バンドパスフィルタ３は、図１２に示すように、各半導体レーザ素子１の光軸に対して傾けて配置されている。傾きの軸は、図１２に示すように、バンドパスフィルタ３の長手方向であり、したがって各半導体レーザ素子１の配列方向に平行な方向である。即ち、バンドパスフィルタ３は、各半導体レーザ素子１の光軸に垂直な軸の回りに傾けられている。傾き角θは、前述したのと同様に、０．２度以上０．５度未満である。
【００５６】
この実施形態においても、各半導体レーザ素子１の非出射側ミラー１２とバンドパスフィルタ３との間で弱い共振が生じ、この共振が、非出射側ミラー１２と外部ミラー２との間の主たる共振（バンドパスフィルタ３の透過波長域での共振）に影響を与えるので、各外部ミラー２から出力されるレーザ光は、バンドパスフィルタ３の透過波長域においてマルチモード化し、且つエネルギー効率が高くなる。
【００５７】
この実施形態では、一列に配列された複数の半導体レーザ素子１に対して一つのバンドパスフィルタ３が設けられているので、配列方向と平行な軸の回りにバンドパスフィルタ３を傾斜させるだけで、上記マルチモード化、エネルギーの高効率化が図れるので、装置の組み立ての際の調整が容易である。尚、外部ミラー２、波長変換素子４についても、複数の半導体レーザ素子１に対して一つ設けられていても良い。
尚、この実施形態のレーザ光源装置は、各外部ミラー２からの出力光を光ファイバで任意の場所に導く構成が好適に採用される。この場合、各外部ミラー２の出射側に、光ファイバの入射端が配置され、各光ファイバは一本に束ねられ、出射端が任意の場所に配置される。高輝度の光源装置とするため、数十個程度の半導体レーザ素子１を配列した構成が採用されることもある。
【００５８】
次に、このようなレーザ光源装置を使用したスクリーン投影装置の発明の実施形態について説明する。図１３は、第一の実施形態のスクリーン投影装置の概略図である。図１３に示すスクリーン投影装置は、走査型の投影装置となっており、ＲＧＢの三原色それぞれについて設けられた光源装置１０と、各光源装置１０からの各光源装置１０からの光を合成する合成用光学系５と、合成された三原色をスクリーンＳ上で走査することで映像を投影する一対のＭＥＭＳミラー６１，６２とから主に構成されている。
【００５９】
各光源装置１０は、レーザを光源とした装置が使用される。ＲＧＢのうち、Ｇ（緑）については、前述した第二実施形態又は第三実施形態のものが好適に使用できる。合成用光学系５は、反射ミラー５０及び各ハーフミラー５１を使用したものである。
一対のＭＥＭＳミラー６１，６２としては、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）が使用される。一方のＭＥＭＳミラー６１は、スクリーン上での縦方向の走査用であり、他方のＭＥＭＳミラー６２は横方向の走査用である。
【００６０】
各光源装置１０は、一対のＭＥＭＳミラー６１，６２による走査の周期及び投影すべき映像に応じて出力の大きさを変調する不図示の輝度変調回路を備えている。投影装置は、輝度変調回路及び一対のＭＥＭＳミラー６１，６２を駆動することで、入力されたデジタルデータの映像をスクリーンＳ上に投影する。
【００６１】
また、図１４は、第二の実施形態のスクリーン投影装置の概略図である。図１４に示す投影装置は、空間光変調を行うことで映像を投影する装置であり、ＲＧＢの三原色それぞれについて設けられた光源装置１０と、各光源装置１０について設けられた空間光変調器７と、各空間光変調器７で変調された光を合成する合成用光学系５と、投影レンズ８などから主に構成されている。各光源装置１０と各空間光変調器７との間の光路上には、不図示のビームエキスパンダが配置されており、各光源装置１０からの光は広がったビーム（平行光）となって各空間光変調器７に照射される。
【００６２】
同様に、各光源装置１０はレーザ光源装置１０とされ、例えばＧ（緑）について、第二実施形態又は第三実施形態の光源装置１０が採用される。空間光変調器７は、光軸に垂直な二次元平面において光の強さを変調できる素子であり、透過型又は反射型の液晶素子が使用される。合成用光学系５としては、三角プリズムを組み合わせたものが使用される。入力されたデジタルデータに基づいて各空間光変調器７を制御することで、スクリーンＳ上にデジタル映像が投影される。
【００６３】
このような各実施形態のスクリーン投影装置において、Ｇ用の光源装置１０において、前述したように適度な範囲でマルチモード化された光が出力されるので、スクリーン上でスペックルノイズを除去しつつ色純度の高い鮮明な映像が表示できる。Ｒ用やＢ用の光源装置１０においても、同様の構成を採用してさらに効果を高めることもできる。
【００６４】
上記各実施形態では、半導体レーザ素子１として面発光レーザを使用したが、端面発光のレーザ光源を使用しても同様に実施できる。
バンドパスフィルタ３の傾き角θは、発光エリアの大きさと、半導体レーザ素子１の非出射側ミラー１２と外部ミラー２との距離ｄに依存すると考えられる。
しかし、図４の実験結果より、非出射側ミラー１２とバンドパスフィルタ３とで共振できる角度は距離に対して依存性が小さい。これは同時に、距離を一定と考えるとレーザ素子の大きさに対しても依存性が小さいことを示している。
従って、これら半導体レーザ素子は、発光エリアの大きさに多少の大小はあるものの、０．２度以上０．５度未満の傾き角θは、汎用的な数値であり、特に面発光半導体レーザ素子の発光エリアは１００〜５００μｍ程度の大きさ（最も長い方向で見た幅）であり、外部ミラー２による共振長は１０ｍｍ以下であることが殆どであるため、０．２度以上０．５度未満の傾き角θにおいて上記効果を十分に享受することができる。
【００６５】
また、各実施形態において、バンドパスフィルタ３は角度調節ののち固定するか、あるいは傾き角θを適宜調整するため、マイクロメータのような微調節機構を備えた台座に装着してもよい。微調節機構については、外部からフィードバック制御を行うためにサーボモータを使用した駆動機構が付設されることもある。
尚、バンドパスフィルタ３の透過中心波長は、必要な光出力の波長に応じて決められることは言うまでもない。外部ミラー２についても、必要な光出力の波長に応じて低反射の波長域が定められるが、光路の途中にビームスプリッタを配置して光を取り出す場合もあり、この場合には、全波長域において高反射のものが外部ミラー２として採用される場合もある。
【００６６】
また、ＱＰＭ素子である波長変換素子４としては、前述したＰＰＬＮの他、ＰＰＬＴやＰＰＫＴＰ等のＱＰＭ用結晶が使用されることもある。
尚、スクリーン投影装置の発明の実施形態においては、「スクリーン」は、映像投影の対象面を成すというだけの広い意味に解されるべきであり、スクリーンＳは映像投影用として用意された専用のものでない場合もある。例えばビルの壁面等に映像を投影して鑑賞する技術が最近実用化されているが、本願発明のスクリーン投影装置はこのような用途にも用いることができるからである。
【００６７】
また、上記各実施形態では、半導体レーザ素子１は内部に共振器を有するものであり、さらに外部に外部ミラー２を配置して共振器を形成したが、内部共振器を有しない半導体レーザ素子が使用されることもある。例えば、端面発光レーザを使用して出射側のへき開面に反射防止膜を設けて透過面とし、非出射側の端面と外部ミラーで形成された共振器のみとしても良い。もしくは、非出射側のへき開面も透過面とし、非出射側に全波長高反射の別の外部ミラーを設置し、外部ミラー同士で共振する構造を採用しても良い。つまり、本願発明において、「半導体レーザ素子が備える非出射側ミラー」は、半導体レーザ素子の外部にあっても良い。
尚、以上の各実施形態において、実験や測定に用いられたバンドパスフィルタ、反射ミラー、ＰＰＬＮに関する数値は、あくまで参考値として記載したものであって、これら数値に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００６８】
１  半導体レーザ素子
１１  活性層
１２  非出射側ミラー
１３  出射側ミラー
２  外部ミラー
３  バンドパスフィルタ
４  波長変換素子
【図１】
2015115509.tif 000003
【図２】
2015115509.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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