(57)【要約】【課題】ファイバレーザを用い、Ｗ級の高出力の緑色レーザ出力光を安定して得られる波長変換装置において希土類添加ファイバの発熱による効率低下を防止する。【解決手段】本発明の波長変換装置は、レーザ活性物質を含むファイバと前記ファイバに形成されたファイバグレーティングとを有するレーザ共振器と、前記ファイバに励起光を入射するレーザ光源と、上記レーザ共振器から出射するレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを具備し、上記レーザ共振器は、前記ファイバは、コイルされ、その外側が励起光の波長に対する反射面を有する放熱部材で覆われていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ活性物質を含むファイバと前記ファイバに形成されたファイバグレーティングとを有するファイバレーザ共振器と、
前記ファイバに励起光を入射するためのレーザ光源と、
前記ファイバレーザ共振器から出射するレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを具備し、
前記レーザ活性物質を含むファイバは、コイルされ、
前記ファイバの外側面の少なくとも一部は、前記励起光の波長に対する反射面を有するとともに、前記ファイバにより生じた熱を放熱可能な放熱部材で覆われていることを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記放熱部材は、シート状の金属からなることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記放熱部材は、金属からなり、前記ファイバの外側面にコーティングされていることを特徴とする請求項１の波長変換装置。
【請求項４】
前記ファイバは、熱伝導シート上に保持された状態で、互いに圧着された一対の樹脂フィルムの内側に納められていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記熱伝導シートの一部は、前記一対の樹脂フィルムの外側に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記ファイバのクラッド径は、１２０μｍ以上１３０μｍ以下であり、前記ファイバのコア径は、１２μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記ファイバのクラッド径は、１２０μｍ以上１３０μｍ以下であり、前記ファイバは、直径１０ｃｍ以下でコイルされており、前記ファイバのコア径は、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項８】
前記ファイバは、前記レーザ活性物質としてＹｂイオンあるいはＮｄイオンを含有していることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項９】
前記レーザ光源の発振波長は、９００ｎｍ以上９８０ｎｍ以下であり、前記放熱部材は、アルミニウムあるいは金を用いた金属からなることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１０】
前記レーザ光源の発振波長は、４５０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下であり、前記放熱部材は、アルミニウムを用いた金属からなることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１１】
前記ファイバは、コアと、前記コアの外側に設けられたクラッドと、前記クラッドの外側に設けられた被覆膜とを備え、前記放熱部材は、前記被覆膜の外側面に設けられていることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１２】
前記熱伝導シートは、層状グラファイトから構成されていることを特徴とする請求項４に記載の波長変換装置。
【請求項１３】
温度変化に伴う前記ファイバの軸方向の寸法変化を抑制するための温度補償機構をさらに備え、前記温度補償機構は、前記ファイバグレーティングに対応する位置に設けられていることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１４】
前記ファイバのコイルされた部分は、前記熱伝導シート上に形成された溝内に配置された状態で、前記各樹脂フィルムの間に収められていることを特徴とする請求項４に記載の波長変換装置。
【請求項１５】
前記一対の樹脂フィルムの外側に配置された前記熱伝導シートの一部には、ヒートシンクが設けられていることを特徴とする請求項５に記載の波長変換装置。
【請求項１６】
前記ファイバにコーティングされた放熱部材は、熱伝導シート上に保持された状態で、互いに圧着された一対の樹脂フィルムの内側に納められていることを特徴とする請求項３に記載の波長変換装置。
【請求項１７】
前記熱伝導シートの一部は、前記一対の樹脂フィルムの外側に配置されていることを特徴とする請求項１６に記載の波長変換装置。
【請求項１８】
前記一対の樹脂フィルムの外側に配置された前記熱伝導シートの一部には、ヒートシンクが設けられていることを特徴とする請求項１７に記載の波長変換装置。
【請求項１９】
請求項１〜１８の何れか１項に記載の波長変換装置を搭載する２次元画像表示装置であって、入力映像信号の輝度情報に応じて光量を制御する機構を具備しており、光源をＰＷＭ制御することにより平均光量の制御を行うことを特徴とする２次元画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバレーザと波長変換素子とを組み合わせて安定かつ高出力の可視光レーザを得るための波長変換装置、および、この波長変換装置を光源として用いた２次元画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単色性が強くＷ級の高出力を得ることができる可視光光源は、大型ディスプレイや高輝度ディスプレイ等を実現するうえで必要とされている。赤、緑、青の３原色のうち赤色の光源としては、ＤＶＤレコーダー等で使用されている赤色高出力半導体レーザを、生産性の高い小型の光源として利用することができる。しかし、緑色または青色の光源を半導体レーザ等により実現するのは難しく、緑色または青色の光源として生産性の高い小型の光源が求められている。とりわけ、緑色の出力光を得ることは、半導体レーザとして構成できる適当な材料がないこともあり、緑色の光源を実現するうえでの難易度は高い。
【０００３】
このような光源として、ファイバレーザと波長変換素子とを組み合わせた波長変換装置が低出力の可視光光源として実現されている。前記可視光光源は、ファイバレーザを励起する励起光の光源としての半導体レーザと、波長変換素子としての非線形光学結晶とを有し、緑色や青色の小型の光源としてよく知られている。
【０００４】
しかしながら、このような波長変換装置を用いてＷ級の高出力の緑色や青色の出力光を得るためには、いくつかの課題を解決することが必要である。従来の波長変換装置の構成で、例えば、緑色の出力光を得る場合、波長変換装置は、基本波を出力するファイバレーザと、基本波を緑色のレーザ光に変換する波長変換素子と、この波長変換素子の端面に基本波の出力を集光するレンズとから構成されている。
【０００５】
さらに、このファイバレーザの基本のレーザ動作について説明する。まず、励起用レーザ光源からの励起光がファイバの一端から入射する。ファイバに入射した励起光は、ファイバに含まれるレーザ活性物質で吸収され、その後、ファイバの内部では基本波の種光が発生する。この基本波の種光は、例えば、ファイバに形成されたファイバグレーティングと、別のファイバのファイバグレーティングとを一対の反射ミラーとする共振器の中を何度も反射して往復する。それと同時に、種光は、ファイバに含まれるレーザ活性物質によるゲインで増幅されて、光強度が増大し波長選択もされてレーザ発振に到る。なお、ファイバとファイバとは、接続部で接続されており、レーザ光源は、励起用レーザ電流源により電流駆動される。
【０００６】
次に波長変換装置の基本動作について説明する。上記のようにしてファイバレーザにより基本波が出力され、前記基本波は、レンズを介して波長変換素子に入射する。このファイバレーザから入射された基本波は、波長変換素子の非線形光学効果により高調波に変換される。この変換された高調波は、ビームスプリッタで一部反射される一方、透過した高調波は、波長変換装置の出力光である緑色のレーザ光となる。
【０００７】
なお、ビームスプリッタにおいて反射された一部の高調波は、波長変換装置の出力光をモニターするための受光素子で受光された後に電気信号に変換されて利用される。この変換された信号の強度に基づいて、波長変換装置で所望の出力が得られる強度になるように、出力制御部は、励起用レーザ電流源でレーザ光源の駆動電流を調整する。そうすると、レーザ光源からの励起光の強度が調整され、これに伴いファイバレーザの基本波の出力強度が調整され、その結果として波長変換装置の出力の強度が調整される。このことにより、波長変換装置の出力の強度は一定に保たれる、いわゆるオートパワーコントロール（以下、「ＡＰＣ」と略する）が安定に動作することとなる。
【０００８】
このような構成により、Ｗ級の高出力である緑色のレーザ光を得る、すなわち、波長変換装置の光出力を増大するためには、ファイバレーザの基本波および励起光の出力を増大させる必要がある。一方、ファイバレーザは、レーザ媒質が細長い形状とされているとともに大きな表面積を有しているため、もともと発生する熱を放熱させやすい構成となっているものの、基本波および励起光の出力を増大させると希土類添加ファイバの発熱によりファイバレーザの効率が低下する事が知られている。このようなファイバレーザの効率低下を防止するために従来から、金属製のリールにファイバを巻き付けることにより放熱を改善する方法（例えば、特許文献１）などが提案されている。一方、出力が数百ｍＷレベルのファイバレーザにおいて希土類添加ファイバの取り扱いを容易にするために、粘着フィルム内に希土類ファイバを保持させる方法（例えば、特許文献２）も提案されている。また、ファイバ端面から励起をしない構成（例えば、特許文献３）も提案されている。
【特許文献１】特開２００４−３５６４２１号公報
【特許文献２】特許第２８８８１５７号明細書
【特許文献３】特開２００１−１５６３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、基本波の出力が７Ｗを超えるようなファイバレーザ光源では、ファイバの発熱を効率よく放熱するのが難しく、励起光から発生光への変換効率を向上するのが困難だった。従来例のような金属製のリールを使用する場合には、部材費及び製作コストがかかる、小型化が難しいなどの問題があった。一方で、放熱を良くするためにファイバどうしが重ならないよう配置することも考えられるが、取り扱いが難しくなる上、広いスペースが必要となり、小型化が困難になるという課題も存在する。
【００１０】
本発明は上記相反する従来の課題を解決するものであり、Ｗ級の高出力の緑色や青色のレーザ出力光を安定して得られる波長変換装置と、この波長変換装置を用いた高輝度の２次元画像表示装置とを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明の波長変換装置は、レーザ活性物質を含むファイバと前記ファイバに形成されたファイバグレーティングとを有するファイバレーザ共振器と、前記ファイバに励起光を入射するためのレーザ光源と、前記ファイバレーザ共振器から出射するレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを具備し、前記レーザ活性物質を含むファイバは、コイルされ、前記ファイバの外側面の少なくとも一部は、前記励起光の波長に対する反射面を有するとともに、前記ファイバにより生じた熱を放熱可能な放熱部材で覆われていることを特徴とする。
【００１２】
前記波長変換装置によれば、放熱部材によってファイバの放熱が円滑に行われるため、レーザ光源による励起光から発振光への変換効率を向上することが出来る。この変換効率の向上によって、より少ない励起光で所望の出力の高調波が得られるようになり、単位投入電力から得られるレーザ光の出力を大きくすることが出来る。
【００１３】
前記ファイバレーザを波長変換装置に使用することにより、大きな基本波を得る場合においても、前記励起光から発振光への変換効率が低下し難く、高効率・高出力な可視レーザ光源を実現することが出来る。
【００１４】
また、本発明の波長変換装置によれば、同じ光出力を得るための励起光の光量を従来技術と比較して少量にすることができるため、装置全体の超寿命化・信頼性の向上が可能となる。
【００１５】
さらに、前記構成では、前記レーザ活性物質を含むファイバの外側面が放熱部材によって覆われているとともに、この放熱部材は、励起光を反射する反射面を有しているため、レーザ活性物質を含むファイバから放射された励起光を再利用することが出来る。
【００１６】
前記波長変換装置において、前記放熱部材は、シート状の金属からなることが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、シート状金属をファイバの外側面に巻き付けることにより、ファイバ外部へ放射されていた励起光の一部を再利用することが可能となる。
【００１８】
前記波長変換装置において、前記放熱部材は、金属からなり、前記ファイバの外側面にコーティングされていることが好ましい。
【００１９】
この構成によれば、周知の蒸着装置等を用いて、ファイバの外側面に容易に放熱部材を設けることができる。
【００２０】
前記波長変換装置において、前記ファイバは、熱伝導シート上に保持された状態で、互いに圧着された一対の樹脂フィルムの内側に納められていることが好ましい。
【００２１】
この構成によれば、前記ファイバが一対の樹脂フィルム同士の内側に納められているので、前記ファイバの取り扱いが容易となる。
【００２２】
加えて、前記ファイバを各樹脂フィルム内に真空パックすることにより、取り扱いが容易となるうえ、放熱部材と前記ファイバとの密着性も向上するためより効率よく放熱することが可能となる。
【００２３】
この構成のファイバレーザを波長変換装置に使用することにより、大きな基本波を得る場合においても、効率が低下せず、高効率・高出力な可視レーザ光源を実現することが出来る。
【００２４】
前記波長変換装置において、前記熱伝導シートの一部は、前記一対の樹脂フィルムの外側に配置されていることが好ましい。
【００２５】
この構成によれば、前記ファイバにおいて発生した熱を前記熱伝導シートを介して前記各樹脂シートの外側位置で放熱することができる。
【００２６】
前記波長変換装置において、前記ファイバのクラッド径は、１２０μｍ以上１３０μｍ以下であり、前記ファイバのコア径は、１２μｍ以下である構成とすることができる。
【００２７】
また、前記ファイバのクラッド径は、１２０μｍ以上１３０μｍ以下であり、前記ファイバは、直径１０ｃｍ以下でコイルされており、前記ファイバのコア径は、１０μｍ以下である構成とすることもできる。
【００２８】
つまり、励起光から発振光への変換効率は、前記ファイバのコア径が大きくなるほど向上するが、前記ファイバのクラッド径を１２０μｍ以上１３０μｍ以下とした場合に前記コア径が１２μｍを超えると、シングルモードを維持することができなくなるなるため、前記ファイバのコア径は１２μｍ以下とする必要がある。さらに、前記ファイバを直径１０ｃｍ以下でコイルした場合には、シングルモードを維持するためにコア径を１０μｍ以下とすることが必要である。
【００２９】
ここで、Ｙｂイオン又はＮｄイオンは、発生した光を吸収して発熱し、自ら発した熱により発振効率を低下させる現象が顕著に現れるものであるため、前記波長変換装置において、前記ファイバは、前記レーザ活性物質としてＹｂイオンあるいはＮｄイオンを含有していることが特に好ましい。
【００３０】
前記波長変換装置において、前記レーザ光源の発振波長は、９００ｎｍ以上９８０ｎｍ以下であり、前記放熱部材は、アルミニウムあるいは金を用いた金属からなることが好ましい。
【００３１】
つまり、アルミニウム及び金は、９００ｎｍ以上９８０ｎｍ以下の波長を有する励起光を吸収し難いことから、アルミニウム又は金を用いた金属を放熱部材として用いることにより、励起光のロスを減らして励起光から発振光への変換効率をより向上することができる。
【００３２】
前記波長変換装置において、前記レーザ光源の発振波長は、４５０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下であり、前記放熱部材は、アルミニウムを用いた金属からなることが好ましい。
【００３３】
つまり、アルミニウムは、４５０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下の波長を有する励起光を吸収し難いことから、アルミニウムを用いた金属を放熱部材として用いることにより、励起光のロスを減らして励起光から発振光への変換効率をより向上することができる。
【００３４】
前記波長変換装置において、前記ファイバは、コアと、前記コアの外側に設けられたクラッドと、前記クラッドの外側に設けられた被覆膜とを備え、前記放熱部材は、前記被覆膜の外側面に設けられていることが好ましい。
【００３５】
この構成によれば、放熱部材が前記ファイバの被覆膜の外側面に設けられているので、コア及びクラッドの光学的特性を維持することができるとともに、前記ファイバに対する放熱部材の固定の強度も向上することができる。その理由を以下に説明する。
【００３６】
前記放熱部材をファイバに設ける場合、放熱部材をクラッドの外側面に固定することも考えられる。ここで、クラッドの外側面に直接、放熱部材を固定した場合、クラッド自体の屈折率は、変化しないものの、当該クラッドを伝播する光からみたときの透過屈折率が上昇してしまい、却って光がファイバから漏出してしまうおそれがある。一方、前記構成では、被覆層の外側面に固定されているため、コア及びクラッドの光学的特性は、被覆膜までの構成で安定に確保しながら、前記被覆層の外側の放熱部材によって漏出しようとする光を反射して再利用することができる。
【００３７】
さらに、前記クラッドの外側面に直接、放熱部材を固定する場合、光学的特性に与える影響を考慮すると、前記クラッドの外側面に加工を施して放熱部材とクラッドとの固定の強度を上げるといった処置を採ることはできない。これに対し、被覆層の外側面が光学的特性に与える影響は少ないため、被覆層の外側面に加工を施して前記放熱部材と被覆層との固定の強度を上げるといった処置を採ることができる。
【００３８】
前記波長変換装置において、前記熱伝導シートは、層状グラファイトから構成されていることが好ましい。
【００３９】
この構成によれば、層状グラファイトの小さな熱抵抗によって、前記ファイバにより発生する熱を円滑に放出することができる。
【００４０】
前記波長変換装置において、温度変化に伴う前記ファイバの軸方向の寸法変化を抑制するための温度補償機構をさらに備え、前記温度補償機構は、前記ファイバグレーティングに対応する位置に設けられていることが好ましい。
【００４１】
この構成によれば、温度変化に伴うファイバの軸方向の寸法変化を抑制することにより、前記温度変化に伴うファイバグレーティングの屈折率の変化量を小さく抑えることができる。例えば、バイメタルあるいは、負の熱膨張係数を持つセラミック材料を用いてファイバグレーティングの屈折率の変化量を抑えることにより、ファイバグレーティングによる発信波長の変化量を０．０５ｎｍ／℃以下とすることができる。
【００４２】
前記波長変換装置において、前記ファイバのコイルされた部分は、前記熱伝導シート上に形成された溝内に配置された状態で、前記各樹脂フィルムの間に収められていることが好ましい。
【００４３】
この構成によれば、ファイバのコイルされた部分が熱伝導シートの溝内に配置されることにより、ファイバを熱伝導シートに対して位置決めすることができる。したがって、前記熱伝導シートを一対の樹脂フィルムで挟むときに、ファイバの位置がずれてしまうのを抑制することができる。
【００４４】
前記波長変換装置において、前記一対の樹脂フィルムの外側に配置された前記熱伝導シートの一部には、ヒートシンクが設けられていることが好ましい。
【００４５】
この構成によれば、熱伝導シートに各樹脂フィルムの外側に配置された部分を形成した上で、この部分にヒートシンクを設けることにより、さらに効率よくファイバの熱を放出することが可能となる。
【００４６】
前記波長変換装置において、前記ファイバにコーティングされた放熱部材は、熱伝導シート上に保持された状態で、互いに圧着された一対の樹脂フィルムの内側に納められていることが好ましい。
【００４７】
この構成によれば、コーティングされた放熱部材によって、ファイバにより生じた熱の放出及び励起光の再利用を図りながら、さらに放熱部材から放出される熱を熱伝導シートを介して所望の箇所まで導くことが可能となる。
【００４８】
具体的に、前記熱伝導シートの一部を、前記一対の樹脂フィルムの外側に配置することにより、各樹脂フィルムの外側までファイバにより生じた熱を導いて放出することが可能となる。
【００４９】
前記波長変換装置において、前記一対の樹脂フィルムの外側に配置された前記熱伝導シートの一部には、ヒートシンクが設けられていることが好ましい。
【００５０】
このようにすれば、熱伝導シート及びヒートシンクを介してより効率的に放熱を行うことが可能となる。
【００５１】
また、前記波長変換装置において、５１５ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の波長を有する緑色レーザ光を出射する構成としてもよい。この構成により、視感度の高い緑色のレーザ出力光を得ることができるので、色再現性の良いディスプレイ等に使用して、より原色に近い色表現をすることができる。
【００５２】
また、前記波長変換装置において、５４０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の黄緑色〜橙色レーザ光を出射する構成とすれば、医療用途、あるいは理化学実験用レーザとして効率の良いレーザ光源を得ることができる。
【００５３】
前記波長変換装置において、前記ファイバレーザ共振器から発せられる基本波レーザ光の波長は、１０３０ｎｍ以上１２００ｎｍ以下であり、前記基本波レーザ光の出力は、７Ｗ以上である構成とすることできる。
【００５４】
また、前記目的を達成するために本発明は、前記波長変換装置を搭載する２次元画像表示装置であって、入力映像信号の輝度情報に応じて光量を制御する機構を具備しており、光源をＰＷＭ制御することにより平均光量の制御を行うことを特徴とする２次元画像表示装置を提供する。
【００５５】
このような特長を持つ波長変換装置を用いた本発明の２次元画像表示装置は、高輝度で、かつ色再現範囲が広く高画質に加えて、薄型・高効率・低消費電力化も可能であるという大きな効果を奏する。
【００５６】
また、前記目的を達成するために、本発明の２次元画像表示装置は、スクリーンと、複数のレーザ光源と、前記レーザ光源を走査する走査部とを備え、前記レーザ光源は、少なくとも赤色、緑色および青色をそれぞれ出射する光源を用いた構成からなり、前記レーザ光源のうち、少なくとも緑色の光源は、前記のいずれかの波長変換装置を用いた構成とすることができる。
【００５７】
この構成により、視感度の高い緑色のレーザ出力光を得ることができるので、色再現性の良いディスプレイ等に使用して、さらに原色に近い色表現をすることができる。
【００５８】
さらに、前記波長変換装置を搭載する２次元画像表示装置であって、１枚の２次元変調素子を有し、映像信号のＶ−ＳＹＮＣ信号を元に赤・緑・青を順次切り替えて表示させることを特徴とする２次元画像表示装置を提供することもできる。
【発明の効果】
【００５９】
本発明によれば、Ｗ級の高出力の緑色や青色のレーザ出力を安定して得られる波長変換装置および２次元画像表示装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６０】
以下、本発明の実施の形態にかかる波長変換装置および２次元画像表示装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。また、図面で同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合もある。
【００６１】
（実施の形態１）
図１から図５は、本発明の波長変換装置２１の実施の形態１を示す図である。図１に示すように本実施の形態の波長変換装置２１は、ファイバレーザ２２と、ファイバレーザ２２から出射される基本波２３を高調波出力２４に変換する波長変換素子２５とを備えている。
【００６２】
ファイバレーザ２２は、ファイバ２６と、前記ファイバ２６に入射するための励起光２７を出力するレーザ光源２８と、前記ファイバ２６の内部に形成されているとともに予め選択された波長を有する基本波を反射するファイバグレーティング２９と、前記ファイバ２６から出力された基本波２３を波長変換素子２５に導く偏光分離プリズム３０とを備えている。なお、偏光分離プリズム３０は、レーザ光源２８から照射された励起光２７を透過してファイバ２６に導くとともに、ファイバ２６から出射する基本波２３を反射して波長変換素子２５に導く機能を果たすようになっている。また、偏光分離プリズム３０は、ファイバレーザ２２で発生した光がレーザ光源２８（励起光源）へ戻ることを防止している。
【００６３】
このファイバレーザ２２の基本のレーザ動作について次に説明する。図１で半導体レーザ光源２８から照射された励起光２７は、コリメートレンズ３２ａで平行光に変換された状態で偏光分離プリズム３０を透過する。さらに、励起光２７は、集光レンズ３２ｂにより集光されて、ファイバ２６の第２の反射面３３を通ってファイバ２６に入射する。入射した励起光２７は、ファイバ２６に含まれるレーザ活性物質で吸収されつつファイバ２６中を伝搬する。励起光２７は、ファイバグレーティング２９を通過した後、第１の反射面３４で反射されてファイバ２６の中を折り返してレーザ活性物質で吸収されつつ伝搬し、第２の反射面３３に到達するまでに１往復してほぼレーザ活性物質に吸収されて消失する。従来ではファイバ内を一方向に伝搬しつつ励起光が吸収されるだけなので、基本波を増幅するためのゲインは、励起光が伝搬していく方向に進行するに従い減少していく。一方、本実施の形態では、励起光２７はファイバ２６内を折り返して一往復して吸収されるので、基本波を増幅するためのゲインは、従来に比べてファイバ２６内で一様に高くなる。
【００６４】
このように本実施の形態では、励起光２７がファイバ２６の中を一往復してほぼ全て吸収され、基本波を増幅するためのゲインがファイバ２６内で一様に高くなった状態で、基本波２３の種光がファイバ２６の内部で発生する。この基本波の種光は、ファイバ２２の第２の反射面３３とファイバグレーティング２９とを一組の反射面として、この共振器の中を増幅されて強度を増しつつ何度も反射して往復しレーザ発振に至る。
【００６５】
なお、レーザ発振する光は、偏光方向単一化機構３６により直線偏光となっている。
【００６６】
本実施の形態で用いたファイバ２６としては、例えば、高出力の励起光２７を伝播させることが可能なダブルクラッドの偏波保持ファイバを使用することができる。したがって、励起光２７は、ファイバ２６のコアと内側のクラッドの比較的広い領域を伝播して、ファイバ２６に含まれるレーザ活性物質により吸収される。また、ファイバ２６内の広い範囲に励起光２７を伝播することができるので、高出力の励起光２４を用いることもできる。
【００６７】
このようにしてファイバ２６から出力される基本波２３は、第２の反射面３３から出射した後、集光レンズ３２ｂにより平行光に変換されて偏光分離プリズム３０に到達する。偏光分離プリズム３０の反射表面３５は、偏光方向を選択するよう設計されており、励起光２７の波長の光を透過し、基本波２３の波長の光を反射するように構成されている。したがって、基本波２３は、偏光分離プリズム３０の反射表面３５で反射されて波長変換素子２５に導かれる。
【００６８】
次に波長変換素子２５の基本動作について説明する。上記のようにしてファイバレーザ２２により出力された基本波２３のレーザ光は、集光レンズ５３で集光されて波長変換素子２５に入射する。このファイバレーザ２２により出力された基本波２３は、波長変換素子２５に対する入射されるとともに、波長変換素子２５の非線形光学効果により変換され、基本波の１／２の波長を有する高調波出力２４となる。この変換された高調波出力２４は、ビームスプリッタ３７において一部反射され、ビームスプリッタ３７を透過した高調波出力２４のほとんど全てが波長変換装置２１の出力光となって出射される。
【００６９】
なお、高調波出力３８のうちビームスプリッタ３７において反射された一部は、波長変換装置２１の出力光をモニターするための受光素子３９で受光されるとともに電気信号に変換されて利用される。この変換された信号の強度に基づいて、出力コントローラー４０は、波長変換装置２１で所望の出力が得られるように励起用レーザ電流源４１によりレーザ光源２８の駆動電流を調整する。出力コントローラー４０は、ペルチェ素子４６および４７により高調波出力２４が最大となるように０．０１℃の精度で温度調整も行っている。これにより、レーザ光源２８からの励起光２７の強度が調整され、ファイバレーザ２２の基本波２３の出力強度が調整される結果、波長変換装置２１の出力の強度が調整される。このことにより波長変換装置２１の出力の強度は、一定に保たれ、いわゆるオートパワーコントロール（以下、「ＡＰＣ」と略する）が安定に動作することとなる。なお、ＡＰＣ動作によって波長変換装置２１の出力の強度をさらに精度よく制御するために、ファイバ２６の第１の反射面３４の外側に受光素子４２を配置することもできる。このようにすれば、受光素子４２において、ファイバグレーティング２９で反射されず僅かに漏れて透過してくる基本波２３を検出する、または第１の反射面３４で反射されずに僅かに漏れて透過してくる励起光２７を検出することができる。この検出データを基に、励起光２７や基本波２３の全体の強度を各々推定することにより、出力コントローラー４０は、励起用レーザ電流源４１によりレーザ光源２８の駆動電流を調整して波長変換装置２１の出力の強度をＡＰＣ動作させる。また同様に、偏光分離プリズム３０の基本波２３を反射する反射表面３５と反対の表面４３から僅かに反射してくる励起光２７の一部４４を受光素子５０で検出することにより、励起光２７の一部４４に基づいて励起光２７全体の強度を推定して出力コントローラー４０でＡＰＣ動作をさせることもできる。
【００７０】
本実施の形態では、ファイバ２６から発生する熱を効率よく放熱させ、かつ取り扱いやすい状態で保持する方法を提案している。
【００７１】
まず、ファイバ２６から発生する熱を効率よく放熱させる構成について図２および図３を用いて説明する。
【００７２】
図２はファイバ２６の外側に設けられる放熱構造部の断面模式図を示している。ファイバ２６は、全長が１０ｍ程度あり、直径１０ｃｍ程度にコイルされた状態である。前記ファイバのコイルされた部分の周囲は、シート状の放熱材料２０１（本実施の形態の場合はアルミニウム）で覆われている。さらに、ファイバ２６により生じた熱を外部へ移動させるための熱移動シート２０４（グラファイトシート）は、前記放熱材料２０１に接触した状態で配置されている。具体的に、熱移動シート２０４には、ファイバ２６のコイル形状に対応して溝が形成され、この溝内にファイバ２６のコイルされた部分が配置されている。これにより、ファイバ２６のコイルされた部分は、熱移動シート２０４に対して位置決めされることになる。また、熱移動シート２０４の外側には、真空パック用の樹脂シート２０２・２０３が配置されている。熱移動シート２０４は、樹脂シート２０２・２０３の内側で当該樹脂シート２０２・２０３を介さずに放熱材料２０１に直接接触して、放熱材料２０１により生じた熱を吸熱する。一方、熱移動シート２０４の一部は、樹脂シート２０２・２０３の外側に配置され、この樹脂シート剥離部２０５の一部から前記放熱材料２０１により生じた熱を放熱するようになっている。
【００７３】
加えて、ファイバ２６を覆うシート状の放熱材料２０１は、ファイバと接する側が励起光の波長に対する反射面となっている。そのため、ファイバのコイルされている部分においてファイバの外部へ放射されていた励起光の一部を再利用することが可能となる。従来、ファイバの外部へ放射された励起光は、そのまま励起光のロスとして捨てられていた。本実施の形態では、シート状のアルミニウム表面を鏡面とすることにより反射面を構成しているので、従来捨てられていた励起光をファイバの内部に反射して再利用することができる。
【００７４】
本願の場合、励起光の波長が９００ｎｍ以上９８０ｎｍ以下の範囲にあるため、放熱材料２０１を構成する材料としては、アルミニウムあるいは金が適している。
【００７５】
なお、コイルされたファイバ２６の隙間に励起波長帯で透明な熱伝導性の高いシリコン樹脂などを充填することにより、さらに効率よく放熱することができる。この場合には、シリコン樹脂のうちファイバ２６の外側面に接触している部分が反射面を構成することになる。
【００７６】
図３は、放熱構造が設けられたファイバ２６の模式図を示している。放熱材料２０１であるシート状アルミニウムに吸収された熱は、熱移動シート２０４であるグラファイトシート（パナソニックエレクトロニックデバイス製ＰＧＳグラファイトシート）を伝導して樹脂シート２０２・２０３の外部へ放出される。熱移動シート２０４の樹脂シート剥離部２０５とヒートシンク２０６などの部材を接触させることにより、効率よくファイバ２６の熱を放出することが出来る。ここで、熱移動シート２０４として熱抵抗の小さなグラファイトシートを使用することにより、ファイバ２６において発生する熱を円滑に外部へ放出することができる。
【００７７】
図４は、入出力特性を示すプロット図であり、（ａ）線は本実施の形態の放熱構造がある場合、（ｂ）線は本実施の放熱構造がない場合をそれぞれ示している。放熱構造がある場合、励起光から発振光への変換効率（光−光変換効率）が４８％から５３％へ５％程度向上していることが分かった。
【００７８】
このことから示されたように、本実施の形態の構造をファイバレーザの光源に適用することにより、励起光から発振高への変換効率を向上することが出来る上、樹脂内にファイバ２６を真空パックすることにより、小型で取り扱いが容易な構成とすることが出来る。
【００７９】
ファイバ２６を本実施の形態のように真空パックする場合の注意点について、図６及び図７を用いて説明する。コイルの内側および、樹脂シート２０２・２０３の外側の縁（図６及び図７の斜線部：５０１）は、入出力用のファイバが通る部分５０２を除いて熱で圧着されている。入出力用ファイバが通る部分５０２に関しては、樹脂シート２０２・２０３の間は、励起光の漏洩を防止するために低屈折率のＵＶ硬化樹脂で封止されている。前記構成ではファイバ２６としてダブルクラッドファイバを用いており、このファイバ２６と真空パックの樹脂シート２０２・２０３とが接した場合、励起光が漏洩し、ファイバレーザ自体を劣化させる原因となる。そのため、ダブルクラッドファイバを用いた場合、ファイバ２６と樹脂シート２０２・２０３とを接触させないような構造とすることが特に重要である。
【００８０】
熱伝導シート２０４（本実施形態の場合グラファイトシート）の一部である樹脂シート剥離部２０５は、樹脂シート２０２・２０３の外部にはみ出して配置されている。前記樹脂シート剥離部２０５を金属などに接触させることにより、ファイバ２６で発生した熱をスムーズに放熱することが出来る。
【００８１】
より効率を高くするためには、ファイバ２６のコア径／クラッド径の比率が大きくなるように設定することが望ましい。今回の場合、クラッド径は、１２５μｍであり、コア径は、５〜６μｍのファイバを使用している。クラッド径を１２５μｍで固定した場合、８μｍ、１０μｍ、１２μｍ、１５μｍと大きくするに従い、励起光から発振光への変換効率（光−光変換効率）を大きくすることが出来る。図５にクラッド径が１２５μｍの場合におけるコア径と光−光変換効率との関係をプロット図で示している。同図において、光−光変換効率は、コア径が５μｍの際に５２％程度であるが、コア径が大きくなるに従い向上する傾向にあり、コア径が１２μｍを超えたときに６５％を超えるまで向上することがわかる。ここで、発振光は、波長変換に用いられるため、発振光の横モードがシングルモードである必要があるが、コア径を大きくしすぎると、シングルモードを保てなくなるため、コア径には上限が存在する。具体的に、コア径は、５μｍ〜１２μｍの範囲であることが望ましい（図５のハッチング部分）。ファイバを直径１０ｃｍ以下でコイルする場合においても、シングルモードを維持したい場合は、コア径が５〜１０μｍの範囲であることがより望ましい。
【００８２】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２について示すものである。実施の形態２の波長変換装置６１およびファイバレーザ６２は、実施の形態１と同様の機能を別の形態で実現する。実施の形態２の構成について図８を用いて順次説明を行う。前記実施の形態１と構成上異なっている部分は、ファイバレーザ共振器が一対のファイバグラッググレーティング（ＦＢＧ２９ａ、２９ｂ）から構成されている点、及び発振したレーザ光が、励起光入射端と異なる端面から出射される構成となっている点である。
【００８３】
図８に示すように本実施の形態の波長変換装置６１は、ファイバレーザ６２と、前記ファイバレーザ６２から出射される基本波２３を高調波出力２４に変換する波長変換素子２５とを備えている。
【００８４】
ファイバレーザ６２は、ファイバ２６と、前記ファイバ２６に入射するための励起光２７を出力するレーザ光源２８と、前記ファイバ２６の内部に形成され、予め選択された波長を有する基本波を反射するファイバグレーティング２９ａ、２９ｂと、不用意に発生したＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）ジャイアントパルスが前記励起光源２８へ入射されることを防止する偏光分離プリズム３０とを備えている。
【００８５】
発生させるべきレーザ光である基本波２３は、端面３４より出射される。基本波２３は、光リミッタ５１を通り、折り曲げミラー６３で光路を曲げた後、波長変換素子２５へ入射され、第２高調波に変換される。
【００８６】
ここで、ファイバグレーティング２９ａの反射帯域幅は、１ｎｍ程度であり、ファイバグレーティング２９ａの反射率は、９９％以上である。ファイバグレーティング２９ｂの反射帯域幅は、０．０５ｎｍ程度である。ファイバグレーティング２９ａの帯域幅＞ファイバグレーティング２９ｂの帯域幅という関係にあることが望ましい。ファイバレーザ６２の発振波長帯域において、ファイバグレーティング２９ｂの反射率とファイバ２６の端面３４の反射率との関係は、ファイバグレーティング２９ｂの反射率＞端面３４の反射率である必要がある。この関係から逸脱する場合、外部より不用意な反射光が入射されると、ジャイアントパルスとなり、励起光源や光学素子を破壊する原因となる。具体的には、ファイバレーザ６２の発振波長帯域におけるファイバグレーティング２９ｂの反射率を１５％以上２０％以下にするのが望ましい。２０％以上になるとファイバレーザの効率が低下するためこの範囲であることが望ましい。
【００８７】
また、ＡＳＥのジャイアントパルスの発生を防止するために、ファイバの両端面を、ファイバの軸線に直交する方向に対して７°以上の角度を持たせている。ジャイアントパルスの発生を防止するためには、反射面３３と反射面３４とが平行とならないようにすることが必要である。つまり、ファイバの端面３３、３４に角度を付けて、これらファイバの端面３３、３４間にＱ値の小さな共振器を構成することにより、強励起時に各端面３３、３４間における共振を抑制してＡＳＥが発生することを抑制することができる。なお、本願の図面では、ファイバの端面３３、３４の形状を分かり易くするためにわざと大きく書いているので、実際の場合も端面だけ大きな部材が付いているわけではない。
【００８８】
実施の形態２に記載の構成も、作用としては実施の形態１に記載の構成と同様である。
【００８９】
次に波長変換素子２５の基本動作について説明する。上記のようにしてファイバレーザ２２により基本波２３のレーザ光が出力され、前記基本波２３は、集光レンズ３６で集光されて波長変換素子２５に入射する。前記ファイバレーザ２２からの基本波２３は、波長変換素子２５に入射されるとともに、前記波長変換素子２５の非線形光学効果により変換される。これにより、基本波の１／２の波長を有する高調波２４が出力される。
【００９０】
このような構成の波長変換装置６１を用いて、実施の形態１と同様に波長変換装置２５からＷ級のグリーン光が得られた。しかし、基本波を折り返す構成でないため、励起光率及び投入電力からグリーン光への変換効率は、低下する。したがって、効率という観点では、実施の形態１を用いることがより望ましい。
【００９１】
本実施形態のように、ファイバ２６の両端にファイバグレーティング２９ａ・２９ｂを設けた場合においても、ファイバ２６に対して放熱構造を設けることにより、実施の形態１の場合と同様の効率向上が可能であることを確認している。この際の構造は、実施の形態１における図２、図３、図６および図７に記載の構造をそのまま適用できる。
【００９２】
また、より効率を高くするためには、ファイバ２６において、コア径／クラッド径の比率が大きくなるように設定することが望ましい。今回の場合、クラッド径は１２５μｍ（なお製造誤差で１２０〜１３０μｍの範囲でばらつく）であり、コア径は、５〜６μｍのファイバを使用している。クラッド径を１２５μｍで固定した場合、８μｍ、１０μｍ、１２μｍ、１５μｍと大きくするに従い、励起光から発振光への変換効率を大きくすることが出来る。ここで、発振光は、波長変換に用いられるため、発振光の横モードがシングルモードである必要があるが、コア径を大きくしすぎると、シングルモードを保てなくなるため、コア径には上限が存在する。具体的に、コア径は、５μｍ〜１２μｍの範囲であることが望ましい。ファイバを直径１０ｃｍ以下でコイルする場合においても、シングルモードを維持したい場合は、コア径が５〜１０μｍの範囲であることがより望ましい。この点についても実施の形態１と同様である。
【００９３】
実施の形態１及び実施の形態２において、図９〜図１１に例示した次のような態様を取ることも可能である。
【００９４】
図９においては、ファイバ２６の被覆膜のさらに外側に金属コーティング７０１を施すことにより、励起光の漏洩を防止するとともに、ファイバの発熱をスムーズに放熱する構造となっている。本実施形態においても、励起波長が９００〜９８０ｎｍの範囲にあるため、金属コーティング７０１を構成する材料としては、アルミニウムあるいは金が適している。本実施の形態では、これらの金属をファイバの被覆膜に蒸着することにより、金属コーティング７０１が形成されている。蒸着装置としては、例えば、磁気テープに磁性体を蒸着する装置を使用することにより、ファイバを熱することなく金属をコーティングすることができる。
【００９５】
さらに、図９に示したファイバを実施の形態１の図２に示すように熱伝導シート２０４および樹脂シート２０２・２０３を用いて真空パックすることもできる。このようにすれば、ファイバの取り扱いを簡便にすることができ、かつ、ファイバの放熱を良好に行うことが可能となる。
【００９６】
前記のようにファイバにコーティングを施すことにより、ファイバ２６をコイルしたものの周囲にシート状の金属を巻く工数を低減することができ、低コスト化が可能となる。
【００９７】
図１１は、コイルされたファイバ２６を、放熱材料８０３の中に配置（埋没）する方法を示している。この方法では、コイルされたファイバ２６同士の間に放熱材料を充填することができるので、ファイバ２６と放熱材料８０３との接触面積を大きくすることができ、ファイバ２６により発生した熱をより効率よく吸熱することができる。さらに、この放熱部材８０３として、屈折率が大きく、かつ、熱伝導率が高い材質を採用すれば、放熱部材のうちファイバ２６に接触している面を前記反射面として利用して、ファイバ２６からの励起光の漏出を抑制することもできる。具体的には、直径１０ｃｍ程度にコイルしたファイバ２６を金属製のケース８０１内に収納する。ケース８０１には、ファイバを収納するためのファイバ収納溝８０２が設けており、ファイバ２６は、そのファイバ収納溝８０２の中に入っている。また、ファイバ収納溝８０２の内部には、前記放熱部材８０３が設けられている。
【００９８】
一方、図９に示した放熱部材のコーティングが施されたファイバを用いて、図１１に示す埋没構造を採用する場合には、放熱部材８０３として、例えば、シリコングリースを採用することができる。この構成においては、コーティングされた放熱部材７０１（図９参照）によって励起光の再利用を図りながら、このコーティングされた放熱部材７０１により吸熱されたファイバの熱を、当該放熱部材７０１だけでなく放熱部材（シリコングリース）８０３を介しても放熱することができる。
【００９９】
（実施の形態３）
図１２は、本発明の実施の形態３について示すものである。実施の形態３の波長変換装置６１は、前記実施の形態２の構成において偏光分離プリズム３０を省略したものである。図１２において、前記実施の形態２と同様の構成は同一の符号を付して説明する。
【０１００】
第３の実施の形態３における波長変換装置６１のファイバ２６は、希土類としてＰｒ（プラセオジウム）が添加されたものであり、６００ｎｍ以上６３０ｎｍ以下の波長を有する赤色光を発振するためのものである。
【０１０１】
ファイバレーザ６２は、ＧａＮ半導体レーザ（発振波長４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下）からなる励起光源２８と、レーザ媒質であるファイバ２６と、ファイバグレーティング２９ａ、２９ｂを備えている。
【０１０２】
励起光源２８から出射された励起光は、レンズ３２ａ、３２ｂを介してファイバ２６の端面３３に入射される。一方、基本波２３は、ファイバ２６の端面３４から出射される。
【０１０３】
さらに、ファイバレーザ６２は、発振した光を直線偏光化するための偏向方向単一化機構（ポラライザ）３６を備えている。また、ファイバ２６は、偏波保持ファイバからなる。
【０１０４】
ここで、ファイバグレーティング２９ａの反射帯域幅は、１ｎｍ程度であり、ファイバグレーティング２９ａの反射率は、９９％以上である。ファイバグレーティング２９ｂの反射帯域幅は、０．１以上０．５ｎｍ以下程度である。本実施形態のように、ファイバレーザ６２により発生した赤色光を波長変換素子２５により第２高調波に変換する場合、ファイバグレーティング２９ｂの波長帯域幅は０．０５ｎｍ以下であることが望ましい。また、ファイバグレーティング２９ａの帯域幅＞ファイバグレーティング２９ｂの帯域幅であることが望ましい。ファイバレーザ６２の発信波長帯域において、ファイバグレーティング２９ｂの反射率とファイバ２６の端面３４の反射率との関係は、ファイバグレーティング２９ｂの反射率＞端面３４の反射率である必要がある。この関係から逸脱する場合、外部より不用意な反射光が入射されると、ジャイアントパルスとなり、励起光源２８や光学素子を破壊する原因となる。具体的には、ファイバグレーティング２９ｂの反射率を９５％以上にするのが望ましい。
【０１０５】
実施の形態３に記載の構成も、作用としては実施の形態１及び２に記載の構成と同様である。
【０１０６】
このような構成のファイバレーザ６２を用いることにより、Ｗ級の赤色光が得られた。また、前記実施の形態１のように、励起光をファイバ２６の一方の端面で折り返す構成を採用した場合には、励起光から赤色光への変換効率をより向上することができる。
【０１０７】
本実施形態のように、ファイバ２６の両端にファイバグレーティング２９ａ、２９ｂを設けた場合においても、ファイバ２６に対して放熱構造を設けることにより、実施の形態１及び２の場合と同様の効率向上が可能であることを確認している。この際の構造は、実施の形態１における図２、図３、図６および図７に記載の構造をそのまま適用できる。
【０１０８】
また、より効率を高くするためには、ファイバ２６において、コア径／クラッド径の比率が大きくなるように設定することが望ましい。今回の場合、クラッド径は１２５μｍ（なお製造誤差で１２０〜１３０μｍの範囲でばらつく）であり、コア径は、４〜５μｍのファイバを使用している。クラッド径を１２５μｍで固定した場合、８μｍ、１０μｍ、１２μｍ、１５μｍと大きくするに従い、励起光から発振光への変換効率を大きくすることが出来る。出力される赤色光を直接利用するにはクラッド径とコア径との比を１０：１程度とすることが望ましい。このようにすれば、励起光が通過するクラッドの面積を広く確保することにより、当該励起光の吸収効率、すなわち、励起光から発振光への変換効率を向上させることができる。一方、発振された赤色光を波長変換に用いる場合には、発振光の横モードがシングルモードである必要があるが、コア径を大きくしすぎると、シングルモードを保てなくなるため、コア径には上限が存在する。具体的に、コア径は、５μｍ〜１２μｍの範囲であることが望ましい。ファイバを直径１０ｃｍ以下でコイルする場合においても、シングルモードを維持したい場合は、コア径が５〜１０μｍの範囲であることがより望ましい。この点についても実施の形態１と同様である。
【０１０９】
前記実施の形態３においても図９の構成を採用することができる。図９においては、ファイバ２６の被覆膜のさらに外側に金属コーティング７０１を施すことにより、励起光の漏洩を防止するとともに、ファイバの発熱をスムーズに放熱する構造となっている。本実施形態においては、励起波長が４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の範囲にあるため、金属コーティング７０１を構成する材料としては、アルミニウムあるいはタンタルが適している。本実施の形態では、これらの金属をファイバの被覆膜に蒸着することにより、金属コーティング７０１が形成されている。蒸着装置としては、例えば、磁気テープに磁性体を蒸着する装置を使用することにより、ファイバを熱することなく金属をコーティングすることができる。
【０１１０】
さらに、図９に示したファイバを実施の形態１の図２に示すように熱伝導シート２０４および樹脂シート２０２・２０３を用いて真空パックすることもできる。このようにすれば、ファイバの取り扱いを簡便にすることができ、かつ、ファイバの放熱を良好に行うことが可能となる。
【０１１１】
実施の形態１〜３に記載の構成とすることにより、基本波レーザの出力が７Ｗを超えるような高出力の波長変換装置において、効率が飽和するという課題を解決することが可能となる。
【０１１２】
また、波長が５１５ｎｍ以上５４０ｎｍ以下の緑色レーザ光を出射する構成としてもよい。この構成により、視感度の高い緑色のレーザ出力光を得ることができるので、色再現性の良いディスプレイ等に使用して、さらに原色に近い色表現をすることができる。
【０１１３】
また、５４０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の黄緑色〜橙色レーザ光を出射する構成とすれば、ディスプレイ用途以外、例えば医療用途、あるいは理化学実験用レーザとして効率の良いレーザ光源を得ることができる。本願形態の波長変換装置では、このような可視レーザ光を得るために必要な７Ｗ以上の１０３０ｎｍ〜１２００ｎｍの基本波レーザ光源を発生させるのに有効な構成となっている。
【０１１４】
なお、ファイバ２６より発生する熱により当該ファイバ２６が軸方向に熱膨張（寸法変化）する場合がある。このような場合、ファイバ２６の熱膨張により、ファイバグレーティング２９の屈折率が変化して、発振光の波長が変化する結果、波長変換した際の出力変動が発生する可能性がある。そこで、ファイバグレーティング２９あるいは２９ａ・２９ｂに対応する部分において、前記ファイバ２６は、バイメタルあるいは、負の熱膨張係数を持つセラミック材料等を用いた温度補償機構によって、温度変化に伴う軸方向の寸法変化が抑制されていることが望ましい。このようにすれば、発振波長の変化量を０．０５ｎｍ／℃以下に抑制することができる。
【０１１５】
（実施の形態４）
実施の形態４では、実施の形態１〜３で示した波長変換光源をディスプレイ用途に展開した場合の一例を示している。
【０１１６】
図１３に示すように、本実施の形態の２次元画像表示装置９００は、液晶３板式プロジェクターの光学エンジンに前記実施形態に係る波長変換装置を適用させたものの一例である。２次元画像表示装置９００は、画像処理部９０２と、レーザ出力コントローラー（コントローラー）９０３と、ＬＤ電源９０４と、赤色、緑色、青色レーザ光源９０５Ｒ、９０５Ｇ、９０５Ｂと、ビーム形成ロッドレンズ９０６Ｒ、９０６Ｇ、９０６Ｂと、リレーレンズ９０７Ｒ、９０７Ｇ、９０７Ｂと、折り返しミラー９０８Ｇ、９０８Ｂと、画像を表示させるための２次元変調素子９０９Ｒ、９０９Ｇ、９０９Ｂと、偏光子９１０Ｒ、９１０Ｇ、９１０Ｂと、クロスプリズム９１１と、投影レンズ９１２とを備えている。
【０１１７】
中でも、本願実施の形態１および２で述べているのは、緑色レーザ光源９０５Ｇに関するものであり、緑色レーザ光源９０５Ｇは、緑色レーザ光源９０５Ｇの出力をコントロールするコントローラー９０３およびＬＤ電源９０４により制御される。
【０１１８】
一方、本願実施の形態３で述べているのは、赤色レーザ光源９０５Ｒに関するものであり、赤色レーザ光源９０５Ｒは、赤色レーザ光源９０５Ｒの出力をコントロールするコントローラー９０３およびＬＤ電源９０４により制御される。
【０１１９】
各光源９０６Ｒ、９０６Ｇ、９０６Ｂからのレーザ光は、ロッドレンズ９０６Ｒ、９０６Ｇ、９０６Ｂにより矩形に整形され、リレーレンズ９０７Ｒ、９０７Ｇ、９０７Ｂを通して各色の２次元変調素子を照明する。各色で２次元に変調された画像をクロスプリズム９１１で合成し、投影レンズ９１２よりスクリーン上に投影することにより映像を表示する。
【０１２０】
また、赤色及び緑色レーザ光源９０５Ｒ、９０５Ｇは、レーザ共振器をファイバ内の閉じた系に納めることができるので、外部からの塵あるいは反射面のミスアライメントなどによる共振器の損失を抑制することができる。これにより、レーザ共振器の出力の経時低下・出力の変動を抑制することができる。
【０１２１】
一方、画像処理部９０２は、入力される映像信号９０１の輝度情報に応じてレーザ光の出力を変動させる光量制御信号を発生し、レーザ出力コントローラー９０３に送出する役割を果たしている。輝度情報に応じて光量を制御することにより、コントラストを向上することが可能となる。
【０１２２】
特に、レーザをパルス駆動するとともに、レーザの点灯時間のデューティー比（点灯時間／（点灯時間＋非点灯時間）の値）を変化させることにより平均的な光量を変化させるような制御方法（ＰＷＭ制御）を適用する場合、本願の構成を適用することにより、非点灯時間内に効率よく前記ファイバ２６から熱を逃がすことが可能となる。
【０１２３】
具体的に、従来では、図１５に示すように、電気的には矩形波が入力されているにもかかわらず、光出力としてはくさび状の波形に鈍ってしまうような現象（ドループ）が発生していた。これは、レーザ共振器が熱の影響を受け、効率が低下することに起因している。
【０１２４】
そこで本願実施の形態１〜３に記載のレーザ光源を使用することで、図１６の様に波形の劣化を抑制することができる。
【０１２５】
従来は、光出力の波形がくさび状の波形とならないように、電流値の制御を行うことが必要であったが、本願で提案の構成を有するレーザ光源を使用することにより、電流値の制御が不要となり、さらに低消費電力化が可能となる。
【０１２６】
続いて、２次元変調素子を１枚だけ使用したプロジェクターの構成例を図１４に示す。
【０１２７】
図１４の形態では、２次元変調素子として強誘電体ＬＣＯＳを用いた場合について述べている。
【０１２８】
青色レーザ光源１００１ｂ、赤色レーザ光源１００１ｒ、緑色レーザ光源１００１ｇから発せられたレーザ光は、コリメートレンズ１００２ｒ、１００２ｇ、１００３ｂにより平行光にコリメートされる。ミラー１００３ｒ、１００３ｂ、１００３ｇは、それぞれ赤（波長６００ｎｍ以上）、青（波長４００ｎｍ以上４６０ｎｍ以下）、緑（波長５２０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下）領域に反射特性を持つ誘電体多層ミラーである。ミラー１００３ｒ、１００３ｇ、１００３ｂによる反射後における青色光源・赤色光源・緑色光源のビームパスが同軸となるように、レンズ１００２ｒ・１００２ｇ・１００２ｂ及びミラー１００３ｒ・１００３ｇ・１００３ｂは、調整されている。スキャンミラー１００４は、ビームを特定のスキャン方向にスキャンする役割を持つ。整形レンズ１００５は、シリンドリカルレンズである。前記整形レンズ１００５は、前記スキャンミラー１００４により照射されたビームを、前記スキャン方向と直交する方向に広がる線状の輝線に整形する。レンズ１００６は、リレーレンズである。レンズ１００８は、フィールドレンズである。拡散板１００７は、リレーレンズ１００６とフィールドレンズ１００８との間に配置されている。前記拡散板１００７は、シリンドリカルレンズ１００５により輝線に整形されたビームを、さらに帯状に形成するためのものである。偏光プリズム１００９は、偏光ビームスプリッタである。１０１０は、強誘電体液晶表示デバイス（ＬＣＯＳ素子）である。ＬＣＯＳ素子１０１０のＯＮとＯＦＦとの切り換えは、光の偏光方向を回転させることにより行われているため、偏光プリズム１００９は、偏光ビームスプリッタである必要がある。青色、赤色及び緑色のビームは、合波され、合波されたビームは、スキャンミラー１００４により光路を振られるとともに、Ｓ偏光に偏光された状態で偏光プリズム１００９に入射される。偏光プリズム１００９内の反射膜は、Ｓ偏光で反射するように設計されているため、Ｓ偏光の光は、ＬＣＯＳ素子１０１０を照明する。
【０１２９】
コントローラー１０１３は、マイクロディスプレイ駆動回路１０１４と、ＬＤ・スキャンミラー駆動回路１０１５と、ＬＤ電流源１０１６とを備えている。マイクロディスプレイ駆動回路１０１４は、ビデオ信号１０１７を受けるとともに、駆動信号１０１８を生成する。ＬＤ・スキャンミラー駆動回路１０１５は、駆動信号１０１８の一つであるＶ−ＳＹＮＣ信号１０１９をトリガとして、スキャンミラーの駆動波形とレーザの発光タイミングである発光トリガを生成する。ＬＤ電流源１０１６は、発光トリガを受け、この発光トリガの信号に合わせてレーザへ電流を供給する。Ｖ−ＳＹＮＣ信号は、６０Ｈｚのパルス信号である。このＶ−ＳＹＮＣ信号に基づいて、マイクロディスプレイ駆動回路１０１４は、２倍速の場合は１２０Ｈｚのレーザ発光信号を生成する。つまり、マイクロディスプレイ駆動回路１０１４は、ｎ倍速の場合でｎ・６０Ｈｚの信号を生成する。レーザの発光時間を決定するデューティー比（点灯時間／（点灯時間＋非点灯時間）の値）は、２次元変調素子の駆動方法に応じて適宜決定される。また、赤色・緑色・青色レーザ１００１Ｒ・１００１Ｇ・１００１Ｂの出力は、フォトディテクタ１０２１Ｒ・１０２１Ｇおよび１０２１Ｂでモニターし、ＬＤ電流源へフィードバックをかける構成となっている。ＬＤ電流源１０１６は、ＬＤ変調信号１０２０と各ＬＤの出力設定値１０２２との積と、フォトディテクタ１０２１Ｒ・１０２１Ｇおよび１０２１Ｂからのモニター信号とを比較することにより、各レーザの発光強度を均一にするようになっている。
【０１３０】
このようなディスプレイ用途において、光量制御やフィールドシーケンシャル制御を行う際の色切り替え時において、各光源１００１ｂ、１００１ｒ、１００１ｇをパルス駆動させる場合がある。この際の各光源１００１ｂ、１００１ｒ、１００１ｇに対するピーク出力は、デューティー比（点灯時間／（点灯時間＋非点灯時間）の値）に応じて設定する必要がある。このとき、従来構成のファイバレーザを用いた光源では、前に述べたドループの問題の他に、ピーク出力を大きくした際に、ファイバからの発熱を効率よく放熱できず、効率が低下したり、光出力の上限が制限されるといった問題があった。そこで、本願の構成を使用することにより、効率低下、出力制限等、ファイバの発熱に起因する課題を解決することができるため、フィールドシーケンシャル駆動が必要な、ＬＣＯＳやＤＭＤなどの素子１枚でフルカラー表示するような構成のディスプレイの光源として適用しても効率向上の効果が得られる。
【０１３１】
なお、このような構成の２次元画像表示装置のほかに、スクリーンの背後から投影する形態（リアプロジェクションディスプレイ）をとることも可能である。
【０１３２】
また、Ｒ、Ｇ、Ｂの光の３原色を液晶パネルの背面から照明する構成とすることにより液晶ディスプレイのバックライト光源として使用することも可能である。
【０１３３】
なお、図１３および図１４では透過型液晶あるいは反射型液晶に用いられる空間変調素子を説明したが、ガルバノミラーやＤＭＤに代表されるメカニカルマイクロスイッチ（ＭＥＭＳ）を用いた２次元変調素子を用いることももちろん可能である。
【０１３４】
なお、本実施の形態のように、光変調特性に対する偏光成分の影響が少ない光変調素子（反射型空間変調素子やＭＥＭＳ、ガルバノミラー）に導く高調波を光ファイバで伝搬する場合、前記光ファイバとして偏波保持ファイバ（ＰＡＮＤＡファイバ等）を利用する必要はない。一方、液晶を用いた２次元変調デバイスを使用する場合、この２次元変調デバイスは、変調特性に対する偏光成分の影響が大きいため、高調波を伝播する光ファイバとして偏波保持ファイバを使用することが望ましい。
【０１３５】
なお、実施の形態１から３においてファイバレーザは、希土類元素としてＹｂ又はＰｒをドープしたものを用いたが、他の希土類元素、例えば、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｇｄ、ＹおよびＬａ等から選択された少なくとも１つの希土類元素を用いてもよい。また、波長変換装置の波長や出力に応じて希土類元素のドープ量を変えたり、複数の希土類元素をドープしたりしてもよい。特にＮｄや、Ｙｂは、発生した光を吸収し、自ら発熱した熱により発振効率が低下する現象が顕著であるため、本願の放熱構造を取ることが望ましい。
【０１３６】
なお、実施の形態１から３においてファイバレーザの励起用レーザ光源には、波長９１５ｎｍおよび波長９７６ｎｍのレーザを用いたが、ファイバレーザを励起できるものであれば、これらの波長以外のレーザ光源を用いてもよい。
【０１３７】
なお、実施の形態１から３において波長変換素子は、周期分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３を用いたが、他の材料や構造の波長変換素子、例えば、周期的に分極反転構造を有するリン酸チタニルカリウム（ＫＴＰ）やＭｇ：ＬｉＴａＯ３等を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
本発明の波長変換装置および２次元画像表示装置は、高輝度で色再現範囲が広く低消費電力であるので、大型ディスプレイや高輝度ディスプレイ等のディスプレイ分野で有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１】本発明の第１の実施の形態における波長変換装置の概略構成図である。
【図２】本願のファイバ放熱構造の断面図である。
【図３】本願ファイバ放熱構造の斜視図である。
【図４】従来例および本願ファイバ構造を適用した場合におけるファイバレーザ共振器の入出力特性を示す図である。
【図５】ファイバのコア径と励起光から発振光への変換効率との関係を示す図である。
【図６】本願の放熱構造、封止部を示した斜視図である。
【図７】本願の放熱構造、封止部を示した平面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における波長変換装置の概略構成図である。
【図９】本願のファイバ放熱構造の一形態を示したファイバの模式図である。
【図１０】本願のファイバ放熱構造の一形態を示した断面図である。
【図１１】本願のファイバ放熱構造の一形態を示した断面模式図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態における波長変換装置の概略構成図である。
【図１３】本願で発明した波長変換光源を採用した２次元画像表示装置の一例を示す図である。
【図１４】本願で発明した波長変換光源を採用し、２次元変調素子を一枚だけ使用し、フィールドシーケンシャル動作を行う場合の２次元画像表示装置の一例を示す図である。
【図１５】従来構成を使用してパルス駆動を行った場合の光出力波形を示す図である。
【図１６】本願の構成を使用してパルス駆動を行った場合の光出力波形を示す図である。
【符号の説明】
【０１４０】
２１    波長変換装置
２２    ファイバレーザ
２３    基本波
２４    高調波
２５    波長変換素子
２６    ファイバ
２８    レーザ光源
２９    ファイバグレーティング
６１    波長変換装置
６２    ファイバレーザ
２０１    放熱材料
２０２    樹脂シート
２０４    熱伝導シート
２０６    ヒートシンク
７０１    金属コーティング
８０１    ケース
８０２    ファイバ収納溝
８０３    放熱部材
９００    ２次元画像表示装置
【図１】
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【図２】
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【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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【図１５】
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【図１６】
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