(57)【要約】【課題】出力パワーの安定したレーザ光の射出。【解決手段】高い変換効率を得るためには、二次高調波発生素子内に設けられた分極反転構造の周期は、基本波の波長に応じて的確に設定されていなければならない。透過型グレーティングを二次高調波発生素子と光源との間に配置することにより、光軸に沿って進み波長変換素子に入射する光を透過型グレーティングの回折作用を利用して波長に応じて増大する入射角で二次高調波発生素子に入射させる。例えば、入射角θ２で入射する波長λ２の光の光路における実効的な分極反転周期はｄ２となり、入射角θ１で波長λ１の光の光路における実効的な分極反転周期はｄ１となる。それぞれの波長における実効的な分極反転周期を比較するとｄ１＞ｄ２となり、波長の長い光ほど分極反転周期が長くなるように設定でき、位相整合条件に合わせられる。従って、波長が変動しても常に高い変換効率を得られる。【選択図】図２
2008191441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長変換素子であって、
入射面と射出面が形成され、入射した基本波を波長の異なる二次高調波に変換して射出する機能を有し、前記二次高調波の位相を擬似的に整合可能に構成された周期的な分極反転構造を有する二次高調波発生素子と、
前記二次高調波発生素子の入射面側に配置され、波長に伴って増大する回折角で入射光を回折させて前記入射光を波長別に分散するための第１の回折面を有し、前記回折面において分散された光を前記二次高調波発生素子に向けて射出する第１の波長分散光学素子と、を備える波長変換素子。
【請求項２】
請求項１記載の波長変換素子であって、更に、
前記二次高調波発生素子の射出面側に配置され、波長に伴って増大する回折角で入射光を回折させて波長別に分散するための第２の回折面を有し、前記第２の回折面は、所定の波長の光についての回折角が前記第１の回折面における前記所定の波長の光についての回折角とほぼ同一となるように構成されている第２の波長分散光学素子を備える、波長変換素子。
【請求項３】
請求項２記載の波長変換素子であって、
前記第２の波長分散光学素子は、前記二次高調波発生素子に対向する面の逆側の面が平面となるように形成されており、前記二次高調波発生素子に対向する面と前記二次高調波発生素子の射出面とが接合されている、波長変換素子。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３いずれか記載の波長変換素子であって、
前記第１の波長分散光学素子は、前記二次高調波発生素子に対向する面の逆側の面が平面となるように形成されており、前記二次高調波発生素子に対向する面と前記二次高調波発生素子の入射面とが接合されている、波長変換素子。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４いずれか記載の波長変換素子であって、
前記第１の波長分散光学素子は、前記第１の回折面が鋸歯状に形成されている透過型グレーティングである、波長変換素子。
【請求項６】
請求項２ないし請求項５いずれか記載の波長変換素子であって、
前記第２の波長分散光学素子は、前記第２の回折面が鋸歯状に形成されている透過型グレーティングである、波長変換素子。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６いずれか記載の波長変換素子と、
前記基本波を射出する光源と、
前記波長変換素子の射出側に配置され、前記基本波を反射し前記二次高調波を透過する反射部材と、を備える光源装置。
【請求項８】
請求項２ないし請求項６いずれか記載の波長変換素子と、
前記基本波を射出する光源と、
前記基本波を反射し、前記二次高調波を透過する反射部材と、を備える光源装置であって、
前記第２の波長分散光学素子は、前記第２の回折面が前記二次高調波発生素子に対向するように配置され、前記二次高調波発生素子に対して前記第２の回折面と逆側の面は平面となるように形成されており、
前記反射部材は、前記第２の波長分散光学素子の前記平面上に形成されている、光源装置。
【請求項９】
請求項７または請求項８記載の光源装置と、
前記光源装置より射出された光により形成された画像を投射する投射手段と、を備える画像表示装置。
【請求項１０】
請求項７または請求項８記載の光源装置と、
前記光源装置より射出された光により照射された被写体を撮像する撮像手段と、を備えるモニタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次高調波発生素子を用いて波長を変換する波長変換素子および係る波長変換素子を用いた光源装置、画像表示装置、モニタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶ライトバルブやデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Micromirror Device）等の空間光変調機器を、光源装置の照明光で照射して映像を表示するプロジェクタ等の画像表示装置が利用されている。光源装置には、レーザ光を発するレーザ光源装置が用いられることがある。
【０００３】
このようなレーザ光源装置は、可視光を生成するために、レーザダイオード等のレーザ発光素子と非線形光学素子を備えるものがある。非線形光学素子は、光と物質が非常に強い相互作用を起こすことにより光高調波発生、光パラメトリック効果などの非線形光学効果を発現する素子である。波長変換素子は、非線形光学効果のうち光高調波発生を利用した素子である。波長変換素子においては、変換効率を向上させるために、基本波の光路上に発生した高調波の位相を揃える必要がある。この位相整合には、非線形光学素子の複屈折を利用する複屈折位相整合と、周期的な分極反転構造を利用する疑似位相整合がある。近年の非線形光学素子においては、変換波長の制限が無いことや変換効率が高いなどの利点と、分極反転技術の進歩から、疑似位相整合が用いられることが多い。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１６０９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、基本波の波長に応じて適切な分極反転周期は異なり、変換できる基本波長の範囲は非常に狭い。基本波の波長は、レーザ発光素子の個体差によってばらつきがあり、また、レーザ発光素子温度や環境温度により変動するため、常時、分極反転周期によって決まる変換波長に、基本波の位相を合わせるにことは困難である。そのため、非線形光学素子を用いたレーザ光源装置では、変換波長と基本波の波長との不整合による波長変換効率の低下が生じ、出力パワーの安定したレーザ光の射出が容易でないという問題がある。
【０００６】
上述の課題は、画像表示装置に特化したものではなく、波長変換素子として非線形光学素子を用いるレーザ光源装置を備えるモニタ装置や照明装置にも共通する課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、出力パワーの安定したレーザ光の射出を目的とする。
【０００８】
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の第１の態様では、波長変換素子を提供する。第１の態様の波長変換素子は、
入射面と射出面が形成され、入射した基本波を波長の異なる二次高調波に変換して射出する機能を有し、前記二次高調波の位相を擬似的に整合可能に構成された周期的な分極反転構造を有する二次高調波発生素子と、
前記二次高調波発生素子の入射面側に配置され、波長に伴って増大する回折角で入射光を回折させて前記入射光を波長別に分散するための第１の回折面を有し、前記回折面において分散された光を前記二次高調波発生素子に向けて射出する第１の波長分散光学素子と、を備えることを要旨とする。
【０００９】
第１の態様の波長変換素子によれば、第１の波長分散光学素子は、波長に伴う回折角で入射光を分散可能であるため、第１の波長分散光学素子に入射した光は、その波長に応じて異なる角度で二次高調波発生素子に射出される。分極反転構造に対し斜めに入射した光は、それぞれの入射角度に応じて異なる分極反転ピッチとなる。従って、分散された各波長に対して、最適な分極反転ピッチとなるように、波長分散光学素子の回折角や分極反転のピッチが設定されれば、どの波長に対しても最適な変換効率が得られる。
【００１０】
第１の態様の波長変換素子において、更に、
前記二次高調波発生素子の射出面側に配置され、波長に伴って増大する回折角で入射光を回折させて波長別に分散するための第２の回折面を有し、前記第２の回折面は、所定の波長の光についての回折角が前記第１の回折面における前記所定の波長の光についての回折角とほぼ同一となるように構成されている第２の波長分散光学素子を備えてもよい。
【００１１】
第１の態様の波長変換素子によれば、第１の波長分散光学素子と第２の波長分散光学素子は、所定の波長の光をほぼ同一の回折角で回折可能であるため、入射光と射出光とをほぼ平行な方向に射出できる。従って、射出光の光路を簡易に構成できる。
【００１２】
第１の態様の波長変換素子において、
前記第２の波長分散光学素子は、前記二次高調波発生素子に対向する面の逆側の面が平面となるように形成されており、前記二次高調波発生素子に対向する面と前記二次高調波発生素子の射出面とが接合されていてもよい。
【００１３】
また、第１の態様の波長変換素子において、
前記第１の波長分散光学素子は、前記二次高調波発生素子に対向する面の逆側の面が平面となるように形成されており、前記二次高調波発生素子に対向する面と前記二次高調波発生素子の入射面とが接合されていてもよい。
【００１４】
第１の態様によれば、波長分散光学素子と第二高調波発生素子を接合することによって、各光学素子と空気との界面を減らし、表面反射を減少させることによって、レーザの発振効率を向上できる。
【００１５】
第１の態様の波長変換素子において、
前記第１の波長分散光学素子は、前記第１の回折面が鋸歯状に形成されている透過型グレーティングであってもよい。
【００１６】
第１の態様の波長変換素子において、
前記第２の波長分散光学素子は、前記第２の回折面が鋸歯状に形成されている透過型グレーティングであってもよい。
【００１７】
第１の態様の波長変換素子によれば、回折面が鋸歯状に形成されている透過型グレーティングを用いた場合、分散された光のエネルギーが一次光に集中するため、高い効率で入射光を回折させることができる。
【００１８】
本発明の第２の態様は、光源装置を提供する。第２の態様の光源装置は、前記基本波を射出する光源と、第１の態様の波長変換素子と、前記波長変換素子の射出側に配置され、前記基本波を反射し前記二次高調波を透過する反射部材と、を備えることを要旨とする。
【００１９】
第２の態様によれば、第１の態様による波長変換素子により幅広い基本波の波長範囲に対して常に高い変換効率を保つことができる。従って、第２の態様の光源装置は、基本波を射出する光源のばらつきや温度変化によらず安定した出力でレーザ光を出力できる。
【００２０】
第３の態様は、光源装置を提供する。第３の態様の光源装置において、
前記基本波を射出する光源と、
前記基本波を反射し、前記二次高調波を透過する反射部材と、を備えることを要旨とする。
第３の態様の光源装置において、
前記第２の波長分散光学素子は、前記第２の回折面が前記二次高調波発生素子に対向するように配置され、前記二次高調波発生素子に対して前記第２の回折面と逆側の面は平面となるように形成されており、
前記反射部材は、前記第２の波長分散光学素子の前記平面上に形成されていてもよい。
【００２１】
第３の態様によれば、共振器ミラーとしての反射部材と波長変換素子とを一体的に形成できるため、光源装置を小型化できる。
【００２２】
本発明の第４の態様は、画像表示装置を提供する。第４の態様の画像表示装置は、  第２の態様または第３の態様の光源装置と、
前記光源装置より射出された光により形成された画像を投射する投射手段と、を備えることを要旨とする。
【００２３】
第４の態様によれば、出力の安定した光源装置を利用して画像を表示できるため、鑑賞者の利便性を向上できる。また、ＲＧＢそれぞれの可視光源の波長範囲が狭いため、色純度が高く非常に鮮やかで、色再現範囲の広い画像を提供できる。
【００２４】
本発明の第５の態様は、モニタ装置を提供する。第５のモニタ装置は、
第２の態様または第３の態様の光源装置と、
前記光源装置より射出された光により照射された被写体を撮像する撮像手段と、を備える事を要旨とする。
【００２５】
モニタ装置は、例えば医療現場で利用されるため、光源の出力パワーが安定していることが望ましい。よって、第５の態様によれば、安定したレーザ光により対象物を照射できるため、利用者の安全性や利便性を向上できる。
【００２６】
本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１を参照して、第１実施例における画像表示装置としてのプロジェクタについて説明する。図１は、第１実施例におけるプロジェクタの概略構成について例示する説明図である。
【００２８】
図１に示すように、プロジェクタ１０００は、光源装置１０，２０，３０、均一化光学素子５０、ライトバルブ６０、クロスプリズム７０および投写レンズ８０を備える。
【００２９】
光源装置１０〜３０は、プロジェクタ１０００の光源として用いられる。光源装置１０は、約６５０ｎｍの波長を有する赤色レーザ光を出力し、光源装置２０は約５４０ｎｍの波長を有する緑色レーザ光を出力し、光源装置３０は約４３０ｎｍの波長を有する青色レーザ光を出力する。なお、レーザ光は種々の機器に吸収されるため、半導体レーザ装置から出力された光の光量と画像の投影に用いられる光の光量は若干異なる。光源装置１０〜３０の詳細な構成について、後に詳述する。
【００３０】
均一化光学素子５０は、入射する照射光を重畳して輝度ムラを平均化し、スクリーンの端部と中央部との光量差を低減する。均一化光学素子５０を配置することにより、スクリーン全体に明るい画像を投写できる。
【００３１】
ライトバルブ６０は、高温ポリシリコン（ＨＴＰＳ：Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）を用いて形成されており、アクティブマトリクス駆動方式の透過型液晶パネルである。ライトバルブ６０は、入射光を制御して画像を描画する。
【００３２】
クロスプリズム７０は、三角プリズムを４つ組み合わせて直方体とした構成を有しており、ライトバルブ６０を通過した赤色レーザ光、緑色レーザ光、および青色レーザ光を合成して画像を形成し、投写手段にあたる投写レンズ８０に投射する。
【００３３】
投写レンズ８０は、クロスプリズム７０から投写された画像を、スクリーン９０に投影する。
【００３４】
以上説明したように、プロジェクタ１０００は、光源装置１０〜３０からの射出光をそれぞれに対応するライトバルブ６０に入射させて画像を形成後、射出光を合成しスクリーン９０に投影する。鑑賞者は、スクリーン９０に投影された画像を視認する。
【００３５】
Ａ２．光源装置詳細構成：
図２および図３を参照して、第１実施例の光源装置の詳細構成について説明する。図２は、第１実施例における光源装置の概略構成を例示する説明図である。図３は、第１実施例における波長変換素子の構成を例示する説明図である。光源装置１０〜３０は、射出するレーザ光の波長以外は同様に構成されているため、第１実施例では、光源装置１０を例に説明する。
【００３６】
図２に示すように、光源装置１０は、レーザ光源としての半導体レーザ装置１００ａと、波長変換素子１１０と、共振器１２０とを備える。
【００３７】
光源装置１０の半導体レーザ装置１００ａは、赤色レーザ光のピーク波長である約６５０ｎｍの倍の約１３００ｎｍをピーク波長とするレーザ光を出力する。なお、光源装置２０の半導体レーザ装置は、緑色レーザ光のピーク波長である約５４０ｎｍの倍の約１０８０ｎｍをピーク波長とするレーザ光を出力し、光源装置３０の半導体レーザ装置は、青色レーザ光のピーク波長である約４３０ｎｍの倍の約８６０ｎｍをピーク波長とするレーザ光を出力する。
【００３８】
波長変換素子１１０は、入射光を半波長に変換する光学素子である。波長変換素子１１０については後に詳述する。
【００３９】
共振器１２０は、一対のミラー１２１，１２２を有し、ミラー１２２は、基本波を反射し二次高調波を透過する。これらのミラー１２１，１２２は、発光部１０１ｂを挟むように設けられている。共振器１２０は、共振器のミラー１２１，１２２間で反射光が対峙し反射光線が往復するように構成されており、所定の波長を有する光を共振器のミラー間で共振して増幅する。具体的には、発光部１０１ｂの光射出側に設けられたミラー１２２は、入射したレーザ光を発光素子１０１ａ側のミラー１２１に向けて反射させる。発光素子１０１ａ側のミラー１２１は、発光部１０１ｂの光射出側に設けられたミラー１２２によって反射された光を当該ミラー１２２に向けて反射する。このように、共振器１２０に入射した光のうち、所定の波長の光は、ミラー１２１，１２２により繰り返し反射されレーザ発振する。発振されたレーザ光は、波長変換素子１１０によって第二高調波に変換され、共振器のミラー１２２を透過する。共振器ミラー１２１、１２２は、例えば、半導体多層膜や誘電体多層膜等を用いて構成してもよい。
【００４０】
Ａ３．波長変換素子の詳細構成：
波長変換素子１１０は、二次高調波発生素子２００と、波長分散光学素子としての透過型グレーティング２１０，２２０を備える。
【００４１】
二次高調波発生素子２００は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、チタン酸リン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ4）等、強誘電体からなる基板（以降、本明細書では、誘電体基板と呼ぶ）から構成され、入射光の波長を半波長に変換する非線形光学素子である。半導体レーザ装置１００ａから出力され、共振器１２０に向かう光は、二次高調波発生素子２００を通過することにより、半分の波長の光に変換される。すなわち、光源装置１０、２０、３０の各半導体レーザ装置１００ａ、１００ｂ、１００ｃから出力された光は二次高調波発生素子２００を通過することにより可視光に変換される。二次高調波発生素子２００による波長変換効率は非線形の特性を有しており、例えば、二次高調波発生素子２００に入射するレーザ光の強度が強いほど、変換効率が向上する。また、二次高調波発生素子２００の変換効率は数％程度である。二次高調波発生素子２００では、分極反転周期Λに応じて変換される基本波の波長が決定される。
【００４２】
二次高調波発生素子２００は、それぞれ分極方位の異なる分極領域２０１と分極反転領域２０２とを有する。分極領域２０１は、誘電体基板の自発分極の方位を分極方位としている。分極反転領域２０２は、分極方向が誘電体基板の自発分極の方向と反転している、すなわち、１８０度異なる。また、分極領域２０１と分極反転領域２０２とは、光軸Ｗ方向に周期的にパターン形成されている。このような周期的な分極構造は一般的に周期的分極反転構造と呼ばれる。１の分極領域２０１と、これに隣接する１の分極反転領域２０２との、光軸Ｗに沿う長さが分極反転構造の分極反転周期Λである。
【００４３】
二次高調波発生素子２００は、非線形光学効果により、入射光の半波長の二次高調波を発生させるとともに、疑似位相整合（ＱＰＭ：ｑｕａｓｉ−ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ）を利用して、発生した二次高調波の位相を擬似的に整合させて高い変換効率を得ている。
【００４４】
ＱＰＭとは、周期的分極反転構造を非線形光学素子の内部に設け、基本波と二次高調波の波数ベクトルの差分を、分極反転構造の分極反転周期Λに対応する波数ベクトルＫ（｜Ｋ｜＝２π／Λ）で補償することで、位相整合をとる方法である。第１実施例において、以下の（式１）の際に、二次高調波の位相が整合する。（式１）を位相整合条件と呼ぶ。なお、（式１）において、λ：二次高調波発生素子を通過する基本波の波長、ｎf：基本波の二次高調波発生素子２００における屈折率、ｎs：二次高調波の二次高調波発生素子２００における屈折率、である。
【００４５】
Λ＝λ／２（ｎfーｎs）  …（式１）
【００４６】
透過型グレーティング２１０は、例えば、ソーダガラスを材料として所定の厚みを有する平板状に形成されている。グレーティング、すなわち回折格子とは、異なる波長の光を波長に応じた回折角で回折させて分散する分散光学素子の一つである。グレーティングに多数形成された溝へ光が入射すると、入射光は回折し、波長ごとに決まったある角度で光が強め合い、波長ごとに決まった回折角で光を方向付ける。
【００４７】
図３（ａ）に示すように、透過型グレーティング２１０は、二次高調波発生素子２００に対向する第１の面２１１に複数の溝２１３がほぼ等間隔に形成されており、第１の面の逆側の第２の面２１２が平面状に形成されている。図３（ａ）に示すように溝２１３の断面形状は鋸歯状であり、光軸Ｗに対する垂直面に対して溝斜面の傾きがαとなるように形成されている。以降、溝斜面の傾きをブレーズ角と呼ぶ。
【００４８】
第１の面２１１は回折を生じる面であり、透過型グレーティング２１０で生じる回折の回折角は、光の波長、溝本数、入射角等によって適宜決定される。
【００４９】
透過型グレーティング２２０について、図３（ｂ）を参照して説明する。透過型グレーティング２２０は、透過型グレーティング２１０と同様に、例えばソーダガラスを材料として所定の厚みを有する平板状に形成されている。透過型グレーティング２２０の、二次高調波発生素子２００に対向する第１の面２２１は平面状に形成されており、第１の面の逆側の第２の面２２２には、複数の溝２２３がほぼ等間隔となるように形成されている。図３（ｂ）に示すように、溝２２３の断面形状は鋸歯状であり、そのブレーズ角はβである。
【００５０】
Ａ４．波長変換素子の作用について：
図２および図３を参照して、第１実施例の波長変換素子の作用について説明する。第１実施例では、半導体レーザ装置１００ａから射出される基本波Ｆとして、２種類の波長λ１、λ２（λ１＞λ２）の光Ｗ１，Ｗ２を例に説明する。基本波Ｆが波長λ２の光Ｗ２である場合、光Ｗ２は透過型グレーティング２１０により波長λ２に応じた回折角θ２で回折され、二次高調波発生素子２００に入射する。一方、基本波Ｆが、波長がλ１の光Ｗ１である場合、光Ｗ１は、透過型グレーティング２１０により回折角θ２よりも大きな回折角θ１で回折され、二次高調波発生素子２００に入射する。すなわち、波長λ２の光Ｗ２は、入射角θ２で二次高調波発生素子２００に入射し、波長λ２よりも長い波長λ１の光Ｗ１は、入射角θ２より大きい入射角θ１で二次高調波発生素子２００に入射する。
【００５１】
なお、回折角θ１は、透過型グレーティング２１０の回折面である第１の面２１１の溝斜面において生じる屈折の屈折角を含み、回折角θ２は、透過型グレーティング２２０の回折面である第２の面２２２の溝斜面において生じる屈折の屈折角を含む。
【００５２】
二次高調波発生素子２００に入射する光Ｗ１，Ｗ２は、それぞれ異なる入射角θ１、θ２で入射するため、それぞれ異なる光路を選択して二次高調波発生素子２００内を透過し、透過型グレーティング２２０に入射する。透過型グレーティング２２０に入射した光は、透過型グレーティング２２０の溝２２３で回折されて、光Ｗ１，Ｗ２とも光軸と平行な方向に射出され、共振器ミラー１２２に向かって進む。共振器ミラー１２２は、入射光を９０％以上の高反射率で対の共振器ミラー１２１に向けて反射する。光Ｗ１，Ｗ２は、共振器ミラー１２１，１２２間で繰り返し反射される間に増幅される。
【００５３】
共振器ミラー１２２で反射され、共振器ミラー１２１へ向かう光についても、透過型グレーティング２２０によって波長毎に光路が変わり、透過型グレーティング２１０で回折されて光軸と平行な光となる。
【００５４】
光Ｗ１，Ｗ２のように二次高調波発生素子２００を通る光のうち数％は、二次高調波発生素子２００を通過する間に二次高調波発生素子の非線形光学効果により半波長に変換される。例えば、光Ｗ１は波長λ１の半波長のレーザ光Ｗ３に変換され、光Ｗ２は、波長λ２の半波長のレーザ光Ｗ４に変換され、共振器ミラー１２２を透過する。
【００５５】
このとき、二次高調波発生素子２００内には、基本波（例えばＷ１）および二次高調波（例えばＷ３）が混在している。分極反転領域２０２と直交する法線に対し、角度θ傾いているとき、実効的な分極反転周期は、Λ／ｃｏｓ（θ）となるため、二次高調波の位相整合条件は、上述の（式１）から、（式２）となる。従って、同じ分極反転周期Λの高調波発生において、光線の角度θが大きくなると、位相整合する波長λも大きくなる。そのため、第１実施例では、透過型グレーティングを二次高調波発生素子２００と光源との間に配置することにより、光軸に沿って進み波長変換素子に入射する光を、透過型グレーティング２１０の回折作用を利用して、波長に応じて増大する入射角で二次高調波発生素子２００に入射させる。こうすることにより、入射角θ２で二次高調波発生素子２００に入射する波長λ２の光Ｗ２の光路における実効的な分極反転周期は「ｄ２」となる。また、入射角θ１で二次高調波発生素子２００に入射する、光Ｗ２より長い波長λ１の光Ｗ１の光路における実効的な分極反転周期は「ｄ１」となる。それぞれの波長における実効的な分極反転周期を比較するとｄ１＞ｄ２となり、波長の長い光ほど、長い分極反転周期となるように設定できる。
【００５６】
Λ／ｃｏｓ（θ）＝λ／２（ｎｆーｎｓ）  …（式２）
【００５７】
なお、透過型グレーティング２１０からの射出光が二次高調波発生素子２００へ入射する際、二次高調波発生素子２００に入射した光が二次高調波発生素子２００から射出される際、および、二次高調波発生素子２００からの射出光が透過型グレーティング２２０に入射する際に境界面で屈折が生じる。このため、かかる屈折による光路変化を考慮して、波長変換素子からの射出光が所望の方向へ進むように、すなわち、射出光の光路を所望の方向に設定するように、透過型グレーティングを構成することが好ましい。例えば、ブレーズ角α、βや溝幅δを調整して所望の回折角で射出光が射出されるように構成する。本実施例では、波長変換素子への入射光は二次高調波発生素子の入射面に対してほぼ垂直に入射しており、波長変換素子からの射出光も、二次高調波発生素子の入射面に対してほぼ垂直となる方向に射出されるように、すなわち、図３（ｂ）に示すように、透過型グレーティング２２０における光Ｗ１の回折角が回折角θ１’、光Ｗ２の回折角が回折角θ２’となるように、透過型グレーティング２２０の溝幅δを調整している。このようにすることにより、入射光も射出光も光軸Ｗに平行に進むため、光路の構成を簡潔にできる。本実施例では、入射光と射出光を平行とする物理的形状を有する透過型グレーティング２１０、２２０を「光学的に対称となる物理的形状を有するグレーティング」という。
【００５８】
Ａ５．波長変換効率について：
図４（ａ）は、透過型グレーティングを用いない従来の波長変換素子の波長変換効率について説明するグラフである。図４（ｂ）は、第１実施例における波長変換素子の波長変換効率について説明するグラフである。
【００５９】
二次高調波発生素子の分極反転周期Λは、基本波の波長に応じて設定される。二次高調波の変換効率は素子の長さに比例するが、同時に変換できる波長範囲は素子の長さに反比例する。このため、従来では、高い変換効率を得ようとすると、波長範囲が狭くなり、図４（ａ）に示すように、ピーク波長λｐの約±０．１５ｎｍ〜０．２ｎｍの範囲に含まれる波長を有する基本波の光だけが二次高調波発生素子により二次高調波に変換される状態となる。しかしながら、一般的に、半導体レーザ装置は、個体差や環境温度の変化により、二次高調波発生素子への入射光（基本波）の波長が変化する。そのため、二次高調波発生素子に入射する基本波の波長が、ピーク波長λｐの約±０．１５ｎｍ〜０．２ｎｍの範囲に含まれない場合、変換効率が著しく悪化し、出力が低下する。
【００６０】
第１実施例では、波長に伴って回折角が増大する波長分散光学素子（第１実施例では透過型グレーティング）を備える波長変換素子を用いることにより、二次高調波発生素子に入射する光は、波長ごとに適した分極反転周期を自動的に選択できる。この結果、第１実施例の波長変換素子は、従来の波長変換素子よりも広い範囲に含まれる波長の光を二次高調波に変換できる。第１実施例では、図４（ｂ）に示すように、ピーク波長λｐに対し、±１．０ｎｍ以上の範囲に含まれる波長を有する光が波長変換素子により二次高調波に変換される。
【００６１】
以上説明した第１実施例の波長変換素子によれば、入射光（基本波）を、波長が長くなるにつれて増大する回折角で回折させることができる。よって、波長の長い光ほど長い分極反転周期を自動的に選択できる。言い換えれば、波長変換素子の二次高調波発生素子に入射した光は、波長に適した分極反転周期となる光路を通過できる。従って、半導体レーザ装置の個体差や、環境温度に起因する波長変動が生じても、二次高調波の位相整合を効率的に行うことができる。よって、基本波から二次高調波への変換効率を向上できるため、安定してレーザ発振を行うことができ、レーザの出力パワーを安定させることができる。
【００６２】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例では、透過型グレーティングのブレーズが形成されている回折面が二次高調波発生素子に対向して配置されている波長変換素子について図５および図６を参照して説明する。
【００６３】
Ｂ１．波長変換素子構成：
図５は、第２実施例における波長変換素子を説明する模式図である。図６は、第２実施例における波長変換素子の構造について説明する模式図である。第２実施例の波長変換素子１１１は、透過型グレーティング２３０、２４０、二次高調波発生素子２００ａを備える。二次高調波発生素子２００ａは、分極方位の異なる分極領域２０１と分極反転領域２０２とを有する。
【００６４】
図６に示すように、透過型グレーティング２３０の、二次高調波発生素子２００ａに対向する第１の面２３１には複数の溝２３３が光軸Ｗに対して垂直方向に、ほぼ等間隔に形成されており、第１の面の逆側の第２の面２３２は、平面状に形成されている。溝２３３の断面形状は鋸歯状であり、ブレーズ角αとなるように形成されている。
【００６５】
同様に、透過型グレーティング２４０の、二次高調波発生素子２００ａに対向する第１の面２４１には複数の溝２４３が光軸Ｗに対して垂直方向に、ほぼ等間隔に形成されており、第１の面の逆側の第２の面２４２は平面状に形成されている。溝２４３の断面形状は鋸歯状であり、ブレーズ角αとなるように形成されている。また、透過型グレーティング２４０の第２の面２４２上には、例えば、半導体多層膜や誘電体多層膜により構成された共振器ミラー１２２ａが形成されている。こうすることにより、共振器ミラー１２２ａを別体で準備して設置する必要がなくなり、組付けを簡易にできる。また、透過型グレーティングの製造過程で共振器ミラー１２２ａを作り込める。
【００６６】
二次高調波発生素子２００ａと透過型グレーティング２３０、２４０とは、接着されていてもよい。
【００６７】
Ｂ２．波長変換素子の作用について：
図５を参照して、第１実施例の波長変換素子の作用について説明する。第２実施例では、第１実施例と同様に、半導体レーザ装置１００ａから射出される基本波Ｆとして、２種類の波長λ１、λ２（λ１＞λ２）の光Ｗ１，Ｗ２を例に説明する。基本波Ｆが波長λ２の光Ｗ２である場合、光Ｗ２は波長λ２に応じた回折角θ２で回折し、二次高調波発生素子２００ａに入射する。一方、基本波Ｆが、波長がλ１の光Ｗ１である場合、光Ｗ１は、回折角θ２よりも大きな回折角θ１で回折し、二次高調波発生素子２００ａに入射する。すなわち、波長λ２の光Ｗ２は、入射角θ２で二次高調波発生素子２００ａに入射し、波長λ２よりも長い波長λ１の光Ｗ１は、入射角θ１で二次高調波発生素子２００ａに入射する。
【００６８】
光Ｗ１，Ｗ２のように二次高調波発生素子２００ａを通る光のうち約数％は、二次高調波発生素子２００ａを通過する間に二次高調波発生素子の非線形光学効果により半波長に変換される。
【００６９】
二次高調波発生素子２００ａに入射する光Ｗ１，Ｗ２は、それぞれ波長に応じた異なる入射角θ１、θ２で入射するため、波長の長い光ほど、長い分極反転周期を選択して二次高調波発生素子２００ａ内を通過する。こうすることにより、それぞれの波長において二次高調波の位相整合を行うことができる。
【００７０】
以上説明した第２実施例の波長変換素子によれば、常に二次高調波の位相整合を行うことができ、基本波が効率的に二次高調波に変換されるため、安定してレーザ発振を行うことができる。また、透過型グレーティングの回折面が二次高調波発生素子に接するように構成されているため、表面反射が減少し、レーザ発振効率を向上させることができる。
【００７１】
Ｃ．第３実施例：
第３実施例では、溝の断面形状が矩形である透過型グレーティングを用いて波長変換素子を構成する。
【００７２】
Ｃ１．波長変換素子構成：
図７は、第３実施例における波長変換素子を説明する模式図である。第３実施例の波長変換素子１１２は、透過型グレーティング２５０、二次高調波発生素子２００を備える。二次高調波発生素子２００は、第１実施例において説明した二次高調波発生素子と同一であるため、説明を省略する。
【００７３】
透過型グレーティング２５０は、図７に示すように、二次高調波発生素子２００に対向する第１の面２５１に、複数の溝２５３がほぼ等間隔に形成されており、第１の面２５１の逆側の第２の面２５２は平面状に形成されている。図７に示すように溝２５３の断面形状は矩形形状となるように形成されている。透過型グレーティング２５０は、溝の形状が異なる以外は、第１実施例の透過型グレーティング２１０と同様の構成である。なお、入射側に配置されている透過型グレーティング２５０の第２の面が二次高調波発生素子に対向していてもよいし、射出側に配置されている透過型グレーティング２５０の第１の面が二次高調波発生素子に対向していてもよい。
【００７４】
Ｃ２．波長変換素子の作用について：
図７を参照して、第３実施例の波長変換素子の作用について説明する。第３実施例では、第１実施例と同様に、半導体レーザ装置１００ａから射出される基本波Ｆとして、２種類の波長λ１、λ２（λ１＞λ２）の光Ｗ１，Ｗ２を例に説明する。基本波Ｆが波長λ２の光Ｗ２である場合、光Ｗ２は透過型グレーティング２５０によって波長λ２に応じた回折角θ２で回折し、二次高調波発生素子２００に入射する。一方、基本波Ｆが、波長がλ１の光Ｗ１である場合、光Ｗ１は、透過型グレーティング２５０によって回折角θ２よりも大きな回折角θ１で回折し、二次高調波発生素子２００に入射する。すなわち、波長λ２の光Ｗ２は、入射角θ２で二次高調波発生素子２００に入射し、波長λ２よりも長い波長λ１の光Ｗ１は、入射角θ１で二次高調波発生素子２００に入射する。
【００７５】
二次高調波発生素子２００に入射する光Ｗ１，Ｗ２は、それぞれ異なる入射角θ１、θ２で入射するため、異なる光路で二次高調波発生素子２００内を透過し、透過型グレーティング２５０に入射する。透過型グレーティング２５０に入射した光は、透過型グレーティング２５０で回折されて光軸に沿う方向に射出され、共振器ミラー１２２に向かって進む。共振器ミラー１２２は、入射光を９０％以上の高反射率で対の共振器ミラー１２１に向けて反射する。光Ｗ１，Ｗ２は、共振器ミラー１２１，１２２間で繰り返し反射される間に増幅される。
【００７６】
光Ｗ１，Ｗ２のように二次高調波発生素子２００を通る光のうち数％は、二次高調波発生素子２００を通過する間に二次高調波発生素子の非線形光学効果により半波長に変換される。
【００７７】
二次高調波発生素子２００に入射する光Ｗ１，Ｗ２は、それぞれ波長に応じた異なる入射角θ１、θ２で入射するため、波長の長い光ほど、長い分極反転周期を選択して二次高調波発生素子２００ａ内を通過する。こうすることにより、二次高調波の位相整合を擬似的に行うことができる。
【００７８】
以上説明した第３実施例の波長変換素子によれば、波長変換素子により、常に二次高調波の位相整合を行うことができ、基本波が効率的に二次高調波に変換されるため、安定してレーザ発振を行うことができる。また、溝の断面形状が矩形状の透過型グレーティングは、溝の深さと、溝周期に対する溝幅とによって、回折される光のピーク波長を制御できるため、回折される光のピーク波長を簡易な構成で所望の値に設定できる。
【００７９】
Ｄ．第４実施例：
第４実施例では、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Micromirror Device）を用いて画像を表示するプロジェクタについて説明する。
【００８０】
Ｄ１．プロジェクタ概略構成：
図８は、第４実施例におけるにプロジェクタの概略構成を例示する説明図である。第４実施例のプロジェクタ３０００は、第１実施例と同様の光源装置１０，２０，３０と、ダイクロイックミラー８１０，８１１と、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Micromirror Device）８２０とを備える。
【００８１】
光源装置１０，２０，３０は第１実施例と同様である。従って、各光源装置は、透過型グレーティングと二次高調波発生素子とから構成される波長変換素子を備える。よって、各光源装置では、透過型グレーティングと二次高調波発生素子とから構成される波長変換素子により光源から射出された基本波が二次高調波に変換されており、各光源装置からは、安定したパワーのレーザ光が射出される。
【００８２】
ダイクロイックミラー８１０，８１１は、ガラス基板に特定の波長域を反射する膜がコーティングされており、特定の波長の光だけを透過する鏡である。ダイクロイックミラー８１０，８１１は、入射光を赤色成分、緑色成分、青色成分の三原色に分離するためのフィルタとして機能する。本変形例では、ダイクロイックミラー８１０は、赤色成分を透過すると共に、緑色成分を反射する。また、ダイクロイックミラー８１１は、赤色成分、緑色成分を反射するとともに、青色成分を透過する。
【００８３】
ＤＭＤ８２０は、ＭＥＭＳデバイスの一種類であり、多数の微少鏡面（マイクロミラー）を平面に配列した表示用素子である。
【００８４】
上述の構成によれば、光源装置は、透過型グレーティングと二次高調波発生素子とから構成される波長変換素子を備えるため、光源装置から安定したパワーのレーザ光が射出される。よって、第４実施例のプロジェクタによれば、明るさの安定した画像を表示できる。
【００８５】
Ｅ．第５実施例：
第５実施例では、透過型グレーティングと二次高調波発生素子とから構成される波長変換素子を有する光源装置を用いたモニタ装置について説明する。
【００８６】
Ｅ１．モニタ装置概略構成：
図９は、第５実施例におけるモニタ装置４００を例示する説明図である。モニタ装置４００は、装置本体４１０と、光伝送部４２０とを備える。装置本体４１０は、前述した第１実施例の光源装置１０を備える。光源装置１０は、第１実施例において説明したように、半導体レーザ装置１００ａ、波長変換素子１１０、共振器１２０を備える。
【００８７】
光伝送部４２０は、光を送る側と受ける側の２本のライトガイド４２１，４２２を備える。各ライトガイド４２１，４２２は、多数本の光ファイバを束ねたもので、レーザ光を遠方に送ることができる。光を送る側のライトガイド４２１の入射側には光源装置１０が配設され、その出射側には、拡散板４２３が配設されている。光源装置１０から出力されたレーザ光は、ライトガイド４２１を伝って光伝送部４２０の先端に設けられた拡散板４２３に送られ、拡散板４２３により拡散されて被写体を照射する。
【００８８】
光伝送部４２０の先端には、結像レンズ４２４も設けられており、被写体からの反射光を結像レンズ４２４で受けることができる。その受けた反射光は、受け側のライトガイド４２２を伝って、装置本体４１０内に設けられた撮像手段としてのカメラ４１１に送られる。この結果、光源装置１０から射出されたレーザ光により被写体を照射したことで得られる反射光に基づく画像をカメラ４１１で撮像することができる。
【００８９】
上述の構成によれば、光源装置は、透過型グレーティングと二次高調波発生素子とから構成される波長変換素子を備えるため、光源装置は、安定したパワーのレーザ光を射出できる。よって、第５実施例のモニタ装置によれば、明るさの安定した画像を表示できる。モニタ装置は、例えば医療現場での利用など、安定したパワーの出力が所望される環境で利用されることが多くあるため、利用者の利便性を向上できる。
【００９０】
Ｆ．変形例
（１）上述の第１実施例〜第３実施例では、二次高調波発生素子と透過型グレーティングとを近接して配置しているが、例えば、二次高調波発生素子と透過型グレーティングとの間に所定の間隔が空いていてもよい。
【００９１】
（２）上述の第１実施例〜第３実施例では、透過型グレーティングは、二次高調波発生素子の入射面側および射出面側の双方に配置しているが、透過型グレーティングは、少なくとも、二次高調波発生素子の入射面側に配置されていればよい。かかる場合、入射光と射出光との進行方向が異なるため、光路を考慮して射出側に適宜光学素子を配置することが好ましい。
【００９２】
（３）二次高調波発生素子の分極領域、反転分極領域のパターニングと同時に透過型グレーティングを形成してもよい。
【００９３】
（４）透過型グレーティング２２０の溝の断面形状は、鋸歯状、矩形形状に限らず、例えば、正弦波状としてもよい。
【００９４】
（５）以上説明した構成では、波長分散光学素子に入射する光線の方向Ｗと、分極反転領域の法線とが平行になっているが、波長分散光学素子に入射する光線の方向Ｗと、分極反転領域の法線とに所定の角度がついていてもよい。
【００９５】
（６）上述の実施例では、上述の波長変換素子を、液晶、ＤＭＤを用いたプロジェクタに備えているが、例えば、上述の波長変換素子を、走査型（スキャン型とも言う）の画像表示装置に備えてもよい。
【００９６】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】第１実施例におけるプロジェクタの概略構成について例示する説明図。
【図２】第１実施例における光源装置の概略構成を例示する説明図。
【図３】第１実施例における波長変換素子の構成を例示する説明図。
【図４】第１実施例における波長変換効率について説明するグラフ。
【図５】第２実施例における波長変換素子について説明する模式図。
【図６】第２実施例における波長変換素子の構造について説明する模式図。
【図７】第３実施例における波長変換素子について説明する模式図である。
【図８】第４実施例におけるにプロジェクタの概略構成を例示する説明図である。
【図９】第５実施例におけるモニタ装置を例示する説明図である。
【符号の説明】
【００９８】
１０…光源装置
２０…光源装置
３０…光源装置
５０…均一化光学素子
６０…ライトバルブ
７０…クロスプリズム
８０…投写レンズ
９０…スクリーン
１００ａ…半導体レーザ装置
１０１ａ…発光素子
１０１ｂ…発光部１０１ｂ
１１０…波長変換素子
１１１…波長変換素子
１１２…波長変換素子
１２０…共振器
１２１…共振器ミラー
１２２…共振器ミラー
１２２ａ…共振器ミラー
２００…二次高調波発生素子
２００ａ…二次高調波発生素子
２０１…分極領域
２０２…分極反転領域
２１０…透過型グレーティング
２２０…透過型グレーティング
２３０…透過型グレーティング
２４０…透過型グレーティング
２５０…透過型グレーティング
４００…モニタ装置
４１０…装置本体
４１１…カメラ
４２０…光伝送部
４２１…ライトガイド
４２２…ライトガイド
４２３…拡散板
４２４…結像レンズ
８１０…ダイクロイックミラー
８１１…ダイクロイックミラー
１０００…プロジェクタ
３０００…プロジェクタ
【図１】
2008191441.tif 000003
【図２】
2008191441.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008191441.tif 000006
【図５】
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【図６】
2008191441.tif 000008
【図７】
2008191441.tif 000009
【図８】
2008191441.tif 000010
【図９】
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