(57)【要約】【課題】３価のプラセオジムイオン（Ｐｒ３＋）と３価のイッテルビウムイオン（Ｙｂ３＋）が添加されたコア径の大きなファイバであっても、効率のよいアップコンバージョンファイバを得る。【解決手段】コア２０１にＰｒ３＋とＹｂ３＋が共添加された光ファイバ１０５を第１のクラッド２０２と第２のクラッド２０３のダブルクラッド構造とし、８５０ｎｍ付近の励起光はコア２０１を、９８０ｎｍ付近の励起光は第１のクラッド２０２をそれぞれ伝搬させる。これにより、ファイバ全体を効果的に励起し、高効率なアップコンバージョンファイバレーザを得ることが可能となる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３価のプラセオジムイオン（Ｐｒ３＋）および３価のイッテルビウムイオン（Ｙｂ３＋）が共添加された光ファイバに外部からの励起光源にて、アップコンバージョン励起を行い、可視レーザ光を発生させるアップコンバージョンファイバレ−ザ装置において、
前記光ファイバは屈折率の高いコア部と、該コア部の周りに形成されたコア部より屈折率の低い第１クラッド部と、該第１クラッド部の周りに形成された第１クラッド部より屈折率の低い第２クラッド部とで構成されるダブルクラッド構造であり、
第１の半導体レーザから発生させた前記添加イオンを励起する第１の励起光は前記光ファイバのコア部を伝搬させ、第２の半導体レーザから発生させた前記添加イオンを励起する第２の励起光は前記光ファイバの第１クラッドを伝搬させることを特徴とするアップコンバージョンファイバレ−ザ装置。
【請求項２】
前記第１の励起光の波長は８２０ｎｍから８８０ｎｍ程度であり、前記第２の励起光の波長は９８０ｎｍ付近であることを特徴とする請求項１記載のアップコンバージョンファイバレーザ装置。
【請求項３】
それぞれＲ，Ｇ，Ｂ光を出力する複数のレーザ装置と、
前記Ｒ，Ｇ，Ｂ出力光を空間変調する複数の空間変調素子と、
前記複数の空間変調素子によりそれぞれ空間変調されたＲ，Ｇ，Ｂ光を合成する合成手段とを具備し、
前記ＲおよびＧ光は、請求項１に基づく前記アップコンバージョンファイバレーザ装置により生成され、前記Ｂ光は、請求項１に基づく前記アップコンバージョンファイバレーザ装置により生成された光を、Ｔｍイオンが添加されたファイバを励起し、青色レーザ光にアップコンバートしたものであることを特徴とする映像表示装置。
【請求項４】
それぞれＲ，Ｇ，Ｂ光を第１の光ファイバより出力する複数のレーザ装置と、
前記第１の光ファイバのコア径と異なるコア径の第２の光ファイバの出力光を１つにまとめ、巨視的に見て白色光となるようにする白色光生成手段と、
前記白色光生成手段の出力光を空間変調する空間変調素子と、
前記空間変調素子により空間変調された光を所定の位置に結像させる光学素子とを具備し、
前記ＲおよびＧ光は、請求項１に基づく前記アップコンバージョンファイバレーザ装置により生成され、前記Ｂ光は、請求項１に基づく前記アップコンバージョンファイバレーザ装置により生成された光を、Ｔｍイオンが添加されたファイバを励起し、青色レーザ光にアップコンバートしたものであることを特徴とする映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、可視光のレーザ出力を効率よく得ることができるアップコンバージョンファイバレ−ザ装置およびこれを用いた映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のアップコンバージョンファイバレ−ザは、光ファイバのコアにプラセオジムイオン（Ｐｒ３＋）、イッテルビウムイオン（Ｙｂ３＋）を添加し、波長７８０〜９００ｎｍ付近の励起光によりアップコンバージョン励起を行い、赤、オレンジ、緑、青などの可視光レーザを得る装置が数多く提案されている。（例えば、特許文献１）
【０００３】
また、Ｐｒ３＋とＹｂ３がそれぞれ２０００ｐｐｍと４０００ｐｐｍで共添加されたファイバを８３３ｎｍと９８５ｎｍの二波長で励起している。（例えば、非特許文献１）
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第５８０５６３１号公報（第３カラム、図１）
【非特許文献１】
Ｈ．Ｚａｒｅｍ  ｅｔ．著「Ｌａｓｅｒ−ｄｉｏｄｅ−ｐｕｍｐｅｄ  ｒｅｄ  ａｎｄ  ｇｒｅｅｎ  ｕｐ−ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｆｉｂｒｅ  ｌａｓｅｒｓ」Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．ｌｅｔｔ  Ｖｏｌ．２９，  Ｎｏ．２１、１９９３年１０月１４日、Ｐ．１８５７〜１８５８
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した特許文献１の技術は、Ｐｒ３＋とＹｂ３＋が共添加されたコア径が２０μｍ以上の光ファイバを波長８５０ｎｍ付近の励起光で励起する場合だと励起光密度が充分でない。また９８０ｎｍ付近の励起光を付加することにより、この問題を解決できるが、逆に波長９８０ｎｍの励起光吸収が大きすぎるため、ファイバの長手方向全体に渡って、充分な励起状態を得ることができない。
【０００６】
また、上記した非特許文献１は、Ｙｂ３＋の添加濃度が４０００ｐｐｍ程度では、Ｐｒ３＋とＹｂ３＋との相互作用が充分とは言えず、フォトンアバランシェ効果を得ることができない。この効果を得るにはＹｂ３＋の濃度が２００００ｐｐｍ程度の添加濃度が必要であるが、ここまで高濃度に添加してしまうと９８０ｎｍ付近の吸収が大きくなりすぎて、光ファイバ全体を充分に励起することができなくなってしまう。
【０００７】
この発明の目的は、Ｐｒ３＋／Ｙｂ３＋を添加したコア径の大きなファイバでも効率のよいアップコンバージョンファイバレ−ザ装置およびこれを用いた映像表示装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために、この発明のアップコンバージョンファイバレ−ザ装置は、３価のプラセオジムイオン（Ｐｒ３＋）および３価のイッテルビウムイオン（Ｙｂ３＋）が共添加された光ファイバに外部からの励起光源にて、アップコンバージョン励起を行い、可視レーザ光を発生させるものであって、前記光ファイバは屈折率の高いコア部と、該コア部の周りにコア部より屈折率の低い第１クラッド部と、該第１クラッド部の周りに第１クラッド部より屈折率の低い第２クラッド部とで構成されるダブルクラッド構造であり、第１の半導体レーザから発生させた前記添加イオンを励起する第１の励起光は前記光ファイバのコア部を伝搬させ、第２の半導体レーザから発生させた前記添加イオンを励起する第２の励起光は前記光ファイバの第１クラッドを伝搬させることを特徴とする。
【０００９】
この発明の映像表示装置は、それぞれＲ，Ｇ，Ｂ光を出力する複数のレーザ装置と、前記Ｒ，Ｇ，Ｂ出力光を空間変調する複数の空間変調素子と、前記複数の空間変調素子によりそれぞれ空間変調されたＲ，Ｇ，Ｂ光を合成する合成手段とを具備し、前記ＲおよびＧ光は、請求項１に基づく前記アップコンバージョンファイバレーザ装置により生成され、前記Ｂ光は、請求項１に基づく前記アップコンバージョンファイバレーザ装置により生成された光を、Ｔｍイオンが添加されたファイバを励起し、青色レーザ光にアップコンバートしたものであることを特徴とする。
【００１０】
また、それぞれＲ，Ｇ，Ｂ光を第１の光ファイバより出力する複数のレーザ装置と、前記第１の光ファイバのコア径と異なるコア径の第２の光ファイバの出力光を１つにまとめ、巨視的に見て白色光となるようにする白色光生成手段と、前記白色光生成手段の出力光を空間変調する空間変調素子と、前記空間変調素子により空間変調された光を所定の位置に結像させる光学素子とを具備し、前記ＲおよびＧ光は、請求項１に基づく前記アップコンバージョンファイバレーザ装置により生成され、前記Ｂ光は、請求項１に基づく前記アップコンバージョンファイバレーザ装置により生成された光を、Ｔｍイオンが添加されたファイバを励起し、青色レーザ光にアップコンバートしたものであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施の形態について説明するための基本構成を示す図である。
図１において１０１は、波長８５０ｎｍ付近の励起光を発振する半導体レーザＡである。１０２は波長９８０ｎｍ付近の励起光を発振する半導体レーザＢである。１０３、１０４は半導体レーザＡ１０１と半導体レーザＢ１０２からのそれぞれのレーザ光を光ファイバ１０５に入射させるための光学系であり、図示しないが複数のレンズからなる。光ファイバ１０５のコアには、３価のプラセオジムイオン（Ｐｒ３＋）が濃度３０００ｐｐｍで、３価のイッテルビウムイオン（Ｙｂ３＋）が２００００ｐｐｍでそれぞれ添加されている。
【００１２】
１０６、１０７は、光ファイバ１０５の両端に設けられた反射素子であり、例えば誘電体多層膜からなり、発振光例えば波長６３５ｎｍの可視光を発振させる場合、波長６３５ｎｍの波長の光に対してファイバ光共振器を構成する。
【００１３】
図２に光ファイバ１０５の断面図を示す。光ファイバ１０５は、いわゆるダブルクラッド構造をしており、２０１はＰｒ３＋およびＹｂ３＋を添加したコア部であり、その径は例えばφ２０μｍとする。また、２０２はコア部２０１より屈折率の低い第１クラッドであり、その径は例えばφ５０μｍである。さらに、２０３は第１クラッド２０２よりもさらに屈折率の低い第２クラッドである。
【００１４】
次に、図１、図２の動作について説明する。
まず、半導体レーザＡ１０１から発射された波長８５０ｎｍ付近のレーザ光は、光学素子１０３により光ファイバ１０５のコア部２０１に集光される。この励起光は、コア部２０１を伝搬することによりＰｒ３＋およびＹｂ３＋にそれぞれ吸収される。ある励起光密度以上になれば、フォトンアバランシェ効果に基づいてアップコンバージョン励起する。さらに、半導体レーザＢ１０３から発した波長９８０ｎｍ付近のレーザ光は、光学素子１０４により光ファイバ１０５の第１クラッド部２０２に集光され、第１クラッド部を伝搬しつつ、コア部２０１に添加されたＹｂ３＋を励起する。
【００１５】
上記した励起により励起された電子が３Ｆ２に遷移するときに、６３５ｎｍの蛍光が発生し、これが光ファイバを伝播し、反射素子１０６，１０７間を繰り返し反射している間に増幅され、レーザ出力を得ることができる。
【００１６】
ここで、図３はＰｒ３＋およびＹｂ３＋のエネルギー準位図であり、Ｐｒ３＋Ｙｂ３＋を８３２ｎｍの波長の光と９８５ｎｍの波長の光で励起したときのエネルギー遷移を示している。
【００１７】
Ｙｂ３＋の基底状態（２Ｆ７／２）にある電子は、波長９８０ｎｍの励起光を吸収し、２Ｆ５／２（Ｙｂ３＋）へ吸収遷移４０１する。Ｐｒ３＋との相互作用により、２Ｆ５／２（Ｙｂ３＋）から２Ｆ７／２（Ｙｂ３＋）へ遷移４０２する際、エネルギー移動４０３によりＰｒ３＋の基底状態（３Ｈ４）にある電子が１Ｇ４へ吸収遷移４０４される。この状態からさらに波長８５０ｎｍの励起光を吸収し１Ｉ６（Ｐｒ３＋）へ励起される。
【００１８】
このように、Ｙｂ３＋の吸収波長である９８０ｎｍの光を励起光として付加することにより、波長８５０ｎｍ付近の励起光だけでは不足であった基底状態吸収を増やすことができる。
【００１９】
２０１にレーザ光を通すと、２０１には高濃度にＹｂ３＋が添加されているため、励起光の減衰が大きいが、２０２を伝播させることにより２０２の断面積が大きいため、見掛け上Ｙｂ３＋濃度が薄くなった状態となる。このため、２０２を励起光が伝播したときにレーザ光の減衰を抑えることができ、光ファイバ全体に渡って効率的に励起させることができる。
【００２０】
この実施の形態によれば、コア径に対してより大きな第１クラッドを伝搬させることにより、実効的に波長９８０ｎｍの励起光に対する吸収率を下げ、光ファイバ長全体に渡って伝搬させることにより、全体を充分励起することができるようになる。
【００２１】
なお、上記説明では、Ｙｂ３＋の基底状態（２Ｆ７／２）にある電子が吸収する励起光の波長を９８０ｎｍとしたが、９８０ｎｍ付近であればよい。また、Ｐｒ３＋の基底状態（３Ｈ４）にある電子が１Ｇ４へ吸収遷移４０４ときの励起光の波長を８５０ｎｍとしたが８２０ｎｍ〜８８０ｎｍ程度であればよい。
【００２２】
図４は、この発明のアップコンバージョンファイバレーザ装置を用いた映像表示装置の一実施の形態を概略的に示したものである。４０Ｒ，４０Ｇ，４０ＢはＲ，Ｇ，Ｂの出力光を得るレーザ装置であり、このレーザ装置４０Ｂの構成要素としてアップコンバージョンファイバレーザ装置４１Ｂとツリウムイオン（Ｔｍ３＋）アップコンバージョンファイバレーザ装置４６があり、４１Ｂは図１に示す構成のアップコンバージョンファイバレーザ装置を用いる。Ｔｍ３＋アップコンバージョンファイバレーザ装置４６は、ファイバレーザ装置４１Ｂから出力されるレーザ光でＴｍイオンが添加されたファイバを励起し、青色レーザ光にアップコンバートするためのものである。
【００２３】
各レーザ装置４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂから出力されるＲ，Ｇ，Ｂ光は、それぞれの光に対応した液晶パネル４２Ｒ，４２Ｇ，４２Ｂに入力され、空間変調を受ける。空間変調を受けたＲ，Ｇ，Ｂ光は、ダイクロイックプリズムなどの合成部４３によって合成ざれ、投射レンズ４４に入力する。この入力光は、投射レンズ４４によってスクリーン４５に映像として表示させる。
【００２４】
図５は、この発明のアップコンバージョンファイバレーザ装置を用いた映像表示装置の他の実施の形態を概略的に示したものである。レーザ装置４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂから出力されるＲ，Ｇ，Ｂ光を１つにまとめて巨視的（全体的）に見た場合の白色光を作る。この白色光をカラーフィルタ付の液晶パネル５１に入力し、投射レンズ４４によってスクリーン４５に映像として表示させる。
【００２５】
上記したこの発明のファイバレーザ装置を用いた各映像表示装置によれば、所望の波長のレーザ出力低下を防止できることから、映像表示における輝度の確保を図ることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、波長９８０ｎｍの励起光を径の大きな第１クラッドを伝搬、吸収させることにより光ファイバ全体を効率よく励起することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態について説明するための概略構成図。
【図２】図１の主要部の断面を拡大して示して説明するための説明図。
【図３】この発明のアップコンバージョンファイバの基本的な動作の原理について説明するためのエネルギー準位図。
【図４】この発明のアップコンバージョンファイバレーザ装置を用いた映像表示装置の一実施の形態について説明するための概略構成図。
【図５】この発明のアップコンバージョンファイバレーザ装置を用いた映像表示装置の他の実施の形態について説明するための概略構成図。
【符号の説明】
１０１…半導体レーザＡ
１０２…半導体レーザＢ
１０３，１０４…光学系
１０５…光ファイバ
１０６，１０７…反射素子
２０１…コア部
２０２…第１のクラッド
２０３…第２のクラッド
１１１，１１２…半導体レーザ
１１３，１１４，１５，１２２，１２３…レンズ
１１５，１２１…ミラー
１３３，１４３…光ファイバ
１３１，１３２，１４１，１４２…反射素子
４１Ｒ，８１Ｇ，４１Ｂ…アップコンバージョンファイバレーザ装置
４２Ｒ，４２Ｇ，４２Ｂ，１０１…液晶パネル
４３…合成部
４４…投射レンズ
４５…スクリーン
４６…Ｔｍ３＋アップコンバージョンファイバレーザ装置
【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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