(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波レーザ光源と、
前記基本波レーザ光源から出射された基本波を高調波に変換して出力するものであって、前記高調波の出力に応じて、基本波光と高調波光に対する光吸収特性が変化する材料で構成された波長変換素子と、
高調波出力値を設定する出力設定部と、
前記出力設定部で設定された高調波出力値に応じて波長変換素子の素子温度を切り替える素子温度切替部と、
前記波長変換素子が出力した高調波のビーム形状の異常を検知するビーム形状異常検知機構と、
を含み、
前記素子温度切替部は、前記波長変換素子の素子温度を、前記素子温度切替部が切り替えた温度に保持する素子温度保持部を含み、
前記波長変換素子は、当該波長変換素子から出力される高調波のビーム形状を高調波出力の強度に応じて変化させる出射ビーム径可変構造を有し、
前記波長変換素子から出力される高調波のビーム形状は、前記出射ビーム径可変構造により、高調波出力の強度が所定値を超えるとドーナツ状になり、
前記ビーム形状異常検知機構は、前記波長変換素子が出力した高調波のビーム形状がドーナツ状になると、ビーム形状の異常として検知し、
前記出射ビーム径可変構造は、前記基本波光を前記波長変換素子へ集光する集光レンズを有し、前記波長変換素子から出力される高調波のビーム形状がドーナツ状になりビーム形状の異常が前記ビーム形状異常検知機構により検知されると、前記集光レンズの位置を光軸上で移動させることにより、前記ビーム形状を変化させて前記ドーナツ状のビーム形状を解消することを特徴とする波長変換レーザ光源。
【請求項２】
前記ビーム形状異常検知機構は、前記波長変換素子が出力した高調波の強度をモニターする受光器を含み、
前記受光器は、前記波長変換素子が出力した高調波のビーム径を検知するビーム径検知機構を含むことを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項３】
前記出射ビーム径可変構造を有する前記波長変換素子は、分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３であり、
前記高調波の出力が３Ｗ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項４】
前記出射ビーム径可変構造を有する前記波長変換素子は、分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＴａＯ３であり、
前記高調波の出力が６．５Ｗ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項５】
前記ビーム径検知機構が領域分割されたフォトダイオードを含むことを特徴とする請求項２ないし４の何れか１項に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項６】
前記ビーム径検知機構は、二つの領域ＡおよびＢに分割されており、正常時に光が照射される領域をＡ、異常時に光が照射される領域をＢとし、領域Ａに照射される光量をＬＡ、領域Ｂに照射される光量をＬＢとしたとき、
ｄ×ＬＡ＜ＬＢ  （０＜ｄ＜０．５）
を満たしたとき、前記ビーム形状異常検知機構は、高調波のビーム径が異常な状態となっていることを判定することを特徴とする請求項５記載の波長変換レーザ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源が発するレーザ光を非線形光学効果により波長変換する波長変換レーザ光源、これを備えたレーザ光源装置及び２次元画像表示装置並びに該波長変換レーザ光源が備える波長変換素子の温度設定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ４レーザから発せられる光を、非線形光学効果を用いて波長変換することによって、緑色光等の可視レーザ光を得たり、緑色光をさらに変換した紫外レーザ光を得たりする波長変換レーザ光源が数多く開発・実用化されてきた。これらの変換光は、レーザ加工やレーザディスプレイ等の用途に用いられている。
【０００３】
非線形光学効果を用いた従来の波長変換レーザ光源の一般的な構成例を図１に示している。非線形光学効果を得るには、複屈折率を有する非線形光学結晶を使用する必要がある。具体的には、複屈折率を有する非線形光学結晶として、ＬｉＢ３Ｏ５（リチウムトリボレート：ＬＢＯ）、ＫＴｉＯＰＯ４（リン酸チタニルカリウム：ＫＴＰ）、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０（セシウムリチウムボレート：ＣＬＢＯ）分極反転構造を形成したＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム：ＰＰＬＮ）やＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム：ＰＰＬＴ）等が用いられてきた。
【０００４】
図１に示すように、波長変換レーザ光源１００は、基本波光源１０１、集光レンズ１０８、非線形光学結晶（波長変換素子）１０９、再コリメートレンズ１１１、波長分離ミラー１１３、非線形光学結晶の温度を一定に保持するヒーターなどの温度保持装置１１６、レーザ出力を制御する制御装置１１５、制御装置１１５内に配置される非線形光学結晶の温度をコントロールする温度コントローラ１２２を含んでいる。基本波光源１０１には、波長１．０６μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ４レーザ、Ｙｂドープファイバを用いたファイバレーザ等がよく用いられる。
【０００５】
ここで、波長１．０６μｍのレーザ光から半分の波長の０．５３２μｍのレーザ光を発生させる第２高調波発生を例に用いて実際の動作について説明する。
【０００６】
基本波光源１０１から発せられた、波長１．０６μｍのレーザ光は、集光レンズ１０８により非線形光学結晶１０９に集光される。このとき、非線形光学結晶１０９の有する波長１．０６μｍの光に対する屈折率と、発生させたい波長０．５３２μｍの光に対する屈折率とが一致している必要があり、このことを位相整合と呼ぶ。一般に、結晶の屈折率は結晶自体の温度条件で変化するため、結晶の温度は一定にしておく必要がある。このため、非線形光学結晶自体は、温度保持装置１１６内に配置され、結晶の種類に応じた温度に保持される。
【０００７】
例えば、ＬＢＯ結晶を用いて、ｔｙｐｅ−１非臨界位相整合と呼ばれる位相整合の方法をとる場合、１４８℃〜１５０℃という温度で結晶を保持する必要がある。
【０００８】
また、分極反転構造のＬｉＮｂＯ３結晶を使用する場合においては、分極反転構造の周期を設計することにより、位相整合する温度や波長を任意に決定することが可能となっているが、位相整合条件を保ち続けるには、素子温度と基本波波長とを一定に保つ必要がある。
【特許文献１】特開２００４−１５７２１７号公報
【特許文献２】特開２０００−３０５１２０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、波長変換素子として使用する非線形光学結晶の種類によっては、基本波や発生した高調波自体を吸収し、素子そのものの温度が上昇することにより、高調波出力に応じて位相整合温度（波長）が変化し、効率のよい波長変換が不可能になるという課題があることがわかった。
【００１０】
本発明の目的は、高調波の出力により位相整合温度が変化しても、効率のよい波長変換が可能な波長変換レーザ光源、該波長変換レーザ光源を備えた２次元画像表示装置、及び該波長変換レーザ光源が備える波長変換素子の温度設定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一局面に係る波長変換レーザ光源は、以上のように、基本波レーザ光源と、前記基本波レーザ光源から出射された基本波を高調波に変換して出力するものであって、前記高調波の出力に応じて、光吸収特性が変化する材料で構成された波長変換素子と、高調波出力値を設定する出力設定部と、前記出力設定部で設定された高調波出力値に応じて波長変換素子の素子温度を切り替える素子温度切替部と、を含み、前記素子温度切替部は、前記波長変換素子の素子温度を、前記素子温度切替部が切り替えた温度に保持する素子温度保持部を含んでいる。
【００１２】
上記の構成によれば、高調波の出力に応じて、光吸収特性が変化する材料で構成された波長変換素子を用いているので、高調波の出力に応じて当該波長変換素子の位相整合温度が変化する。しかし、高調波の出力により波長変換素子の位相整合温度が変化しても、前記素子温度切替部は、高調波出力値に応じて波長変換素子の素子温度を切り替え、前記素子温度保持部により、前記波長変換素子の素子温度を、切り替えた温度に保持している。これにより、高調波出力値に対応した位相整合が実現できる。この結果、高調波の出力に応じて波長変換素子の位相整合温度が変化しても、効率のよい波長変換が可能な波長変換レーザ光源を実現することができる。
【００１３】
上記の構成において、前記素子温度保持部が保持すべき素子温度を記憶した記憶部を含むことが望ましい。
【００１４】
上記の構成において、前記波長変換素子の素子温度を、前記素子温度切替部が切り替えた温度に保持する素子温度保持部をさらに含むことが望ましい。
【００１５】
上記の構成により、高調波の出力に応じた波長変換素子の素子温度が適切に保持され、高効率の波長変換が可能となる。
【００１６】
上記の構成において、前記素子温度保持部は、前記波長変換素子を加熱または冷却することによって前記素子温度を調整可能な温度調整部材と、前記素子温度を検出する素子温度検出部と、当該温度調整部材を制御することによって前記素子温度をコントロールする温度コントローラとを含み、前記温度コントローラは、前記素子温度検出部が検出する現在の素子温度が、前記素子温度切替部が切り替えた温度になるように、前記温度調整部材を制御することが望ましい。
【００１７】
上記の構成によれば、素子温度検出部が検出する素子温度に基づいて、前記温度コントローラが温度調整部材を制御することにより、高調波の出力に応じた波長変換素子の素子温度が適切に保持される。
【００１８】
上記の構成において、前記記憶部は、高調波出力値に対応する前記基本波レーザ光源の駆動電流を記憶していることが望ましい。
【００１９】
上記の構成によれば、前記記憶部に記憶している前記基本波レーザ光源の駆動電流に基づいて、所望の高調波出力を容易に得ることができる。
【００２０】
上記の構成において、前記記憶部に記憶されている前記波長変換素子の素子温度を、学習して書き換える素子温度学習部を含み、前記素子温度学習部は、前記記憶部に記憶されている前記波長変換素子の素子温度から所定温度Δｔ℃だけ低い素子温度を開始点とし、当該開始点から素子温度を上昇させながら最大の高調波出力値が得られる素子温度を検索し、検索して得られた素子温度を学習結果として前記記憶部に記憶し直すことが望ましい。
【００２１】
上記の構成によれば、前記素子温度学習部が、前記波長変換素子の素子温度を変更しながら高調波出力値の最大値を検索するピークサーチ処理をする。そして、高調波出力値が最大値になったときの前記波長変換素子の素子温度を、当該高調波出力値に対する最適な素子温度とする学習処理を行う。これにより、前記波長変換素子の経時劣化等により、前記記憶部に記憶されている高調波出力値に対応する波長変換素子の素子温度が変化しても、学習後の適切な素子温度を記憶部に記憶し直すことができ、高効率の波長変換が長期間に渡って可能となる。
【００２２】
上記の構成において、前記記憶部に記憶されている波長変換素子の素子温度を、学習して書き換える素子温度学習部を含み、前記素子温度学習部は、前記記憶部に記憶されている前記波長変換素子の素子温度から所定温度Δｔ℃だけ低い素子温度を開始点とし、当該開始点から素子温度を上昇させながら最大の高調波出力値が得られる素子温度を検索し、検索して得られた素子温度よりも低い温度の素子温度を学習結果として前記記憶部に記憶し直すことが望ましい。
【００２３】
上記の構成によれば、上記学習処理により得られた素子温度よりも低い温度の素子温度を学習結果として前記記憶部に記憶し直すことにより、基本波入力を増加させても、高調波出力を増加させることができなくなるという事態を回避できる。これは、図４に示すように、素子温度の温度チューニングカーブが基本波入力に対して低温側にシフトしていることからも分かる。
【００２４】
上記の構成において、前記所定温度Δｔ℃は前記波長変換素子の温度許容幅ΔＴの０．５倍〜１倍となっていることが望ましい。
【００２５】
上記の構成によれば、前記波長変換素子の素子温度を変更しながら高調波出力値の最大値を検索するピークサーチ処理において、高調波出力の温度チューニングカーブのサブピークをピークと誤認識することを回避できる。
【００２６】
上記の構成において、前記素子温度学習部は、前記基本波レーザ光源の駆動電流値を監視する電流監視部と、前記学習のタイミングを判断する学習タイミング判断部とを含み、前記学習タイミング判断部は、前記出力設定部で設定された高調波出力値を得るのに必要な前記基本波レーザ光源の駆動電流値をＩ１、前記基本波レーザ光源で許容される駆動電流のリミット値をＩｌｉｍ、係数をｄ（％）としたとき、
Ｉ１×（１＋ｄ／１００）＝Ｉｌｉｍ
を満たしたときに、前記学習をすべきタイミングであると判断することが望ましい。
【００２７】
上記の構成によれば、基本波レーザ光源の駆動電流値が前記基本波レーザ光源で許容される駆動電流のリミット値に近づいたことをもって、適切な学習タイミングを判断することができる。
【００２８】
上記の構成において、前記記憶部は、基本波レーザ光源から出射される基準基本波が波長変換素子に入力されるときの基準素子温度と、当該基準基本波と異なる基本波に対応する基準素子温度からの温度シフト量とを記憶しており、前記素子温度切替部は、前記出力設定部で設定された高調波出力値を得るのに必要な基本波に対応する前記温度シフト量から、必要な素子温度を算出して波長変換素子の素子温度を切り替えることが望ましい。
【００２９】
上記の構成によれば、基準素子温度からの温度シフト量に基づいて、出力設定部で設定した高調波を得るのに必要な素子温度を算出し、素子温度を適切にシフトさせることができる。
【００３０】
上記の構成において、前記波長変換レーザ光源から矩形波パルス光が出力される状態で、前記基本波光源を駆動する電流信号波形と出力される高調波の出力波形とを比較し、当該電流信号波形と高調波の出力波形とが合致するように、前記素子温度の微調整を行う素子温度微調整部をさらに含むことが望ましい。
【００３１】
上記の構成によれば、波長変換レーザ光源から矩形波パルス光が出力される。ここで、素子温度が位相整合温度より低い場合、図１６ａに示すように、高調波の出力波形の立ち上がり付近が欠けた形となる。逆に、素子温度が位相整合温度より高い場合、図１６ｃに示すように、高調波の出力波形の後半（立ち下がり付近）が欠けた形となる。一方、位相整合時は電流信号と実際に出力される高調波出力の波形が合致することとなる。この電流信号と高調波出力の波形を比較することにより、素子温度が位相整合温度からどちら側にずれているかを察知することができる。そこで、前記素子温度微調整部が、当該電流信号波形と高調波の出力波形とが合致するように、前記素子温度の微調整を行えば、素子温度を位相整合温度に適切に設定することができる。
【００３２】
上記の構成において、前記波長変換素子による変換によって発生する高調波の波長が、前記波長変換素子を構成する非線形光学結晶が有する吸収端波長の２倍未満であることが望ましい。
【００３３】
上記の条件は、前記高調波の出力に応じて光吸収特性が変化する材料で構成された波長変換素子として適切である。
【００３４】
上記の構成において、前記波長変換素子を構成する非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウム（酸化マグネシウムを添加したものを含む）、タンタル酸リチウム（酸化マグネシウムを添加したものを含む）、またはリン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ４：ＫＴＰ）であり、前記波長変換素子は、基本波の変換によって波長５２０ｎｍ〜５６０ｎｍのグリーン光を発生させることが望ましい。
【００３５】
上記の構成において、前記波長変換素子は、当該波長変換素子から出力される高調波のビーム径を変化させる出射ビーム径可変構造を有し、前記波長変換素子が出力した高調波のビーム形状の異常を検知するビーム形状異常検知機構をさらに含むことが望ましい。
【００３６】
上記の構成によれば、前記波長変換素子は高調波のビーム径を変化させる出射ビーム径可変構造を有しているので、前記ビーム形状異常検知機構により高調波のビーム形状の異常を検知することができる。
【００３７】
上記の構成において、前記ビーム形状異常検知機構は、前記波長変換素子が出力した高調波の強度をモニターする受光器を含み、前記受光器は、前記波長変換素子が出力した高調波のビーム径を検知するビーム径検知機構を含むことが望ましい。
【００３８】
上記の構成において、出射ビーム径可変構造を有する前記波長変換素子は、分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３であり、前記高調波の出力が３Ｗ以下であることが望ましい。前記ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３の場合、高調波の出力が３Ｗを超えたところでドーナツ状となり出力が不安定になるが、高調波の出力が３Ｗ以下のときはビーム異常とならない。
【００３９】
上記の構成において、射ビーム径可変構造を有する前記波長変換素子は、分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＴａＯ３であり、前記高調波の出力が６．５Ｗ以下であることが望ましい。前記ＭｇＯ：ＬｉＴａＯ３の場合、高調波の出力が６．５Ｗ以下のときはビーム異常とならない。
【００４０】
上記の構成において、前記ビーム径検知機構が領域分割されたフォトダイオードを含むことが望ましい。
【００４１】
上記の構成によれば、領域分割されたフォトダイオードにより、高調波の出力ビームが異常形状（ドーナツ状）となることを容易に検知できる。
【００４２】
上記の構成において、前記ビーム径検知機構は、二つの領域ＡおよびＢに分割されており、正常時に光が照射される領域をＡ、異常時に光が照射される領域をＢとし、領域Ａに照射される光量をＬＡ、領域Ａに照射される光量をＬＢとしたとき、
ｄ×ＬＡ＜ＬＢ  （０＜ｄ＜０．５）
を満たしたとき、前記ビーム形状異常検知機構は、高調波のビーム径が異常な状態となっていることを判定することが望ましい。
【００４３】
上記の構成によれば、高調波の出力ビームが異常形状（ドーナツ状）となった場合、領域Ｂに照射される高調波が増加して上記条件式を満たし、高調波のビーム径の異常を正確に判定できる。
【００４４】
本発明の他の局面に係る波長変換レーザ光源は、基本波レーザ光源と、前記基本波レーザ光源から出射された基本波を高調波に変換して出力するものであって、前記高調波の出力に応じて、光吸収特性が変化する材料で構成された波長変換素子と、高調波出力値を設定する出力設定部と、前記波長変換素子の素子温度が、前記出力設定部で設定可能な最大値の１１０％〜１２０％にあたる高調波出力値のときに最適な素子温度になるように、波長変換素子の素子温度を保持する素子温度保持部とを含んでいる。
【００４５】
上記の構成によれば、設定可能な高調波の全出力範囲で、基本波入力パワーの増加に伴なって高調波出力が単調増加する入出力特性とすることができる。すなわち、波長変換レーザ光源へ投入する電流値で高調波出力を制御することが可能となる。
【００４６】
上記の構成において、前記素子温度保持部が保持すべき素子温度を記憶した記憶部を含むことが望ましい。
【００４７】
上記の構成において、前記記憶部に記憶されている前記波長変換素子の素子温度を、学習して書き換える素子温度学習部を含み、前記素子温度学習部は、前記記憶部に記憶されている前記波長変換素子の素子温度から所定温度Δｔ℃だけ低い素子温度を開始点とし、当該開始点から素子温度を上昇させながら最大の高調波出力値が得られる素子温度を検索し、検索して得られた素子温度を学習結果として前記記憶部に記憶し直すことが望ましい。
【００４８】
上記の構成によれば、前記素子温度学習部が、前記波長変換素子の素子温度を変更しながら高調波出力値の最大値を検索するピークサーチ処理をする。そして、高調波出力値が最大値になったときの前記波長変換素子の素子温度を、当該高調波出力値に対する最適な素子温度とする学習処理を行う。これにより、前記波長変換素子の経時劣化等により、前記記憶部に記憶されている高調波出力値に対応する波長変換素子の素子温度が変化しても、学習後の適切な素子温度を記憶部に記憶し直すことができ、高効率の波長変換が長期間に渡って可能となる。
【００４９】
本発明の他の局面に係る２次元画像表示装置は、上記何れかの構成の波長変換レーザ光源と、前記波長変換レーザ光源からの出力光を２次元変調する２次元変調素子と、前記２次元変調素子の出力光を投影する投影レンズと、を含んでいる。
【００５０】
これにより、高調波の出力に応じて波長変換素子の位相整合温度が変化しても効率のよい波長変換が可能な波長変換レーザ光源を用いた２次元画像表示装置を実現することができる。
【００５１】
本発明の他の局面に係る２次元画像表示装置は、上記何れかの構成の波長変換レーザ光源を含む光源ユニットと、前記光源ユニットからの出力光が照射される液晶パネルと、を含んでいる。
【００５２】
これにより、高調波の出力に応じて波長変換素子の位相整合温度が変化しても効率のよい波長変換が可能な波長変換レーザ光源を用いた２次元画像表示装置を実現することができる。
【００５３】
本発明の他の局面に係るレーザ光源装置は、上記何れかの構成の波長変換レーザ光源と、前記波長変換レーザ光源からの出力光を照射領域へと導くファイバと、を含んでいる。
【００５４】
これにより、高調波の出力に応じて波長変換素子の位相整合温度が変化しても効率のよい波長変換が可能な波長変換レーザ光源を用いたレーザ光源装置を実現することができる。
【００５５】
本発明の他の局面に係る波長変換素子の温度設定方法は、基本波を変換して生成した高調波の出力に応じて、光吸収特性が変化する材料で構成された波長変換素子の温度設定方法であって、高周波出力値を設定する工程と、前記高調波出力値に応じて波長変換素子の素子温度を切り替える素子温度切替工程を含んでいる。
【００５６】
これにより、高調波の出力に応じて波長変換素子の位相整合温度が変化しても効率のよい波長変換が可能となる。
【００５７】
本発明の他の局面に係る波長変換素子の温度設定方法は、基本波を変換して生成した高調波の出力に応じて、光吸収特性が変化する材料で構成された波長変換素子の温度設定方法であって、高周波出力値を設定する工程と、設定可能な高調波の最大出力値の１１０％〜１２０％にあたる高調波の出力値のときに最適な素子温度に設定する。
【００５８】
これにより、設定可能な高調波の全出力範囲で、基本波入力パワーの増加に伴なって高調波出力が単調増加する入出力特性とすることができる。すなわち、波長変換レーザ光源へ投入する電流値で高調波出力を制御することが可能となる。
【発明の効果】
【００５９】
本発明によれば、高調波の出力により位相整合温度が変化しても、効率のよい波長変換が可能な波長変換レーザ光源、該波長変換レーザ光源を備えた２次元画像表示装置、及び該波長変換レーザ光源が備える波長変換素子の温度設定方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６０】
以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００６１】
（実施の形態１）
本発明の一実施の形態に係る波長変換レーザ光源について図面を参照し、以下に説明する。
【００６２】
本実施の形態では、出力設定器２０１で設定した高調波出力が得られる基本波出力の値に応じて、波長変換素子２０９の保持温度を切り替える方法について説明する。
【００６３】
波長変換レーザ光源２００は、図２に示すように、基本波光源２３１、第１ダイクロイックミラー２３６、第２ダイクロイックミラー２３７、集光レンズ２０８、非線形光学結晶（波長変換素子）２０９、再コリメートレンズ２１１、受光器（フォトダイオード）２１２、ビームスプリッタ２１３、等を備えている。
【００６４】
基本波光源２３１としては、Ｙｂドープファイバ２３３を用いたファイバレーザ光源を用いている。ファイバレーザ光源は、発振波長やスペクトル幅を任意に決定することができるという利点がある。したがって、スペクトル幅を狭帯域化することにより基本波から高調波への変換効率を大幅に向上することができる。
【００６５】
基本波光源（ファイバレーザ光源）２３１より発生した基本波光２３５は、集光レンズ２０８により非線形光学結晶（波長変換素子）２０９へ集光される。本実施の形態では、非線形光学結晶として分極反転構造を形成したＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶素子（ＭｇＬＮ素子）を用いている。
【００６６】
本実施の形態に係る波長変換レーザ光源２００は、波長変換素子（非線形光学結晶）２０９の下面に配され、波長変換素子２０９を一定の温度に維持するための温度保持部２１６を備えている。この温度保持部２１６としては、ペルチェ素子を用いている。
【００６７】
波長変換素子２０９により波長変換された第２高調波は、再コリメートレンズ２１１により平行光束とされる。その後、ビームスプリッタ２１３によって波長変換されずに残った基本波と高調波とに分離される。
【００６８】
レーザ出力は基本波光源２３１の励起光源へ供給する電流により制御されている。また、基本波が波長変換素子２０９へ入射する直前にビームスプリッタ２１３で一部分を取り出し、波長変換素子２０９への入力光をモニターして制御する方式を採ってもよい。
【００６９】
すなわち、図２の構成では、ビームスプリッタ２１３及び受光器（フォトダイオード）２１２は、波長変換素子２０９の前後にそれぞれ設けられているが、上記の何れか一方のみに設けられている構成としてもよい。
【００７０】
図３のグラフは、本実施の形態に係る波長変換レーザ光源２００を用いた場合における、基本波入力と第２高調波出力との関係、及び基本波入力と５００ｍＷの波長変換素子２０９の位相整合温度Ｔ℃からのズレ量Δｔとの関係を示している。
【００７１】
図３のグラフから明らかなように、第２高調波出力が増加するにつれ、位相整合温度は低下し、２．５Ｗ出力時で、位相整合温度は初期値から１．３℃低下している。
【００７２】
図４のグラフは、基本波光入力をパラメータとした場合の、第２高調波出力（Ｗ）と、５００ｍＷ入力時の波長変換素子２０９の位相整合温度Ｔ℃からのズレ量Δｔとの関係を示している。
【００７３】
図４のグラフに示すように、カーブのピーク位置、すなわち波長変換素子２０９の位相整合温度Ｔ℃からのズレ量Δｔは、図３のグラフと同様に、第２高調波出力（Ｗ）が高くなるにつれ低温側にシフトしている。
【００７４】
図５のグラフは、５００ｍＷ入力時の波長変換素子２０９の位相整合温度Ｔ℃からのズレ量Δｔをパラメータとしたときの基本波入力と第２高調波出力（Ｗ）との関係を示している。このグラフから分かるように、基本波入力と共に高調波出力も増加する場合もあるが、波長変換素子２０９の保持温度によっては、逆にある基本波入力パワーを境に出力が低下するような保持温度も存在する。
【００７５】
例えば、基本波５００ｍＷ入力時の波長変換素子２０９の位相整合温度Ｔからのズレ量Δｔが、Δｔ＝−１．０℃の時は、基本波入力に対して単調増加となるが、Δｔ＝０℃の時は、基本波出力を増加させても第２高調波出力が５．５Ｗの時を境に出力が低下することが明らかとなった。レーザ光源を利用する場合、光源から出力される光のパワーは一定となるよう出力一定制御 (APC: Auto Power Control) するのが一般的である。
【００７６】
このとき光源の出力の増減は、投入される電流値の増減と対応できている必要があるが、今回見つかった第２高調波出力の減少は、効率のよい波長変換ができないばかりか、出力一定制御を行ったときに、基本波入力を増加させても、出力が増加せずに制御ができなくなることを示している。
【００７７】
この出力の減少は、Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ３やＭｇ：ＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４といったレーザ光によって誘起される光吸収、特に非線形吸収の一種である２光子吸収といった光吸収特性を持つ非線形光学結晶で顕著であることが明らかとなった。
【００７８】
一方、波長変換素子２０９の温度を調整することにより所望の高調波出力を得る調整方法も考えられる。しかしながら、波長変換素子２０９として非線形光学結晶を用いた場合、条件によっては位相整合状態となった瞬間、高調波出力を過剰に吸収してしまう。そして、高調波出力の吸収による波長変換素子２０９の発熱によって、波長変換結晶が破壊してしまうという問題があることが明らかとなった。
【００７９】
そこで、本実施の形態及び後述する各実施の形態では、波長変換素子２０９が光吸収特性を持つことに起因して、制御不能状態となることを防止する方法について説明する。
【００８０】
図６のグラフは、基本波光の入射光量をパラメータとした場合における、５００ｍＷ入力時の波長変換素子２０９の位相整合温度Ｔ℃からのズレ量Δｔと第２高調波出力（Ｗ）との関係を示している。
【００８１】
本実施の形態では、基本波の入射光量の違いに応じて、最大の高調波出力が得られるような波長変換素子２０９の温度をピークサーチし、取得する。取得した波長変換素子２０９の温度は、ＥＥＰＲＯＭ７０６内に記憶され、出力設定器２０１で所望の出力を設定する際に、波長変換素子２０９の温度を切り替える。
【００８２】
切替ポイントを第２高調波出力が１Ｗ、１．６Ｗ、２．２Ｗ（基本波の入射光量では４Ｗ、５．５Ｗ、７．０Ｗ）となる点とした場合について、図６を参照し説明する。
【００８３】
まず、第２高調波出力として、１Ｗ、１．６Ｗ、２．２Ｗが得られる基本波の入射光量は、それぞれ４Ｗ、５．５Ｗ、７．０Ｗであるという情報、及びこれらの第２高調波出力が得られるときの波長変換素子２０９の温度は、それぞれＡ℃、Ｂ℃、Ｃ℃であるという情報は、基本波光源２３１への投入電流という形で工場出荷時にあらかじめＥＥＰＲＯＭ７０６へ記録される。
【００８４】
出力設定器２０１で、第２高調波として出力したい所望の出力：Ｘ（Ｗ）を入力した際、下記の条件で波長変換素子２０９の温度は設定される。
Ｘ＜１            ：Ａ℃
１≦Ｘ＜１．６    ：Ｂ℃
１．６≦Ｘ＜２．２：Ｃ℃
２．２≦Ｘ        ：温度設定せず再入力要求
波長変換素子２０９の保持温度が、入力された所望の出力値に変更されている途中は警告信号を発し、温度調整中であることを知らせる。そして、波長変換素子２０９が設定保持温度となったところで、高調波光の待ち受け状態とし、いつでも高調波レーザ光が出射可能な状態となる。
【００８５】
出力設定器２０１から出射の命令が出されると、波長変換レーザ光源２０２から高調波レーザ光が出射される。
【００８６】
ここで、高調波レーザ光の出射中に、出力設定器２０１により目標出力の設定が変更され、これにより、目標素子温度の変更が必要となる場合がある。この場合、再設定された高調波出力値から、上記の条件で決定される目標素子温度に変更する。そのままでは温度変更中に高調波出力が揺らぐため、励起ＬＤ２３２への電流値を制御することで出力変動が小さくなるよう出力一定制御を行っている。
【００８７】
なお、本実施の形態では、励起ＬＤ２３２への電流値の制御で、すぐに目標出力へ変更できない場合には、制御装置２２５から、警告信号を出し、出力変更中であることを外部に明らかにする構成としている。
【００８８】
図７は、本実施の形態に係る波長変換レーザ光源が備える制御装置２２５および波長変換素子２０９の温度コントローラー７１１の概略構成を示すブロック図である。
【００８９】
温度コントローラー７１１は、電源７０８、サーミスタ７０３、サーミスタ７０３からの温度信号をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータ７０４、Ａ／Ｄコンバータ７０４によってデジタル値に変換された温度信号を格納するレジスタ７０５、高調波出力に対する素子温度のテーブル及び予め必要な投入電流を格納するＥＥＰＲＯＭ７０６、制御装置２２５から高調波出力設定値のデータが転送されるＭＰＵ７０７、電源７０８から温度保持部２１６へ供給される電流波形に対し、ＰＷＭ (Pulse Width Modulation)制御を行うためのスイッチ７０９を含んでいる。
【００９０】
ＥＥＰＲＯＭ７０６に格納されている高調波出力に対する素子温度のデータを取得し、レジスタ７０５に格納されている温度の現在値とＭＰＵ７０７内で比較・演算することで、電源７０８から温度保持部２１６へ送られる電流の極性を指示、供給される電流波形はスイッチ７０９でＰＷＭ制御することで温度保持部２１６の制御を行っている。
【００９１】
波長変換素子２０９は、温度保持部２１６上に保持されており、温度保持部２１６の温度をサーミスタ７０３でモニターすることで間接的に波長変換素子２０９の温度をモニターしている。サーミスタ７０３からの温度信号は、Ａ／Ｄコンバータ７０４でデジタル値に変換され、レジスタ７０５へ格納される。高調波出力に対する素子温度のテーブルは、あらかじめ必要な投入電流と共にＥＥＰＲＯＭ７０６へ格納されている。
【００９２】
制御装置２２５から高調波出力設定値のデータが、ＭＰＵ７０７に転送され、ＥＥＰＲＯＭ７０６に格納されている高調波出力に対する素子温度のデータを取得し、レジスタ７０５に格納されている温度の現在値とＭＰＵ７０７内で比較・演算することで、電源７０８から温度保持部へ送られる電流の極性を指示、供給される電流波形はスイッチ７０９でＰＷＭ制御することで温度保持部２１６の制御を行っている。
【００９３】
図８は、本実施の形態に係る温度コントローラによる波長変換素子の定常時の制御動作を示すフローチャートである。図９は、本実施の形態に係る温度コントローラによる波長変換素子の素子温度学習時の制御動作を示すフローチャートである。
【００９４】
定常運転をスタートすると、まず波長変換素子２０９の温度保持部２１６の温度初期値Ｔを取得する（Ｓ１）。続いて、出力設定器２０１で設定された出力設定値Ｐｓｖを制御装置２２５から取得する（Ｓ２）。設定されたＰｓｖをもとにＥＥＰＲＯＭ７０６に書き込まれているＴｓｖを取得し（Ｓ３）、目標素子温度をＴｓｖに設定する（Ｓ４）。温度制御を開始する前に波長変換素子２０９の温度現在値Ｔｐｖをサーミスタ７０３から取得し（Ｓ５）、温度保持部２１６へ流す電流の極性（温度保持部２１６としてペルチェ素子の場合）及び波形の制御を開始する。
【００９５】
まず、温度初期値Ｔ、設定温度値Ｔｓｖ、及び温度現在値Ｔｐｖから、下記式により、電流波形を制御するための係数Ｇを算出する（Ｓ６）。
【００９６】
Ｇ＝（Ｔｐｖ−Ｔ）／（Ｔｓｖ−Ｔ）                                  …（１）
本実施の形態では、Ｓ６で算出した係数Ｇに基づいて、デューティー比の切り換えを行い電流波形を制御している。
【００９７】
すなわち、０．９≦Ｇの場合（Ｓ７でＹＥＳ）、ＰＷＭ制御を行う（Ｓ８）。一方、Ｇ＜０．９の場合（Ｓ７でＮＯ）、デューティー比１００％とし、ＰＷＭ制御は行わない（Ｓ９）。
【００９８】
ここで、係数Ｇに基づいてデューティー比の切り換えを行う構成に変えて、Ｇと係数ｂ（０＜ｂ≦１）の値を用いて、温調電流デューティー比＝ｂ・（１−Ｇ）／（ｂ＋Ｇ）のように計算した値をそのまま温調電流デューティー比として使用する構成としてもよい。
【００９９】
次に、電流極性を変更するかどうか判断するために、Ｔｐｖ、Ｔｓｖを、係数aを用いて以下の不等式を満たすが否かを判断する（Ｓ１０）。
【０１００】
Ｔｐｖ＞ａ×Ｔｓｖ                                                    …（２）
上記不等式（２）を満たす場合は（Ｓ１０でＹＥＳ）、電流の極性を変更する（Ｓ１１）。なお、Ｇ＜０．９の場合（Ｓ７でＮＯ）の場合は、上述の通り、Ｓ８のＰＷＭ制御は行わず、Ｓ１０で、不等式（２）を満たすか否かを判断する。（Ｓ１０）。
【０１０１】
上記不等式（２）における係数ａは、定常状態に極性が頻繁に切り替わることを防止するための計数である。この係数ａは、１．１〜１．２の範囲の数値に設定することが望ましい。
【０１０２】
なお、Ｔｐｖが、１．１Ｔｓｖ〜１．２Ｔｓｖの範囲にある場合に、電流をカットして、波長変換素子２０９が自然冷却されるように制御してもよい。
【０１０３】
Ｓ１１で電流の極性を変更した後、再びＳ５に戻り、波長変換素子２０９の温度現在値を取得する（Ｓ５）。このループを繰り返すことにより、グリーン光出力を安定して出力させることができる。
【０１０４】
次に、図９のフローチャートを参照し、素子温度学習時の制御工程について説明する。本実施の形態において、学習動作とは、経時変化等によって高調波を出力させるのに適した素子温度を再設定する動作を示している。
【０１０５】
素子温度学習が開始されると、まず、学習用出力設定値ＰｓｖをＥＥＰＲＯＭ７０６より取得する（Ｓ２１）。そして、学習用出力設定値Ｐｓｖに基づいて、温度設定値Ｔｓｖを決定する（Ｓ２２）。素子温度学習時には、温度をスキャンしてピークホールドにより位相整合する素子温度を検索する。このため、初期の温度設定値はＴｓｖよりも０．５（℃）低いＴｓｖ−０．５（℃）に設定する（Ｓ２３）。
続いて、実際に高調波を発生させ、高調波出力Ｐｐｖ１を取得し、レジスタ７０５に格納する（Ｓ２４）。そして、Ｔｓｖを＋０．０５℃増加させ、値を入れ替える（Ｓ２５）。
次に、ｎ回目のループの高調波出力Ｐｐｖ（ｎ＋１）を取得し、レジスタ７０５に一時的に格納する（Ｓ２６）。次に、高調波出力ＰｐｖｎとＰｐｖ（ｎ＋１）とを比較する（Ｓ２７）。
Ｐｐｖｎ＜Ｐｐｖ（ｎ＋１）                                              …（３）
上記式（３）を満たす場合（Ｓ２７でＮＯ）は、引き続き温度を上昇させこの作業を繰り返す。一方、Ｐｐｖｎ＞Ｐｐｖ（ｎ＋１）の場合（Ｓ２７でＹＥＳ）は、ループから外れ、温度設定値Ｔｓｖを−０．０５℃増加させた値を最適温度値としてＥＥＰＲＯＭ７０６へ記録する（Ｓ２８）。そして、素子温度学習の制御工程を完了させる。
【０１０６】
なお、上記の素子温度学習の制御工程では、初期の温度設定値をＴｓｖ−０．５（℃）に設定しているが、この温度減少量は、波長変換素子２０９の温度許容幅（出力半分となる温度範囲）から決定しており、ピークから出力半減するまでの半値半幅で規定している。
【０１０７】
ここで、高調波出力の温度チューニングカーブのサブピークをピークと誤認識しスキャンエラーとならないためにも、上記温度減少量は、波長変換素子２０９の温度許容幅ΔＴの０．５〜１倍となっていることが望ましい。
【０１０８】
なお、図５のグラフに示すように、高周波出力が１．０Ｗまでは、基本波入力に対して高調波出力が単調増加する温度範囲が広くなっている。一方、高周波出力が１．０Ｗを超えると、素子温度＝位相整合温度とした場合、素子温度が外乱により増加した際、出力一定制御ができなくなるという問題が発生する。このため、１．０Ｗを超える高周波出力を発生させる場合は、ピークサーチを行った結果求められた位相整合温度から−０．２℃付加した値に書き換えることが望ましい。
【０１０９】
長さ２５ｍｍの周期分極反転ＭｇＬＮ素子を波長変換素子２０９として使用し、コンフォーカル条件で素子中央に集光した場合、位相整合温度から減ずる値の範囲は、−０．３℃から−０．０５の範囲が望ましい。
【０１１０】
この理由として、先に述べた温度チューニングカーブが基本波入力に対して低温側にシフトしていること（図４）が挙げられる。すなわち、位相整合状態となる温度を設定値とした場合、基本波入力を増加させても、高調波出力を増加させることができなくなる。このため、あらかじめ低温側にシフトしておくという意味がある。
【０１１１】
位相整合温度から減ずる値の範囲は、波長変換素子２０９の素子長や温度許容幅、基本波の集光条件（ビームウエスト径・集光位置）により変化する。すなわち、波長変換素子２０９の素子長を短くしたり、ビームウエスト径を大きくしたり、基本波の集光位置を素子入射端面に近づけたりすることで、素子温度設定値を位相整合温度より低温側にする際のシフト量を小さくすることができる。
【０１１２】
なお、素子温度学習させるタイミングを感知する方法として、ある出力設定値で設定した出力を得るのに必要な励起ＬＤ２３２への電流値が、励起ＬＤ２３２へ流すことができる電流のリミット値にどれだけ近づいているかを運転開始前または運転開始後にＥＥＰＲＯＭ７０６に記録し、自動的に管理する方法を採ることができる。
【０１１３】
例えば、下記式（３）で決定される値となったときを素子温度学習させるタイミングとすることができる。
【０１１４】
Ｉ１×（１＋ｄ／１００）＝Ｉｌｉｍ                                    …（４）
式（４）中、Ｉ１は、出力Ｐ１を得るのに必要なＬＤ電流値であり、ｄ（％）は、ＬＤへのリミット値Ｉｌｉｍと出力一定値制御のためのマージンである。
【０１１５】
ここで、式（４）に基づいて、素子温度学習をさせた方が望ましいと判断した場合、装置が学習動作中であることをユーザーに示しながら自動的に学習動作するようプログラムしてもよい。また、学習させた方がよいことをユーザーに警告等で知らせ、ユーザー自身が装置を操作することで学習動作を開始させる構成としてもよい。
【０１１６】
いずれの場合も学習動作中は、装置を使用することが不可能であるため、装置の操作盤を通じて学習中であることを表示し、緊急停止以外の装置の操作がロックされた状態とすることが望ましい。
（実施の形態２）
本発明の他の実施の形態について、図面を参照し以下に説明する。
【０１１７】
本実施の形態では、出力設定器２０１で設定できる出力から１０〜２０％以上の出力で波長変換素子２０９の最適温度をピークサーチし、全ての出力範囲で探索した素子温度を使用する方法について説明する。
【０１１８】
なお、本実施の形態、および後述する各実施の形態に係るファイバ付きレーザ光源は、何れも実施の形態１のファイバ付きレーザ光源と基本的な構成が共通するので、各実施の形態の特徴部分のみを説明し、共通する部分について共通の符号を図示することにしてそれらの説明は適宜省略する。
【０１１９】
まず、動作の概要について、必要高調波出力値を２．２Ｗ、ピークサーチを行う際の高調波出力をその１．２倍の２．６Ｗとして説明する。
【０１２０】
図１０のグラフは、５００ｍＷ入力時の波長変換素子２０９の位相整合温度Ｔ℃からのズレ量Δｔをパラメータとしたときの基本波入力と第２高調波出力（Ｗ）との関係を示している。
【０１２１】
本実施の形態においては、基本波８．５Ｗを投入しピークサーチを行うことでΔｔ＝−１．４℃のところで２．６Ｗの高調波を出力することができた。この素子温度（Ｔ−１．４）℃をＥＥＰＲＯＭ７０６へ記録し、装置を使用する際の波長変換素子２０９の温度が（Ｔ−１．４）℃となるように制御する。
【０１２２】
これにより、基本波入力パワーの増加に伴い、高調波出力が０〜２．６Ｗの出力範囲で単調増加する入出力特性とすることができる。すなわち、励起ＬＤ２３２へ投入する電流値で高調波出力を制御することが可能となり、出力一定値制御を可能とすることができる。このとき、実際使用する出力を例えば２．２Ｗとしておくことで、環境に対する出力低下に対して、投入電流を増加させるだけで対応でき、出力一定制御を行うことが可能となる。このとき、図１０のプロット図には示していないが、高調波出力で２．６Ｗを超えると出力が飽和するため、制御マージンも含めて実際に使用できる出力つまり出力設定器２０１で設定できる出力は２．２Ｗまでが妥当である。
【０１２３】
次に、このときの波長変換素子２０９の温度の取得方法（学習方法）について説明する。
【０１２４】
図１１に素子温度取得時の制御フロー図を示している。
【０１２５】
本実施の形態では、ＥＥＰＲＯＭ７０６（図７）に、あらかじめ２．６Ｗの高調波出力を得るのに必要な投入電流値ＩＰ＝２．６Ｗと素子温度設定値の初期値が記録されている。そして、学習開始と共にＥＥＰＲＯＭ７０６より学習用投入電流値ＩＰ＝２．６Ｗを取得する（Ｓ３１）。さらに、学習用の素子温度初期値（Ｔｓｖ０）もＥＥＰＲＯＭ７０６より取得する（Ｓ３２）。このとき、温度設定値は学習用の素子温度初期値（Ｔｓｖ０）よりも−０．５℃低い温度に設定し、温度スキャンを開始する（Ｓ３３）。続いて、実際に高周波出力Ｐｐｖ１を発生させ、高調波出力Ｐｐｖ１を取得し、レジスタ７０５に格納する（Ｓ３４）。
【０１２６】
そして、Ｔｓｖを＋０．０５℃増加させ、値を入れ替える（Ｓ３５）。
【０１２７】
次に、ｎ回目のループの高調波出力Ｐｐｖ（ｎ＋１）を取得し、レジスタ７０５に一時的に格納する（Ｓ３６）。次に、高調波出力ＰｐｖｎとＰｐｖ（ｎ＋１）とを比較する（Ｓ３７）。Ｐｐｖｎ≦Ｐｐｖ（ｎ＋１）の場合（Ｓ３７でＮＯ）は、引き続き温度を上昇させこの作業を繰り返す。一方、下記式（５）を満たす場合（Ｓ３７でＹＥＳ）は、温度設定値Ｔｓｖを−０．０５℃増加させた値を最適温度値としてＥＥＰＲＯＭ７０６へ記録する（Ｓ３８）。このように、高周波出力の取得と素子温度の上昇を繰り返し、Ｐｐｖｎ＞Ｐｐｖ（ｎ＋１）となったところで温度スキャンをストップする。
【０１２８】
Ｐｐｖｎ＞Ｐｐｖ（ｎ＋１）                                            …（５）
【０１２９】
次に、このようにして取得された最適素子温度にて、２．６Ｗの高調波が得られているかを確認する（Ｓ３９）。
【０１３０】
高調波出力が多い場合については、投入電力を低くして対応することができるため、最大電流とのマージンが５％以下になっていないか否かのチェック（Ｓ４２）を経て、学習を完了する（Ｓ３９でＹＥＳ且つＳ４２でＮＯ）。一方、高調波出力が少ない場合については（Ｓ３９でＮＯ且つＳ４０でＹＥＳ）、投入電流を１０％増加させ、再スキャンする（Ｓ４１）。再スキャン後、所望の高調波出力が得られない場合は（Ｓ３９でＮＯ且つＳ４０でＮＯ）、エラーフラグを出力するとともに機器の動作を停止させる（Ｓ４３）。また、再スキャンの結果所望の高調波出力が得られた場合（Ｓ３９でＹＥＳ）、最大電流とのマージンが５％以下か否かを判断する（Ｓ４２）。Ｓ４２で、マージンが５％以下と判断された場合は、エラーフラグを出力する（Ｓ４３）。
【０１３１】
波長変換素子２０９の保持温度の学習を完了した場合は、実施の形態１における図８のフローチャートで示す定常時の素子温度調節の制御を行う。
【０１３２】
図１２のグラフは、実施の形態１のように出力ごとに素子の保持温度として最適な値を学習させた場合と、本実施の形態のように最大出力１点だけで素子温度の最適値を学習させた場合における基本波から高調波への変換効率の比較を示している。
【０１３３】
図１２のグラフに示すように、本実施の形態の学習方法を採用した場合、基本波入力が５Ｗ以上でなければ高調波出力は得られない。一方、実施の形態１のように出力ごとに素子温度の最適値を学習させた場合は、基本波入力が５Ｗとなった時１Ｗ以上の高調波出力が得られている。この観点から見ても本実施の形態の学習方法は、実施の形態１の場合と比較して、機器の効率が低下するという問題がある一方、必要な高調波出力ごとに素子温度を取得する必要がないため学習工程の時間短縮を実現できるという利点がある。
【０１３４】
加えて、本実施の形態のような素子温度の決定方法を選択する場合、基本波入力が過多となった場合においても、第２高調波の出力は飽和するため、第２高調波の光吸収、特に２光子吸収のように発生した第２高調波の２乗に比例して吸収率が増加する現象が原因となって生じる波長変換素子の破壊を防止することも可能となる。
【０１３５】
（実施の形態３）
本発明のさらに他の実施の形態について、図面を参照し以下に説明する。
【０１３６】
本実施の形態では、波長変換素子２０９の保持温度の最適値を取得するためのピークサーチを、高調波出力数百ｍＷの低い出力で行っている。このように、入力される基本波に応じて素子温度を低下させることにより、出力一定制御を行ったときに、基本波入力を増加させても、出力が増加せずに制御ができなくなることを防止することができる。
【０１３７】
図１３のグラフは、基本波入力に対する、最適素子温度と、当該最適素子温度で発生させることができる高調波出力との関係を示している。
【０１３８】
具体的には、図１３のグラフに示すように、基本波入力が２Ｗのときの素子温度の最適点（基準素子温度）を学習し、ＥＥＰＲＯＭ７０６には、基本波入力が２Ｗのときを時基準基本波とし、当該基準基本波と異なる基本波に対応する基準素子温度からの温度シフト量を記録する。これにより、出力設定器２０１で設定した高調波光を得るのに必要な基本波入力から、必要な素子温度を算出し、素子温度をシフトさせることができる。
【０１３９】
図１４は、本実施の形態に係る温度コントローラによる波長変換素子の定常時の制御動作を示すフローチャートである。図１５は、本実施の形態に係る温度コントローラによる波長変換素子の素子温度学習時の制御動作を示すフローチャートである。
【０１４０】
まず、本実施の形態に係る素子温度制御の準備段階として、波長変換素子２０９の温度は、ＥＥＰＲＯＭ７０６に記録された低出力時の最適な素子温度Ｔを取得する（Ｓ５１）。そして、波長変換素子２０９の温度を、素子温度Ｔに調整し、待機する（Ｓ５２）。
【０１４１】
素子温度制御を開始すると（Ｓ５３）、同時に、出力設定値ＰｓｖをＥＥＰＲＯＭ７０６から取得する（Ｓ５４）。次に、取得された出力設定値Ｐｓｖに基づいて、必要な入力設定値Ｉｓｖ及びΔＴをＥＥＰＲＯＭ７０６から取得する（Ｓ５５）。
【０１４２】
次に、低出力時の最適な素子温度Ｔから取得したΔＴを減じ、設定温度値Ｔｓｖを決定し（Ｓ５６）、温度設定する（Ｓ５７）。高周波出力に対応した温度そのものを他の本実施の形態例ではもっているが、本実施の形態ではΔＴのみもっている。
【０１４３】
次に、波長変換素子２０９の温度現在値Ｔｐｖをサーミスタ７０３から取得し（Ｓ５８）、図８のフローチャートに示す実施の形態１と同様に、温度保持部２１６へ流す電流の極性（温度保持部２１６としてペルチェ素子の場合）及び波形の制御を開始する。
【０１４４】
まず、温度初期値Ｔ、設定温度値Ｔｓｖ、及び温度現在値Ｔｐｖから、下記式により、電流波形を制御するための係数Ｇを算出する（Ｓ５９）。
【０１４５】
Ｇ＝（Ｔｐｖ−Ｔ）／（Ｔｓｖ−Ｔ）                                    …（６）
本実施の形態では、Ｓ５８で算出した係数Ｇに基づいて、デューティー比の切り換えを行い電流波形を制御している。
【０１４６】
すなわち、０．９≦Ｇの場合（Ｓ６０でＹＥＳ）、ＰＷＭ制御を行う（Ｓ６１）。一方、Ｇ＜０．９の場合（Ｓ６０でＮＯ）、デューティー比１００％とし、ＰＷＭ制御は行わない（Ｓ６２）。
【０１４７】
ここで、係数Ｇに基づいてデューティー比の切り換えを行う構成に変えて、Ｇと係数ｂ（０＜ｂ≦１）の値を用いて、温調電流デューティー比＝ｂ・（１−Ｇ）／（ｂ＋Ｇ）のように計算した値をそのまま温調電流デューティー比として使用する構成としてもよい。
【０１４８】
次に、電流極性を変更するかどうか判断するために、Ｔｐｖ、Ｔｓｖを、係数aを用いて以下の不等式を満たすが否かを判断する（Ｓ６３）。
【０１４９】
Ｔｐｖ＞ａ×Ｔｓｖ                                                  …（７）
上記不等式（７）を満たす場合は（Ｓ６３でＹＥＳ）、電流の極性を変更する（Ｓ６４）。なお、Ｇ＜０．９の場合（Ｓ６３でＮＯ）の場合は、上述の通り、Ｓ８のＰＷＭ制御は行わず、Ｓ６３で、不等式（２）を満たすか否かを判断する。
【０１５０】
上記不等式（７）における係数ａは、定常状態に極性が頻繁に切り替わることを防止するための計数である。この係数ａは、１．１〜１．２の範囲の数値に設定することが望ましい。
【０１５１】
なお、実施の形態１と同様に、Ｔｐｖが、１．１Ｔｓｖ〜１．２Ｔｓｖの範囲にある場合に、電流をカットして、波長変換素子２０９が自然冷却されるように制御してもよい。
【０１５２】
Ｓ６４で電流の極性を変更した後、再びＳ５８に戻り、波長変換素子２０９の温度現在値を取得する。このループを繰り返すことにより、グリーン光出力を安定して出力させることができる。
【０１５３】
そして、温度の現在値Ｔｐｖを取得し、温度初期値Ｔ、設定温度値Ｔｓｖ、温度現在値Ｔｐｖから、温度保持部２１６へ流す電流の極性（温度保持部がペルチェ素子の場合）、波形形状を決定し制御を開始する。
【０１５４】
また、素子温度の設定値に関しては、出力設定器２０１から制御装置２２５を介して、出力設定値の変更が行われない限り、変更されない。つまり、出力一定制御を行っている場合に、基本波入力の値に揺らぎが生じると考えられるが、この揺らぎに対して、素子温度を対応させる動作はさせない構成としている。
【０１５５】
次に、図１５を用いて本実施の形態における素子温度を学習させる際の制御フローについて説明する。
【０１５６】
学習スタート開始時、学習用出力設定値ＰｓｖをＥＥＰＲＯＭ７０６より取得する。このとき、学習用出力設定値Ｐｓｖは、波長変換素子２０９からの高調波出力として１００〜２００ｍＷ程度の低い出力となっている。このため、学習動作中に発生するレーザ光量が小さいためシャッター等レーザビームが本体より外側に漏洩することを防止する機構がレーザビームにより劣化することを防止することができる。また、この学習用出力設定値Ｐｓｖを基にＴｓｖを決定している。
【０１５７】
素子温度学習が開始されると、まず、学習用投入電流値ＩＰ０をＥＥＰＲＯＭ７０６より取得する（Ｓ７１）。そして、学習用温度初期値Ｔｓｖ０をＥＥＰＲＯＭ７０６より取得する（Ｓ７２）。素子温度学習時には、温度をスキャンしてピークホールドにより位相整合する素子温度を検索する。このため、初期の温度設定値はＴｓｖよりも０．５（℃）低いＴｓｖ−０．５（℃）に設定する（Ｓ７３）。
【０１５８】
続いて、実際に高調波を発生させ、高調波出力Ｐｐｖ１を取得し、レジスタ７０５に格納する（Ｓ７４）。そして、Ｔｓｖを＋０．０５℃増加させ、値を入れ替える（Ｓ７５）。
【０１５９】
次に、ｎ回目のループの高調波出力Ｐｐｖ（ｎ＋１）を取得し、レジスタ７０５に一時的に格納する（Ｓ７６）。そして、高調波出力ＰｐｖｎとＰｐｖ（ｎ＋１）とを比較する（Ｓ７７）。Ｐｐｖｎ≦Ｐｐｖ（ｎ＋１）の場合（Ｓ７７でＮＯ）は、引き続き温度を上昇させこの作業を繰り返す。一方、下記式（８）を満たす場合（Ｓ７７でＹＥＳ）は、ループから外れ、温度設定値Ｔｓｖを−０．０５℃増加させた値を最適温度値としてＥＥＰＲＯＭ７０６へ記録する（Ｓ７８）。
【０１６０】
Ｐｐｖｎ＞Ｐｐｖ（ｎ＋１）                                            …（８）
そして、素子温度学習の制御工程を完了させる。なお、上記の素子温度学習の制御工程では、初期の温度設定値をＴｓｖ−０．５（℃）に設定しているが、この温度減少量は、波長変換素子２０９の温度許容幅（出力半分となる温度範囲）から決定しており、ピークから出力半減するまでの半値半幅で規定している。
【０１６１】
ここで、高調波出力の温度チューニングカーブのサブピークをピークと誤認識しスキャンエラーとならないためにも、上記温度減少量は、波長変換素子２０９の温度許容幅ΔＴの０．５〜１倍となっていることが望ましい。
【０１６２】
以上のように、学習時の入力基本波の値が、前述の実施の形態１及び実施の形態２の場合と比較して小さな高調波出力が得られる値となっている以外は、同様の動作を行っている。
【０１６３】
（実施の形態４）
本発明のさらに他の実施の形態について、図面を参照し以下に説明する。
【０１６４】
本実施の形態では、波長変換素子２０９の保持温度が経時変化することを考慮し、当該保持温度の再設定タイミングの判別方法、並びに素子温度の微調整方法について説明する。
【０１６５】
実施の形態１で触れているように素子温度を学習させるタイミングを判断する方法として、ある出力設定値で設定した出力を得るのに必要な励起ＬＤ２３２への電流値が、励起ＬＤ２３２へ流すことができる電流のリミット値にどれだけ近づいているかを基に学習タイミングを判断する方法について説明する。
【０１６６】
まず、動作中に励起ＬＤ２３２へ流れている電流値Ｉｐｖと励起ＬＤ２３２への電流リミット値Ｉｌｉｍとの比を監視することで、素子温度の再設定タイミングを判別する方法について説明する。
【０１６７】
この方法については、高調波出力の出力一定制御を行う制御ループ中にＩｐｖ／Ｉｌｉｍを計算する処理を入れておくことで、常に動作中に励起ＬＤ２３２へ流れている電流値Ｉｐｖと励起ＬＤ２３２へ流すことができる電流リミット値Ｉｌｉｍとの比を監視する。本実施の形態では電流値ＩｐｖとＬＤ２３２への電流リミット値Ｉｌｉｍとの比が、下記不等式（９）の範囲内にあるとき、正常範囲として定常動作を行う。
０＜Ｉｐｖ／Ｉｌｉｍ＜０．８                                            …（９）
【０１６８】
一方、電流値ＩｐｖとＬＤ２３２への電流リミット値Ｉｌｉｍとの比が、下記不等式（１０）の範囲内にあるとき、素子温度学習させるタイミングとした。
０．８≦Ｉｐｖ／Ｉｌｉｍ                                              …（１０）
【０１６９】
また、出力設定値で設定した出力を得るのに必要な励起ＬＤ２３２への電流値を運転前或いは後にＥＥＰＲＯＭ７０６へ記録し、自動的に管理する方法を採ることもできる。例えば、出力Ｐ１を得るのに必要なＬＤ電流値がＩ１であったとし、さらに励起ＬＤ２３２へのリミット値Ｉｌｉｍと出力一定値制御のためのマージンをｄ（％）とすると、
Ｉ１×（１＋ｄ／１００）＝Ｉｌｉｍ                                    …（１１）
で決定される値となったときに、素子温度を学習させるタイミングとすることができる。
【０１７０】
上記式（１１）で、素子温度学習をさせた方が望ましいと判断された場合、装置が学習動作中であることをユーザーに示しながら自動的に学習動作をするようプログラムされている態様を採ることも可能である。また、学習させた方がよいことをユーザーに警告等で知らせ、ユーザー自身が装置を操作することで学習動作を開始させる態様を採ることもできる。
【０１７１】
また、励起ＬＤ２３２への電流値が、励起ＬＤ２３２へ流すことができる電流のリミット値にどれだけ近づいているかを基に学習タイミングを判断する上記の方法に加えて、矩形波変調で高調波出力を発生させ、駆動電流の変調波形と実際に出力されている高調波出力の形状との比較を行ない、出力波形の欠けた位置で現状の素子温度を判断・素子温度の補正（微調整）を行う方法について説明を行う。
【０１７２】
もう一つの素子温度を学習させるタイミングを判断する方法として、矩形波変調された高調波光を発生させ、基本波光源２３１へ入力する電流波形と出力される高調波光の波形比較を行い、素子温度の微調整を行う方法について説明する。
【０１７３】
図１６（ａ）ないし（ｃ）は、素子温度と高調波出力波形との関係を示している。波高値で基本波６．５Ｗを入力して２．２Ｗの高調波出力を得る場合、変調信号としてパルス幅２０ｍｓｅｃ、デューティー３３％の電流信号波形を光源へ入力した際の高調波出力波形において、図１６（ａ）は素子温度が位相整合温度より０．３℃低い場合、図１６（ｂ）は位相整合温度の時、図１６（ｃ）は位相整合温度より０．３℃高い場合の高調波出力波形を示している。また、図１６（ａ）ないし（ｃ）にプロットされている波線は、光源へ入力される電流信号波形の形状を示している。
【０１７４】
図１６（ａ）に示すように、素子温度が位相整合温度より０．３℃低い場合、電流信号が入力された瞬間は、素子温度が低く出力される高調波も小さいが、発生した高調波により素子そのものが暖められ、位相整合状態となるため、変調された出力波形の後半は設定された波高値が得られることとなる。そのため出力波形の初め（立ち上がり付近）２０％〜５０％が欠けた形となる。
【０１７５】
逆に、図１６（ｃ）に示すように、素子温度が０．３℃高い場合、逆に電流信号が入力された瞬間は、素子温度が位相整合温度付近となり高調波の波高値も設定された値が得られるが、発生した高調波により素子そのものがさらに暖められ、位相整合状態から外れてしまうため、変調された出力波形の後半は設定された波高値が得られず欠けた波形となる。そのため出力波形の後半（立ち下がり付近）２０％〜５０％以降が欠けた形となる。
【０１７６】
位相整合時は電流信号と実際に出力される高調波出力の波形が合致することとなる。この電流信号と高調波出力の波形を比較することにより、素子温度が位相整合温度からどちら側にずれているかを察知することができる。
【０１７７】
図１７は、上記の方法を用いた本実施の形態に係るパルス波形による波長変換素子の温度を微調整する制御工程を示すフローチャートである。
【０１７８】
まず、高調波出力が矩形波変調された状態となっているときに微調整モードを動作させる。この部分については、微調整モードを動作させる時に発光モードを出力変調（矩形波変調）の状態に設定してもよい。
【０１７９】
図１７のフローチャートに示すように、まず、基本波光源２３１へ入力される電流波形と高調波波形とを比較する（Ｓ８１）。Ｓ８１での比較の結果、電流波形と高調波波形とが合致していない場合は（Ｓ８１でＮＯ）、波長変換素子２０９の温度が位相整合状態から低温側にずれているか否かを判断する（Ｓ８２）。すなわち、図１６（ａ）に示すように、高調波波形の初め（立ち上がり付近）が欠けた波形となっているかをＳ８２で判断する。
【０１８０】
波長変換素子２０９の温度が位相整合状態から低温側にずれていると判断される場合（Ｓ８２でＹＥＳ）、電流波形と高調波波形とが合致するまで（Ｓ８２でＹＥＳになるまで）、素子温度を０．０５℃ずつ上昇させる（Ｓ８３）。逆に、素子温度が位相整合状態から高温側にシフトしていると判断される場合（Ｓ８２でＮＯ）、電流波形と高調波波形とが合致するまで（Ｓ８２でＹＥＳになるまで）、素子温度を０．０５℃ずつ低下させる（Ｓ８４）。
【０１８１】
上記の処理により、電流波形と変調された高調波出力の波形とが合致したところで微調整動作を終了させる（Ｓ８２でＹＥＳ）。そして、新しく設定した素子設定温度をＥＥＰＲＯＭ７０６へ記録する（Ｓ８５）。
【０１８２】
なお、素子温度を上昇させる場合のステップ量は、温度検出精度から下限０．０５℃で、素子温度をステップ変化させることによる出力変動を抑制するという意味で上限０．１℃の範囲であることが望ましい。電流信号と高調波出力の変調波形が合致したところで微調整動作を終了させ、この一連の動作により、素子温度を適正な範囲に保つことができる。
【０１８３】
例えば、電源投入後ウォーミングアップ時に、変調信号のパルス幅２０ｍｓｅｃ、デューティー３３％の電流信号波形を基本波光源２３１入力し、観測された高調波の波形形状から素子温度を調整し位相整合状態とすることが可能である。また、出力変調状態で実際に使用している際に観測された高調波の出力波形形状から素子温度を調整し位相整合状態とすることも可能であり、実使用中に素子温度の修正ができるという点がこの方法の利点である。
【０１８４】
なお、変調された高調波の波形形状から、素子温度へフィードバックする時間を考慮すると、変調信号のパルス幅は１００μｓｅｃ以上であることが望ましい。
【０１８５】
なお、基本波光源２３１にＱスイッチなどを使用して、高ピークパルス発振させるような場合においても、高調波出力のパルス列を１００μｓｅｃ以上取得し、その包絡線と電流信号波形とを比較することで、同様に素子温度を設定することができる。
（実施の形態５）
本発明のさらに他の実施の形態について、図面を参照し以下に説明する。
【０１８６】
本実施の形態に係る波長変換レーザ光源２００は、波長変換素子（非線形光学結晶）２０９により、第２高調波２２０の強度に応じて、第２高調波そのもののビーム径に変化を与える構成としている。
【０１８７】
上記の構成を実現するための手段として、波長変換レーザ光源２００の受光器２１２は、ビーム径の変化に基づいて、高調波出力の値を制限している。
【０１８８】
なお、本実施の形態では、分極反転構造を持つＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶素子を使用した。この分極反転構造ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶素子を使用することにより、基本波から第２高調波であるグリーン光への変換効率を大幅に高めることができる。さらに、コンフォーカル条件を満たした波長変換光学系で本結晶素子を用いることにより、出射される第２高調波の強度に応じて、ビーム径を変化させる役割を持たせることが可能となっている。
【０１８９】
本実施の形態のように非線形光学結晶として分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶素子を使用した場合、波長変換されて発生する第２高調波の出力に応じて、ビーム形状が変化することが今回明らかとなった。
【０１９０】
第２高調波の出力に応じて、ビーム形状が変化する光学系の一例を図１８（ａ）を参照し説明する。図１８（ａ）のグラフは、基本波（波長１０６４ｎｍ）入力に対する第２高調波（波長５３２ｎｍ）の出力の関係を示している。
【０１９１】
図１８（ａ）のグラフに示すように、ビーム径は、第２高調波の出力が０〜１．６Ｗまではビーム径が安定しており、ほとんど変化ない（図１８（ｂ））。一方、ビーム径は、第２高調波の出力が１．６Ｗを超えたところからが徐々に小さくなり始め、第２高調波の出力が３Ｗを超えたところでドーナツ状となり出力が不安定になることが確認された（図１８（ｃ））。
【０１９２】
なお、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３を用いた場合、第二高調波の出力（５３０ｎｍ帯）が２．３Ｗ〜３．０Ｗ以下で、ＭｇＯ：ＬｉＴａＯ３を用いた場合は６．５Ｗ以下で、ビーム異常とならないことが確認されている。ＭｇＯを添加したストイキオメトリー組成のＬｉＴａＯ３ではさらに大きく９Ｗ以下でもビーム形状がドーナツ状となることはなかった。また、この検討により、ビーム異常が発生する第二高調波の出力は、波長によって変化し、長波長になるほど大きな出力で発生することが確認されている。
【０１９３】
波長変換素子（非線形光学結晶）２０９で波長変換されて発生した第２高調波２２０は、コリメートレンズ２１１により平行光に戻される。そして、コリメートレンズ２１１により平行光束とされた第２高調波２２０の一部は、ビームスプリッタ２１３で受光器（フォトダイオード）２１２へ分岐される。一方、第２高調波２２０の主ビームはビームスプリッタ２１３を通過し、結合レンズで光ファイバ入射端面からデリバリー用光ファイバへ光学的に結合される。ここで、第２高調波２２０のビーム径が変化することで、結合レンズで集光されたビームの集光位置７０１でのＮＡが変化すると言う仕組みになっている。
【０１９４】
ビーム径の異常を検知するために、受光器２１２は、第１領域１９０１および第２領域１９０２の２領域に分割されている。本実施の形態では、正常なビーム１９０３は第１領域１９０１内に照射されるように配置している。
【０１９５】
この構成によれば、出力が大きくなりすぎて、ドーナツビーム１９０４となった場合は、受光器２１２の第２領域１９０２に光が照射されることとなる。これにより、ビーム径異常を検知することができる。
【０１９６】
図２０（ａ）は、本実施の形態に係るビーム径異常検出機構の制御部の概略構成を示すブロック図である。図２０（ｂ）は、本実施の形態に係るビーム径異常検出機構の制御装置２２５の制御工程を示すフローチャートである。
【０１９７】
制御装置２２５は、図２０（ａ）に示すように、Ａ／Ｄコンバータ２００１、Ｄ／Ａコンバータ２００２、ＭＰＵ２００３、及びレジスタ２００４を含んでいる。
【０１９８】
次に、図２０（ｂ）に示すフローチャートを用いて動作の説明を行う。受光部２１２の第１領域１９０１で光量を取得し、保存する（Ｓ９１）。さらに、第２領域１９０２でも光量を取得し、保存する（Ｓ９２）。すなわち、これらの光量は、図２０（ａ）に示すＡ／Ｄコンバータ２００１でデジタル信号に変換され、レジスタ２００４へ格納される。ＭＰＵ２００３は、格納された各光量の値を用いてで差分計算を行う（Ｓ９３）。
【０１９９】
ここで、第１領域１９０１で取得された光量値をＰ１９０１、第２領域１９０２で取得された光量値をＰ１９０２とするとき、
ｄ×Ｐ１９０１＜Ｐ１９０２                                            …（１２）
となったときに（Ｓ９４でＹＥＳ）、励起ＬＤ２３２への投入電流値を減少させ（Ｓ９５）、ビーム異常を回避する。この際、装置のコンソールなどに低パワーモードであることを表示させる（Ｓ９６）。なお、差分計算で用いる定数ｄは、本実施形態では、例えば０．５とすることができる。
【０２００】
そして、第１領域１９０１および第２領域１９０２で光量を再度取得し（Ｓ９７およびＳ９８）、差分計算を行う（Ｓ９９）。この結果、ドーナツビームの状態が解消されていれば（Ｓ１００でＮＯ）、引き続き低パワーモードで運転を続ける。２回目の差分計算でもドーナツビームが解消されなければ（Ｓ１００でＹＥＳ）、システムリセットし、エラー信号を発生させる（Ｓ１０１）。なお、ここでは、２回目の差分計算の結果に基づいて、システムリセットおよびエラー信号の発生処理をしているが、３回以上の差分計算の結果に基づいて、システムリセットおよびエラー信号の発生処理をしてもよい。
【０２０１】
図２１（ａ）ないし（ｃ）は、それぞれ本実施の形態に係るビーム径異常検出機構の受光部の一例を示す模式図である。
【０２０２】
なお、差分計算で用いる定数ｄであるが、本実施の形態では０．５を使用したが、光学配置などで生じる迷光を考慮して０〜０．５の範囲で決定される値である。
【０２０３】
また、受光部２１２としては、本実施の形態で使用した２分割型以外に、図２１（ａ）に示すように、領域２１０１、２１０２、２１０３と、受光部２１２（フォトダイオード等）の受光領域を３分割したもの、或いは４分割以上したものを用いることができる。さらに他の受光部２１２としては、図２１（ｂ）に示すように、ピンホール２１０４でマスクしたものや、図２１（ｃ）に示すように、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）素子２１０５を使用したものとすることができる。ここで、図２１（ｂ）に示すピンホール２１０４でマスクした受光部２１２は、コストの面では最も適しているが、励起ＬＤ２３２への入力電流値との照らし合わせにより、ビーム異常かどうかを判別する必要がある。また、図２１Ｃに示すＣＣＤ素子２１０５を使用した場合、画像処理が必要となることや、電荷がオーバーフローした際の画像処理が必要となるため、図１９（ｂ）または図２１（ａ）に示す分割フォトダイオードを使用するのがより簡便で望ましい。
【０２０４】
また、ビーム径異常を回避する方法として、基本波光の集光位置をシフトさせる方法を採用しても同様の効果が得られる。
【０２０５】
図２２（ａ）は、本実施の形態に係るビーム径異常検出機構の制御部の概略構成を示すブロック図である。図２２（ｂ）は、本実施の形態に係るビーム径異常検出機構の制御部の制御工程を示すフローチャートである。
【０２０６】
波長変換素子（非線形光学結晶）２０９で波長変換されて発生した第２高調波２２０は再コリメートレンズ２１１で平行光へ戻される。そして、第２高調波２２０の一部はビームスプリッタ２１３で受光器（フォトダイオード）２１２へ分岐されている。第２高調波２２０の主ビームは、ビームスプリッタ２１３を通過し、外部へ出力されている。
【０２０７】
第２高調波２２０のビーム径の異常を検知するために、第１領域１９０１および第２領域１９０２の２領域に分割された受光器２１２を用いて光量値を取得し、これら二つの領域における光量値の差分計算を行う。差分計算の結果、ドーナツビームの状態と判定されたとき、基本波光２３５の集光位置２２０１を入射端面側（集光位置２２０２の方）へ移動させるように、集光レンズ２０８の位置を２０８（ａ）の位置から２０８（ｂ）の方向へシフトさせる。このように集光レンズ２０８をシフトすることでドーナツビームは解消されるが、発生される第２高調波２２０の光量が低下する。そこで、励起ＬＤへの投入電流を増加させて、光量を維持するように制御することで、ドーナツビームを解消しながら、第２高調波の出力も維持することができる。
【０２０８】
続いて、図２２（ｂ）に記載のフロー図を用いて動作の説明を行う。受光部２１２の第１領域１９０１及び第２領域１９０２で取得された光量の値は、図２０（ａ）に示すＡ／Ｄコンバータ２００１でデジタル信号に変換され、レジスタ２００４へ格納される（Ｓ１１１およびＳ１１２）。そして、格納された値を用いてＭＰＵ２００３で両光量値の差分計算を行う（Ｓ１１３）。第１領域１９０１で取得された光量値をＰ１９０１、領域１９０２で取得された光量値をＰ１９０２とするとき、
ｄ×Ｐ１９０１＜Ｐ１９０２                                            …（１３）
となったときに（Ｓ１１４でＹＥＳ）、集光レンズ２０８を所定量だけシフトさせることにより（Ｓ１１５）、基本波光２３５の集光位置を入射端面側へ移動させ、ビーム異常を回避する。
【０２０９】
その後、再度、第１領域１９０１および第２領域１９０２で光量を取得し（Ｓ１１６およびＳ１１７）、両光量値の差分計算を行う（Ｓ１１８）。この結果、ドーナツビームの状態が解消されていなければ（Ｓ１１９でＹＥＳ）、Ｓ１１５に移行して、再度、集光レンズ２０８を所定量だけシフトさせる。
【０２１０】
一方、ドーナツビームの状態が解消されていれば（Ｓ１１９でＮＯ）、第１領域１９０１に入射される第２高調波の光量を確認する（Ｓ１２０）。第２高調波の光量が不足していれば（Ｓ１２０でＮＯ）、励起ＬＤ２３２への投入電流を所定量だけ増加させることにより、基本波の光量を増加させる（Ｓ１２１）。その後、第２高調波の光量が設定値になるまで（Ｓ１２０でＹＥＳになるまで）、前記Ｓ１１６ないしＳ１２１のルーチンを繰り返しながら、運転を続ける。
【０２１１】
このように、励起ＬＤ２３２への投入電流を増加させて基本波の光量を増加させながら、第１領域１９０１に入射される第２高調波の光量を確認した上で、図２２（ｂ）のフローに沿って動作をさせることで、ドーナツビームを解消しながら、第２高調波の出力も維持することができる。
【０２１２】
なお、本実施の形態では、ファイバに入射されるレーザビームのビーム品質（Ｍ２値）が１．３のグリーンレーザを使用したが、Ｍ２値で２以下のレーザビームであれば、本構成の効果が十分に得られることを確認している。
【０２１３】
なお、実施の形態１〜実施の形態５において、非線形光学結晶は出力される高調波をトリガーとして光吸収（２光子吸収など）を生じる結晶、つまり発生する高調波の波長が、波長変換素子として用いている非線形光学結晶が有する吸収端波長の２倍未満となっている必要がある。例えば、このような条件を満たす非線形光学結晶としては、ニオブ酸リチウム（酸化マグネシウムを添加したものを含む）、タンタル酸リチウム（酸化マグネシウムを添加したものを含む）、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ４：ＫＴＰ）があり、これらの結晶を用いて、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＹｂファイバレーザから波長５２０ｎｍ〜５６０ｎｍのグリーン光を発生させる場合が当てはまる。
【０２１４】
また、図３のプロット図における高調波出力と位相整合温度の差異との関係を見ても分かるように、高調波の光吸収、特に２光子吸収のように発生した高調波の２乗に比例して吸収率が増加する現象が発生する波長変換素子を使用して５００ｍＷ以上の出力を得るとき、本実施の形態に係る素子温度設定方法の効果を得ることができる。
【０２１５】
また、このように高調波によって誘起される光を吸収するという特徴を持つ波長変換素子を使用し、実際に使用する高調波出力の１２０％程度のところで最適となるよう素子温度を設定することにより、基本波入力が過多となった場合においても、第２高調波の出力は飽和するため、常に波長変換効率を最大となるよう最適な素子温度である位相整合温度を検索する方法では、素子の破壊限界以上に高調波を発生させてしまうため、高調波の光吸収、特に２光子吸収のように発生した高調波の２乗に比例して吸収率が増加する現象が原因となって生じる波長変換素子の破壊を防止することも可能となる。
【０２１６】
また、図２３及び図２４に本実施の形態に係るファイバレーザ光源を用いた２次元画像表示装置の構成例を示している。
【０２１７】
本願発明の波長変換モジュールに適用したレーザディスプレイ（画像表示装置）の構成の一例について図２３を用いて説明する。
【０２１８】
また、図２３に、本実施の形態に係るレーザを光源に用いたプロジェクタシステムの光学エンジン模式図を示している。本実施の形態の２次元画像表示装置２３００は、液晶３板式プロジェクターの光学エンジンに、本願の内容を適用させた一例である。この２次元画像表示装置２３００は、画像処理部２３０２と、レーザ出力コントローラ（コントローラ）２３０３と、ＬＤ電源２３０４と、赤色、緑色、青色レーザ光源２３０５Ｒ、２３０５Ｇ、２３０５Ｂと、ビーム形成ロッドレンズ２３０６Ｒ、２３０６Ｇ、２３０６Ｂと、リレーレンズ２３０７Ｒ、２３０７Ｇ、２３０７Ｂと、折り返しミラー２３０８Ｇ、２３０８Ｂと、画像を表示させるための２次元変調素子２３０９Ｒ、２３０９Ｇ、２３０９Ｂと、偏光子２３１０Ｒ、２３１０Ｇ、２３１０Ｂと、合波プリズム２３１１と、投影レンズ２３１２とを含んでいる。
【０２１９】
グリーンレーザ光源２３０５Ｇは、グリーン光源の出力をコントロールするコントローラ２３０３およびＬＤ電源２３０４で制御される。
【０２２０】
各光源２３０５Ｒ、２３０５Ｇ、２３０５Ｂからのレーザ光は、ロッドレンズ２３０６Ｒ、２３０６Ｇ、２３０６Ｂにより矩形に整形され、リレーレンズ２３０７Ｒ、２３０７Ｇ、２３０７Ｂで各色の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合波プリズム２３１１で合成し、投影レンズ２３１２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。
【０２２１】
また、グリーンレーザ光源２３０５Ｇは、レーザ共振器をファイバ内に閉じた系とし、外部からの塵あるいは反射面のミスアライメントなどで共振器の損失が増加することによる出力の経時低下・出力変動を抑制することができる。
【０２２２】
一方、画像処理部２３０２では、入力される映像信号２３０１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２３０３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。
【０２２３】
この際、レーザをパルス駆動し、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）を取ることもできる。
【０２２４】
また、このプロジェクタシステムに用いられる緑光源の波長は、５１０ｎｍから５５０ｎｍ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、色再現性の良いディスプレイとして、さらに原色に近い色表現をすることができる。
【０２２５】
また、上記目的を達成するために、本実施の形態に係る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、レーザ光源を走査する走査部とを備え、レーザ光源は、少なくとも赤色、緑色及び青色をそれぞれ出射する光源を用いた構成からなり、レーザ光源のうち、少なくとも緑色の光源は上記のいずれかの波長変換装置を用いた構成としてもよい。
【０２２６】
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。
【０２２７】
なお、このような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：図２３）のほかに、前方投影型構成の２次元画像表示装置の形態をとることも可能である。
【０２２８】
なお、空間変調素子には、透過型液晶あるいは反射型液晶、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）などを用いた２次元変調素子を用いることももちろん可能である。
【０２２９】
なお、本実施の形態のように反射型空間変調素子やＭＥＭＳ、ガルバノミラーといった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において、高調波を光ファイバで伝搬する際は、ＰＡＮＤＡファイバなどの偏波保持ファイバである必要はない。しかしながら、液晶を用いた２次元変調デバイスを使用する際には、変調特性と偏光特性が大いに関係するため、偏波保持ファイバを使用することが望ましい。
【０２３０】
また、図２４に示すように、レーザを光源としたディスプレイの一形態として、レーザ光源２４０２と制御部２４０３、レーザ光源を点光源から線光源に変換する導光部材２４０４、線光源から面光源に変換して液晶パネル全面を照明するための導光板部材２４０８、偏光方向をそろえたり照明ムラを除去したりするための偏光板・拡散部材２４０９、および液晶パネル２４１０等で構成された液晶ディスプレイ２４００を実現することも可能である。つまり、本願発明の光源を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ができる。
【０２３１】
また、図２５に示すように、本願のレーザ装置を、レーザ光源、レーザ光源からの出力を制御する制御部、出力を設定する出力設定部２５０２、レーザ光源を出力させる出力コネクタ２５０３、レーザ光を照射したい領域へ導くデリバリファイバ２５０４、およびハンドピース２５０５などで構成された、手術用のレーザ光源２５００として使用することも可能である。
【０２３２】
図１８（ａ）のプロット図に記載しているような出力が１．６Ｗ〜３Ｗまでの「ビーム径縮小領域」を利用して、出力は小さくて良いが、デリバリファイバ２５０４から出射されるレーザビーム２５０６の空間均一性が必要とされるときは大きなＮＡで（本実施の形態の場合、ＮＡ：０．１２）、一方、大きな出力が必要だが、均一性は必要とされない時は小さなＮＡ（本実施の形態の場合、ＮＡ：０．０９）で、デリバリファイバ２５０４と光学的に結合させ、第２高調波を励振することができる。
【０２３３】
図２５に記載のファイバ付きレーザ光源デリバリファイバに結合させる際、第２高調波レーザ光出力とビーム径との関係の一例を示したプロット図が図２６（ａ）である。また、第２高調波レーザ光出力とデリバリファイバ２５０４へ入射するレーザビームの入射ＮＡとの関係の一例を示したプロット図が図２６（ｂ）である。図２６（ａ）および（ｂ）より、ビーム径が出力に応じて小さくなるにつれ、デリバリファイバ２５０４への入射ＮＡが小さくなることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０２３４】
本発明は、光吸収特性を有する波長変換素子を用いた波長変換レーザ光源に好適に用いることができ、出力一定制御 (APC: Auto Power Control) を行ったときに、基本波入力を増加させても、出力が増加せずに制御ができなくなること防止でき、波長変換素子の経時変化による位相整合温度の変化を補正することができる。すなわち、制御不能状態となることを防止することができるため、装置の信頼性を向上でき、ディスプレイ等の民生用途に適した波長変換レーザ光源を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２３５】
【図１】従来の波長変換レーザ光源の概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る波長変換レーザ光源の概略構成を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る波長変換レーザ光源を用いた場合における、基本波入力と第２高調波出力との関係、及び基本波入力と波長変換素子の位相整合温度からのズレ量との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施の形態に係る波長変換レーザ光源を用いた場合における、基本波光入力をパラメータとした場合の、第２高調波出力と、波長変換素子の位相整合温度からのズレ量との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施の形態に係る波長変換レーザ光源を用いた場合における、５００ｍＷ入力時の波長変換素子の位相整合温度からのズレ量をパラメータとしたときの基本波入力と第２高調波出力との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施の形態に係る波長変換レーザ光源を用いた場合における、基本波光の入射光量をパラメータとしたときの、波長変換素子の位相整合温度からのズレ量と第２高調波出力との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施の形態に係る波長変換レーザ光源が備える制御装置及び波長変換素子の温度コントローラの概略構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の一実施の形態に係る温度コントローラによる波長変換素子の定常時の制御動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の一実施の形態に係る温度コントローラによる波長変換素子の素子温度学習時の制御動作を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の一実施の形態に係る波長変換素子の位相整合温度からのズレ量をパラメータとしたときの基本波入力と第２高調波出力との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の他の実施の形態に係る温度コントローラによる波長変換素子の素子温度学習時の制御動作を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の他の実施の形態に係る波長変換素子の温度学習方法を用いて学習させた場合と実施の形態１の学習方法を用いて学習させた場合とにおける、基本波から高調波への変換効率の比較を示すグラフである。
【図１３】本発明のさらに他の実施の形態に係る基本波入力に対する、位相整合温度（素子温度）の温度差と、当該最適素子温度で発生させることができる高調波出力との関係を示すグラフである。
【図１４】本発明のさらに他の実施の形態に係る温度コントローラによる波長変換素子の定常時の制御動作を示すフローチャートである。
【図１５】本発明のさらに他の実施の形態に係る温度コントローラによる波長変換素子の素子温度学習時の制御動作を示すフローチャートである。
【図１６】本発明のさらに他の本実施の形態に係るパルス波形による波長変換素子の温度を微調整する際の判断基準としての高調波出力パルス形状波形を示す模式図である。
【図１７】本発明のさらに他の本実施の形態に係るパルス波形による波長変換素子の温度を微調整する制御動作を示すフローチャートである。
【図１８】本発明のさらに他の本実施の形態に係る波長変換レーザ光源における５３２ｎｍ出力とビーム径の状態とを示すグラフである。
【図１９】（ａ）は、本発明のさらに他の実施の形態に係るビーム径異常判別機構の拡大模式図であり、（ｂ）は、受光器の概略構成を示す模式図であり、（ｃ）は、図（ｂ）の受光器を用いた場合の、ビーム径異常判別の仕組みを示す模式図である。
【図２０】（ａ）は、本発明のさらに他の実施の形態に係るビーム径異常検出機構の制御部の概略構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、ビーム径異常検出機構の制御部の制御工程を示すフローチャートである。
【図２１】本発明のさらに他の実施の形態に係るビーム径異常検出機構の受光部の例を示す模式図である。
【図２２】（ａ）は、本発明のさらに他の実施の形態に係るビーム径異常検出機構の制御部の概略構成を示す説明図であり、（ｂ）は、ビーム径異常検出機構の制御部の制御工程を示すフローチャートである。
【図２３】本発明の一実施の形態に係るレーザ光源を適用したプロジェクター（プロジェクションディスプレイ）の構成例を示す模式図である。
【図２４】（ａ）は、本発明のレーザ光源を適用した液晶ディスプレイの構成例を示す模式図であり、（ｂ）は、液晶ディスプレイの断面図である。
【図２５】本発明のレーザ光源を適用したファイバ付きレーザ光源の構成例を示す模式図である。
【図２６】（ａ）は、図２５のビーム径変換機構を用いた場合の光強度と伝搬用ファイバへの結合レンズ手前のビーム径との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、図２５のビーム径変換機構を用いた場合の光強度と伝搬用ファイバへの入射光のＮＡとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０２３６】
２００    波長変換レーザ光源
２０１    出力設定器
２０２    温度コントローラ
２０８    集光レンズ
２０９    波長変換素子
２１１    再コリメートレンズ
２１２    受光器（フォトダイオード）
２１３    ビームスプリッタ
２１６    温度保持部
２２０    第２高調波
２２５    制御装置
２３１    基本波光源
２３２    励起ＬＤ
２３５    基本波光
２３６    第１ダイクロイックミラー
２３７    第２ダイクロイックミラー
７０１    波長変換素子
７０３    サーミスタ
７０４    Ａ／Ｄコンバータ
７０５    レジスタ
７０６    ＥＥＰＲＯＭ
７０７    ＭＰＵ
７０８    電源
７０９    スイッチ
７１１    温度コントローラー
２３００    画像表示装置
２３０３    レーザ出力コントローラ
２３０５Ｒ    赤色レーザ光源
２３０５Ｇ    緑色レーザ光源
２３０５Ｂ    青色レーザ光源
２３０６Ｒ、２３０６Ｇ、２３０６Ｂ    ビーム形成ロッドレンズ
２３０７Ｒ、２３０７Ｇ、２３０７Ｂ    リレーレンズ
２３０８Ｇ、２３０８Ｂ    折り返しミラー
２３０９Ｒ、２３０９Ｇ、２３０９Ｂ    ２次元変調素子
２３１１    合波プリズム
２３１２    投影レンズ
２４００    液晶ディスプレイ
２４１０    液晶パネル
【図１】
0005352212.tif 000002
【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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【図１７】
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【図１９】
0005352212.tif 000019
【図２０】
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【図２２】
0005352212.tif 000021
【図２５】
0005352212.tif 000022
【図２６】
0005352212.tif 000023
【図１８】
0005352212.tif 000024
【図２１】
0005352212.tif 000025
【図２３】
0005352212.tif 000026
【図２４】
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