(57)【要約】  簡単な構成で偏光を制御して、単一の偏光を出力するファイバレーザおよび光学装置を提供する。  ファイバレーザは、希土類元素をドープされた固体レーザファイバ３と、固体レーザファイバを励起するポンプ光源１と、波長依存性を有する反射要素２と、固体レーザファイバの出射側に設けられ、固体レーザファイバに沿って所定距離で反射要素と離間して配置される波長変換素子４と、を備え、波長変換素子４の端面が光軸に対し傾いていることを特徴とする。
2007026510.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素をドープされた固体レーザファイバと、
前記固体レーザファイバを励起するポンプ光源と、
波長依存性を有する反射要素と、
前記固体レーザファイバの出射側に設けられ、前記固体レーザファイバに沿って所定距離で前記反射要素と離間して配置される波長変換素子と、を備え、
前記波長変換素子の端面が光軸に対し傾いていることを特徴とするファイバレーザ。
【請求項２】
前記反射要素がグレーティングファイバである請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項３】
前記波長変換素子が複屈折率を有している請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項４】
前記波長変換素子が反射要素を備えている請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項５】
前記固体レーザファイバが、偏波保存ファイバである請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項６】
前記波長変換素子の出射側に第２の固体レーザファイバをさらに備えた請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項７】
前記波長変換素子の出射側にグレーティングファイバをさらに備えた請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項８】
前記固体レーザファイバからの出射光に対して、前記波長変換素子の端面がブリュースター角条件を満足している請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項９】
前記波長変換素子が周期状の分極反転構造を備えた請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項１０】
前記波長変換素子の出射側にプリズムを備えた請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項１１】
前記波長変換素子の出射側に第２の波長変換素子を備えた請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項１２】
前記固体レーザファイバがＹｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｏの少なくともいずれかを含む請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項１３】
前記波長変換素子が、周期状の分極反転構造を有するＭｇドープＬｉＮｂＯ３、ＭｇドープＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ストイキオメトリック組成のＭｇドープＬｉＮｂＯ３、ストイキオメトリック組成のＭｇドープＬｉＴａＯ３のいずれかである請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項１４】
前記波長変換素子は１軸性の非線形光学結晶であり、
前記波長変換素子の端面は、前記固体レーザファイバからの入射光に対して傾いており、
前記入射光の進行方向と前記非線形光学結晶のＣ軸はほぼ直交しており、
前記端面は、前記非線形光学結晶のＣ軸と平行である請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項１５】
前記非線形光学結晶内において、前記入射光のＰ偏光の電界振幅方向と前記非線形光学結晶のＣ軸がほぼ平行である請求項１４に記載のファイバレーザ。
【請求項１６】
前記波長変換素子が１軸性の非線形光学結晶であり、
前記波長変換素子の端面は、前記固体レーザファイバからの入射光に対して傾いており、
前記波長変換素子内で、前記入射光の進行方向と前記非線形光学結晶のＣ軸はほぼ直交しており、
前記端面は、前記非線形光学結晶のＣ軸に対して傾いている請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項１７】
前記非線形光学結晶内において、前記入射光のＳ偏光の電界振幅方向が前記結晶のＣ軸方向とほぼ平行である請求項１６に記載のファイバレーザ。
【請求項１８】
前記波長変換素子の端面と前記入射光との角度が、ブリュースター角近傍である請求項１６に記載のファイバレーザ。
【請求項１９】
前記波長変換素子は、前記非線形光学結晶のＸ軸とほぼ垂直な端面を有する請求項１４に記載のファイバレーザ。
【請求項２０】
前記波長変換素子は、前記非線形光学結晶のＸ軸とほぼ垂直な端面を有する請求項１６に記載のファイバレーザ。
【請求項２１】
請求項１に記載のファイバレーザと、
前記ファイバレーザからの光を２次元画像に変換する画像変換光学系と、
を備えた光学装置。
【請求項２２】
前記画像変換光学系が２次元のビーム走査光学系である請求項２１に記載の光学装置。
【請求項２３】
前記画像変換光学系が２次元スイッチである請求項２１に記載の光学装置。
【請求項２４】
前記ファイバレーザは緑色を発生し、
赤色と青色を発生する半導体レーザ光源をさらに有し、
前記画像変換光学系は、前記ファイバレーザと半導体レーザ光源からの光を２次元のカラー画像に変換する請求項２１に記載の光学装置。
【請求項２５】
前記画像変換光学系は、
前記ファイバレーザの出射光を伝播する導波板と、
液晶パネルと、
を含む請求項２１に記載の光学装置。
【請求項２６】
前記液晶パネルを制御する制御部をさらに有し、
前記波長変換素子は前記導波板の側面に配置し、
前記ポンプ光源は前記制御部に配置した請求項２５に記載の光学装置。
【請求項２７】
前記ポンプ光源は複数のレーザ光源であり、
前記複数のレーザ光源が、前記液晶パネルの裏面に一定の距離で離間して配置されている請求項２５に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバレーザおよびファイバレーザを利用した光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
共振器内に固体レーザと波長変換素子とを備えて、固体レーザ装置によるレーザ光を高調波に変換し、緑色の可視光を出力するレーザ装置が従来から知られている。従来のレーザ装置は、Ｐ偏光とＳ偏光の反射率の違いに基づいて、Ｐ偏光とＳ偏光とを分離し、単一偏光を出力する。しかしながら、この方法は固体レーザ光を効率良く緑色のレーザ光に変換して出力することができない。【０００３】
そこで近年、高出力のレーザ光源として、固体レーザ媒質のコアを有するファイバレーザが開発されてきている。ファイバレーザは、光学的に活性なＮｄ、Ｙｂ、Ｅｒといった希土類イオンがドープされたコア部を有する固体レーザファイバと、固体レーザファイバに沿って所定間隔で離間して設置された光学的反射要素とを備える。上記ファイバに所定の波長のポンプ光を入射すると、希土類イオンが励起されて、固体レーザファイバは利得媒質となり、光学的反射要素によって共振器を構成することで、レーザ発振する。光学的反射要素としては、ポンプ光を透過し、利得媒質で励起される励起光を反射する特性が必要であり、ファイバ内に周期的な屈折率変化を形成し、ブラッグ反射により特定波長を反射するグレーティングファイバが使用される。【０００４】
上記ファイバレーザを単一偏光の光源として利用する方法が特許文献１に開示されている。特許文献１の偏光制御ファイバレーザは、レーザ媒質を偏波保存ファイバとし、レーザ媒質に偏光依存性を設けている。偏光制御ファイバレーザは、一方の偏光に対する損失を大きくし、他方の損失の少ない偏光を伝播させることにより、単一偏光を出力する。さらに、ファイバレーザの光線を光ファイバ増幅器に連結して、光ファイバ増幅器から高強度の光線を放出している。このように、従来のファイバレーザにおける偏光制御は、異なる２つの偏光成分において一方の偏光の損失を増大させることで、共振器内でロスの少ないモードでレーザ発振を行っている。
【特許文献１】特表平１１−５０１１５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の光ファイバ増幅器を用いた偏光制御ファイバレーザは、高効率、高出力のレーザ発振が可能であるが、偏光を制御して単一偏光を出射するための構成が複雑であるという問題があった。【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、簡単な構成で偏光を制御して単一偏光を出射する、ファイバレーザおよびファイバレーザを利用した光学装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のファイバレーザは、希土類元素をドープされた固体レーザファイバと、固体レーザファイバを励起するポンプ光源と、波長依存性を有する反射要素と、固体レーザファイバの出射側に設けられ、固体レーザファイバに沿って所定距離で反射要素と離間して配置される波長変換素子と、を備え、波長変換素子の端面が光軸に対し傾いていることを特徴とする。【０００８】
好ましくは、上記反射要素はグレーティングファイバである。上記波長変換素子は複屈折率や反射要素を備えても良い。上記固体レーザファイバは、偏波保存ファイバであっても良い。【０００９】
上記波長変換素子の出射側に第２の固体レーザファイバやグレーティングファイバをさらに備えても良い。【００１０】
固体レーザファイバからの出射光に対して、波長変換素子の端面がブリュースター角条件を満足していても良い。波長変換素子が周期状の分極反転構造を備えても良い。【００１１】
波長変換素子の出射側にプリズムや第２の波長変換素子を備えても良い。【００１２】
固体レーザファイバはＹｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｏの少なくともいずれかを含んでも良い。【００１３】
波長変換素子は、周期状の分極反転構造を有するＭｇドープＬｉＮｂＯ３、ＭｇドープＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ストイキオメトリック組成のＭｇドープＬｉＮｂＯ３、ストイキオメトリック組成のＭｇドープＬｉＴａＯ３のいずれかであっても良い。【００１４】
波長変換素子は１軸性の非線形光学結晶であり、波長変換素子の端面は、固体レーザファイバからの入射光に対して傾いており、入射光の進行方向と非線形光学結晶のＣ軸はほぼ直交しており、端面は、非線形光学結晶のＣ軸と平行であっても良い。【００１５】
非線形光学結晶内において、入射光のＰ偏光の電界振幅方向と非線形光学結晶のＣ軸がほぼ平行であっても良い。【００１６】
波長変換素子は１軸性の非線形光学結晶であり、波長変換素子の端面は、固体レーザファイバからの入射光に対して傾いており、波長変換素子内で、入射光の進行方向と非線形光学結晶のＣ軸はほぼ直交しており、端面は、非線形光学結晶のＣ軸に対して傾いていても良い。【００１７】
非線形光学結晶内において、入射光のＳ偏光の電界振幅方向が結晶のＣ軸方向とほぼ平行であっても良い。波長変換素子の端面と入射光との角度が、ブリュースター角近傍であっても良い。波長変換素子は、非線形光学結晶のＸ軸とほぼ垂直な端面を有しても良い。【００１８】
本発明の光学装置は、上記ファイバレーザと、ファイバレーザからの光を２次元画像に変換する画像変換光学系と、を備える。【００１９】
上記画像変換光学系は、２次元のビーム走査光学系であっても良い。【００２０】
上記画像変換光学系は、２次元スイッチであっても良い。【００２１】
上記光学装置は、緑色を発生するファイバレーザと、赤色と青色を発生する半導体レーザ光源とを有し、画像変換光学系は、ファイバレーザと半導体レーザ光源からの光を２次元のカラー画像に変換しても良い。【００２２】
上記画像変換光学系は、ファイバレーザの出射光を伝播する導波板と、液晶パネルと、を含んでも良い。上記光学装置は、液晶パネルを制御する制御部をさらに有し、波長変換素子は導波板の側面に配置し、ポンプ光源は制御部に配置しても良い。【００２３】
ポンプ光源は複数のレーザ光源であって、複数のレーザ光源が、液晶パネルの裏面に一定の距離で離間して配置されていても良い。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、簡単な構成のファイバレーザおよびファイバレーザを利用した光学装置で、偏光を制御して単一の偏光を出力することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態１のファイバレーザの構成を示す図
【図２】Ｐ偏光を波長変換する場合の図であって、（ａ）は波長変換素子周辺の拡大図、（ｂ）は入射角に対する反射率及び偏光角差を示す特性要因図
【図３】Ｓ偏光を波長変換する場合の図であって、（ａ）は波長変換素子周辺の拡大図、（ｂ）は入射角に対する反射率及び偏光角差を示す特性要因図
【図４】本発明の実施形態２のファイバレーザの構成を示す図
【図５】本発明の実施形態３のファイバレーザの構成を示す図
【図６】（ａ）は本発明の実施形態４のファイバレーザの構成を示す図、（ｂ）は波長変換素子周辺の部分拡大図、（ｃ）は波長変換素子周辺の他の例の部分拡大図
【図７】実施形態４における入射角に対する反射率を示す特性要因図
【図８】本発明の実施形態５のファイバレーザの構成を示す図
【図９】本発明の実施形態６のファイバレーザの構成を示す図
【図１０】本発明の実施形態７のファイバレーザの構成を示す図
【図１１】本発明の実施形態８のファイバレーザの構成を示す図
【図１２】本発明の実施形態９の光学装置の構成を示す図
【図１３】本発明の実施形態１０の光学装置の構成を示す図
【図１４】本発明の実施形態１１の光学装置の構成を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は表面図
【図１５】本発明の実施形態１２の光学装置の構成を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は表面図
【符号の説明】
【００２６】
１          ポンプ光源
２、５１    グレーティングファイバ
３          固体レーザファイバ
４、  ４４、６１、１１１    波長変換素子
５          入射面
６、４２、６５    反射膜
７、６６、７７    高調波
８          集光光学系
９          Ｐｅ偏光
１０        Ｐｏ偏光
２１        ＡＲコート
２２        Ｐ偏光
２３        Ｓ偏光
４１        集光光学系
４３        ファイバ
４５        出射面
６３、６４        端面
６２、１０２    プリズム
１２１      コヒーレント光源
１２２      コリメート光学系
１２３      インテグレータ光学系
１２４      拡散板
１２５      液晶パネル
１２６      投影レンズ
１２７      スクリーン
１３１      ＲＧＢレーザ光源
１３２、１３３    ミラー
１３４      スクリーン
１４１      導波板
１４２      拡散板
１４３      フィルタ
１４４      液晶パネル
１４５      偏光板
１４６      制御部
１４７      拡散素子
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（実施形態１）
図１に本発明の実施形態１のファイバレーザの構成を示す。【００２８】
［ファイバレーザの全体構成］
本実施形態のファイバレーザは、ポンプ光源１と、ポンプ光源１から出力された波長λｐの光を透過して、特定の波長を反射するグレーティングファイバ２と、希土類元素がドープされた固体レーザファイバ３と、固体レーザファイバ３からの出射光を集光する集光光学系８と、固体レーザファイバ３に沿って所定距離だけ離れて設置された波長変換素子４と、波長変換素子４の出射端面に設けられて、基本波を反射して高調波７を透過する反射膜６と、を備える。【００２９】
ポンプ光源１から出力された波長λｐの光は、波長依存性を有するグレーティングファイバ２を透過して固体レーザファイバ３に入射される。固体レーザファイバ３は、波長λｐの光により活性化され、波長λ１でレーザ発振する。グレーティングファイバ２は、周期的な屈折率変化を形成し、ブラッグ反射により特定波長を反射する。波長λ１は、固体レーザファイバ３のゲイン波長とグレーティングファイバ２のブラッグ反射波長により固定される。本実施形態において、グレーティングファイバ２と波長変換素子４の出射端面に設けられた反射膜６とにより、固体レーザファイバ３の共振器を構成する。【００３０】
本実施形態において、波長変換素子４は、波長を半分にして、ポンプ光源１から出力された光を緑色に変換する。波長変換素子４で高効率の波長変換を行うには、光の高いパワー密度と、高いビーム品質、さらに単一偏光特性が要求される。通常は、単一偏光化した光源を波長変換素子により変換する構成をとるが、本発明では、波長変換素子４の複屈折率を利用した光フィードバックによりファイバレーザ光を単一偏光化する。【００３１】
波長変換素子４は１軸性の非線形光学結晶であり、本実施形態においては、複屈折率を有する光学結晶である。波長変換素子４の入射面５は斜めに形成されると共に、波長変換素子４は固体レーザファイバ３に対して傾いた状態に配置される。固体レーザファイバ３から出射された出射光は、光軸に対して傾いた状態で入射面５に入射され、波長変換素子４の複屈折率により、入射光１１は偏光によって異なる角度で屈折する。【００３２】
異なる屈折角で入射面５に入射した入射光１１は、波長変換素子４内で偏光に分離される。図１においては、Ｐｅ偏光９とＰｏ偏光１０とに分離される。ここで、Ｐｅ偏光９とは、波長変換素子４の結晶のＣ軸方向の偏光であり、Ｐｏ偏光１０は、Ｘ、Ｙ軸方向の偏光である。図１においては、Ｐｅ偏光９が波長変換素子４内で高効率に波長変換される偏光軸となる。Ｐｅ偏光９にほぼ垂直な面に反射膜６が堆積されており、反射膜６とグレーティングファイバ２との間で共振器構造を形成しているため、波長λ１の単一偏光である偏光Ｐｅの光が共振器条件を満足して、レーザ発振する。Ｐｏ偏光１０の光は、反射膜６に対して直角と異なる角度をもつため、固体レーザファイバ３には帰還せず、レーザ発振を起こさない。【００３３】
［偏光分離の具体例］
入射面５に対して平行な方向に偏光（光の電界振幅方向）を有するＰ偏光と、これに直交する偏光成分であるＳ偏光とを含む入射光１１を、Ｐ偏光とＳ偏光とに分離する具体例について説明する。【００３４】
図２（ａ）及び図３（ａ）に、図１の波長変換素子４の周辺部の部分拡大図を示す。波長変換素子４の複屈折率を利用して偏光を分離する場合、偏光方向によって波長変換素子４の構成が大きく異なる。本実施形態では、波長変換素子４としてＰＰＭｇＬＮ（周期状の分極反転構造を有するＭｇドープのＬｉＮｂＯ３）を用いる。【００３５】
［Ｐ偏光の光の波長変換］
図２（ａ）は、入射光としてＰ偏光の光を波長変換する構成である。固体レーザファイバ３から出射された入射光１１は、入射面５に対して入射角θｉｎの角度で入射する。入射光１１は波長変換素子４の複屈折率により結晶内でＰ偏光２３とＳ偏光２２とに角度分離される。このときのＰ偏光２３とＳ偏光２２の進行方向のなす角度を偏光角差θｐｓで示す。偏光角差θｐｓによって偏光を分離できる。【００３６】
図２（ａ）に示す構成では、Ｐ偏光２３の波長変換を行うので、Ｐ偏光２３の電界振幅方向と波長変換素子４の結晶のＣ軸方向とを一致させる。ＰＰＭｇＬＮの場合、非線形定数は結晶のＣ軸方向が最大である。その理由は、Ｃ軸と光の電界振幅方向が一致した場合に最も高い変換効率が得られるからである。【００３７】
波長変換素子４の結晶内に入ったＰ偏光２３は、Ｘ方向に伝播し、ＺＹ平面にある反射膜６で反射されて、もとの入射光１１と同じ経路を逆行し、固体レーザファイバ３に帰還する。一方、Ｓ偏光２２はＰ偏光２３と屈折角が異なるので、反射膜６で角度を持って反射され、Ｐ偏光２３と分離される。このときの入射角θｉｎと入射面５でのＰ偏光２３の反射率と、入射角θｉｎと結晶内でのＰ、Ｓ偏光の成す偏光角差θｐｓの関係をＰＰＭｇＬＮの場合について計算した結果を図２（ｂ）に示す。【００３８】
図２（ｂ）に示すように、反射率と偏光角差θｐｓは入射角θｉｎとともに増大する。偏光角差θｐｓが小さいと２つの偏光の分離が十分に行えないので、０．５度以上の偏光角差θｐｓを設ける。好ましくは、入射角θｉｎは３０度以上であり、さらに好ましくは、入射角θｉｎは６０度以上である。入射角θｉｎが６０度以上になると、偏光角差θｐｓは０．８度以上となり、偏光を十分に分離できる。さらに８０度以上になると偏光角差θｐｓは飽和する。【００３９】
入射角θｉｎの値が大きいと、Ｐ偏光２３の入射面５での反射率が大きくなり、損失が大きくなる。そのため、入射面５にＡＲコート２１を施して、Ｐ偏光２３の反射を防止する。また、結晶内でのＰ偏光２３の進行方向は結晶のＸ軸と一致させるのが好ましい。Ｘ軸とは、結晶のａ軸とＣ軸に垂直な面に投影した方向である。ＰＰＭｇＬＮの場合、分極反転構造は結晶のＹ軸に沿って形成することで均一な分極反転が容易なため、伝播方向をＸ軸方向にとることが好ましい。この場合の入射面５とＸ軸との成す角は、波長変換素子４の基板の屈折率により決定される。【００４０】
［Ｓ偏光の光の波長変換］
図３（ａ）に、Ｓ偏光の光を波長変換する構成を示す。図３（ａ）は、図２（ａ）と同様の構成であるが、結晶のＣ軸方向が紙面と平行になっており、入射面５は結晶のＣ軸に対して傾いている。図３（ａ）の構成において、図２（ａ）と同様に、入射光１１は入射面５に入射角θｉｎで入射し、偏光分離される。図３（ａ）においては、Ｓ偏光２２が反射膜６に垂直になるように入射している。Ｓ偏光２２は反射膜６で反射された後、入射光１１の経路を通って固体レーザファイバ３に帰還する。一方、Ｐ偏光２２は角度分離され、外部に放出される。Ｓ偏光２２の変換効率を最大にするため、波長変換素子４の結晶のＣ軸とＳ偏光２２の電界振幅方向が一致する構成になっている。【００４１】
入射角θｉｎに対する入射面５でのＳ偏光２２の反射率と、入射角θｉｎに対する結晶内でのＰ、Ｓ偏光の成す偏光角差θｐｓとをＰＰＭｇＬＮの場合について計算した結果を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）に示すように、ブリュースター角近傍では入射面５での反射率はほぼ０％になる。ブリュースター角近傍では、偏光角差θｐｓが０．８度以上あり、Ｐ、Ｓ偏光の分離をクロストークなしに行える。入射角θｉｎの値としては、「ブリュースター角±１０度」が好ましく、さらに好ましくは「ブリュースター角±５度以下」に設計するのがよい。このように、Ｓ偏光を波長変換する場合は、ブリュースター角の構成が利用できる。ブリュースター角近傍では、入射面５での反射がなくなるので、反射防止膜等を設ける必要がなく、より簡単な構成を実現できる。ＰＰＭｇＬＮの場合、ブリュースター条件を満足し、結晶のＣ軸と結晶内のＳ偏光の電界振幅方向が一致する入射角度は約６５℃である。【００４２】
上記のように、単一偏光の光を高効率で波長変換する波長変換素子４を用いて、ファイバレーザ光を単一偏光化することにより、簡単な構成で高効率、高出力の高調波７を出力することができる。【００４３】
また、本発明の構成では、グレーティングファイバ２と反射膜６とにより構成される共振器内に波長変換素子４が挿入されるため、共振器の外で波長変換を行うよりも、高い基本波のパワー密度を利用でき、高効率な波長変換が行えるという利点を有する。【００４４】
また、Ｐ偏光２３とＳ偏光２２の反射率の違いに加え、偏光によって屈折率が異なる波長変換素子４の複屈折率を利用して、偏光角差θｐｓによってＰ偏光とＳ偏光を分離するため、従来と比較してより確実にＰ偏光とＳ偏光とを分離できる。共振器内に固体レーザと波長変換素子とを備える従来の固体レーザ装置は、波長変換素子により偏光角差を設けたとしても固体レーザにＰ偏光とＳ偏光の両方が戻るため、偏光角差により偏光を分離することができなかった。一方、本実施形態によれば、固体レーザファイバ３が細く、コアが小さいため、小さな偏光角差θｐｓであっても、Ｐ偏光とＳ偏光のいずれかが固体レーザファイバ３に戻らない構成にすることができ、より確実にＰ偏光とＳ偏光とを分離できる。【００４５】
本実施形態のファイバレーザを用いると、ポンプ光源１から出力されるレーザ光を利用して、青と緑の光を同時に出力し、または赤青緑の光を同時に出力することが可能となる。また、それらの出力の切り替えが可能となる。本実施形態のファイバレーザを用いれば、単一光源で高輝度のＲＧＢ光が得られる。【００４６】
なお、本実施形態においては、波長変換素子４の斜め端面を入射面５に設けたが、後述するように、波長変換素子４の出射面や波長変換素子４の内部に斜め端面を設けて、その角度を調整することでも同様に偏光を分離することができる。【００４７】
なお、固体レーザファイバ３からの出射光を集光する集光光学系８の焦点は、反射膜６にするのが好ましい。反射膜６と固体レーザファイバ３の出射端面が共焦点光学系となるため、反射膜６からの光が損失なく、安定に固体レーザファイバ３に帰還する構成がとれる。【００４８】
なお、固体レーザファイバ３としては、コア部に希土類をドープしたダブルクラッドファイバが好ましい。高出力の励起が可能となり、高出力のレーザ発振が可能となる。希土類としては、Ｙｂドープファイバが高効率で１０３０−１１００ｎｍ近傍の波長の光を発生できるので、波長変換素子４と組み合わせて高効率、高出力の緑色光や青色光を発生できる。【００４９】
また、固体レーザファイバ３は、上記以外にも、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｏイオンのいずれかの元素を含む構成を用いても良い。Ｎｄドープファイバを用いれば１０６０ｎｍ近傍の発光が容易になる。その他のイオンに関しても、異なる波長の光源を実現できる。【００５０】
さらに、固体レーザファイバ３として複屈折率を有する偏波保存ファイバを用いても良い。複屈折率を有する偏波保存ファイバを用いることで、ファイバ内での偏光が維持され、出力の安定化が図れる。偏波保存ファイバを用いない場合は、外乱によりファイバ内の偏光が変化する。この変化によってレーザ光の出力が変動する。これを防止して出力安定化を図るには、固体レーザファイバに偏波保存ファイバを用いることが好ましい。固体レーザファイバが偏波保存ファイバの場合、その偏光軸を波長変換素子４のＰ、Ｓ偏光の方向とそれぞれ一致させる。【００５１】
さらに、固体レーザファイバ３の出射端面は斜め研磨するのが望ましい。固体レーザファイバ３の出射端面の戻り光によるレーザ発振を抑圧することで、単一偏光化が効率よく実現できる。【００５２】
なお、波長変換素子４は、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation, 第２高調波発生）またはＳＦＧ（Sum Frequency Generation, 和周波発生）波長変換素子として、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなる波長変換素子を用いることが好ましい。分極反転構造を有する波長変換素子としては、ＫＴｉＯＰＯ４、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３またはＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３またはストイキオＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等がある。これらの結晶は高い非線形定数を有するため、高効率の波長変換が可能である。また周期構造を変えることで位相整合波長を自由に設計できるという利点がある。この特徴を利用した単一の光学結晶により緑色光や青色光発生が可能となる。【００５３】
また、偏光による角度差があまり大きくないので、偏光を分離するために、波長変換素子４の長さは１０ｍｍ以上が望ましい。さらに望ましくは２０ｍｍ以上がよい。【００５４】
なお、反射膜６として、誘電体多層膜等が利用できる。誘電体多層膜としては、基本波を反射し、高調波７を透過する構成が好ましい。高調波７を効率よく外部に取り出せるからである。その他、反射膜６を用いない構成も可能である。非線形光学結晶と空気との屈折率差によるフレネル反射で１０％程度の反射が存在するので、固体レーザファイバ３の発振は可能であり、より簡易な構成となる。但し、この場合、高調波７の反射損失が生じる。【００５５】
また、反射膜６として、波長依存性を持った誘電体多層膜を利用できる。峡帯域な反射特性をもった誘電体多層膜を用いれば、グレーティングファイバ２と反射膜６との反射帯域を一致させることで、発振するレーザのスペクトルをより狭帯域化できる。スペクトルが狭帯域化することで、波長変換素子４の変換効率が向上する。【００５６】
なお、本実施形態では、反射膜６を波長変換素子４の出射端面に設けたが、波長変換素子４の内部に設けても良いし、波長変換素子４の外部に反射部を設ける構成であっても良い。波長変換素子４の複屈折率を利用して偏光を分離した後、反射膜６によりいずれか一方の偏光を選択的に固体レーザファイバ３に帰還することで、固体レーザファイバ３から出射される光を単一偏光化できる。【００５７】
本実施形態のファイバレーザは、波長変換を利用して緑色光や青色光の発生を可能にする。また、高出力化が容易なファイバ増幅器を利用したレーザ光源に用いて、高出力の緑色光や青色光を発生することができる。さらに波長変換素子４により、単一偏光化された光を高効率で波長変換することで、可視光の発生を可能とする。【００５８】
（実施形態２）
図４に、本発明の実施形態２のファイバレーザの構成を示す。本実施形態のファイバレーザは、波長変換素子４４により偏光分離した光を波長変換素子４４の外部で反射して固体レーザファイバ３に帰還する構成である。本実施形態のファイバレーザは、実施形態１に示す構成に加えて、波長変換素子４４の出射面側に集光光学系４１とファイバ４３とをさらに設ける。ファイバ４３は、固体レーザファイバである。また、実施形態１において反射膜６は波長変換素子４の出射面に設けられたが、本実施形態の反射膜４２はファイバ４３の入射面に設けられる。波長変換素子４４の出射面４５は、入射面５と同様に、斜めに形成される。【００５９】
図４において、固体レーザファイバ３から出射された光は、波長変換素子４４の複屈折率を利用して、結晶内でＰｅ偏光９とＰｏ偏光１０とに分離される、２つの偏光のうち、Ｐｅ偏光９は、ファイバ４３の端面に設けられた反射膜４２に集光するように設計されている。Ｐｅ偏光９は、ファイバ４３の端面で反射し、固体レーザファイバ３に帰還して、固体レーザファイバ３の発振の偏光をＰｅ偏光に固定する。反射膜４２は、誘電体多層膜であり、基本波を反射し、高調波７を透過する。【００６０】
本実施形態によれば、実施形態１の効果に加え、高調波７をファイバ光として取り出せるため、光源として光の取り回しが簡便になるという効果をさらに有する。【００６１】
（実施形態３）
図５に、本発明の実施形態３のファイバレーザの構成を示す。本実施形態のファイバレーザは、波長変換素子４４により偏光分離した光を波長変換素子４４の外部で反射して固体レーザファイバ３に帰還する他の構成である。本実施形態のファイバレーザは、実施形態２のファイバ４３に代えて、グレーティングファイバ５１を備える。【００６２】
グレーティングファイバ５１のブラッグ反射により、高調波７と基本波は分離される。波長変換素子４４で分離されたＰｅ偏光９は、グレーティングファイバ５１のブラッグ反射により、反射する。【００６３】
本実施形態は、グレーティングファイバ５１に狭帯域な特性を持たせて、グレーティングファイバ２、５１の両方で波長選択することにより、固体レーザファイバ３の発振スペクトルをより狭帯域化できる。よって、波長変換素子４４での変換効率を向上させることができる。【００６４】
（実施形態４）
図６（ａ）に、本発明の実施形態４のファイバレーザの構成を示す。本実施形態のファイバレーザは、ブリュースター角近傍でのＰ偏光、Ｓ偏光の反射率の違いを利用して、波長変換素子６１で偏光分離を行う構成である。本実施形態のファイバレーザは、波長変換素子６１と、波長変換素子６１と同じ材質のプリズム６２とを備えており、プリズム６２の出射面側に反射膜６が設けられる。また、波長変換素子６１の出射面側に斜めの端面６３が設けられ、その端面６３に沿うようにプリズム６２の端面６４が斜めに形成される。本実施形態において、ポンプ光源１、グレーティングファイバ２、固体レーザファイバ３、及び集光光学系８は、実施形態１と同一である。【００６５】
図６（ｂ）は、波長変換素子６１周辺の部分拡大図であり、図６（ｃ）は、波長変換素子６１周辺の他の例を示す部分拡大図である。図６（ｃ）については後述する。図６（ｂ）に示すように、波長変換素子６１の端面６３とプリズム６２の端面６４は、光軸に対して角度θｉｎを持って形成される。端面６３、６４のそれぞれにおけるＰ偏光とＳ偏光の反射率を計算した結果を図７に示す。図７に示すように、Ｐ偏光とＳ偏光とで反射率が大きく異なる。波長変換素子６１とプリズム６２にブリュースター角の角度θｉｎをもった端面６３、６４を形成すれば、Ｓ偏光は１００％透過、Ｐ偏光の透過率は６０％程度となる。本実施形態の構成において、レーザ光はプリズム６２の出射面側に設けられた反射膜６により反射されるため、レーザ光は、行きで２回、帰りで２回、斜めの端面を透過する。これによってＰ偏光が固体レーザファイバ３に帰還する割合は１３％程度となる。一方、Ｓ偏光は斜め端面６３、６４で反射することがないので、ほぼ１００％帰還する。この偏光の透過率の差を利用して、偏光を分離して固体レーザファイバ３を一方の偏光に固定することができる。【００６６】
本実施形態の構成によれば、Ｐ偏光とＳ偏光の分離比が増大し、より確実に分離することができる。また、プリズム６２により光路をまっすぐにできるため、光路設計が容易になる。【００６７】
なお、図６（ｃ）に示すように、波長変換素子６１の入射側（固体レーザファイバ３側）に反射膜６５をさらに備えても良い。反射膜６５は、基本波を透過し、高調波を反射する。反射膜６で反射された基本波が波長変換素子６１を通って固体レーザファイバ３に帰還する際に、波長変換素子６１により変換された高調波６６は、反射膜６５により前方に出射される。これにより、高調波を効率良く取り出すことができる。高調波７と高調波６６とを合わせることで、変換効率が大幅に向上する。【００６８】
（実施形態５）
図８に、本発明の実施形態５のファイバレーザの構成を示す。本実施形態のファイバレーザは、プリズム６２の出射側に集光光学系４１と固体レーザファイバであるファイバ４３とを設け、反射膜４２をファイバ４３の入射側の端面に形成する。本実施形態は、実施形態２と同様の効果が得られる。波長変換素子６１とプリズム６２とにそれぞれ斜めの端面６３、６４を設けることは実施形態４と同じである。本実施形態は、実施形態４と同様に、レーザ光は、行きで２回、帰りで２回、斜めの端面を透過するため、端面６３、６４の角度をブリュースター角に形成すれば、Ｐ偏光とＳ偏光の分離比が増大し、より確実に分離することができる。【００６９】
（実施形態６）
図９に、本発明の実施形態６のファイバレーザの構成を示す。本実施形態のファイバレーザは、プリズム６２の出射側に集光光学系４１とグレーティングファイバ５１とを設けている。グレーティングファイバ５１は、偏波保存ファイバが好ましい。偏波保存ファイバにより偏光の安定化が図れ、出力が安定する。なお、偏波保存ファイバを用いた場合は、グレーティングファイバ５１の偏光方向と波長変換素子６１のＰ、Ｓ偏光が一致する構成が望ましい。偏光が一致しないと、波長変換素子６１で分離した単一偏光がグレーティングファイバ５１内で複数の偏光に分離されてしまい、単一偏光化の効果が低下するからである。本実施形態のように、グレーティングファイバ５１を用いる構成でも単一偏光化が実現でき、実施形態３と同様の効果が得られる。さらに、端面６３、６４の角度をブリュースター角に形成すれば、Ｐ偏光とＳ偏光の分離比が増大し、より確実に分離することができる。【００７０】
（実施形態７）
図１０に、本発明の実施形態７のファイバレーザの構成を示す。本実施形態のファイバレーザは、波長変換素子６１とプリズム６２との間に、波長変換素子６１と同じ材質のプリズム１０２を備える。本実施形態のそれ以外の構成は、実施形態４と同一である。プリズム１０２の両端面は、ブリュースター角を有する波長変換素子６１の端面６３とプリズム６２の端面６４とにそれぞれ沿うように形成される。【００７１】
プリズム１０２を備えることにより、ブリュースター角を有する斜めの端面が複数形成されるため、Ｐ偏光とＳ偏光の分離比が増大する。たとえば、斜め端面を２つ構成すると、Ｓ偏光に対するＰ偏光の抑圧比は９ｄＢから１８ｄＢと２倍になる。Ｐ偏光を抑圧することで、より単一偏光化が向上し、変換効率が増大する。【００７２】
（実施形態８）
図１１に、本発明の実施形態７のファイバレーザの構成を示す。本実施形態のファイバレーザは、波長変換素子６１の出射側に波長変換素子１１１をさらに備え、波長変換素子１１１の出射端面に反射膜６が形成される。波長変換素子６１と波長変換素子１１１の端面６３，６４にそれぞれブリュースター角が形成される。【００７３】
波長変換素子６１と波長変換素子１１１とにブリュースター角を形成する場合に、結晶と屈折率の異なる膜を介して、結晶を接着する方法を用いても良い。また、空気層を挟んで結晶を接着する方法等を用いても良い。【００７４】
本実施形態は、実施形態４の効果に加え、波長変換素子６１と波長変換素子１１１からそれぞれ高調波７、７７を出力できるという効果が得られる。【００７５】
なお、実施形態４から実施形態８において、波長変換素子６１の入射端面は、入射光に対して垂直な構成にしたが、波長変換素子６１の入射端面での反射が固体レーザファイバ３に帰還すると、不要な偏光モードが発生し、単一モード化が劣化する。このため、波長変換素子６１の入射端面での反射を２０ｄＢ以下、できれば３０ｄＢ以下に低減することが好ましい。そのために、波長変換素子６１の入射端面に無反射コートを施し、反射を防止するのが好ましい。そのほか、波長変換素子６１の入射端面を斜め研磨して入射光に対して角度を持たせることで、戻り光を防止できる。さらに、波長変換素子６１の入射端面の角度を入射光に対してブリュースター角の条件を満足するように設定すれば、入射損失が低減されるので、より好ましい。【００７６】
（実施形態９）
図１２に、実施形態１から実施形態８に示したいずれかのファイバレーザを備えるコヒーレント光源１２１を用いた光学装置の構成を示す。本実施形態の光学装置は、上記実施形態のファイバレーザを用いたコヒーレント光源１２１から出射されるレーザ光を２次元スイッチである液晶パネル１２５により２次元の画像に変換して、スクリーン１２７上に映像を投影するレーザディスプレイである。コヒーレント光源１２１から出射された光は、コリメート光学系１２２、インテグレータ光学系１２３を通って、拡散板１２４を通過した後、液晶パネル１２５により画像変換され、投影レンズ１２６によりスクリーン１２７に投影される。拡散板１２４の位置は、揺動機構により移動速度５ｍｍ／ｓで変動する。これにより、スクリーン１２７上で発生するスペックルノイズが低減される。【００７７】
実施形態１から実施形態８に示したいずれかのファイバレーザを備えたコヒーレント光源１２１は、外部の温度変化に対して安定した出力が得られるため、コヒーレント光源１２１を備えた本発明の光学装置は、高出力で安定した映像を出力できる。また、コヒーレント光源１２１は、高いビーム品質を備えているため、光学系の設計を容易にし、小型化、簡素化が可能となる。【００７８】
コヒーレント光源１２１として赤、緑、青色のレーザ光を出力するＲＧＢレーザ光源を用いると、色再現性の高いレーザディスプレイを実現できる。ＲＧＢレーザ光源において、赤色のレーザ光を出射する半導体レーザは高出力のものが従来から開発されているのに対し、青色に関しては高出力化が実現していなく、緑色に関しては半導体レーザの形成が難しい。そこで、緑色および青色のレーザ光の出力に、波長変換を利用した上記実施形態のファイバレーザを用いる。これにより、容易に高出力を実現できる。また、緑色のレーザ光を出力するファイバレーザと、赤色と青色をそれぞれ出力する半導体レーザ光源とにより、ＲＧＢレーザ光源を構成しても良い。コヒーレント光源１２１に上記実施形態のファイバレーザを用いて、緑と青、または緑、青、赤を同時に発生させることにより、高出力の小型のＲＧＢレーザ光源が実現できる。コヒーレント光源１２１を備えることにより、レーザディスプレイをはじめ、光ディスク装置等各種の光学装置への応用が可能となる。コヒーレント光源１２１に、上記実施形態のファイバレーザを用いることにより、大画面のレーザディスプレイを実現できる。【００７９】
なお、２次元スイッチとして、液晶パネル１２５以外に、反射型液晶スイッチやＤＭＤ（Digital Mirror Device）ミラー等を利用することができる。【００８０】
（実施形態１０）
図１３に、光学装置の他の例を示す。本実施形態の光学装置は、ＲＧＢレーザ光源１３１から出射されるレーザ光をミラー１３２、１３３で走査することにより、スクリーン１３４上に２次元的な画像を描くレーザディスプレイである。ミラー１３２、１３３とスクリーン１３４は、ＲＧＢレーザ光源１３１からの光を２次元画像に変換する２次元のビーム走査光学系を構成する。【００８１】
ＲＧＢレーザ光源１３１は、緑色光と青色光を出力する、実施形態１から実施形態８に示したいずれかのファイバレーザと、赤色光を出力する半導体レーザ光源とを含み、ＲＧＢを切り替えるための高速なスイッチ機能を備える。【００８２】
ＲＧＢレーザ光源１３１は、高出力化が可能であり、出力安定化に優れる。また、ＲＧＢレーザ光源１３１の温度を検出する温度制御素子を設けなくても、又は簡易な温度制御によって、安定した出力が得られる。また、ＲＧＢレーザ光源１３１はビーム品質が高いため、走査光学系の小型化、簡素化が可能となる。またビーム走査光学系として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を利用した小型走査装置を利用できる。高いビーム品質は、集光特性、コリメート特性に優れ、ＭＥＭＳ等の小型ミラーが利用可能となる。これによって、走査型のレーザディスプレイを実現できる。【００８３】
なお、ＲＧＢレーザ光源１３１を、緑色光を出力するファイバレーザと、赤色と青色をそれぞれ出力する半導体レーザ光源とにより構成しても良い。【００８４】
（実施形態１１）
図１４に、光学装置のさらに他の例を示す。図１４（ａ）はディスプレイ装置の側面図であり、図１４（ｂ）は表面図である。本実施形態の光学装置は、実施形態１に示すファイバレーザを備えたディスプレイ装置であり、ファイバレーザは液晶のバックライト用に使用される。【００８５】
本実施形態のディスプレイ装置は、ファイバレーザからの光を２次元画像に変換する画像変換光学系を備え、画像変換光学系は、図１４（ａ）に示すように、レーザ光を導波する導波板１４１と、導波板１４１の裏面に設けられて、導波板１４１の導波光を適宜散乱し、導波光の一部を導波板１４１の表面側に出射する拡散板１４２と、導波板１４１の表面に設けられて、選択した波長を透過するフィルタ１４３と、フィルタ１４３の表面側に設けられてフィルタ１４３を透過したレーザ光を画像に変換する液晶パネル１４４と、液晶パネル１４４の上面に設けられた偏光板１４５と、を備える。【００８６】
図１４（ｂ）に示すように、本実施形態のディスプレイ装置は、さらに、導波板１４１の側面側にディスプレイ装置を駆動する制御部１４６を有し、制御部１４６内にポンプ光源１が設置される。波長変換素子４が導波板１４１の側面に設けられ、波長変換素子４とポンプ光源１は固体レーザファイバ３により接続される。導波板１４１内には拡散素子１４７が備えられている。【００８７】
ポンプ光源１から出射されたレーザ光は、固体レーザファイバ３と波長変換素子４とによりレーザ発振し、波長変換素子４から単一偏光、本実施形態において緑色に波長変換されたレーザ光１４８が出射される。波長変換素子４から出射されたレーザ光１４８は、拡散素子１４７により、導波板１４１の主面に平行な方向に拡散される。【００８８】
液晶のバックライト用の光源としてファイバレーザを用いることにより、高い変換効率で、高効率、高輝度のディスプレイ装置を実現できる。さらにレーザ光により広い色範囲が表現できるため、色再現性に優れたディスプレイ装置を実現できる。また、ファイバレーザを備えたＲＧＢレーザ光源を用いれば、単一の光源からＲＧＢを同時に発生できるため、構成の簡素化が実現できる。【００８９】
なお、本実施形態のディスプレイ装置は、実施形態１のファイバレーザを備えたが、実施形態１から実施形態８のいずれのファイバレーザを備えても良い。【００９０】
（実施形態１２）
図１５に、実施形態１に示したファイバレーザを備えたディスプレイ装置の他の例を示す。図１５（ａ）はディスプレイ装置の側面図であり、図１５（ｂ）は表面図である。本実施形態のディスプレイ装置は、複数のポンプ光源１を備え、複数のポンプ光源１はそれぞれ液晶パネル１４４の裏面側に一定の距離で離間して設置される。それ以外の構成は、実施形態１１と同じである。【００９１】
液晶パネル１４４は比較的大きな面積を持つため、液晶パネル１４４の裏面にポンプ光源１を離間させて配置することができる。複数のポンプ光源１はそれぞれ１０ｍｍ程度以上離間させて配置させることが好ましい。これにより、隣接するポンプ光源１の熱干渉を大幅に低減できる。また、ポンプ光源１は、発光面積が小さいため、一つの光源あたりの消費電力を２Ｗ以下、好ましくは１Ｗ以下に抑えることにより、隣接するポンプ光源１との熱干渉を大幅に低減できる。このように、液晶パネル１４４の裏面側に、ポンプ光源１を離間させて配置し、それぞれのポンプ光源１の消費電力を１Ｗ程度以下に抑えることで、放熱効果を高め、ポンプ光源１の動作温度を６０℃以下に保つことができる。よって、空冷でポンプ光源１を駆動することが可能となり、高い信頼性を実現できる。【００９２】
なお、本実施形態のディスプレイ装置は、実施形態１のファイバレーザを備えたが、実施形態１から実施形態８のいずれのファイバレーザを備えても良い。【００９３】
なお、実施形態９から実施形態１２において、光学装置がレーザディスプレイやディスプレイ装置である場合について説明したが、光学装置は、光ディスク装置や計測装置であっても良い。光ディスク装置において、書き込み速度の高速化により、レーザ出力の向上が求められている。さらに、レーザ光には回折限界の集光特性が求められるため、シングルモード化が必須である。本発明の光源装置は高出力かつ、高いコヒーレンスを有するため、光ディスク装置等に応用できる。【００９４】
なお、上記実施形態のファイバレーザをレーザディスプレイや液晶パネルのバックライトに用いる構成について説明したが、これに限定されず、ファイバレーザは照明光源として利用することができる。ファイバレーザは変換効率が高いため、電気−光の高効率変換が可能となる。また、ファイバを用いることで、低損失で離れた場所に光を伝送することができる。光発生を特定の場所で行い、離れた場所に光を送ることで、光のセントラル発生による室内の照明が可能になる。ファイバレーザは、ファイバとの結合が低損失で行えるため、光の配送に有効である。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明のファイバレーザは、簡単な構成で緑色や青色のレーザ光の高出力を実現でき、レーザディスプレイや液晶パネルのバックライト等に有用である。
【図１】
2007026510.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】平成20年3月18日(2008.3.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素をドープされた固体レーザファイバと、
前記固体レーザファイバを励起するポンプ光源と、
波長依存性を有する反射要素と、
前記固体レーザファイバの出射側に設けられ、前記固体レーザファイバに沿って所定距離で前記反射要素と離間して配置される波長変換素子と、を備え、
前記波長変換素子の端面が光軸に対し傾いていることを特徴とするファイバレーザ。
【請求項２】
前記反射要素がグレーティングファイバである請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項３】
前記波長変換素子が複屈折率を有している請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項４】
前記波長変換素子が反射要素を備えている請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項５】
前記固体レーザファイバが、偏波保存ファイバである請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項６】
前記波長変換素子の出射側に第２の固体レーザファイバをさらに備えた請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項７】
前記波長変換素子の出射側にグレーティングファイバをさらに備えた請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項８】
前記固体レーザファイバからの出射光に対して、前記波長変換素子の端面がブリュースター角条件を満足している請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項９】
前記波長変換素子が周期状の分極反転構造を備えた請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項１０】
前記波長変換素子の出射側にプリズムを備えた請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項１１】
前記波長変換素子の出射側に第２の波長変換素子を備えた請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項１２】
前記固体レーザファイバがＹｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｏの少なくともいずれかを含む請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項１３】
前記波長変換素子が、周期状の分極反転構造を有するＭｇドープＬｉＮｂＯ３、ＭｇドープＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ストイキオメトリック組成のＭｇドープＬｉＮｂＯ３、ストイキオメトリック組成のＭｇドープＬｉＴａＯ３のいずれかである請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項１４】
前記波長変換素子は１軸性の非線形光学結晶であり、
前記波長変換素子の端面は、前記固体レーザファイバからの入射光に対して傾いており、
前記入射光の進行方向と前記非線形光学結晶のＣ軸はほぼ直交しており、
前記端面は、前記非線形光学結晶のＣ軸と平行である請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項１５】
前記非線形光学結晶内において、前記入射光のＰ偏光の電界振幅方向と前記非線形光学結晶のＣ軸がほぼ平行である請求項１４に記載のファイバレーザ。
【請求項１６】
前記波長変換素子が１軸性の非線形光学結晶であり、
前記波長変換素子の端面は、前記固体レーザファイバからの入射光に対して傾いており、
前記波長変換素子内で、前記入射光の進行方向と前記非線形光学結晶のＣ軸はほぼ直交しており、
前記端面は、前記非線形光学結晶のＣ軸に対して傾いている請求項１に記載のファイバレーザ。
【請求項１７】
前記非線形光学結晶内において、前記入射光のＳ偏光の電界振幅方向が前記結晶のＣ軸方向とほぼ平行である請求項１６に記載のファイバレーザ。
【請求項１８】
前記波長変換素子の端面と前記入射光との角度が、ブリュースター角近傍である請求項１６に記載のファイバレーザ。
【請求項１９】
前記波長変換素子は、前記非線形光学結晶のＸ軸とほぼ垂直な端面を有する請求項１４に記載のファイバレーザ。
【請求項２０】
前記波長変換素子は、前記非線形光学結晶のＸ軸とほぼ垂直な端面を有する請求項１６に記載のファイバレーザ。
【請求項２１】
請求項１に記載のファイバレーザと、
前記ファイバレーザからの光を２次元画像に変換する画像変換光学系と、
を備えた光学装置。
【請求項２２】
前記画像変換光学系が２次元のビーム走査光学系である請求項２１に記載の光学装置。
【請求項２３】
前記画像変換光学系が２次元スイッチである請求項２１に記載の光学装置。
【請求項２４】
前記ファイバレーザは緑色を発生し、
赤色と青色を発生する半導体レーザ光源をさらに有し、
前記画像変換光学系は、前記ファイバレーザと半導体レーザ光源からの光を２次元のカラー画像に変換する請求項２１に記載の光学装置。
【請求項２５】
前記画像変換光学系は、
前記ファイバレーザの出射光を伝播する導波板と、
液晶パネルと、
を含む請求項２１に記載の光学装置。
【請求項２６】
前記液晶パネルを制御する制御部をさらに有し、
前記波長変換素子は前記導波板の側面に配置し、
前記ポンプ光源は前記制御部に配置した請求項２５に記載の光学装置。
【請求項２７】
前記ポンプ光源は複数のレーザ光源であり、
前記複数のレーザ光源が、前記液晶パネルの裏面に一定の距離で離間して配置されている請求項２５に記載の光学装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバレーザおよびファイバレーザを利用した光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
共振器内に固体レーザと波長変換素子とを備えて、固体レーザ装置によるレーザ光を高調波に変換し、緑色の可視光を出力するレーザ装置が従来から知られている。従来のレーザ装置は、Ｐ偏光とＳ偏光の反射率の違いに基づいて、Ｐ偏光とＳ偏光とを分離し、単一偏光を出力する。しかしながら、この方法は固体レーザ光を効率良く緑色のレーザ光に変換して出力することができない。
【０００３】
そこで近年、高出力のレーザ光源として、固体レーザ媒質のコアを有するファイバレーザが開発されてきている。ファイバレーザは、光学的に活性なＮｄ、Ｙｂ、Ｅｒといった希土類イオンがドープされたコア部を有する固体レーザファイバと、固体レーザファイバに沿って所定間隔で離間して設置された光学的反射要素とを備える。上記ファイバに所定の波長のポンプ光を入射すると、希土類イオンが励起されて、固体レーザファイバは利得媒質となり、光学的反射要素によって共振器を構成することで、レーザ発振する。光学的反射要素としては、ポンプ光を透過し、利得媒質で励起される励起光を反射する特性が必要であり、ファイバ内に周期的な屈折率変化を形成し、ブラッグ反射により特定波長を反射するグレーティングファイバが使用される。
【０００４】
上記ファイバレーザを単一偏光の光源として利用する方法が特許文献１に開示されている。特許文献１の偏光制御ファイバレーザは、レーザ媒質を偏波保存ファイバとし、レーザ媒質に偏光依存性を設けている。偏光制御ファイバレーザは、一方の偏光に対する損失を大きくし、他方の損失の少ない偏光を伝播させることにより、単一偏光を出力する。さらに、ファイバレーザの光線を光ファイバ増幅器に連結して、光ファイバ増幅器から高強度の光線を放出している。このように、従来のファイバレーザにおける偏光制御は、異なる２つの偏光成分において一方の偏光の損失を増大させることで、共振器内でロスの少ないモードでレーザ発振を行っている。
【特許文献１】特表平１１−５０１１５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の光ファイバ増幅器を用いた偏光制御ファイバレーザは、高効率、高出力のレーザ発振が可能であるが、偏光を制御して単一偏光を出射するための構成が複雑であるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、簡単な構成で偏光を制御して単一偏光を出射する、ファイバレーザおよびファイバレーザを利用した光学装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のファイバレーザは、希土類元素をドープされた固体レーザファイバと、固体レーザファイバを励起するポンプ光源と、波長依存性を有する反射要素と、固体レーザファイバの出射側に設けられ、固体レーザファイバに沿って所定距離で反射要素と離間して配置される波長変換素子と、を備え、波長変換素子の端面が光軸に対し傾いていることを特徴とする。
【０００８】
好ましくは、上記反射要素はグレーティングファイバである。上記波長変換素子は複屈折率や反射要素を備えても良い。上記固体レーザファイバは、偏波保存ファイバであっても良い。
【０００９】
上記波長変換素子の出射側に第２の固体レーザファイバやグレーティングファイバをさらに備えても良い。
【００１０】
固体レーザファイバからの出射光に対して、波長変換素子の端面がブリュースター角条件を満足していても良い。波長変換素子が周期状の分極反転構造を備えても良い。
【００１１】
波長変換素子の出射側にプリズムや第２の波長変換素子を備えても良い。
【００１２】
固体レーザファイバはＹｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｏの少なくともいずれかを含んでも良い。
【００１３】
波長変換素子は、周期状の分極反転構造を有するＭｇドープＬｉＮｂＯ３、ＭｇドープＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ストイキオメトリック組成のＭｇドープＬｉＮｂＯ３、ストイキオメトリック組成のＭｇドープＬｉＴａＯ３のいずれかであっても良い。
【００１４】
波長変換素子は１軸性の非線形光学結晶であり、波長変換素子の端面は、固体レーザファイバからの入射光に対して傾いており、入射光の進行方向と非線形光学結晶のＣ軸はほぼ直交しており、端面は、非線形光学結晶のＣ軸と平行であっても良い。
【００１５】
非線形光学結晶内において、入射光のＰ偏光の電界振幅方向と非線形光学結晶のＣ軸がほぼ平行であっても良い。
【００１６】
波長変換素子は１軸性の非線形光学結晶であり、波長変換素子の端面は、固体レーザファイバからの入射光に対して傾いており、波長変換素子内で、入射光の進行方向と非線形光学結晶のＣ軸はほぼ直交しており、端面は、非線形光学結晶のＣ軸に対して傾いていても良い。
【００１７】
非線形光学結晶内において、入射光のＳ偏光の電界振幅方向が結晶のＣ軸方向とほぼ平行であっても良い。波長変換素子の端面と入射光との角度が、ブリュースター角近傍であっても良い。波長変換素子は、非線形光学結晶のＸ軸とほぼ垂直な端面を有しても良い。
【００１８】
本発明の光学装置は、上記ファイバレーザと、ファイバレーザからの光を２次元画像に変換する画像変換光学系と、を備える。
【００１９】
上記画像変換光学系は、２次元のビーム走査光学系であっても良い。
【００２０】
上記画像変換光学系は、２次元スイッチであっても良い。
【００２１】
上記光学装置は、緑色を発生するファイバレーザと、赤色と青色を発生する半導体レーザ光源とを有し、画像変換光学系は、ファイバレーザと半導体レーザ光源からの光を２次元のカラー画像に変換しても良い。
【００２２】
上記画像変換光学系は、ファイバレーザの出射光を伝播する導波板と、液晶パネルと、を含んでも良い。上記光学装置は、液晶パネルを制御する制御部をさらに有し、波長変換素子は導波板の側面に配置し、ポンプ光源は制御部に配置しても良い。
【００２３】
ポンプ光源は複数のレーザ光源であって、複数のレーザ光源が、液晶パネルの裏面に一定の距離で離間して配置されていても良い。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、簡単な構成のファイバレーザおよびファイバレーザを利用した光学装置で、偏光を制御して単一の偏光を出力することができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
（実施形態１）
図１に本発明の実施形態１のファイバレーザの構成を示す。
【００２６】
［ファイバレーザの全体構成］
本実施形態のファイバレーザは、ポンプ光源１と、ポンプ光源１から出力された波長λｐの光を透過して、特定の波長を反射するグレーティングファイバ２と、希土類元素がドープされた固体レーザファイバ３と、固体レーザファイバ３からの出射光を集光する集光光学系８と、固体レーザファイバ３に沿って所定距離だけ離れて設置された波長変換素子４と、波長変換素子４の出射端面に設けられて、基本波を反射して高調波７を透過する反射膜６と、を備える。
【００２７】
ポンプ光源１から出力された波長λｐの光は、波長依存性を有するグレーティングファイバ２を透過して固体レーザファイバ３に入射される。固体レーザファイバ３は、波長λｐの光により活性化され、波長λ１でレーザ発振する。グレーティングファイバ２は、周期的な屈折率変化を形成し、ブラッグ反射により特定波長を反射する。波長λ１は、固体レーザファイバ３のゲイン波長とグレーティングファイバ２のブラッグ反射波長により固定される。本実施形態において、グレーティングファイバ２と波長変換素子４の出射端面に設けられた反射膜６とにより、固体レーザファイバ３の共振器を構成する。
【００２８】
本実施形態において、波長変換素子４は、波長を半分にして、ポンプ光源１から出力された光を緑色に変換する。波長変換素子４で高効率の波長変換を行うには、光の高いパワー密度と、高いビーム品質、さらに単一偏光特性が要求される。通常は、単一偏光化した光源を波長変換素子により変換する構成をとるが、本発明では、波長変換素子４の複屈折率を利用した光フィードバックによりファイバレーザ光を単一偏光化する。
【００２９】
波長変換素子４は１軸性の非線形光学結晶であり、本実施形態においては、複屈折率を有する光学結晶である。波長変換素子４の入射面５は斜めに形成されると共に、波長変換素子４は固体レーザファイバ３に対して傾いた状態に配置される。固体レーザファイバ３から出射された出射光は、光軸に対して傾いた状態で入射面５に入射され、波長変換素子４の複屈折率により、入射光１１は偏光によって異なる角度で屈折する。
【００３０】
異なる屈折角で入射面５に入射した入射光１１は、波長変換素子４内で偏光に分離される。図１においては、Ｐｅ偏光９とＰｏ偏光１０とに分離される。ここで、Ｐｅ偏光９とは、波長変換素子４の結晶のＣ軸方向の偏光であり、Ｐｏ偏光１０は、Ｘ、Ｙ軸方向の偏光である。図１においては、Ｐｅ偏光９が波長変換素子４内で高効率に波長変換される偏光軸となる。Ｐｅ偏光９にほぼ垂直な面に反射膜６が堆積されており、反射膜６とグレーティングファイバ２との間で共振器構造を形成しているため、波長λ１の単一偏光である偏光Ｐｅの光が共振器条件を満足して、レーザ発振する。Ｐｏ偏光１０の光は、反射膜６に対して直角と異なる角度をもつため、固体レーザファイバ３には帰還せず、レーザ発振を起こさない。
【００３１】
［偏光分離の具体例］
入射面５に対して平行な方向に偏光（光の電界振幅方向）を有するＰ偏光と、これに直交する偏光成分であるＳ偏光とを含む入射光１１を、Ｐ偏光とＳ偏光とに分離する具体例について説明する。
【００３２】
図２（ａ）及び図３（ａ）に、図１の波長変換素子４の周辺部の部分拡大図を示す。波長変換素子４の複屈折率を利用して偏光を分離する場合、偏光方向によって波長変換素子４の構成が大きく異なる。本実施形態では、波長変換素子４としてＰＰＭｇＬＮ（周期状の分極反転構造を有するＭｇドープのＬｉＮｂＯ３）を用いる。
【００３３】
［Ｐ偏光の光の波長変換］
図２（ａ）は、入射光としてＰ偏光の光を波長変換する構成である。固体レーザファイバ３から出射された入射光１１は、入射面５に対して入射角θｉｎの角度で入射する。入射光１１は波長変換素子４の複屈折率により結晶内でＰ偏光２３とＳ偏光２２とに角度分離される。このときのＰ偏光２３とＳ偏光２２の進行方向のなす角度を偏光角差θｐｓで示す。偏光角差θｐｓによって偏光を分離できる。
【００３４】
図２（ａ）に示す構成では、Ｐ偏光２３の波長変換を行うので、Ｐ偏光２３の電界振幅方向と波長変換素子４の結晶のＣ軸方向とを一致させる。ＰＰＭｇＬＮの場合、非線形定数は結晶のＣ軸方向が最大である。その理由は、Ｃ軸と光の電界振幅方向が一致した場合に最も高い変換効率が得られるからである。
【００３５】
波長変換素子４の結晶内に入ったＰ偏光２３は、Ｘ方向に伝播し、ＺＹ平面にある反射膜６で反射されて、もとの入射光１１と同じ経路を逆行し、固体レーザファイバ３に帰還する。一方、Ｓ偏光２２はＰ偏光２３と屈折角が異なるので、反射膜６で角度を持って反射され、Ｐ偏光２３と分離される。このときの入射角θｉｎと入射面５でのＰ偏光２３の反射率と、入射角θｉｎと結晶内でのＰ、Ｓ偏光の成す偏光角差θｐｓの関係をＰＰＭｇＬＮの場合について計算した結果を図２（ｂ）に示す。
【００３６】
図２（ｂ）に示すように、反射率と偏光角差θｐｓは入射角θｉｎとともに増大する。偏光角差θｐｓが小さいと２つの偏光の分離が十分に行えないので、０．５度以上の偏光角差θｐｓを設ける。好ましくは、入射角θｉｎは３０度以上であり、さらに好ましくは、入射角θｉｎは６０度以上である。入射角θｉｎが６０度以上になると、偏光角差θｐｓは０．８度以上となり、偏光を十分に分離できる。さらに８０度以上になると偏光角差θｐｓは飽和する。
【００３７】
入射角θｉｎの値が大きいと、Ｐ偏光２３の入射面５での反射率が大きくなり、損失が大きくなる。そのため、入射面５にＡＲコート２１を施して、Ｐ偏光２３の反射を防止する。また、結晶内でのＰ偏光２３の進行方向は結晶のＸ軸と一致させるのが好ましい。Ｘ軸とは、結晶のａ軸とＣ軸に垂直な面に投影した方向である。ＰＰＭｇＬＮの場合、分極反転構造は結晶のＹ軸に沿って形成することで均一な分極反転が容易なため、伝播方向をＸ軸方向にとることが好ましい。この場合の入射面５とＸ軸との成す角は、波長変換素子４の基板の屈折率により決定される。
【００３８】
［Ｓ偏光の光の波長変換］
図３（ａ）に、Ｓ偏光の光を波長変換する構成を示す。図３（ａ）は、図２（ａ）と同様の構成であるが、結晶のＣ軸方向が紙面と平行になっており、入射面５は結晶のＣ軸に対して傾いている。図３（ａ）の構成において、図２（ａ）と同様に、入射光１１は入射面５に入射角θｉｎで入射し、偏光分離される。図３（ａ）においては、Ｓ偏光２２が反射膜６に垂直になるように入射している。Ｓ偏光２２は反射膜６で反射された後、入射光１１の経路を通って固体レーザファイバ３に帰還する。一方、Ｐ偏光２２は角度分離され、外部に放出される。Ｓ偏光２２の変換効率を最大にするため、波長変換素子４の結晶のＣ軸とＳ偏光２２の電界振幅方向が一致する構成になっている。
【００３９】
入射角θｉｎに対する入射面５でのＳ偏光２２の反射率と、入射角θｉｎに対する結晶内でのＰ、Ｓ偏光の成す偏光角差θｐｓとをＰＰＭｇＬＮの場合について計算した結果を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）に示すように、ブリュースター角近傍では入射面５での反射率はほぼ０％になる。ブリュースター角近傍では、偏光角差θｐｓが０．８度以上あり、Ｐ、Ｓ偏光の分離をクロストークなしに行える。入射角θｉｎの値としては、「ブリュースター角±１０度」が好ましく、さらに好ましくは「ブリュースター角±５度以下」に設計するのがよい。このように、Ｓ偏光を波長変換する場合は、ブリュースター角の構成が利用できる。ブリュースター角近傍では、入射面５での反射がなくなるので、反射防止膜等を設ける必要がなく、より簡単な構成を実現できる。ＰＰＭｇＬＮの場合、ブリュースター条件を満足し、結晶のＣ軸と結晶内のＳ偏光の電界振幅方向が一致する入射角度は約６５℃である。
【００４０】
上記のように、単一偏光の光を高効率で波長変換する波長変換素子４を用いて、ファイバレーザ光を単一偏光化することにより、簡単な構成で高効率、高出力の高調波７を出力することができる。
【００４１】
また、本発明の構成では、グレーティングファイバ２と反射膜６とにより構成される共振器内に波長変換素子４が挿入されるため、共振器の外で波長変換を行うよりも、高い基本波のパワー密度を利用でき、高効率な波長変換が行えるという利点を有する。
【００４２】
また、Ｐ偏光２３とＳ偏光２２の反射率の違いに加え、偏光によって屈折率が異なる波長変換素子４の複屈折率を利用して、偏光角差θｐｓによってＰ偏光とＳ偏光を分離するため、従来と比較してより確実にＰ偏光とＳ偏光とを分離できる。共振器内に固体レーザと波長変換素子とを備える従来の固体レーザ装置は、波長変換素子により偏光角差を設けたとしても固体レーザにＰ偏光とＳ偏光の両方が戻るため、偏光角差により偏光を分離することができなかった。一方、本実施形態によれば、固体レーザファイバ３が細く、コアが小さいため、小さな偏光角差θｐｓであっても、Ｐ偏光とＳ偏光のいずれかが固体レーザファイバ３に戻らない構成にすることができ、より確実にＰ偏光とＳ偏光とを分離できる。
【００４３】
本実施形態のファイバレーザを用いると、ポンプ光源１から出力されるレーザ光を利用して、青と緑の光を同時に出力し、または赤青緑の光を同時に出力することが可能となる。また、それらの出力の切り替えが可能となる。本実施形態のファイバレーザを用いれば、単一光源で高輝度のＲＧＢ光が得られる。
【００４４】
なお、本実施形態においては、波長変換素子４の斜め端面を入射面５に設けたが、後述するように、波長変換素子４の出射面や波長変換素子４の内部に斜め端面を設けて、その角度を調整することでも同様に偏光を分離することができる。
【００４５】
なお、固体レーザファイバ３からの出射光を集光する集光光学系８の焦点は、反射膜６にするのが好ましい。反射膜６と固体レーザファイバ３の出射端面が共焦点光学系となるため、反射膜６からの光が損失なく、安定に固体レーザファイバ３に帰還する構成がとれる。
【００４６】
なお、固体レーザファイバ３としては、コア部に希土類をドープしたダブルクラッドファイバが好ましい。高出力の励起が可能となり、高出力のレーザ発振が可能となる。希土類としては、Ｙｂドープファイバが高効率で１０３０−１１００ｎｍ近傍の波長の光を発生できるので、波長変換素子４と組み合わせて高効率、高出力の緑色光や青色光を発生できる。
【００４７】
また、固体レーザファイバ３は、上記以外にも、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｏイオンのいずれかの元素を含む構成を用いても良い。Ｎｄドープファイバを用いれば１０６０ｎｍ近傍の発光が容易になる。その他のイオンに関しても、異なる波長の光源を実現できる。
【００４８】
さらに、固体レーザファイバ３として複屈折率を有する偏波保存ファイバを用いても良い。複屈折率を有する偏波保存ファイバを用いることで、ファイバ内での偏光が維持され、出力の安定化が図れる。偏波保存ファイバを用いない場合は、外乱によりファイバ内の偏光が変化する。この変化によってレーザ光の出力が変動する。これを防止して出力安定化を図るには、固体レーザファイバに偏波保存ファイバを用いることが好ましい。固体レーザファイバが偏波保存ファイバの場合、その偏光軸を波長変換素子４のＰ、Ｓ偏光の方向とそれぞれ一致させる。
【００４９】
さらに、固体レーザファイバ３の出射端面は斜め研磨するのが望ましい。固体レーザファイバ３の出射端面の戻り光によるレーザ発振を抑圧することで、単一偏光化が効率よく実現できる。
【００５０】
なお、波長変換素子４は、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation, 第２高調波発生）またはＳＦＧ（Sum Frequency Generation, 和周波発生）波長変換素子として、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなる波長変換素子を用いることが好ましい。分極反転構造を有する波長変換素子としては、ＫＴｉＯＰＯ４、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３またはＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３またはストイキオＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等がある。これらの結晶は高い非線形定数を有するため、高効率の波長変換が可能である。また周期構造を変えることで位相整合波長を自由に設計できるという利点がある。この特徴を利用した単一の光学結晶により緑色光や青色光発生が可能となる。
【００５１】
また、偏光による角度差があまり大きくないので、偏光を分離するために、波長変換素子４の長さは１０ｍｍ以上が望ましい。さらに望ましくは２０ｍｍ以上がよい。
【００５２】
なお、反射膜６として、誘電体多層膜等が利用できる。誘電体多層膜としては、基本波を反射し、高調波７を透過する構成が好ましい。高調波７を効率よく外部に取り出せるからである。その他、反射膜６を用いない構成も可能である。非線形光学結晶と空気との屈折率差によるフレネル反射で１０％程度の反射が存在するので、固体レーザファイバ３の発振は可能であり、より簡易な構成となる。但し、この場合、高調波７の反射損失が生じる。
【００５３】
また、反射膜６として、波長依存性を持った誘電体多層膜を利用できる。峡帯域な反射特性をもった誘電体多層膜を用いれば、グレーティングファイバ２と反射膜６との反射帯域を一致させることで、発振するレーザのスペクトルをより狭帯域化できる。スペクトルが狭帯域化することで、波長変換素子４の変換効率が向上する。
【００５４】
なお、本実施形態では、反射膜６を波長変換素子４の出射端面に設けたが、波長変換素子４の内部に設けても良いし、波長変換素子４の外部に反射部を設ける構成であっても良い。波長変換素子４の複屈折率を利用して偏光を分離した後、反射膜６によりいずれか一方の偏光を選択的に固体レーザファイバ３に帰還することで、固体レーザファイバ３から出射される光を単一偏光化できる。
【００５５】
本実施形態のファイバレーザは、波長変換を利用して緑色光や青色光の発生を可能にする。また、高出力化が容易なファイバ増幅器を利用したレーザ光源に用いて、高出力の緑色光や青色光を発生することができる。さらに波長変換素子４により、単一偏光化された光を高効率で波長変換することで、可視光の発生を可能とする。
【００５６】
（実施形態２）
図４に、本発明の実施形態２のファイバレーザの構成を示す。本実施形態のファイバレーザは、波長変換素子４４により偏光分離した光を波長変換素子４４の外部で反射して固体レーザファイバ３に帰還する構成である。本実施形態のファイバレーザは、実施形態１に示す構成に加えて、波長変換素子４４の出射面側に集光光学系４１とファイバ４３とをさらに設ける。ファイバ４３は、固体レーザファイバである。また、実施形態１において反射膜６は波長変換素子４の出射面に設けられたが、本実施形態の反射膜４２はファイバ４３の入射面に設けられる。波長変換素子４４の出射面４５は、入射面５と同様に、斜めに形成される。
【００５７】
図４において、固体レーザファイバ３から出射された光は、波長変換素子４４の複屈折率を利用して、結晶内でＰｅ偏光９とＰｏ偏光１０とに分離される、２つの偏光のうち、Ｐｅ偏光９は、ファイバ４３の端面に設けられた反射膜４２に集光するように設計されている。Ｐｅ偏光９は、ファイバ４３の端面で反射し、固体レーザファイバ３に帰還して、固体レーザファイバ３の発振の偏光をＰｅ偏光に固定する。反射膜４２は、誘電体多層膜であり、基本波を反射し、高調波７を透過する。
【００５８】
本実施形態によれば、実施形態１の効果に加え、高調波７をファイバ光として取り出せるため、光源として光の取り回しが簡便になるという効果をさらに有する。
【００５９】
（実施形態３）
図５に、本発明の実施形態３のファイバレーザの構成を示す。本実施形態のファイバレーザは、波長変換素子４４により偏光分離した光を波長変換素子４４の外部で反射して固体レーザファイバ３に帰還する他の構成である。本実施形態のファイバレーザは、実施形態２のファイバ４３に代えて、グレーティングファイバ５１を備える。
【００６０】
グレーティングファイバ５１のブラッグ反射により、高調波７と基本波は分離される。波長変換素子４４で分離されたＰｅ偏光９は、グレーティングファイバ５１のブラッグ反射により、反射する。
【００６１】
本実施形態は、グレーティングファイバ５１に狭帯域な特性を持たせて、グレーティングファイバ２、５１の両方で波長選択することにより、固体レーザファイバ３の発振スペクトルをより狭帯域化できる。よって、波長変換素子４４での変換効率を向上させることができる。
【００６２】
（実施形態４）
図６（ａ）に、本発明の実施形態４のファイバレーザの構成を示す。本実施形態のファイバレーザは、ブリュースター角近傍でのＰ偏光、Ｓ偏光の反射率の違いを利用して、波長変換素子６１で偏光分離を行う構成である。本実施形態のファイバレーザは、波長変換素子６１と、波長変換素子６１と同じ材質のプリズム６２とを備えており、プリズム６２の出射面側に反射膜６が設けられる。また、波長変換素子６１の出射面側に斜めの端面６３が設けられ、その端面６３に沿うようにプリズム６２の端面６４が斜めに形成される。本実施形態において、ポンプ光源１、グレーティングファイバ２、固体レーザファイバ３、及び集光光学系８は、実施形態１と同一である。
【００６３】
図６（ｂ）は、波長変換素子６１周辺の部分拡大図であり、図６（ｃ）は、波長変換素子６１周辺の他の例を示す部分拡大図である。図６（ｃ）については後述する。図６（ｂ）に示すように、波長変換素子６１の端面６３とプリズム６２の端面６４は、光軸に対して角度θｉｎを持って形成される。端面６３、６４のそれぞれにおけるＰ偏光とＳ偏光の反射率を計算した結果を図７に示す。図７に示すように、Ｐ偏光とＳ偏光とで反射率が大きく異なる。波長変換素子６１とプリズム６２にブリュースター角の角度θｉｎをもった端面６３、６４を形成すれば、Ｓ偏光は１００％透過、Ｐ偏光の透過率は６０％程度となる。本実施形態の構成において、レーザ光はプリズム６２の出射面側に設けられた反射膜６により反射されるため、レーザ光は、行きで２回、帰りで２回、斜めの端面を透過する。これによってＰ偏光が固体レーザファイバ３に帰還する割合は１３％程度となる。一方、Ｓ偏光は斜め端面６３、６４で反射することがないので、ほぼ１００％帰還する。この偏光の透過率の差を利用して、偏光を分離して固体レーザファイバ３を一方の偏光に固定することができる。
【００６４】
本実施形態の構成によれば、Ｐ偏光とＳ偏光の分離比が増大し、より確実に分離することができる。また、プリズム６２により光路をまっすぐにできるため、光路設計が容易になる。
【００６５】
なお、図６（ｃ）に示すように、波長変換素子６１の入射側（固体レーザファイバ３側）に反射膜６５をさらに備えても良い。反射膜６５は、基本波を透過し、高調波を反射する。反射膜６で反射された基本波が波長変換素子６１を通って固体レーザファイバ３に帰還する際に、波長変換素子６１により変換された高調波６６は、反射膜６５により前方に出射される。これにより、高調波を効率良く取り出すことができる。高調波７と高調波６６とを合わせることで、変換効率が大幅に向上する。
【００６６】
（実施形態５）
図８に、本発明の実施形態５のファイバレーザの構成を示す。本実施形態のファイバレーザは、プリズム６２の出射側に集光光学系４１と固体レーザファイバであるファイバ４３とを設け、反射膜４２をファイバ４３の入射側の端面に形成する。本実施形態は、実施形態２と同様の効果が得られる。波長変換素子６１とプリズム６２とにそれぞれ斜めの端面６３、６４を設けることは実施形態４と同じである。本実施形態は、実施形態４と同様に、レーザ光は、行きで２回、帰りで２回、斜めの端面を透過するため、端面６３、６４の角度をブリュースター角に形成すれば、Ｐ偏光とＳ偏光の分離比が増大し、より確実に分離することができる。
【００６７】
（実施形態６）
図９に、本発明の実施形態６のファイバレーザの構成を示す。本実施形態のファイバレーザは、プリズム６２の出射側に集光光学系４１とグレーティングファイバ５１とを設けている。グレーティングファイバ５１は、偏波保存ファイバが好ましい。偏波保存ファイバにより偏光の安定化が図れ、出力が安定する。なお、偏波保存ファイバを用いた場合は、グレーティングファイバ５１の偏光方向と波長変換素子６１のＰ、Ｓ偏光が一致する構成が望ましい。偏光が一致しないと、波長変換素子６１で分離した単一偏光がグレーティングファイバ５１内で複数の偏光に分離されてしまい、単一偏光化の効果が低下するからである。本実施形態のように、グレーティングファイバ５１を用いる構成でも単一偏光化が実現でき、実施形態３と同様の効果が得られる。さらに、端面６３、６４の角度をブリュースター角に形成すれば、Ｐ偏光とＳ偏光の分離比が増大し、より確実に分離することができる。
【００６８】
（実施形態７）
図１０に、本発明の実施形態７のファイバレーザの構成を示す。本実施形態のファイバレーザは、波長変換素子６１とプリズム６２との間に、波長変換素子６１と同じ材質のプリズム１０２を備える。本実施形態のそれ以外の構成は、実施形態４と同一である。プリズム１０２の両端面は、ブリュースター角を有する波長変換素子６１の端面６３とプリズム６２の端面６４とにそれぞれ沿うように形成される。
【００６９】
プリズム１０２を備えることにより、ブリュースター角を有する斜めの端面が複数形成されるため、Ｐ偏光とＳ偏光の分離比が増大する。たとえば、斜め端面を２つ構成すると、Ｓ偏光に対するＰ偏光の抑圧比は９ｄＢから１８ｄＢと２倍になる。Ｐ偏光を抑圧することで、より単一偏光化が向上し、変換効率が増大する。
【００７０】
（実施形態８）
図１１に、本発明の実施形態７のファイバレーザの構成を示す。本実施形態のファイバレーザは、波長変換素子６１の出射側に波長変換素子１１１をさらに備え、波長変換素子１１１の出射端面に反射膜６が形成される。波長変換素子６１と波長変換素子１１１の端面６３，６４にそれぞれブリュースター角が形成される。
【００７１】
波長変換素子６１と波長変換素子１１１とにブリュースター角を形成する場合に、結晶と屈折率の異なる膜を介して、結晶を接着する方法を用いても良い。また、空気層を挟んで結晶を接着する方法等を用いても良い。
【００７２】
本実施形態は、実施形態４の効果に加え、波長変換素子６１と波長変換素子１１１からそれぞれ高調波７、７７を出力できるという効果が得られる。
【００７３】
なお、実施形態４から実施形態８において、波長変換素子６１の入射端面は、入射光に対して垂直な構成にしたが、波長変換素子６１の入射端面での反射が固体レーザファイバ３に帰還すると、不要な偏光モードが発生し、単一モード化が劣化する。このため、波長変換素子６１の入射端面での反射を２０ｄＢ以下、できれば３０ｄＢ以下に低減することが好ましい。そのために、波長変換素子６１の入射端面に無反射コートを施し、反射を防止するのが好ましい。そのほか、波長変換素子６１の入射端面を斜め研磨して入射光に対して角度を持たせることで、戻り光を防止できる。さらに、波長変換素子６１の入射端面の角度を入射光に対してブリュースター角の条件を満足するように設定すれば、入射損失が低減されるので、より好ましい。
【００７４】
（実施形態９）
図１２に、実施形態１から実施形態８に示したいずれかのファイバレーザを備えるコヒーレント光源１２１を用いた光学装置の構成を示す。本実施形態の光学装置は、上記実施形態のファイバレーザを用いたコヒーレント光源１２１から出射されるレーザ光を２次元スイッチである液晶パネル１２５により２次元の画像に変換して、スクリーン１２７上に映像を投影するレーザディスプレイである。コヒーレント光源１２１から出射された光は、コリメート光学系１２２、インテグレータ光学系１２３を通って、拡散板１２４を通過した後、液晶パネル１２５により画像変換され、投影レンズ１２６によりスクリーン１２７に投影される。拡散板１２４の位置は、揺動機構により移動速度５ｍｍ／ｓで変動する。これにより、スクリーン１２７上で発生するスペックルノイズが低減される。
【００７５】
実施形態１から実施形態８に示したいずれかのファイバレーザを備えたコヒーレント光源１２１は、外部の温度変化に対して安定した出力が得られるため、コヒーレント光源１２１を備えた本発明の光学装置は、高出力で安定した映像を出力できる。また、コヒーレント光源１２１は、高いビーム品質を備えているため、光学系の設計を容易にし、小型化、簡素化が可能となる。
【００７６】
コヒーレント光源１２１として赤、緑、青色のレーザ光を出力するＲＧＢレーザ光源を用いると、色再現性の高いレーザディスプレイを実現できる。ＲＧＢレーザ光源において、赤色のレーザ光を出射する半導体レーザは高出力のものが従来から開発されているのに対し、青色に関しては高出力化が実現していなく、緑色に関しては半導体レーザの形成が難しい。そこで、緑色および青色のレーザ光の出力に、波長変換を利用した上記実施形態のファイバレーザを用いる。これにより、容易に高出力を実現できる。また、緑色のレーザ光を出力するファイバレーザと、赤色と青色をそれぞれ出力する半導体レーザ光源とにより、ＲＧＢレーザ光源を構成しても良い。コヒーレント光源１２１に上記実施形態のファイバレーザを用いて、緑と青、または緑、青、赤を同時に発生させることにより、高出力の小型のＲＧＢレーザ光源が実現できる。コヒーレント光源１２１を備えることにより、レーザディスプレイをはじめ、光ディスク装置等各種の光学装置への応用が可能となる。コヒーレント光源１２１に、上記実施形態のファイバレーザを用いることにより、大画面のレーザディスプレイを実現できる。
【００７７】
なお、２次元スイッチとして、液晶パネル１２５以外に、反射型液晶スイッチやＤＭＤ（Digital Mirror Device）ミラー等を利用することができる。
【００７８】
（実施形態１０）
図１３に、光学装置の他の例を示す。本実施形態の光学装置は、ＲＧＢレーザ光源１３１から出射されるレーザ光をミラー１３２、１３３で走査することにより、スクリーン１３４上に２次元的な画像を描くレーザディスプレイである。ミラー１３２、１３３とスクリーン１３４は、ＲＧＢレーザ光源１３１からの光を２次元画像に変換する２次元のビーム走査光学系を構成する。
【００７９】
ＲＧＢレーザ光源１３１は、緑色光と青色光を出力する、実施形態１から実施形態８に示したいずれかのファイバレーザと、赤色光を出力する半導体レーザ光源とを含み、ＲＧＢを切り替えるための高速なスイッチ機能を備える。
【００８０】
ＲＧＢレーザ光源１３１は、高出力化が可能であり、出力安定化に優れる。また、ＲＧＢレーザ光源１３１の温度を検出する温度制御素子を設けなくても、又は簡易な温度制御によって、安定した出力が得られる。また、ＲＧＢレーザ光源１３１はビーム品質が高いため、走査光学系の小型化、簡素化が可能となる。またビーム走査光学系として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を利用した小型走査装置を利用できる。高いビーム品質は、集光特性、コリメート特性に優れ、ＭＥＭＳ等の小型ミラーが利用可能となる。これによって、走査型のレーザディスプレイを実現できる。
【００８１】
なお、ＲＧＢレーザ光源１３１を、緑色光を出力するファイバレーザと、赤色と青色をそれぞれ出力する半導体レーザ光源とにより構成しても良い。
【００８２】
（実施形態１１）
図１４に、光学装置のさらに他の例を示す。図１４（ａ）はディスプレイ装置の側面図であり、図１４（ｂ）は表面図である。本実施形態の光学装置は、実施形態１に示すファイバレーザを備えたディスプレイ装置であり、ファイバレーザは液晶のバックライト用に使用される。
【００８３】
本実施形態のディスプレイ装置は、ファイバレーザからの光を２次元画像に変換する画像変換光学系を備え、画像変換光学系は、図１４（ａ）に示すように、レーザ光を導波する導波板１４１と、導波板１４１の裏面に設けられて、導波板１４１の導波光を適宜散乱し、導波光の一部を導波板１４１の表面側に出射する拡散板１４２と、導波板１４１の表面に設けられて、選択した波長を透過するフィルタ１４３と、フィルタ１４３の表面側に設けられてフィルタ１４３を透過したレーザ光を画像に変換する液晶パネル１４４と、液晶パネル１４４の上面に設けられた偏光板１４５と、を備える。
【００８４】
図１４（ｂ）に示すように、本実施形態のディスプレイ装置は、さらに、導波板１４１の側面側にディスプレイ装置を駆動する制御部１４６を有し、制御部１４６内にポンプ光源１が設置される。波長変換素子４が導波板１４１の側面に設けられ、波長変換素子４とポンプ光源１は固体レーザファイバ３により接続される。導波板１４１内には拡散素子１４７が備えられている。
【００８５】
ポンプ光源１から出射されたレーザ光は、固体レーザファイバ３と波長変換素子４とによりレーザ発振し、波長変換素子４から単一偏光、本実施形態において緑色に波長変換されたレーザ光１４８が出射される。波長変換素子４から出射されたレーザ光１４８は、拡散素子１４７により、導波板１４１の主面に平行な方向に拡散される。
【００８６】
液晶のバックライト用の光源としてファイバレーザを用いることにより、高い変換効率で、高効率、高輝度のディスプレイ装置を実現できる。さらにレーザ光により広い色範囲が表現できるため、色再現性に優れたディスプレイ装置を実現できる。また、ファイバレーザを備えたＲＧＢレーザ光源を用いれば、単一の光源からＲＧＢを同時に発生できるため、構成の簡素化が実現できる。
【００８７】
なお、本実施形態のディスプレイ装置は、実施形態１のファイバレーザを備えたが、実施形態１から実施形態８のいずれのファイバレーザを備えても良い。
【００８８】
（実施形態１２）
図１５に、実施形態１に示したファイバレーザを備えたディスプレイ装置の他の例を示す。図１５（ａ）はディスプレイ装置の側面図であり、図１５（ｂ）は表面図である。本実施形態のディスプレイ装置は、複数のポンプ光源１を備え、複数のポンプ光源１はそれぞれ液晶パネル１４４の裏面側に一定の距離で離間して設置される。それ以外の構成は、実施形態１１と同じである。
【００８９】
液晶パネル１４４は比較的大きな面積を持つため、液晶パネル１４４の裏面にポンプ光源１を離間させて配置することができる。複数のポンプ光源１はそれぞれ１０ｍｍ程度以上離間させて配置させることが好ましい。これにより、隣接するポンプ光源１の熱干渉を大幅に低減できる。また、ポンプ光源１は、発光面積が小さいため、一つの光源あたりの消費電力を２Ｗ以下、好ましくは１Ｗ以下に抑えることにより、隣接するポンプ光源１との熱干渉を大幅に低減できる。このように、液晶パネル１４４の裏面側に、ポンプ光源１を離間させて配置し、それぞれのポンプ光源１の消費電力を１Ｗ程度以下に抑えることで、放熱効果を高め、ポンプ光源１の動作温度を６０℃以下に保つことができる。よって、空冷でポンプ光源１を駆動することが可能となり、高い信頼性を実現できる。
【００９０】
なお、本実施形態のディスプレイ装置は、実施形態１のファイバレーザを備えたが、実施形態１から実施形態８のいずれのファイバレーザを備えても良い。
【００９１】
なお、実施形態９から実施形態１２において、光学装置がレーザディスプレイやディスプレイ装置である場合について説明したが、光学装置は、光ディスク装置や計測装置であっても良い。光ディスク装置において、書き込み速度の高速化により、レーザ出力の向上が求められている。さらに、レーザ光には回折限界の集光特性が求められるため、シングルモード化が必須である。本発明の光源装置は高出力かつ、高いコヒーレンスを有するため、光ディスク装置等に応用できる。
【００９２】
なお、上記実施形態のファイバレーザをレーザディスプレイや液晶パネルのバックライトに用いる構成について説明したが、これに限定されず、ファイバレーザは照明光源として利用することができる。ファイバレーザは変換効率が高いため、電気−光の高効率変換が可能となる。また、ファイバを用いることで、低損失で離れた場所に光を伝送することができる。光発生を特定の場所で行い、離れた場所に光を送ることで、光のセントラル発生による室内の照明が可能になる。ファイバレーザは、ファイバとの結合が低損失で行えるため、光の配送に有効である。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明のファイバレーザは、簡単な構成で緑色や青色のレーザ光の高出力を実現でき、レーザディスプレイや液晶パネルのバックライト等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の実施形態１のファイバレーザの構成を示す図
【図２】Ｐ偏光を波長変換する場合の図であって、（ａ）は波長変換素子周辺の拡大図、（ｂ）は入射角に対する反射率及び偏光角差を示す特性要因図
【図３】Ｓ偏光を波長変換する場合の図であって、（ａ）は波長変換素子周辺の拡大図、（ｂ）は入射角に対する反射率及び偏光角差を示す特性要因図
【図４】本発明の実施形態２のファイバレーザの構成を示す図
【図５】本発明の実施形態３のファイバレーザの構成を示す図
【図６】（ａ）は本発明の実施形態４のファイバレーザの構成を示す図、（ｂ）は波長変換素子周辺の部分拡大図、（ｃ）は波長変換素子周辺の他の例の部分拡大図
【図７】実施形態４における入射角に対する反射率を示す特性要因図
【図８】本発明の実施形態５のファイバレーザの構成を示す図
【図９】本発明の実施形態６のファイバレーザの構成を示す図
【図１０】本発明の実施形態７のファイバレーザの構成を示す図
【図１１】本発明の実施形態８のファイバレーザの構成を示す図
【図１２】本発明の実施形態９の光学装置の構成を示す図
【図１３】本発明の実施形態１０の光学装置の構成を示す図
【図１４】本発明の実施形態１１の光学装置の構成を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は表面図
【図１５】本発明の実施形態１２の光学装置の構成を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は表面図
【符号の説明】
【００９５】
１          ポンプ光源
２、５１    グレーティングファイバ
３          固体レーザファイバ
４、  ４４、６１、１１１    波長変換素子
５          入射面
６、４２、６５    反射膜
７、６６、７７    高調波
８          集光光学系
９          Ｐｅ偏光
１０        Ｐｏ偏光
２１        ＡＲコート
２２        Ｐ偏光
２３        Ｓ偏光
４１        集光光学系
４３        ファイバ
４５        出射面
６３、６４        端面
６２、１０２    プリズム
１２１      コヒーレント光源
１２２      コリメート光学系
１２３      インテグレータ光学系
１２４      拡散板
１２５      液晶パネル
１２６      投影レンズ
１２７      スクリーン
１３１      ＲＧＢレーザ光源
１３２、１３３    ミラー
１３４      スクリーン
１４１      導波板
１４２      拡散板
１４３      フィルタ
１４４      液晶パネル
１４５      偏光板
１４６      制御部
１４７      拡散素子
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2007026510.tif 000018
【図２】
2007026510.tif 000019
【図３】
2007026510.tif 000020
【図４】
2007026510.tif 000021
【図５】
2007026510.tif 000022
【図６】
2007026510.tif 000023
【図７】
2007026510.tif 000024
【図８】
2007026510.tif 000025
【図９】
2007026510.tif 000026
【図１０】
2007026510.tif 000027
【図１１】
2007026510.tif 000028
【図１２】
2007026510.tif 000029
【図１３】
2007026510.tif 000030
【図１４】
2007026510.tif 000031
【図１５】
2007026510.tif 000032
【国際調査報告】
2007026510.tif 000033
2007026510.tif 000034
2007026510.tif 000035
2007026510.tif 000036
2007026510.tif 000037