(57)【要約】【課題】波長変換素子が目標温度に到達するまでの時間を短縮化し、波長変換レーザ光源の立ち上げ速度の向上を図ることができる波長変換レーザ光源を提供する。【解決手段】波長変換レーザ光源１００は、基本波レーザ光源１０１と、基本波レーザ光源１００が出射する基本波１０５を波長変換光１１０に変換する波長変換素子１０９と、波長変換素子１０９の温度を設定温度に保持する温度コントローラ４１１とを含み、温度コントローラ４１１は、波長変換素子１０９表面の少なくとも一部に絶縁性物質１１８を介して形成された磁性金属１１７と、磁性金属１１７に磁束を印加して磁性金属１１７を発熱させる励磁コイル１１６を備える。【選択図】図１
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【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が出射する基本波を波長変換光に変換する波長変換素子と、
前記波長変換素子の温度を設定温度に保持する素子温度保持部とを含み、
前記素子温度保持部は、
前記波長変換素子表面の少なくとも一部に絶縁性物質を介して形成された磁性金属と、
前記磁性金属に磁束を印加して当該磁性金属を発熱させる磁束印加部と、を含む、波長変換レーザ光源。
【請求項２】
前記磁束印加部は、高周波電流で励磁される励磁コイルと、当該励磁コイルに供給する高周波電流を制御する制御部とを含み、
前記制御部は、前記励磁コイルに供給する高周波電流の周波数を変化させることにより、前記波長変換素子の昇温速度を制御する請求項１記載の波長変換レーザ光源。
【請求項３】
前記制御部は、前記当該励磁コイルに供給する高周波電流をＰＷＭ制御することにより、前記波長変換素子の温度を制御する請求項２記載の波長変換レーザ光源。
【請求項４】
前記素子温度保持部は、前記波長変換素子の温度を検知する温度センサをさらに含み、
前記制御部は、前記温度センサにより検知される前記波長変換素子の温度に基づいて前記励磁コイルに供給する高周波電流を制御する請求項２または３記載の波長変換レーザ光源。
【請求項５】
前記制御部は、前記高周波電流により生じ、前記温度センサの検知信号に重畳される高周波ノイズを除去するフィルタを含む請求項４に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項６】
前記制御部は、前記温度センサより取得される温度初期値をＴ、前記波長変換素子の設定温度値をＴｓｖ、前記温度センサより取得される温度現在値をＴｐｖとしたとき、
Ｇ＝（Ｔｐｖ−Ｔ）／（Ｔｓｖ−Ｔ）
により算出される係数Ｇの値により、前記励磁コイルに供給する高周波電流の周波数を決定する請求項４または５記載の波長変換レーザ光源。
【請求項７】
前記波長変換素子に形成された前記磁性金属は、前記基本波の入射側から出射側にかけて複数に分割されており、複数に分割された磁性金属の材質が異なっている請求項１ないし６の何れか１項に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項８】
前記励磁コイルは、前記基本波の入射側から出射側にかけて複数に分割されており、
前記制御部は、複数に分割された励磁コイルをそれぞれ異なる周波数の高周波電流で励磁する請求項２ないし７の何れか１項に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項９】
前記磁束印加部の周囲を覆う非磁性導体をさらに含む請求項１ないし８の何れか１項に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項１０】
前記波長変換素子は、分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、またこれらの結晶を母体として添加物を添加した結晶である請求項１ないし９の何れか１項に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項１１】
前記基本波を反射する２つの反射面と、
前記基本波を集光して前記反射面間に入射させる集光光学系とをさらに含み、
前記波長変換素子は、前記２つの反射面間に設けられており、
前記基本波が前記波長変換素子への入射角を変化させながら前記反射面間を複数回往復するように当該基本波の光路を変化させると共に、当該反射面間で当該基本波を集光させるように、当該２つの反射面の少なくとも１つは曲率を有し、
前記反射面間を複数回往復する基本波のビームウェスト位置を前記波長変換素子内で点在させるように、前記集光光学系が配置されている請求項１ないし１０の何れか１項に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項１２】
前記集光光学系は、前記基本波が前記反射面で最初に反射される前に、前記波長変換素子内で当該基本波のビームウェストが形成されるように、当該基本波を集光する請求項１１に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項１３】
前記波長変換素子は周期状の分極反転構造を有し、前記２つの反射面の中心同士を結ぶ光軸を主光線軸とするとき、前記分極反転構造が前記主光線軸に対して傾いて形成されている請求項１１または１２に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項１４】
前記波長変換素子が周期状の分極反転構造を有し、
前記基本波が前記波長変換素子を通過するときの分極反転周期に対する前記基本波の最大角度をθ、当該基本波の中心波長をλ、当該基本波のスペクトル半値全幅をΔλとするとき、
ｃｏｓθ≦λ／（λ＋Δλ／２）
の関係を満たす請求項１１ないし１３の何れか１項に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項１５】
前記２つの反射面間の距離をＤ、当該２つの反射面の焦点距離をｆ１およびｆ２、前記波長変換素子の長さをＬとするとき、
ｆ１＋ｆ２＜Ｄ＜ｆ１＋ｆ２＋Ｌ
の関係を満たす請求項１１ないし１４の何れか１項に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項１６】
前記磁束印加部は、高周波電流で励磁される励磁コイルと、当該励磁コイルに供給する高周波電流を制御する制御部とを含み、
前記波長変換素子は、その幅方向の一端から他端にかけて複数の領域に分割されており、
励磁コイルが、前記波長変換素子の各分割領域を独立して加熱できるように複数個配置されており、
前記制御部は、それぞれ独立した周波数の高周波電流を、前記各分割領域に対応する励磁コイルに供給する複数の高周波電源を含む請求項１１ないし１５の何れか１項に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項１７】
前記各高周波電源が発生する自己の高周波電流の周波数以外の帯域をカットする帯域フィルタが、前記各高周波電源と前記励磁コイルとの間に挿入されている請求項１６に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項１８】
前記絶縁性物質は、抵抗率が１×１０８Ω・ｃｍ以上の材料からなる請求項１ないし１７の何れか１項に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項１９】
請求項１ないし１８の何れか１項に記載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、を含む２次元画像表示装置。
【請求項２０】
請求項１ないし１８の何れか１項に記載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、を含む２次元画像表示装置。
【請求項２１】
請求項１ないし１８の何れか１項に記載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、を含むレーザ光源装置。
【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２次元画像表示装置およびレーザ光源装置に関するものである。
【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２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（ＬＢＯ：リチウムトリボレート）、ＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ：リン酸チタニルカリウム）、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０（ＣＬＢＯ：セシウムリチウムボレート）分極反転構造を形成したＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ：ニオブ酸リチウム）やＬｉＴａＯ３（ＰＰＬＴ：タンタル酸リチウム）等が用いられてきた。
【０００４】
図２に示すように、波長変換レーザ光源２００は、一般的に、基本波光源１０１、集光レンズ１０８、非線形光学結晶（波長変換結晶）１０９、再コリメートレンズ１１１、波長分離ミラー、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２０１、電源装置１１４、レーザ出力を制御する制御装置２２５、制御装置２２５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で構成されている。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のレーザ光からその半分の波長（０．５３２μｍ）の第２高調波レーザ光を発生させる場合を例に挙げて、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。一般的に、非線形光学結晶１０９の屈折率は結晶自体の温度条件で変化するため、非線形光学結晶１０９の温度は一定としておく必要がある。そのために非線形光学結晶１０９自体は、温度保持装置２０１内に配置されており、非線形光学結晶１０９の種類に応じた温度で保持されている。
【０００７】
たとえば、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℃という温度で非線形光学結晶１０９を保持する必要がある（特許文献１）。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、位相整合する非線形光学結晶１０９の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、非線形光学結晶１０９の温度と基本波波長を一定に保つ必要がある（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００７−５１６６００号公報
【特許文献２】特開２００７−  ７３５５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述の温度保持装置２０１としては、従来、ペルチェ素子やヒーターが用いられているが、当該温度保持装置２０１では、波長変換レーザ光源を始動する際に、非線形光学結晶１０９を目標の温度に到達させるまでに、分オーダーの時間を有するという問題がある。このため、ペルチェ素子やヒーターを用いた温度保持装置２０１を有する波長変換レーザ光源は、瞬時点灯を要求されるディスプレイ用光源などの用途には不向きであるという課題がある。
【０００９】
なお、温度保持装置２０１としてペルチェ素子を用いて、２０℃〜３０℃といった室温付近の温度で温度制御を行い、目標温度への到達時間を短縮しようとした場合、ある程度は立ち上げ時間を短縮することができるが、室温が非線形光学結晶１０９の保持温度よりも高い状態で、かつ湿度が高い場合においては、非線形光学結晶表面に結露が発生するという課題も存在する。
【００１０】
一方、温度保持装置２０１として大容量のヒーターを用いて、急速な立ち上げを行おうとしても、非線形光学結晶１０９の温度を安定させるにはやはりある程度の時間を要する上、非線形光学結晶１０９が熱応力により破壊する可能性があるなど、信頼性の観点でも問題になる。
【００１１】
本発明の目的は、波長変換素子が目標温度に到達するまでの時間を短縮化し、立ち上げ速度の向上を図ることができる波長変換レーザ光源、これを備えた２次元画像表示装置およびレーザ光源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明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が出射する基本波を波長変換光に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子の温度を設定温度に保持する素子温度保持部とを含み、前記素子温度保持部は、前記波長変換素子表面の少なくとも一部に絶縁性物質を介して形成された磁性金属と、前記磁性金属に磁束を印加して当該磁性金属を発熱させる磁束印加部とを含んでいる。
【００１３】
上記の構成によれば、波長変換素子の表面には磁性金属が蒸着されている。この磁性金属に磁束印加部より磁束を印加すれば、電磁誘導により磁性金属の表面に渦電流が生じることになる。その結果、この磁性金属が発熱源となり、波長変換素子を迅速に昇温することができる。すなわち、本発明の波長変換レーザ光源は、上記誘導加熱方式を採用することにより、従来構成（ヒーターやペルチェ素子を用いた構成）と比べて急峻な温度立ち上げ特性を実現できる。これにより、波長変換素子が目標温度に到達するまでの時間を短縮化し、波長変換レーザ光源の立ち上げ速度の向上を図ることができる。さらに、波長変換素子の表面に直接磁性金属が接触しないように、波長変換素子と前記磁性金属との間に絶縁性物質が形成されている。このため、基本波の吸収を抑制し、基本波透過率を向上させることができる。
【００１４】
なお、前記絶縁性物質は、抵抗率が１×１０８Ω・ｃｍ以上の材料からなることが好ましい。
【００１５】
上記の構成において、前記磁束印加部は、高周波電流で励磁される励磁コイルと、当該励磁コイルに供給する高周波電流を制御する制御部とを含み、前記制御部は、前記励磁コイルに供給する高周波電流の周波数を変化させることにより、前記波長変換素子の昇温速度を制御することが好ましい。
【００１６】
上記の構成によれば、上記誘導加熱方式において、励磁コイルに供給する高周波電流の周波数を変化させることにより、前記波長変換素子の昇温速度を制御している。これにより、波長変換素子の加熱初期は高周波電流の周波数を高目に設定して昇温速度を大きくし急峻な温度立ち上げ特性を実現しながら、小さなオーバーシュート量も同時に実現するために目標温度に近づくにつれて高周波電流の周波数を低くして波長変換素子の発熱量が小さくなるようにする等の昇温速度制御が可能となる。
【００１７】
上記の構成において、前記制御部は、前記当該励磁コイルに供給する高周波電流をＰＷＭ制御することにより、前記波長変換素子の温度を制御することが好ましい。
【００１８】
上記の構成によれば、上記誘導加熱方式において、さらに高周波電流をＰＷＭ制御している。このため、波長変換素子が目標温度に近づいたときなどにより細かな温度制御が可能となる。
【００１９】
上記の構成において、前記素子温度保持部は、前記波長変換素子の温度を検知する温度センサをさらに含み、前記制御部は、前記温度センサにより検知される前記波長変換素子の温度に基づいて前記励磁コイルに供給する高周波電流を制御することが好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、温度センサにより前記波長変換素子の温度を検知しながら、当該検知温度に基づいて励磁コイルに供給する高周波電流を制御している。このため、上記誘導加熱方式を用いた構成において正確な温度制御が可能となる。
【００２１】
上記の構成において、前記制御部は、前記高周波電流により生じ、前記温度センサの検知信号に重畳される高周波ノイズを除去するフィルタを含むことが好ましい。
【００２２】
上記の構成によれば、前記フィルタにより、温度センサの検知信号に重畳される高周波ノイズが除去される。このため、上記誘導加熱方式を用いた構成においてより正確な温度制御が可能となる。
【００２３】
上記の構成において、前記制御部は、前記温度センサより取得される温度初期値をＴ、前記波長変換素子の設定温度値をＴｓｖ、前記温度センサより取得される温度現在値をＴｐｖとしたとき、
Ｇ＝（Ｔｐｖ−Ｔ）／（Ｔｓｖ−Ｔ）
により算出される係数Ｇの値により、前記励磁コイルに供給する高周波電流の周波数を決定することが好ましい。
【００２４】
上記の構成によれば、係数Ｇの値が小さい波長変換素子の加熱初期においては、高周波電流の周波数を高くして昇温速度を大きくし、係数Ｇの値が大きくなって波長変換素子が目標温度に近づけば高周波電流の周波数を低くして昇温速度を低下させる等の制御を容易に実現することができる。
【００２５】
上記の構成において、前記波長変換素子に形成された前記磁性金属が、前記基本波の入射側から出射側にかけて複数に分割されており、複数に分割された磁性金属の材質が異なっていることが好ましい。
【００２６】
上記の構成によれば、波長変換素子に形成される磁性金属の材質を異ならせることにより、電磁誘導加熱による発熱量を波長変換素子の場所により変えることが可能となる。さらに、波長変換素子に形成された磁性金属を、基本波の入射側から出射側にかけて複数に分割して材質を異ならせることにより、波長変換素子が波長変換光を吸収することにより発生する素子内ビームパスの温度分布の広がりを低減することができる。この結果、波長変換素子による波長変換効率の向上を図ることができる。
【００２７】
上記の構成において、前記励磁コイルが、前記基本波の入射側から出射側にかけて複数に分割されており、前記制御部は、複数に分割された励磁コイルをそれぞれ異なる周波数の高周波電流で励磁することが好ましい。
【００２８】
上記の構成によれば、励磁コイルを基本波の入射側から出射側にかけて複数に分割し、それぞれ異なる周波数の高周波電流で励磁することにより、分割した領域毎に細かな温度制御をすることが可能となる。このため、波長変換素子が波長変換光を吸収することにより発生する素子内ビームパスの温度分布の広がりを大幅に低減することができる。この結果、波長変換素子による波長変換効率をさらに向上させることができる。
【００２９】
上記の構成において、前記磁束印加部の周囲を覆う非磁性導体をさらに含むことが好ましい。
【００３０】
上記の構成によれば、前記磁束印加部が発生する磁束が、波長変換素子に形成された磁性金属以外の部分に及ぶことにより、他の部品が不用意に加熱されることを防止することができる。
【００３１】
上記の構成において、前記波長変換素子は、分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、またこれらの結晶を母体として添加物を添加した結晶であることが好ましい。
【００３２】
分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、またこれらの結晶を母体として添加物を添加した結晶は、大きな非線形光学効果を有する非線形光学結晶であり、波長変換素子として好適である。
【００３３】
上記の構成において、前記基本波を反射する２つの反射面と、前記基本波を集光して前記反射面間に入射させる集光光学系とをさらに含み、前記波長変換素子は、前記２つの反射面間に設けられており、前記基本波が前記波長変換素子への入射角を変化させながら前記反射面間を複数回往復するように当該基本波の光路を変化させると共に、当該反射面間で当該基本波を集光させるように、当該２つの反射面の少なくとも１つは曲率を有し、前記反射面間を複数回往復する基本波のビームウェスト位置を前記波長変換素子内で点在させるように、前記集光光学系が配置されていることが好ましい。
【００３４】
上記の構成によれば、少なくとも１つが曲率を有する２枚の反射面間に波長変換素子が配置され、基本波が前記波長変換素子への入射角を変化させながら前記反射面間を複数回往復する。よって、基本波の波長変換素子への通過パスにより、位相整合条件が変化することとなる。このため、本波長変換レーザ光源は、複数の位相整合条件を有することとなり、たとえある通過パスで位相整合条件からずれた場合でも、他の通過パスでは位相整合条件と合致し、変換効率の低下を補完することができる。これにより、高変換効率を達成しながらも、温度や波長などの位相整合条件の許容幅を拡大し、環境変化などに対し安定な波長変換光を得ることができる。また、スペクトル幅の広いレーザ発振を行う低干渉の波長変換光を得ることができる。さらに、集光光学系により、基本波のビームウェスト位置を波長変換素子内において点在させることで、波長変換素子の光損傷や波長変換の不安定性をなくした高出力の波長変換光を得ることができる。
【００３５】
この結果、波長変換レーザ光源は、高変換効率と安定した高出力出射を可能とし、且つ、スペックルノイズが低減された低干渉性の波長変換光を出力することができる。
【００３６】
上記の構成において、前記集光光学系は、前記基本波が前記反射面で最初に反射される前に、前記波長変換素子内で当該基本波のビームウェストが形成されるように、当該基本波を集光する構成とすることが好ましい。
【００３７】
上記の構成によれば、基本波が反射面で最初に反射される前に反射面間でビームウェストが形成されることにより、波長変換素子内の広い範囲にビームウェスト位置を多数点在させることができ、高出力時でも安定した波長変換を行うことができる。さらに、基本波が反射面で反射される前に波長変換が行なわれるので、合計変換効率を高めることができる。
【００３８】
上記の構成において、前記波長変換素子は周期状の分極反転構造を有し、前記２つの反射面の中心同士を結ぶ光軸を主光線軸とするとき、前記分極反転構造が前記主光線軸に対して傾いて形成されていることが好ましい。
【００３９】
上記の構成によれば、温度などの位相整合条件の許容幅をさらに拡大し、環境変化などに対し安定的に波長変換光を得ることができる。
【００４０】
上記の構成において、前記波長変換素子が周期状の分極反転構造を有し、前記基本波が前記波長変換素子を通過するときの分極反転周期に対する前記基本波の最大角度をθ、当該基本波の中心波長をλ、当該基本波のスペクトル半値全幅をΔλとするとき、
ｃｏｓθ≦λ／（λ＋Δλ／２）
の関係を満たすことが好ましい。
【００４１】
上記の構成によれば、波長変換素子の分極反転周期に対する基本波の角度が変化することにより、広帯域の波長変換が行われる。ここで、上記の関係式を満たす範囲に基本波の角度変化が生じるようにすることで、波長変換素子に入射する基本波の全域にわたる波長幅の変換を行うことができる。すなわち、上式の関係を満たすことにより、基本波レーザ光源が出力する基本波に適した波長変換により、波長変換光の広帯域化を行うことができる。
【００４２】
上記の構成において、前記２つの反射面間の距離をＤ、当該２つの反射面の焦点距離をｆ１およびｆ２、前記波長変換素子の長さをＬとするとき、
ｆ１＋ｆ２＜Ｄ＜ｆ１＋ｆ２＋Ｌ
の関係を満たすことが好ましい。
【００４３】
上記の構成によれば、上記の関係式を満たすように反射面間の距離Ｄを設定することにより、２枚の反射面の共焦点配置に近づけることができ、且つビームパスの往復回数が多くなって基本波の波長変換素子への通過回数も増大するため、基本波から波長変換光への合計変換効率を高めることができる。
【００４４】
上記の構成において、前記磁束印加部は、高周波電流で励磁される励磁コイルと、当該励磁コイルに供給する高周波電流を制御する制御部とを含み、前記波長変換素子は、その幅方向の一端から他端にかけて複数の領域に分割されており、前記励磁コイルは、前記波長変換素子の各分割領域を独立して加熱できるように複数個配置されており、前記制御部は、それぞれ独立した周波数の高周波電流を、前記各分割領域に対応する励磁コイルに供給する複数の高周波電源を含むことが好ましい。
【００４５】
基本波が前記波長変換素子への入射角を変化させながら前記反射面間を複数回往復する構成では、ビームパスは波長変換素子の幅方向の外側から内側へ徐々に移動する。そして、波長変換素子が波長変換を行う際、発生した波長変換光を吸収することにより波長変換素子のビームパスの温度が上昇することがある。通常、発生する波長変換光は、波長変換素子内における幅方向の外側で大きく、内側に行くほど小さくなる。
【００４６】
そこで、上記の構成のように、波長変換素子をその幅方向の一端から他端にかけて複数の領域に分割し、励磁コイルが波長変換素子の各分割領域を独立して加熱できるように構成することにより、波長変換素子における幅方向の温度分布の広がりを低減し、波長変換効率を向上させることができる。
【００４７】
上記の構成において、前記各高周波電源が発生する自己の高周波電流の周波数以外の帯域をカットする帯域フィルタが、前記各高周波電源と前記励磁コイルとの間に挿入されていることが好ましい。
【００４８】
上記の構成のように、異なる周波数の高周波電流により各分割領域に対応する励磁コイルが励磁される構成においては、それぞれの励磁コイルが発生した磁束により、前記各高周波電源へ帰還する信号が増加し、電気的に干渉することがある。そこで、前記各高周波電源と前記励磁コイルとの間に、各高周波電源が発生する周波数以外の帯域をカットする帯域フィルタを挿入することにより、上記の干渉を回避することができる。
【００４９】
本発明の一局面に係る２次元画像表示装置は、上記の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】
上記の構成によれば、前記波長変換素子が目標温度に到達するまでの時間を短縮化し、立ち上げ速度の向上を図ることができる波長変換レーザ光源を用いた投影方式の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、上記の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】
上記の構成によれば、前記波長変換素子が目標温度に到達するまでの時間を短縮化し、立ち上げ速度の向上を図ることができる波長変換レーザ光源を用いた液晶パネル方式の２次元画像表示装置を実現することができる。
【００５３】
本発明の一局面に係るレーザ光源装置は、上記の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】
上記の構成によれば、波長変換素子が目標温度に到達するまでの時間を短縮化し、立ち上げ速度の向上を図ることができる波長変換レーザ光源を用いたファイバ付きレーザ光源装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００５５】
本発明によれば、波長変換素子が目標温度に到達するまでの時間を短縮化し、波長変換レーザ光源の立ち上げ速度の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
（第１の実施の形態）
本実施の形態に係る波長変換レーザ光源１００を、図１に示している。本実施の形態では、非線形光学結晶（波長変換素子）１０９が、励磁コイル（磁束印加部）１１６の内部に保持された構造となっている。
【００５７】
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１０９、再コリメートレンズ１１１、受光器（フォトダイオード）１１２、ビームスプリッタ１１３、電源装置１１４、制御装置１１５、励磁コイル１１６、磁性金属１１７、絶縁性物質１１８、および高周波電源１１９等を備えている。
【００５８】
まず、基本波光源１０１の構成について説明する。基本波光源１０１としては、Ｙｂドープファイバ１０３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１０５から高調波１１０への変換効率を大幅に向上することができる。基本波光源１０１は、励起ＬＤ１０２を備えている。波長変換レーザ光の出力は、電源装置１１４から基本波光源１０１の励起ＬＤ１０２へ供給する電流により制御されている。
【００５９】
基本波光源（ファイバレーザ光源）１０１より発生した基本波１０５は、第１ダイクロイックミラー１０６および第２ダイクロイックミラー１０７により集光レンズ１０８に導かれる。そして、基本波光１０５は、集光レンズ１０８により非線形光学結晶１０９へ集光される。
【００６０】
波長変換素子である非線形光学結晶１０９としては、分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ３やＬｉＴａＯ３あるいはこれらの結晶を母体として、ＭｇＯ等の添加物を添加した結晶素子であることが好ましい。本実施の形態では、非線形光学結晶１０９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。
【００６１】
非線形光学結晶１０９により波長変換された第２高調波１１０は、再コリメートレンズ１１１により平行光束とされる。その後、ビームスプリッタ（波長分離ミラー）１１３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。
【００６２】
非線形光学結晶１０９（ＭｇＬＮ素子）の表面には、絶縁性物質１１８を介して磁性金属１１７が蒸着されている。磁性金属１１７の一例としては、タンタルが挙げられる。この構成により、非線形光学結晶１０９の外部から高周波の磁界を印加すれば、磁性金属１１７の表面に渦電流が生じることになる。その結果、この磁性金属１１７が発熱源となり、印加する高周波磁界を調整することにより非線形光学結晶１０９の温度制御が可能となる。すなわち、非線形光学結晶１０９の温度を一定に保持するための手段として、本実施の形態では、非線形光学結晶１０９の表面に絶縁性物質１１８を介して蒸着した磁性金属１１７を、高周波誘導加熱で発熱させる構成を取っているのである。この高周波誘導加熱で発熱させる構成を採用することにより、課題となっていた急峻な温度立ち上げ特性を実現できる。
【００６３】
本実施の形態では、非線形光学結晶１０９に高周波磁界を印加する励磁コイル１１６が、非線形光学結晶１０９の周囲を覆うように設けられている。すなわち、図３に示すように、励磁コイル１１６が非線形光学結晶１０９を取り囲み、励磁コイル１１６の内部に非線形光学結晶１０９が保持された構造となっている。
【００６４】
本実施の形態の温度コントローラは、高周波電源１１９からの高周波信号をＯＮ／ＯＦＦすることで非線形光学結晶１０９の温度を制御する一方、高周波信号の周波数を変化させることで、磁性金属１１７の表面に発生する渦電流の浸透深さを変化させ、非線形光学結晶１０９の昇温速度の傾きを制御することを特徴としている。
【００６５】
図４（ａ）に、本実施の形態における温度コントローラ４１１のブロック図を示している。温度コントローラ４１１は、Ａ／Ｄコンバータ４０４、ＤＳＰ(Digital Signal Processor)４０５、レジスタ４０６、ＭＰＵ４０７、インバータ回路４０８、およびスイッチ回路４０９を含んでいる。
【００６６】
非線形光学結晶１０９の温度は、温度センサであるサーミスタ４０３によりモニターされている。サーミスタ４０３による温度検出結果は、Ａ／Ｄコンバータ４０４によりデジタル値に変換される。この際、ＤＳＰ４０５（フィルタ）により励磁コイル１１６を駆動している周波数帯域のノイズをカットする。取得された現在温度の値は、一旦、レジスタ４０６に格納され、ＭＰＵ４０７で目標値との差が演算される。現在温度の値と目標値との差が大きい場合、ＭＰＵ４０７は高周波信号を発生するインバータ回路４０８に指令を出し、より高い周波数で励磁コイル１１６を励磁させる。そして、ＭＰＵ４０７は、現在温度の値が目標値に近づくに従い、励磁コイル１１６を励磁する周波数を小さくするとともに、スイッチ回路４０９により励磁コイル１１６への信号出力をＯＮ／ＯＦＦしてＰＷＭ制御することで、目標値付近の温度で非線形光学結晶１０９の温度を安定させる。
【００６７】
なお、本実施の形態の場合、励磁コイル１１６を励磁する周波数は、１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲で可変となっている。この励磁周波数の可変範囲は、これに限定されず、使用状況に応じて適宜設定することができる。
【００６８】
図４（ｂ）に、本実施の形態に係る非線形光学結晶１０９の温度保持機構を使用した際の制御フローを示している。
【００６９】
この制御フローが開始されると、温度コントローラ４１１は、温度センサーであるサーミスタ４０３が検出する非線形光学結晶１０９の温度初期値Ｔを取得する（Ｓ１）。次に、温度コントローラ４１１は、出力コントローラ４１０から波長変換レーザ光源１００の出力設定値Ｐｓｖを取得し（Ｓ２）、当該出力設定値Ｐｓｖに応じた温度設定値Ｔｓｖを設定する（Ｓ３）。なお、レジスタ４０６には、出力設定値Ｐｓｖと温度設定値Ｔｓｖとの対応関係を記録した温度テーブルが格納されており、当該温度テーブルを参照して出力設定値Ｐｓｖに応じた温度設定値Ｔｓｖが設定される。
【００７０】
その後、温度コントローラ４１１は、サーミスタ４０３が検出する非線形光学結晶１０９の温度現在値Ｔｐｖを取得し（Ｓ４）、温度初期値Ｔ、設定温度値Ｔｓｖ、および温度現在値Ｔｐｖを用いて、下式（１）に示す係数Ｇを計算する（Ｓ５）。
【００７１】
Ｇ＝（Ｔｐｖ−Ｔ）／（Ｔｓｖ−Ｔ）                            ・・・（１）
温度コントローラ４１１は、上記係数Ｇに応じて、励磁コイル１１６に供給される高周波信号（高周波電流）の周波数と当該高周波信号のＰＷＭ波形のデューティーを決定する。すなわち、Ｇ≦０．８のときは（Ｓ６でＹＥＳ）、高周波信号の励磁周波数をｆ１とし、高周波信号のデューティー比を１００％する（Ｓ７）。また、０．８＜Ｇ＜０．９５のときは（Ｓ６でＮＯ、Ｓ８でＹＥＳ）、高周波信号の励磁周波数をｆ１’とし、高周波信号のデューティー比を１００％する（Ｓ９）。また、０．９５≦Ｇのときは（Ｓ６でＮＯ、Ｓ８でＮＯ）、高周波信号の励磁周波数をｆ１”とし、さらに高周波信号のデューティー比を調整してＰＷＭ制御を行う（Ｓ１０）。これにより、Ｇが１．２を超えない制御となっている。
【００７２】
なお、このときの励磁周波数は、ｆ１＞ｆ１’＞ｆ１”という関係になっており、目標温度に近づくにつれ、同じ電流値であっても非線形光学結晶１０９の発熱量が小さくなるように設定されている。
【００７３】
その後、温度コントローラ４１１は、温度現在値Ｔｐｖを再度取得し（Ｓ１１）、前記Ｓ５に戻って上式（１）に示す係数Ｇを計算し、その後もＳ５〜Ｓ１１を繰り返すループ制御を行う。
【００７４】
高周波誘導加熱で発熱させる構成を採用することにより、課題となっていた急峻な温度立ち上げ特性を実現できるが、さらに上記ループ制御（Ｓ５〜Ｓ１１）を行うことにより、小さなオーバーシュート量も同時に実現することができる。
【００７５】
一方、目標温度（温度設定値Ｔｓｖ）の設定については、高調波出力が大きくなるに従い、非線形光学結晶１０９における光吸収などの影響で目標温度を変化させる必要があるため、レーザの出力コントローラ４１０からの指令をＭＰＵ４０７に取り込むことで、ＭＰＵ４０７が随時目標温度を変化させ、高調波出力の飽和を抑制することができる。
【００７６】
非線形光学結晶１０９を用いて波長変換する際、非線形光学結晶１０９の出力端に近づくにつれ、基本波レーザビームが非線形光学結晶１０９を通過するビームパスの温度が局所的に上昇する。この非線形光学結晶１０９の素子内ビームパスにおける温度分布は、非線形光学結晶１０９が波長変換光（高調波）を吸収することにより発生する。
【００７７】
図５は、非線形光学結晶１０９として分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶を用いて、２．３Ｗ程度のグリーン光を発生させた場合における非線形光学結晶１０９の素子内温度分布を示している。同図に示すように、非線形光学結晶１０９の中央付近から急激に温度が上昇し、最も低い入射端の温度に比べて、最大点で３℃程度温度が上昇することが分かる。
【００７８】
このような非線形光学結晶１０９の素子内ビームパスにおける温度分布の広がりを抑制するための方法について、以下に説明する。
【００７９】
一つの方法として、非線形光学結晶１０９の入射側と出射側で蒸着する磁性金属１１７の材質（種類）を変えることで、素子内ビームパスの温度分布の広がりを低減することができる（図６（ａ））。すなわち、非線形光学結晶１０９のビーム出射側に近づくほど保持温度が低下するように、使用する磁性金属１１７の材質を設計することにより、高調波出力が非線形光学結晶１０９に吸収されることによる発熱の影響を抑えることができるのである。
【００８０】
例えば、非線形光学結晶１０９をビーム入射側とビーム出射側とに２分割する場合、ビーム入射側に磁性金属１１７としてニッケル合金を蒸着し、その出射側にニッケル合金より誘導加熱量が小さい磁性金属１１７として白金合金などを蒸着する。
【００８１】
また、図６（ａ）に示すように、非線形光学結晶１０９をビーム入射側、中央部、ビーム出射側に３分割する場合、非線形光学結晶１０９の長手方向（ビーム進行方向）で異なる種類の磁性金属１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃを蒸着することで、発熱する温度を変化させることができる。このように非線形光学結晶１０９を３分割する場合、素子内ビームパスの温度分布としては中央部がもっとも高くなるので、例えば、ビーム入射側の磁性金属１１７ａおよびビーム出射側の磁性金属１１７ｃとしてニッケル合金を蒸着し、中央部の磁性金属１１７ｂとして白金合金などを蒸着する。
【００８２】
なお、図６（ａ）では非線形光学結晶１０９のビーム進行方向に３分割した磁性金属１１７を適用した例を挙げているが、これに限定されるものではなく、２分割または４分割以上の磁性金属１１７を適用してもよい。
【００８３】
磁性金属１１７の蒸着領域に関し、非線形光学結晶１０９の発熱は、非線形光学結晶１０９の全長に対して入射端から７０％以上出射側の位置で顕著となっている。このため、非線形光学結晶１０９の全長に対して入射端からから５０％〜７０％出射側の位置で、磁性金属１１７を分割する（すなわち磁性金属１１７の種類を異ならせる）ことが好ましい。
【００８４】
ところで、図６（ａ）の構成の場合、励磁コイル１１６は一つだけであり、高周波電源１１９から励磁コイル１１６に供給される電流も、３つの領域（磁性金属１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃ）ごとに区別されていない。この場合、励磁コイル１１６に供給する高周波信号の励磁周波数を変えることで、非線形光学結晶１０９の温度分布の傾きを変えることは可能であるが、領域ごとに細かな温度制御をするには、以下に説明する図６（ｂ）の構成が適している。
【００８５】
すなわち、非線形光学結晶１０９の温度分布の広がりを大幅に低減できる構成であり、発熱領域を分割して温度制御するものとして、図６（ｂ）に示すように、２つの励磁コイル１１６ａ、１１６ｂを使用し、それぞれ異なる周波数の高周波信号（高周波電流）を印加する。より詳しくは、非線形光学結晶１０９のビーム入射側に励磁コイル１１６ａ、その出射側に励磁コイル１１６ｂが設けられ、２つの励磁コイル１１６ａ、１１６ｂが互いに重なり領域を持たないように設計されている。そして、励磁コイル１１６ａには高周波電源１１９ａ、励磁コイル１１６ｂには高周波電源１１９ｂが接続されており、２つの励磁コイル１１６ａ、１１６ｂを独立して駆動できる（すなわち、２つの励磁コイル１１６ａ、１１６ｂの設置領域ごとに温度制御可能な）構成としている。
【００８６】
励磁コイル１１６ａ、１１６ｂの分割位置に関し、非線形光学結晶１０９の発熱は、非線形光学結晶１０９の全長に対して入射端から７０％以上出射側の位置で顕著となっている。このため、非線形光学結晶１０９の全長に対して入射端からから５０％〜７０％出射側の位置で、励磁コイル１１６ａ、１１６ｂを分割することが好ましい。
【００８７】
上記の構成において、本実施の形態では、非線形光学結晶１０９から出射される高調波出力により、励磁コイル１１６ａ、１１６ｂの駆動周波数を変化させるという特徴的な駆動方法を採用している。励磁コイル１１６ａ、１１６ｂの駆動周波数をそれぞれｆ１およびｆ２とし、以下に、励磁コイル１１６ａ、１１６ｂの駆動について説明する。
【００８８】
ここでは、非線形光学結晶１０９として分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３を用い、１０６４ｎｍの基本波から、５３２ｎｍの高調波を発生させる場合を例に挙げて説明する。非線形光学結晶１０９から出射される高調波出力が１．５Ｗ以下の場合、励磁コイル１１６ａ、１１６ｂの駆動周波数を一致させる（ｆ１＝ｆ２）。この際、励磁コイル１１６ａ内の磁束６０９の流れと励磁コイル１１６ｂ内の磁束６１０の流れとは一致するようにしておく。一方、非線形光学結晶１０９から出射される高調波出力が１．５Ｗを越える場合、励磁コイル１１６ａ、１１６ｂの駆動周波数をｆ１＞ｆ２とする。すなわち、非線形光学結晶１０９による光吸収の影響が大きくなるのは高調波出力が１．５Ｗ〜２Ｗあるいはそれ以上のときであり、当該領域となったときにｆ１＞ｆ２とすることで、非線形光学結晶１０９のビーム出射側を加熱する熱量を、ビーム入射側を加熱する熱量よりも小さくすることができる。このため、高調波の光吸収による非線形光学結晶１０９の入射側と出射側との温度不均一を低減することができる。
【００８９】
この際、励磁コイル１１６ａ、１１６ｂにおいてそれぞれで発生した磁束６０９、６１０により、発振回路へ帰還する信号が増加し、電気的に干渉することがある。そこで、励磁コイル１１６ａを駆動する励磁回路には、励磁コイル１１６ｂを駆動する周波数ｆ２をカットするフィルタ６０８−１を挿入し、励磁コイル１１６ｂを駆動する励磁回路には、励磁コイル１１６ａを駆動する周波数ｆ１をカットするフィルタ６０８−２を挿入する。これにより、磁束６０９、６１０による干渉を防止することができる。
【００９０】
なお、発熱体となる磁性金属１１７の材料としては、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶素子との密着性を考慮して、タンタル、タンタル合金、ニッケル、コバルトニッケル合金、白金合金、鉄・ニッケル合金などを使用することが好ましい。
【００９１】
図７（ａ）には、非線形光学結晶１０９に発熱体となる磁性金属を蒸着させる際の下地材料、当該下地材料の抵抗率、０〜８０℃までの温度サイクル試験（１００サイクル）後の分極反転された非線形光学結晶の基本波透過率、および下地材料として使用できるかどうかの判定結果を示している。
【００９２】
図７（ａ）に記載の各条件について以下に説明する。
【００９３】
（条件１）：下地材料として導電性銀ペースト（抵抗率５×１０−５Ω・ｃｍ）を１００μｍ厚で非線形光学結晶表面に塗布したあと、磁性金属としてタンタルを１０００オングストローム蒸着した。
【００９４】
（条件２）：下地材料として絶縁性コート材料Ａ（抵抗率１×１０８Ω・ｃｍ）を５０μｍ厚で非線形光学結晶表面に塗布したあと、磁性金属としてタンタルを１０００オングストローム蒸着した。
【００９５】
（条件３）：下地材料として絶縁性コート材料Ｂ（抵抗率２×１０１１Ω・ｃｍ）を５０μｍ厚で非線形光学結晶表面に塗布したあと、磁性金属としてタンタルを１０００オングストローム蒸着した。
【００９６】
（条件４）：非線形光学結晶表面にＲＦスパッタにてＳｉＯ２膜（下地材料）を１０００オングストローム製膜し、さらに磁性金属としてタンタルを１０００オングストローム蒸着した。
【００９７】
（条件５）：非線形光学結晶表面にプラズマＣＶＤにてＳｉＯ２膜（下地材料）を１０００オングストローム製膜し、さらに磁性金属としてタンタルを１０００オングストローム蒸着した。
【００９８】
（条件６）：比較参考のため非線形光学結晶単体とした（リファレンス素子）。
【００９９】
以上の条件のサンプルをそれぞれ１０個ずつ準備し（サンプル数ｎ＝１０）、０〜８０℃の熱サイクル試験（１００サイクル）を行った。そして、１００サイクル後の非線形光学結晶の基本波透過率を確認することで、下地材料として使用できるかどうかの判別を行った。
【０１００】
まず、リファレンスである条件６に関して、基本波透過率が変化しないことを確認した。さらに、条件３および条件５で基本波透過率に変化が無いことを確認し、条件２では１％程度基本波透過率が低下していることを確認した。条件１及び条件４では、３％以上基本波透過率が低下しており、基本波の吸収が大きいことが分かる。
【０１０１】
上記の基本波透過率の変化を、位相整合温度変化量という形で観測したのが図７（ｂ）である。位相整合温度が１℃以上変化した場合、光吸収による非線形光学結晶の素子破壊が発生しやすくなることが分かっているため、それ以下の温度変化量となるように材料を選定すると、抵抗率１×１０８Ω・ｃｍ以上の材料である必要があることが分かる。さらに、位相整合温度変化量がリファレンス（条件６）と同じ値となるような下地材料を選定するには、抵抗率２×１０１１Ω・ｃｍ以上の材料が必要であり、当該抵抗率条件の材料がより好ましい。
【０１０２】
また、前記条件４および条件５では、非線形光学結晶の表面に絶縁膜を形成する方法により絶縁を試みたが、膜抜けなどが発生しやすいスパッタ（条件４）よりもＣＶＤ（条件５）のように、より緻密な膜を形成できる方法を用いることが望ましいことが分かる。
【０１０３】
図８（ａ）は、領域分割温度制御を用いた場合の非線形光学結晶１０９の素子内ビームパス温度を示している。本実施の形態で用いた非線形光学結晶１０９の温度許容幅（半値幅）は１℃程度である。もし、領域分割温度制御を用いなかった場合、素子内ビームパスの温度が最大で３℃程度開いており温度許容幅を大幅に超えていたが、本実施の形態の領域分割温度制御を用いることで、約０．５℃の温度範囲に収めることが可能となっている。
【０１０４】
以上のように、下地材料として絶縁材料を用いることで基本波の透過率低下を防止する効果は、ＰＰＬＮ、ＰＰＬＴ、ＰＰＫＴＰなど分極反転された非線形光学結晶を波長変換素子として使用する際に特に有効である。
【０１０５】
図８（ｂ）は、図６（ｂ）に示した構成の温度保持機構を用いた領域分割温度制御を用いたときと、それを用いなかったときの、基本波光量に対するグリーン光（波長変換光）の光量のプロット図である。
【０１０６】
領域分割温度制御を用いなかった場合、波線Ｌｂで示すように、非線形光学結晶１０９の素子内ビームパスの一部分で温度が上昇し、部分的に位相整合条件から逸脱する。このため、グリーン光の出力が１Ｗ以上となったときに、実線Ｌｃで示す出力の理想値である計算値から乖離するという現象が発生していることが分かる。
【０１０７】
一方、本実施の形態で提案した領域分割温度制御を用いることで、実線Ｌａで示すように、グリーン光の出力が１．８Ｗ付近になるまで計算値からの乖離を抑制することができ、高効率な波長変換を行うことができることが明らかとなった。
【０１０８】
つづいて、従来からの課題であった、波長変換レーザ光源の立ち上がり時間、つまり非線形光学結晶の昇温速度について図９（ａ）および（ｂ）を用いて説明を行う。図９（ａ）は本実施の形態で提案した誘導加熱方式を用いた場合における、時間に対する非線形光学結晶１０９の温度プロファイルを示したプロット図である。このときの非線形光学結晶１０９の目標温度は８０℃とした。室温（例えば２５℃）から８０℃に加熱する際、目標温度の８０％に達するまで加熱する時間は長くて１０秒程度と迅速な昇温が可能となっている。そして、目標温度の８０％に達したところで、励磁コイル１１６に印加する高周波信号の励磁周波数を小さくすることで、温度上昇の傾きを小さくしている。さらに、目標値の９５％となったところで、さらに励磁周波数を小さくし、且つ高周波信号のＰＷＭ制御を行うことで、オーバーシュート量（目標温度を超えてしまう量）が小さくなっていることが分かる。この誘導加熱方式を用いたときの静定時間（加熱開始から非線形光学結晶１０９の温度が目標値に安定するまでの時間）は１５秒〜２０秒程度であった。
【０１０９】
図９（ｂ）は、従来構成のヒーターおよびペルチェ素子を用いた場合と、本実施の形態の誘導加熱方式を用いた場合との比較を行ったプロット図であり、時間に対する非線形光学結晶の温度プロファイルを示している。従来構成のヒーターの場合は、波線ＬＢで示すように、オーバーシュート量が大きく、且つ静定時間も３０秒以上要することが分かる。また、従来構成のペルチェ素子の場合は、一点鎖線ＬＣで示すように、オーバーシュート量は小さいが、やはり静定時間が２５秒程度必要であり、立ち上げ速度が遅いことが分かる。本実施の形態の誘導加熱方式を用いた場合に優れている点は、実線ＬＡで示すように、目標値の８０％〜９０％の到達時間が３者の中で最速となっており、結果的に波長変換レーザ光源の迅速な立ち上げを実現できることである。
【０１１０】
本実施の形態のように、波長変換レーザ光源１００に搭載される非線形光学結晶１０９の温度保持機構として、従来のヒーターやペルチェ素子に代えて、高周波誘導加熱方式を利用することにより、昇温速度の高速化による待機電力の低減や、波長変換レーザ光源１００を用いたレーザ機器の立ち上げ時間の短縮が可能となる。また、発熱体が非線形光学結晶１０９の表面に蒸着された磁性金属１１７であるため、両者（発熱体と非線形光学結晶１０９）の熱膨張係数の差異から生じる破断を防止することができる。加えて、高周波誘導加熱を利用しているため、たとえ蒸着された磁性金属１１７に亀裂が生じた場合であっても、非線形光学結晶１０９の加熱を続けることができ、波長変換レーザ光源１００およびそれを備えた機器そのものの超寿命化を図ることも可能であるという効果を奏する。
【０１１１】
さらに、図６（ｂ）に示すように、非線形光学結晶１０９をビーム進行方向に対して複数の領域に分割し、それぞれの領域に励磁コイル１１６ａ、１１６ｂを配置することで、発生した光高調波を非線形光学結晶１０９が吸収することで生じる発熱の影響を低減する効果がある。なお、図６（ｂ）では２つの領域に分割した例を示しているが、非線形光学結晶１０９をビーム進行方向に対して３つ以上の領域に分割し、分割した３つ以上の励磁コイルを用いる構成とすることもできる。
【０１１２】
なお、非線形光学結晶１０９以外の部分に磁束が及ぶことにより、他の部品が不用意に加熱されることを防止できるため、図１に示すように、非線形光学結晶１０９をとりまく励磁コイルの周囲は非磁性の金属（非磁性導体）１２０で覆われていることが好ましい。非磁性導体１２０としては、アルミニウム、銅、亜鉛などを挙げることができる。
【０１１３】
（第２の実施の形態）
本実施の形態に係る波長変換レーザ光源１０００を、図１０に示している。本実施の形態では、非線形光学結晶１００１が、励磁コイル１００３（１００３−１〜１００３−６）の外部に保持された構造となっている。
【０１１４】
以下、本実施の形態に係る波長変換レーザ光源１０００について、図面を参照しながら説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成については、同じ部材番号を付記し、その説明を適宜省略する。
【０１１５】
本実施の形態に係る波長変換レーザ光源１０００は、第１の実施の形態と同一構造の基本波光源１０１を備えている（図１参照）。波長変換レーザ光の出力は、電源装置１１４から基本波光源１０１の励起ＬＤ１０２へ供給する電流により制御されている。
【０１１６】
そして、非線形光学結晶１００１の温度を一定に保持する手段として、非線形光学結晶１００１の表面に絶縁性物質１００４を介して蒸着した磁性金属１００２を高周波誘導加熱で発熱させる構成を取っている。すなわち、本実施の形態は、高周波誘導加熱方式を採用している点において、第１の実施の形態と共通する。
【０１１７】
本実施の形態が第１の実施の形態と構成上異なる点は、非線形光学結晶１００１を加熱する励磁コイル１００３の形状・構成が異なっていることである。すなわち、第１の実施の形態では励磁コイルの内部に非線形光学結晶を配置していたのに対し（図３参照）、本実施の形態では複数の励磁コイル１００３を非線形光学結晶１００１の側面近傍に配置しているのである。
【０１１８】
図１０は、本実施の形態における非線形光学結晶１００１と、結晶の温度を保持するヒーターを構成する励磁コイル１００３との配置を模式的に示した図面である。図１０（ａ）は側面図、（ｂ）は基本波ビームを入射する面から見た正面図、（ｃ）は上部から見た平面図である。
【０１１９】
非線形光学結晶１００１の底面には、絶縁性物質１００４を介して磁性金属１００２が蒸着されており、そのさらに下部に励磁コイル１００３が配置された構造となっている。本実施の形態では、基本波ビームの入射側からビーム進行方向へ順に配列された６つの励磁コイル１００３−１〜１００３−６を含んでいる。図１０（ｂ）に示すように、各励磁コイル１００３−１〜１００３−６は、コイル配列方向（ビーム進行方向）と直交する方向に設けられた２個のコイルが組となって動作する。そして、本実施の形態の高周波誘導加熱機構は、磁束１００６が非線形光学結晶１００１の底面に絶縁性物質１００４を介して蒸着された磁性金属１００２に集中するような構造となっており、図１０（ｂ）および（ｃ）に示すように、非線形光学結晶１００１の長手方向（ビーム進行方向）に対して、磁束１００６が垂直となるよう励磁コイル１００３が配置されている。
【０１２０】
図１０（ｂ）に示すように、励磁コイル１００３は、磁気回路の役目を果たすコイル受け１０１２に保持されており、非線形光学結晶１００１に向き合う面のみ開放されている。
【０１２１】
非線形光学結晶１００１の温度は、その下部に配置されたサーミスタ１００５−１およびサーミスタ１００５−２により検知される。そして、サーミスタ１００５−１、１００５−２による温度検知結果に基づいて、各励磁コイル１００３へ流す高周波電流のＯＮ／ＯＦＦ時間により加熱量をコントロールするＰＷＭ制御を行うようになっている。ＰＷＭ制御を行う際に、励磁コイル１００３−１・３・５と励磁コイル１００３−２・４・６の励磁タイミングを異ならせる（シフトさせる）ことで、隣あった励磁コイルから発生する磁束の影響を少なくすることができる。このように励磁タイミングをシフトさせる際に、一つのインバータ回路を用いて高周波電流を発生させるが、制御対象の励磁コイルはインピーダンスマッチングという観点から同じインダクタンスとしておくことが好ましい。
【０１２２】
また、昇温速度は、励磁コイル１００３を励磁する高周波信号（高周波電流）の周波数を変化させることにより制御可能である。本実施の形態の温度コントローラは、高周波電源からの高周波信号をＯＮ／ＯＦＦすることで制御する一方、高周波信号の周波数を変化させることで、磁性金属１００２の表面に発生する渦電流の浸透深さを変化させ、非線形光学結晶１００１の昇温速度の傾きを制御させることを特徴としている。
【０１２３】
本実施の形態において非線形光学結晶１００１の基本波入射部１００７側と出射部１００８側とで発熱領域を分割する際には、励磁コイル１００３を分割駆動させる方法を採ることができる。例えば図１１に示したような構成を採用し、入射側３組と出射側３組をそれぞれ別の周波数で駆動することにより、非線形光学結晶１００１の基本波入射部側と出射部側とで発熱量を可変する。具体的には、発生した高調波を非線形光学結晶１００１が吸収し、自己発熱する場合には、自己発熱に見合った熱量を加減できるように励磁コイル１００３−１〜３、励磁コイル１００３−４〜６の駆動周波数をそれぞれ制御することで、非線形光学結晶１００１内の温度分布不均一性を改善することが可能となる。もし、励磁コイル１００３の駆動周波数が、動作下限の周波数となっている場合には、ＰＷＭ制御のパルス幅を小さくすることにより発熱量を小さくすることができる。
【０１２４】
図１１には、非線形光学結晶１００１の発熱領域を分割させる場合における温度保持機構の構成について示している。温度コントローラ４１１は、励磁コイル１００３−１〜３、励磁コイル１００３−４〜６の駆動周波数をそれぞれ制御するために、高周波電流発生回路であるインバータ回路（４０８−１、４０８−２）を２個搭載し、非線形光学結晶１００１の位置により駆動周波数を制御することを可能としている。
【０１２５】
非線形光学結晶１００１の温度は、サーミスタ等からなる温度センサ１００５−１および１００５−２により２カ所でモニターされている。温度センサ１００５−１は非線形光学結晶１００１の基本波ビーム入射側の温度を検知する。一方、温度センサ１００５−２は非線形光学結晶１００１の基本波ビーム出射側の温度を検知する。モニターされた温度信号は、Ａ／Ｄコンバータ４０４でＡ／Ｄ変換され、励磁コイル１００３−１〜６から励磁された高周波ノイズを除去するためにＤＳＰ４０５内に構成されたデジタルフィルタに通される。温度信号は、一旦レジスタ４０６に記憶され、ＭＰＵ４０７にて演算、判定され、励磁コイルの駆動周波数や励磁コイルのＰＷＭ制御の指令信号がＭＰＵ４０７により生成される。そして、インバータ回路４０８−１、４０８−２は、ＭＰＵ４０７によって決定された駆動周波数で高周波電流を発生する。インバータ回路４０８−１、４０８−２が発生した高周波電流は、スイッチ回路４０９−１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂにおいてＭＰＵ４０７からのＰＷＭ制御信号と論理積をとられ、励磁コイル１００３−１〜６を励磁し、非線形光学結晶１００１を加熱する。ＭＰＵ４０７では、出力コントローラ４１０からの目標高調波出力の信号、高調波出力の現在値の信号が入力されており、これらの信号に基づいて励磁コイルの駆動周波数を演算し、決定している。
【０１２６】
例えば、グリーン光発生の場合、高調波出力が１Ｗまでの場合は、励磁コイル１００３−１〜３と励磁コイル１００３−４〜６とは同じ周波数、同じＰＷＭ信号波形で励磁を行う。そして、高調波出力が１Ｗ〜１．５Ｗの範囲では、励磁コイル１００３−４〜６の周波数を、励磁コイル１００３−１〜３と比較して低くすることで、非線形光学結晶１００１のビーム出射側の素子温度設定値をビーム入射側より１度程度低下させる。さらに、高調波出力が１．５Ｗ〜２Ｗの範囲では、励磁コイル１００３−４〜６の周波数を励磁コイル１００３−１〜３より低くして、かつ励磁コイルの励磁時間も短くすることで、非線形光学結晶１００１のビーム出射側の素子温度設定値をビーム入射側より２度程度低下させる。
【０１２７】
図１２に本実施の形態の駆動方法についての制御フローを示している。制御フロープログラムが開始されると、まず立ち上げモードが開始される。
【０１２８】
立ち上げモードが開始されると、温度コントローラ４１１は、温度センサ１００５−１、１００５−２が検出する非線形光学結晶１００１の温度初期値Ｔを取得する（Ｓ２１）。次に、温度コントローラ４１１は、出力コントローラ４１０から波長変換レーザ光源１０００の出力設定値Ｐｓｖを取得し（Ｓ２２）、当該出力設定値Ｐｓｖに応じた温度設定値Ｔｓｖを設定する（Ｓ２３）。なお、レジスタ４０６には、出力設定値Ｐｓｖと温度設定値Ｔｓｖとの対応関係を記録した温度テーブルが格納されており、当該温度テーブルを参照して出力設定値Ｐｓｖに応じた温度設定値Ｔｓｖが設定される。
【０１２９】
その後、温度コントローラ４１１は、温度センサ１００５−１、１００５−２が検出する非線形光学結晶１００１の温度現在値Ｔｐｖを取得し（Ｓ２４）、温度初期値Ｔ、設定温度値Ｔｓｖ、および温度現在値Ｔｐｖを用いて、下式（２）に示す係数Ｇを計算する（Ｓ２５）。
【０１３０】
Ｇ＝（Ｔｐｖ−Ｔ）／（Ｔｓｖ−Ｔ）                          ・・・（２）
温度コントローラ４１１は、上記係数Ｇに応じて、励磁コイル１００３に供給される高周波信号（高周波電流）の周波数と当該高周波信号のＰＷＭ波形のデューティーを決定する。すなわち、Ｇ≦０．８のときは（Ｓ２６でＹＥＳ）、全ての励磁コイル１００３−１〜６の高周波信号の励磁周波数をｆとし、高周波信号のデューティー比を１００％する（Ｓ２７）。また、０．８＜Ｇ＜０．９５のときは（Ｓ２６でＮＯ、Ｓ２８でＹＥＳ）、全ての励磁コイル１００３−１〜６の高周波信号の励磁周波数をｆ’とし、高周波信号のデューティー比を１００％する（Ｓ２９）。また、０．９５≦Ｇのときは（Ｓ２６でＮＯ、Ｓ２８でＮＯ）、全ての励磁コイル１００３−１〜６の高周波信号の励磁周波数をｆ”とし、さらに高周波信号のデューティー比を調整してＰＷＭ制御を行う（Ｓ３０）。これにより、Ｇが１．２を超えない制御となっている。
【０１３１】
なお、このときの励磁周波数は、ｆ＞ｆ’＞ｆ”という関係になっており、目標温度に近づくにつれ、同じ電流値であっても非線形光学結晶１００１の発熱量が小さくなるように設定されている。
【０１３２】
その後、温度コントローラ４１１は、出力現在値Ｐｐｖを取得し、０＜Ｐｐｖ≦１Ｗか否かの立ち上げモード継続判断を行う（Ｓ３１）。以上が立ち上げモードで、分割された励磁コイル１００３−１〜６が同じ温度設定となるように制御するモードである。
【０１３３】
温度コントローラ４１１は、高調波の出力現在値Ｐｐｖが、０＜Ｐｐｖ≦１Ｗの範囲であれば（Ｓ３１でＹＥＳ）、前記Ｓ２５に戻って上式（２）に示す係数Ｇを計算し、その後もＳ２５〜Ｓ３１を繰り返し、立ち上げモードのループで温度制御を行う。
【０１３４】
一方、温度コントローラ４１１は、高調波の出力現在値Ｐｐｖが１Ｗを超えた状態であれば（Ｓ３１でＮＯ）、高出力モードのループへ移行する。高出力モードでは、温度コントローラ４１１は、温度センサ１００５−１、１００５−２が検出する非線形光学結晶１００１の温度現在値Ｔｐｖ（Ｔｐｖ１、Ｔｐｖ２）を取得する（Ｓ３２）。そして、出力現在値Ｐｐｖに基づいて、レジスタ４０６内にあらかじめ格納されている出力現在値Ｐｐｖに対する、分割された領域それぞれの温度設定値Ｔｓｖ１、Ｔｓｖ２を取得する（Ｓ３３）。すなわち、レジスタ４０６には、出力現在値Ｐｐｖと温度設定値Ｔｓｖ１、Ｔｓｖ２との対応関係を記録した温度テーブルが格納されており、当該温度テーブルを参照して出力現在値Ｐｐｖに応じた温度設定値Ｔｓｖ１、Ｔｓｖ２が設定されるのである。ここで、温度設定値Ｔｓｖ１は、励磁コイル１００３−１〜３に対する温度設定値であり、温度設定値Ｔｓｖ２は、励磁コイル１００３−４〜６に対する温度設定値である。
【０１３５】
その後、温度コントローラ４１１は、温度設定値Ｔｓｖ１に基づいて励磁コイル１００３−１〜３の励磁周波数をｆ１＝ｆ”、温度設定値Ｔｓｖ２に基づいて励磁コイル１００３−４〜６の励磁周波数をｆ２＝ｆ２”＜ｆ”へ設定する（Ｓ３４）。そして、非線形光学結晶１００１のビーム入射側の温度現在値Ｔｐｖ１と出射側との温度現在値Ｔｐｖ２を監視しつつ、それぞれの励磁コイル１００３−１〜６に対してＰＷＭ制御を行う（Ｓ３５）。
【０１３６】
次に、温度コントローラ４１１は、出力現在値Ｐｐｖを取得し（Ｓ３６）、レジスタ４０６に記録する。このとき、Ｐｐｖが１＜Ｐｐｖのときは（Ｓ３７でＹＥＳ）、前記Ｓ３３へ戻り、高出力モードでの運転を続ける。一方、Ｐｐｖ≦１のときは、Ｓ２５へ戻り、立ち上げモードでの運転を行う。このような制御方法を採ることで、第１の実施の形態における図８に示した効果と同様の効果を得ることができた。
【０１３７】
なお、本実施の形態の場合においても非線形光学結晶１００１以外の部分に磁束が及ぶことにより、他の部品が不用意に加熱されることを防止できるため、非線形光学結晶１００１をとりまく励磁コイルの周囲は非磁性の金属（導体）で覆われていることが好ましい。非磁性の金属としては、アルミニウム、銅、亜鉛などを挙げることができる。
【０１３８】
また、非線形光学結晶１００１の側面（光が入出射する端面以外）の構成の関し、加熱対象面には絶縁性物質を介して磁性金属を蒸着しているが、当該加熱対象面以外の残りの３面については、絶縁性物質を介して非磁性導体で覆うことが好ましい。
【０１３９】
（第３の実施の形態）
本実施の形態に係る波長変換レーザ装置１３００を図１３および図１５に示している。本実施の形態は、図１５に示すように、波長変換素子１３０５が、励磁コイル１５０３（１５０３−１〜１５０３−６）の外部に保持された構造となっている場合のさらに別形態について示している。
【０１４０】
以下、本実施の形態に係る波長変換レーザ装置１３００について、図面を参照しながら説明する。なお、第１および第２の実施の形態と同様の構成については、同じ部材番号を付記し、その説明を適宜省略する。
【０１４１】
図１３（ａ）は、本実施の形態における波長変換レーザ装置１３００の概略図である。図１３（ｂ）は、基本波レーザ光１３０７の主光線のみを示し、基本波レーザ光１３０７が波長変換素子１３０５への入射角を変化させながら通過する様子を示している。
【０１４２】
図１３（ａ）に示すように、波長変換レーザ装置１３００は、基本波レーザ光源１３０１、集光光学系１３０２、第１凹面ミラー１３０３、第２凹面ミラー１３０４、および波長変換素子１３０５を具備している。第１凹面ミラー１３０３および第２凹面ミラー１３０４は対向して配置されており、当該第１凹面ミラー１３０３と第２凹面ミラー１３０４との間に、波長変換素子１３０５が配設されている。
【０１４３】
基本波レーザ光源１３０１を出射した基本波レーザ光は、集光光学系１３０２により集光点が集光制御され、第１凹面ミラー１３０３と第２凹面ミラー１３０４とからなる反射面間に入射する。そして、基本波レーザ光は、第１凹面ミラー１３０３と第２凹面ミラー１３０４との間に設けられた波長変換素子１３０５に入射し、波長変換素子１３０５においてその一部が第２高調波に変換される（１パス目）。
【０１４４】
波長変換素子１３０５を通過（第１パス）した基本波レーザ光および第２高調波レーザ光は、第１凹面ミラー１３０３に達する。ここで、第１凹面ミラー１３０３の凹面部には、基本波レーザ光を反射すると共に第２高調波レーザ光（波長変換レーザ光）を透過するコーティングが施されている。よって、基本波レーザ光は第１凹面ミラー１３０３にて反射される一方、第２高調波レーザ光（波長変換レーザ光）は第１凹面ミラー１３０３を透過して外部に出力される。
【０１４５】
第１凹面ミラー１３０３で反射された基本波レーザ光は、波長変換素子１３０５に再入射し、その一部が第２高調波に変換される（２パス目）。
【０１４６】
波長変換素子１３０５を通過（第２パス）した基本波レーザ光と第２高調波レーザ光は、第２凹面ミラー１３０４に達する。ここで、第２凹面ミラー１３０４の凹面部には、基本波レーザ光および第２高調波レーザ光を反射するコーティングが施されている。よって、基本波レーザ光および第２高調波レーザ光は、第２凹面ミラー１３０４で反射され、波長変換素子１３０５に再入射する。そして、再入射した基本波レーザ光の一部が波長変換素子５にて第２高調波に変換される（３パス目）。
【０１４７】
波長変換素子５を通過（第３パス）した基本波レーザ光と第２高調波レーザ光は、再度、第１凹面ミラー１３０３に達する。そして、第２高調波レーザ光が第１凹面ミラー１３０３を透過して外部に出力される一方、基本波レーザ光は第１凹面ミラー１３０３で反射されて波長変換素子１３０５に再入射する（４パス目）。
【０１４８】
上記を繰り返すことで、基本波レーザ光は、第１凹面ミラー１３０３および第２凹面ミラー１３０４の２つの反射面間を往復する間に、波長変換素子１３０５の通過（第１パス、第２パス、・・・第ｎパス）を繰り返し、当該通過の度に波長変換レーザ光に変換される。
【０１４９】
基本波レーザ光は、反射面（第１凹面ミラー１３０３および第２凹面ミラー１３０４）の曲率およびそれらの配置条件、並びに集光光学系１３０２の設定により、数回から数十回、反射面間を往復した後、反射面間の往復を停止する。基本波レーザ光が往復を停止するまでに発生した波長変換レーザ光は、本実施の形態では第１凹面ミラー１３０３から出力される。
【０１５０】
波長変換素子１３０５における基本波レーザ光から第２高調波への変換効率ηは、波長変換素子１３０５の相互作用長をＬ、基本波レーザ光のパワーをＰ、波長変換素子１３０５での基本波レーザ光のビーム断面積をＡ、位相整合条件からの位相のずれをΔｋとすると、
η∝Ｌ２Ｐ／Ａ×ｓｉｎｃ２（ΔｋＬ／２）                      ・・・（３）
の関係式が成り立つ。
【０１５１】
上式（３）からわかるように、波長変換素子１３０５における基本波レーザ光のビーム断面積が小さい領域で変換効率が高い。すなわち、波長変換素子１３０５の基本波レーザ光の通過領域では、基本波レーザ光のビームウェスト位置ＰＢＷにおいて変換効率が著しく高くなる。本実施の形態では、基本波レーザ光が反射面間に導入される光路上の所定位置に集光光学系１３０２を配することによって、基本波レーザ光が反射面間を往復している間に、基本波レーザ光のビームウェスト位置ＰＢＷが波長変換素子１３０５内で点在するように調整している。
【０１５２】
もし、反射面間に配された波長変換素子内でビームウェスト位置ＰＢＷが集中すると、光損傷などによる波長変換素子の破壊や、ビームウェスト位置ＰＢＷの集中箇所で波長変換が不安定になるという問題が生じる。しかし、上述した本実施の形態の構成のように、基本波レーザ光のビームウェスト位置ＰＢＷを波長変換素子１３０５内で点在させることで、上記問題を解決することができる。
【０１５３】
特に、第１凹面ミラー（第１反射面）１３０３および第２凹面ミラー（第２反射面）１３０４の各焦点距離を、それぞれｆ１およびｆ２で表すと、反射面間の距離をｆ１＋ｆ２とする共焦点配置（波長変換素子の屈折率を考慮していない場合）において、基本波レーザ光のビームウェスト位置が２つの反射面の共焦点に集中し、波長変換素子の光損傷や波長変換の不安定性が問題となる。
【０１５４】
しかし、本実施の形態は、集光光学系１３０２により基本波レーザ光のビームウェスト位置ＰＢＷを調整することで、前記共焦点配置をもちいた場合でも、安定した波長変換レーザ装置の出力を可能とする。すなわち、本実施の形態では、集光光学系１３０２によって、図１３（ａ）のように第１反射面への入射前に基本波レーザ光のビームウェストを形成し、第１および第２反射面の共焦点でビームウェストが数パス内で形成されるのを回避し、波長変換素子１３０５内に点在させた異なるビームウェスト位置ＰＢＷで波長変換を行い、安定した波長変換レーザ光を得られるようにしている。集光光学系１３０２によりビームウェスト位置ＰＢＷを点在させることは、各ビームウェスト位置ＰＢＷの異なる位相整合条件をもつビームパスの波長変換をそれぞれ安定的に行うことができ、合計する波長変換レーザ光を安定に取り出すことができる本実施の形態に必須の構成となる。
【０１５５】
図１４（ａ）は、本実施の形態に係る波長変換素子１３０５に対する基本波レーザ光のパスナンバーと各ビームパスの入射角との関係を示すグラフである。
【０１５６】
本実施の形態では、第１凹面ミラー３に焦点距離ｆ１：２５ｍｍ、第２凹面ミラー４に焦点距離ｆ２：２０ｍｍを用いている。これら２つの反射面間への基本波レーザ光の入射は、第２凹面ミラー１３０４を第１凹面ミラー１３０３よりも小さくなるように切断し、この切断部から行っている。２つの反射面の中央間を結ぶ主光線軸ＭＬとは、図１３（ｂ）に示すように両反射面のそれぞれの曲率中心を結ぶ光軸である。基本波レーザ光は、集光光学系１３０２により主光線軸ＭＬと平行になるように波長変換素子１３０５および第１凹面ミラー１３０３に入射している。波長変換素子１３０５には、分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（長さ２６ｍｍ、幅１０ｍｍ）を用いた。反射面間の距離は５８．４ｍｍとし、共焦点配置からわずかにずらしている。図１４（ａ）に示すように、基本波レーザ光は、反射面間を波長変換素子１３０５への入射角を変化させながら往復し、波長変換素子１３０５の通過を繰り返している。
【０１５７】
位相整合条件とは、非線形光学材料（波長変換素子）で発生する波長変換光の位相が一致し、波長変換効率が最大（Δｋ＝０）となる条件である。位相整合条件は、レーザ光の波長、非線形光学材料の屈折率、レーザ光の入射角、波長変換素子の分極反転構造の周期、などによって決まる。従来の構成により波長の変換を行う場合、位相整合条件を一致させるため、温度による非線形光学材料の屈折率の調整とレーザ光の入射角の調整とを行っている。このような従来の構成では、前記の温度や入射角がずれると位相整合条件からずれてΔｋ＞０となり、波長変換効率の低下がみられる。また、従来の構成では、レーザ光の波長がずれると、位相整合条件から外れてしまうため、再調整や構成の見直しが必要であった。
【０１５８】
本実施の形態では、通過パスにより波長変換素子への入射角が変化しているため、通過パスにより、位相整合条件を満たす各種ファクタ（レーザ光の波長、非線形光学材料の屈折率（温度）、分極反転周期など）が変化することとなる。このため、本実施の形態の波長変換レーザは複数の位相整合条件を有することとなる。一定のレーザ光波長の波長変換を行う場合、位相整合条件を満たす温度が複数存在し、あるひとつの位相整合条件から温度がずれた場合でも、他の通過パスの位相整合条件と合致し、変換効率の低下を補完することができる。
【０１５９】
図１４（ｂ）は、本実施の形態における波長変換素子１３０５の温度と変換効率の関係を示している。同図中、Ｌ１は本実施の形態における合計変換効率を示し、Ｌ２は本実施の形態の各パスにおける変換効率を示し、Ｌ３は従来の構成における変換効率を示している。
【０１６０】
本実施の形態では、通過パスにより基本波レーザ光の波長変換素子１３０５への入射角が異なることにより位相整合条件を満たす温度が各パスで異なり、各パスでの変換効率を合計する全体での変換効率は、波長変換素子１３０５の温度が変化しても低下しにくくなっている。第１及び第２の実施の形態の構成（パスが1つだけ）の場合、変換効率の半値全幅は１．１度であったが、本実施の形態の変換効率の半値全幅は２．６度と２倍以上の許容幅を持つ。また本実施の形態の合計の変換効率は、繰り返し波長変換素子１３０５に基本波レーザ光が入射することにより、従来の構成よりも広い温度範囲で高い値となっている。本実施の形態では、合計変換効率も高く、従来の構成の２倍の変換効率にあたる６０％以上の変換効率を達成している。
【０１６１】
本実施の形態に係る波長変換レーザ装置１３００は、レーザ光を反射し曲率を有する２枚の反射面間に波長変換素子１３０５が配置され、集光光学系１３０２により反射機能のない部位より反射面間にレーザ光が導入される。そして、レーザ光が反射面間を往復して波長変換素子１３０５への入射角を変化させながら波長変換素子１３０５への通過を繰り返すことで、位相整合条件を変化させて波長変換が繰り返される。ここで、レーザ光が反射面間を往復する中で、波長変換素子１３０５内でレーザ光のビームウェスト位置ＰＢＷが点在するように集光光学系１３０２を配置する。また、対向配置された一対の反射面の少なくとも一方が波長変換したレーザ光を透過して波長変換レーザ光を出射する。上記の構成により、高変換効率を有しながらも、位相整合条件を複数有することで、温度などの位相整合条件からの許容幅を拡大し、環境変化などに対し安定な波長変換レーザ光が得られる。また、レーザ光のビームウェスト位置ＰＢＷを波長変換素子１３０５内において点在させることで、波長変換素子１３０５の光損傷や波長変換の不安定性をなくした高出力の波長変換レーザ光を得ることができる。
【０１６２】
本実施の形態では、基本波レーザ光源１３０１として、中心波長１０６４ｎｍ、スペクトルの半値全幅０．１ｎｍのファイバレーザを用いている。しかし、これに限定されるものではなく、基本波レーザ光源１３０１には、ファイバレーザの他、固体レーザ、半導体レーザ、気体レーザ、波長変換レーザなどをもちいることができる。また、本実施の形態では、第２高調波への波長変換を行っているが、波長変換レーザ装置１３００は、適当なレーザ光源を選択することで、和周波、差周波および光パラメトリック発振などの波長変換レーザ光の発生に用いることもできる。
【０１６３】
本実施の形態は、反射面間の距離をＤ、２枚の反射面の各焦点距離をｆ１およびｆ２、波長変換素子長をＬとするとき、
ｆ１＋ｆ２＜Ｄ＜ｆ１＋ｆ２＋Ｌ                              ・・・（４）
である好ましい形態である。本実施の形態では、ｆ１：２５ｍｍ、ｆ２：２０ｍｍ、Ｌ：２６ｍｍ、のとき、Ｄを５８．４ｍｍとしている。上記の関係式（４）を満たすように反射面間の距離Ｄを設定するとき、２枚の反射面の共焦点配置にも近く、且つビームパスの往復回数が多くなって波長変換素子１３０５への基本波レーザ光の通過数が増大することで、波長変換レーザ光への合計変換効率を高めることができる。反射面の焦点距離とは、反射面が非対称レンズの場合、主光線軸ＭＬに対して反射面間への入射光線がずれた方位の焦点距離である。波長変換素子１３０５の屈折率をｎとするとき、反射面間の距離Ｄは、
Ｄ≠ｆ１＋ｆ２＋（１−１／ｎ）×Ｌ  （＝共焦点配置）        ・・・（５）
を満たすことが特に好ましい。ここで共焦点配置とは、２枚の反射面の焦点が同じ位置にくる距離Ｄである。反射面間の距離Ｄを共焦点配置とする場合、レーザ光が主光線軸ＭＬに収束し、高出力時に波長変換素子１３０５の光損傷や波長変換の不安定性を引き起こす場合がある。このため、共焦点配置からわずかにずれた位置となる上式（５）を満たす範囲に反射面間の距離Ｄを設定することが好ましい。具体的には、共焦点配置から０．１ｍｍ〜３ｍｍ程度ずらした位置に２枚の反射面を配置するように距離Ｄを設定する。特に好ましくは、共焦点配置から０．１ｍｍ〜３ｍｍだけ距離が短い範囲に距離Ｄを設定する。共焦点配置となる２枚の反射面間の距離よりも上記範囲だけ短くすることで、基本波レーザ光の反射面間の往復数を確保し、反射面の焦点位置への基本波レーザ光の収束を避けるとともに、反射面間に入射する基本波レーザ光と第２凹面ミラー１３０４（第２反射面）の有効径に対するマージンを大きくすることができる。ここで、反射面の有効径とは、反射面にレーザ光があたる範囲の長手方向の長さである。
【０１６４】
本実施の形態の集光光学系１３０２は、図１３（ａ）に示すようにファイバーコリメータ１３０２ａと平凸レンズ１３０２ｂからなる。集光光学系１３０２は、２枚の反射面の焦点以外で波長変換素子１３０５内に基本波レーザ光の集光を行い、反射面間を往復する基本波レーザ光のビームウェスト位置ＰＢＷが波長変換素子１３０５内で点在するように制御している。２枚の反射面の焦点では、レーザ光のオーバラップが生じ、波長変換素子の破壊や波長変換の不安定性を引き起こす可能性がある。また波長変換を１箇所で集中して行う場合も同様に、波長変換素子の破壊や波長変換の不安定性を引き起こすこととなる。波長変換素子において、波長変換は集光したビームウェスト位置ＰＢＷで強く行われるが、このビームウェスト位置ＰＢＷを２枚の反射面の焦点以外に点在させている。本実施の形態では、波長変換素子１３０５内の点在したビームウェスト位置ＰＢＷで波長変換を行うことで、安定した波長変換レーザ光を出力している。なお、波長変換素子１３０５内の点在したビームウェスト位置ＰＢＷで波長変換が繰り返し行なわれた後に、２枚の反射面の焦点位置にレーザ光のビームウェスト位置ＰＢＷが収束しても構わない。
【０１６５】
図１３（ａ）で示されるように本実施の形態は、集光光学系１３０２により、基本波レーザ光が第１凹面ミラー１３０３で反射する前に第１凹面ミラー１３０３と第２凹面ミラー１３０４との反射面間で集光する好ましい形態である。基本波レーザ光が反射面で反射する前に反射面間で集光点（ビームウェスト位置ＰＢＷ）を有することにより、反射面の焦点近傍を通過しない多数のレーザ光パスでビームウェストを形成することができる。これにより、波長変換素子１３０５において、レーザ光路となる広い範囲に多数のビームウェスト位置ＰＢＷを配置することができる。
【０１６６】
本実施の形態は、基本波レーザ光が反射面で最初に反射される前に反射面間でビームウェストが形成されることにより、波長変換素子１３０５内の広い範囲にビームウェスト位置を多数点在させることができ、高出力時でも安定した波長変換を行うことができる。また、レーザ光が反射面（第１凹面ミラー１３０３）で反射される前に波長変換が行なわれるので、波長変換素子１３０５での最初のパスで波長変換されたレーザ光をモニターすることにより、反射面に関わらない波長変換光の調整を行うことができ、コンパクトな波長変換レーザ装置を作製することができる。さらに、レーザ光が反射面で反射される前に波長変換が行なわれるので、合計変換効率を高めることができる。
【０１６７】
本実施の形態では、２枚の反射面に球面の凹面ミラーを用いているが、非球面や平面の反射面を用いることができる。２枚の反射面の内少なくとも１枚は曲率を有し、レーザ光の光路を曲げ、反射面間を複数回往復させることと、反射面間にレーザ光のビームウェストが形成されるようにする。２枚の反射面の組み合わせは自由に設計可能であり、レーザ光が２枚の反射面で複数回反射し、２枚の反射面間に設けられた波長変換素子５に少なくとも２種類以上の入射角でレーザ光が入射すればよい。
【０１６８】
２枚の反射面の少なくとも一方は、波長変換したレーザ光を出力するため、波長変換したレーザ光を透過する。本実施の形態では、第１凹面ミラー１３０３が波長変換した第２高調波を透過する。第１凹面ミラー１３０３は、反射率９９．５％で基本波レーザ光（波長１０６４ｎｍ）を反射すると共に、透過率９９％で第２高調波レーザ光（波長５３２ｎｍ）を透過する。第２凹面ミラー１３０４は、基本波（１０６４ｎｍ）の反射率９９．５％、第２高調波（５３２ｎｍ）の反射率９９％で、基本波レーザ光と第２高調波レーザ光をともに反射する。反射面のレーザ光（基本波）に対する反射率は、高ければ、損失が少なくなり好ましい。波長変換レーザ光に対しては、２枚の反射面が共に透過する構成としてもよいし、１枚だけが透過する構成としてもよい。
【０１６９】
本実施の形態では、波長変換素子１３０５に分極反転構造を有するＭｇＯ:ＬｉＮｂＯ3(PPLN：Periodically Poled Lithium Niobate)を用い、その形状は直方体（長さ２６ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）である。波長変換素子１３０５は、波長変換を行うことができる非線形光学結晶からなる。例えば、波長変換素子１３０５には、ＫＴＰ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬＴなどの非線形光学結晶を用いることができる。特に、分極反転構造を有し擬似位相整合を行う波長変換素子１３０５は、分極反転周期により異なる位相整合条件を同一素子内で形成することができるため、本実施の形態の波長変換レーザ装置に用いることが好ましい。このように、同一素子内で異なる位相整合条件を有することで、波長変換レーザ装置の全体としての温度や波長に対する許容幅を大きくすることができる。
【０１７０】
本実施の形態の波長変換素子１３０５は、主光線軸ＭＬと垂直な入射面を持つように配置されている。波長変換素子１３０５における分極反転構造は、入射面と平行な周期で形成され、その分極反転周期は約７μｍである。前記したように分極反転周期は、素子内で同一である必要はなく、周期や向きを変化させた構成としてもよい。波長変換素子１３０５の入出射面は、レーザ光（基本波）と波長変換レーザ光（第２高調波）のＡＲ（Anti Reflection）コートが形成されている。このように、波長変換素子１３０５においては、反射面間での不要な反射を避けるため、レーザ光と波長変換レーザ光のＡＲコートを形成することが好ましい。
【０１７１】
本実施の形態の波長変換レーザ装置１３００では、分極反転周期に対する基本波レーザ光の最大角度θが３ｄｅｇとなっている。波長変換レーザ装置１３００は、波長変換素子１３０５に入射する基本波レーザ光の波長成分の変換を行うために、基本波レーザ光の中心波長をλ、基本波レーザ光のスペクトル半値全幅をΔλとするとき、
ｃｏｓθ≦λ／（λ＋Δλ／２）                                ・・・（６）
の関係を満たす好ましい形態である。本実施の形態に係る波長変換レーザ装置１３００は、波長変換素子１３０５の分極反転周期に対する基本波レーザ光の角度が変化することにより広帯域の波長変換を行っているが、上式（６）の関係を満たす範囲に基本波レーザ光の角度変化が生じるようにすることで、波長変換素子１３０５に入射する基本波レーザ光の全域にわたる波長幅の変換を行うことができる。上式（６）を満たすことで、レーザ光源にあった波長変換レーザ光の広帯域化を行うことができる。
【０１７２】
また、図１３（ｃ）に示すように、波長変換素子１３０５は、分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、２つの反射面の中心間を結ぶ光軸である主光線軸ＭＬに対し、分極反転構造Ｘ１が傾いて形成されている構成とすることができる。基本波レーザ光は、波長変換素子１３０５に対して入射角を変化させながら入射を繰り返す。分極反転構造Ｘ１を有する波長変換素子１３０５に対して基本波レーザ光の入射角が変化するということは、入射角により分極反転の周期が変化することとなる。
【０１７３】
ところで、波長変換素子において、分極反転構造Ｘ１が入射面に対し平行の場合、基本波レーザ光の入射角の絶対値に応じて分極反転周期が長くなる。このため、位相整合条件の変化範囲は、入射角において０度から最大入射角である５．７度までの範囲となる。
【０１７４】
基本波レーザ光が２枚の反射面により複数回反射を行うと、基本波レーザ光の波長変換素子への入射角はプラス方向とマイナス方向でほぼ同じ範囲で変化する。図１３（ｃ）に示すように、分極反転構造Ｘ１を主光線軸ＭＬに対して傾けることで、分極反転のレーザ光の通過パスによる周期の変化を、前記入射角と分極反転構造の傾き角をあわせたものに対応したものとすることができる。
【０１７５】
図１３（ｃ）に示す形態は、分極反転構造Ｘ１を主光線軸ＭＬに対し傾いて形成することで、位相整合条件の変化範囲を大きくすることができる好ましい形態である。分極反転構造Ｘ１を主光線軸ＭＬに対して傾けることで、温度や基本波レーザ光の波長などに対する波長変換素子１３０５の許容幅を広くすることができる。したがって、温度などの位相整合条件の許容幅をさらに拡大し、環境変化などに対し安定的に波長変換光を得ることができる。
【０１７６】
特に、基本波レーザ光の入射角が最大のときの波長変換素子１３０５内のレーザ光角度以上に分極反転構造を傾けることは、位相整合条件の変化範囲が、分極反転構造を傾けない場合の約２倍になり、入射角の変化を最大限に生かす好ましい形態である。なお、分極反転構造を主光線軸ＭＬから傾けるために、波長変換素子自身を主光線軸ＭＬから傾ける構成としてもよい。
【０１７７】
また、本実施の形態では、第１凹面ミラー１３０３の有効径がφ５ｍｍ、第２凹面ミラー１３０４の有効径がφ４ｍｍ、波長変換素子１３０５におけるレーザ光が往復する幅が５ｍｍであり、波長変換レーザ装置は細長いコンパクトな形状で、ハイパワーの波長変換レーザ光を安定して出力することができる。本実施の形態では、第１凹面ミラー１３０３に入射する基本波レーザ光のビーム径がφ０．３ｍｍであり、反射面間に入射する基本波レーザ光のビーム径が、２つの反射面のうち有効径のより小さい反射面（第２凹面ミラー）４の有効径の１／５以下である好ましい形態である。反射面間に入射する基本波レーザ光のビーム径が、反射面の有効径に対して十分に小さいため、反射面間での基本波レーザ光のオーバラップを緩和するとともに、反射面間でのレーザ光の往復回数を大きくすることができる。このようなオーバラップの緩和と往復回数の増加により、本実施の形態の波長変換レーザ装置１３００は、コンパクトであっても高出力と高変換効率を両立させることができる。なお、本実施の形態の構成で、反射面の有効径の１／５よりも入射ビーム径を大きくすると、反射面間の往復回数が３程度となり、変換効率が低くなった。
【０１７８】
本実施の形態では、基本波レーザ光源１３０１から出射する基本波レーザ光の中心波長λが１０６４ｎｍ、スペクトル半値全幅Δλが０．１ｎｍとなり、コヒーレンス長（λ２／Δλ）は１１．３ｍｍとなる。反射面間の距離Ｄが５８．４ｍｍのため、コヒーレンス長は反射面間距離の２倍未満となっている。本実施の形態は、基本波レーザ光のコヒーレンス長が反射面間の距離の２倍未満となる好ましい形態である。基本波レーザ光のコヒーレンス長が反射面間の距離の２倍以上の場合、反射面間を往復するレーザ光がオーバラップする点で干渉が生じ、ビーム強度が非常に強くなる点ができる。干渉により生じたビーム強度の強い点は、波長変換素子の結晶破壊や波長変換の不安定性を引き起こすこととなる。本実施の形態は、反射面間を往復する基本波レーザ光のコヒーレンス長を往復する距離よりも短くすることで、本構成の場合に生じる干渉性の問題を解決している。
【０１７９】
このとき、図１３（ｂ）を見ても明らかなようにビームパスは波長変換素子１３０５の幅方向の外側から内側へ徐々に移動することが分かる。波長変換素子１３０５が波長変換を行う際、発生した高調波を吸収することによりビームパスの温度が上昇することがあることは上述したとおりである。本実施の形態において発生する高調波は、波長変換素子１３０５内における幅方向の外側で大きく、内側に行くほど小さくなる。それ故、本実施の形態のような構成においては、波長変換素子１３０５内における外側のビームパスでは素子温度が相対的に低く設定され、内側になるほど素子温度が高くなるように設定されることが望ましい状態といえる。
【０１８０】
そこで、本実施の形態においては波長変換素子１３０５の温度保持機構として、誘導加熱方式を用いることにより波長変換素子１３０５内における外側と内側とで温度勾配を設けることのできる構成となっている。
【０１８１】
本実施の形態に係る構成模式図の一例を図１５に示している。図１５（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図１５（ａ）の矢印１５１０は、基本波が波長変換素子１３０５へ入力される方向を示している。波長変換素子１３０５の底面には、絶縁性物質を介してニッケル等の磁性金属１５０２が蒸着されている。そして、励磁コイル１５０３の上方に波長変換素子１３０５が配置され、励磁コイル１５０３から発せられた磁束１５０８が、波長変換素子１３０５の底面に絶縁性物質を介して蒸着された磁性金属１５０２に集中するよう設計されている。
【０１８２】
図１５（ａ）に示すように、波長変換素子１３０５は、幅方向の一端から他端にかけて長手方向に複数の領域に分割（ここでは３つの領域（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に分割）されている。そして、励磁コイル１５０３は、波長変換素子１３０５における領域（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を独立して加熱できるように複数個配置されており、当該領域毎に独立した周波数で制御されている。ここで、領域（Ａ）、（Ｃ）は、波長変換素子１３０５内における幅方向の外側領域であり、領域（Ｂ）は、波長変換素子１３０５内における幅方向の内側領域である。また、領域（Ａ）と領域（Ｃ）との違いに関し、領域（Ａ）の方が基本波の入射側領域に該当する。
【０１８３】
図１５（ｂ）に示すように、励磁コイル１５０３は、それぞれの領域（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）ごとに磁気回路を形成するように分割されたコイル受け１５０９で保持されている。それぞれの領域は、それぞれ独立したインバータ回路（高周波電源）１５０５（１５０５−Ａ〜Ｃ）を持ち、一つの制御回路１５０６を用いて制御されている。隣り合った励磁コイルから漏れた磁束の影響を受けないよう、それぞれ、各自の領域の励磁コイルを駆動する周波数以外の帯域をカットする帯域フィルタ１５０４（１５０４−Ａ〜Ｃ）が、インバータ回路１５０５と励磁コイル１５０３との間に挿入されている。
【０１８４】
図１３（ａ）に示すように、第１凹面ミラー１３０３および第２凹面ミラー１３０４を対向して配置し、当該第１凹面ミラー１３０３と第２凹面ミラー１３０４との間に波長変換素子１３０５を配置した構成では、領域（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の設定温度をそれぞれＴＡ、ＴＢ、ＴＣで表した場合、ＴＡ≦ＴＢ＜ＴＣとすることが好ましい。ここで、ＴＡ≦ＴＢとしたのは、領域（Ａ）が基本波の入射側領域に該当するため、領域（Ｃ）より領域（Ａ）のほうが、発生した高調波をより多く吸収して温度が上昇することがあるためである。
【０１８５】
ＴＢとＴＣの温度差は０．２℃〜１℃程度であり、当該温度差は駆動周波数の差で発生させることができる。領域（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ独立に制御されているため、図４（ｂ）に示したアルゴリズムを用いてそのまま制御することができる。
【０１８６】
上記の構成を用いて実際に高調波を発生させた場合における、基本波入力と高調波（グリーン光）出力との関係を示したプロット図が、図１６である。同図において、シングルパスを用いて波長変換した場合（同図中のＬ１）、基本波ビームが往復する構成の本実施の形態において、波長変換素子１３０５の温度を分割制御した場合（同図中のＬ２）と分割制御をしなかった場合（同図中のＬ３）について、比較を行っている。本実施の形態のように基本波ビームが往復する構成を取ることで、シングルパスの場合と比較して、２倍〜２．５倍のグリーン光出力を得ることができている（Ｌ１とＬ２・Ｌ３との比較）。さらに、波長変換素子１３０５を領域（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に分割し、それぞれ温度制御できるような構成を採用することで、１０〜２０％程度出力を増加させることが可能となることが分かった（Ｌ２とＬ３との比較）。
【０１８７】
なお、波長変換素子１３０５以外の部分に磁束が及ぶことにより、他の部品が不用意に加熱されることを防止できるため、波長変換素子１３０５をとりまく励磁コイル１５０３の周囲は非磁性の金属（導体）で覆われていることが好ましい。
【０１８８】
また、波長変換素子１３０５の側面（光が入出射する端面以外）の構成の関し、加熱対象面には絶縁性物質を介して磁性金属を蒸着しているが、当該加熱対象面以外の残りの３面については、絶縁性物質を介して非磁性導体で覆うことが好ましい。
【０１８９】
また、上記第１・第２・第３の実施の形態の高周波誘導加熱方式を用いた波長変換素子の温度保持機構を使用することで、以下に示す新たな効果が得られることも明らかとなった。すなわち、これまで、ヒーターやペルチェ素子を使用した場合、波長変換素子とその保持具との固定は、熱伝導性の接着剤を用いるのが一般的であった。しかし、接着を行った場合、接着剤と波長変換素子との界面で応力付加・緩和などが発生し、波長変換素子の位相整合温度が経時変化することが問題となることが分かったが、本実施の形態の温度保持機構では、発熱体が波長変換素子そのものに蒸着されているため、波長変換素子と保持具との熱伝導度を考慮する必要がない。このため、本実施の形態の波長変換素子は当該素子の保持具に機械的にのみ保持されており、強固な接着剤を用いる必要がない。この結果、波長変換素子における位相整合温度の経時変化を抑制することが可能となる上、装置を始動するたびに急速な昇温を行っても、波長変換素子の破壊などが発生せず、物理的な信頼性も向上する。
【０１９０】
また、波長変換素子（非線形光学結晶）と発熱体である磁性金属との間に抵抗率１×１０８Ω・ｃｍ以上、望ましくは２×１０１１Ω・ｃｍ以上の絶縁性物質による層を設けることで、図７を用いて説明したとおり、波長変換素子を加熱・冷却する際に発生する光吸収量の増加を抑制することが可能となり、光吸収による波長変換素子の素子破壊を回避することができる。
【０１９１】
図１７および図１８には、第１・第２・第３の実施の形態で示した波長変換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。また、図１９には、第１・第２・第３の実施の形態で示した波長変換レーザ光源を適用したレーザディスプレイ（画像表示装置）の構成例を示している。
【０１９２】
まず、２次元画像表示装置の一例として、図１７に、第１・第２・第３の実施の形態で提案してい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。同図に示す本実施の形態の２次元画像表示装置１７００は、液晶３板式プロジェクタの光学エンジンに、第１・第２・第３の実施の形態の波長変換レーザ光源を適用させた一例である。
【０１９３】
２次元画像表示装置１７００は、画像処理部１７０２と、レーザ出力コントローラ（コントローラ）１７０３、ＬＤ電源１７０４、赤色、緑色、青色レーザ光源１７０５Ｒ、１７０５Ｇ、１７０５Ｂ、ビーム形成ロッドレンズ１７０６Ｒ、１７０６Ｇ、１７０６Ｂ、リレーレンズ１７０７Ｒ、１７０７Ｇ、１７０７Ｂ、折り返しミラー１７０８Ｇ、１７０８Ｂ、画像を表示させるための２次元変調素子１７０９Ｒ、１７０９Ｇ、１７０９Ｂ、偏光子１７１０Ｒ、１７１０Ｇ、１７１０Ｂ、合波プリズム１７１１、および投影レンズ１７１２を含んでいる。
【０１９４】
緑色レーザ光源１７０５Ｇは、グリーン光源の出力をコントロールするレーザ出力コントローラ１７０３およびＬＤ電源１７０４で制御される。
【０１９５】
各光源（赤色、緑色、青色レーザ光源１７０５Ｒ、１７０５Ｇ、１７０５Ｂ）からのレーザ光は、ビーム形成ロッドレンズ１７０６Ｒ、１７０６Ｇ、１７０６Ｂにより、矩形に整形され、その後リレーレンズ１７０７Ｒ、１７０７Ｇ、１７０７Ｂを通して各色の２次元変調素子１７０９Ｒ、１７０９Ｇ、１７０９Ｂを照明する。そして、２次元に変調された各色の画像を合波プリズム１７１１で合成し、投影レンズ１７１２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。
【０１９６】
また、緑色レーザ光源１７０５Ｇは、レーザ共振器をファイバ内に閉じた系とする。これにより、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。
【０１９７】
画像処理部１７０２は、ＴＶ、ビデオ装置、ＰＣ等から入力される映像信号１７０１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、当該光量制御信号をレーザ出力コントローラ１７０３に送出する役割を果たしている。このように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。この際、レーザ出力コントローラ１７０３は、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。
【０１９８】
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。
【０１９９】
また、本実施の形態の２次元画像表示装置は、スクリーンと、複数のレーザ光源と、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第１・第２・第３の実施の形態で示したいずれかの波長変換レーザ光源を用いた構成としてもよい。
【０２００】
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。
【０２０１】
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１７）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。
【０２０２】
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Micro Electro Mechanical System（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。
【０２０３】
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(polarization maintaining and absorption reducing) fiber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好ましい。
【０２０４】
また、図１８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１８０２と制御部１８０３、レーザ光源を点光源から線光源に変換する導光部材１８０４、線光源から面光源に変換し、液晶パネル全面を照明するための導光板部材１８０８、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もの偏光板・拡散部材１８０９、および液晶パネル１８１０等を含む液晶ディスプレイ１８００を実現することも可能である。つまり、第１・第２・第３の実施の形態で示した波長変換レーザ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。
【０２０５】
また、図１９に示すように、第１・第２・第３の実施の形態で示した本発明の波長変換レーザ光源を備えたレーザ装置を、手術用のファイバ付きレーザ光源１９００として使用することも可能である。この手術用のファイバ付きレーザ光源１９００は、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１９０２、レーザ光源を出力させる出力コネクタ１９０３、レーザ光を照射したい領域へ導くデリバリファイバ１９０４、およびハンドピース１９０５などを含む構成とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０２０６】
本発明の波長変換レーザ光源は、表示装置、照明装置、加工用・医療用のレーザ装置などに利用することができる。特に、低消費電力化が求められるディスプレイ等の民生用途に最適である。
【図面の簡単な説明】
【０２０７】
【図１】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２】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３】本発明の一実施の形態に係る非線形光学結晶（波長変換素子）と励磁コイルとの位置関係、および励磁コイルと高周波電源との接続状態を示した説明図である。
【図４】（ａ）は、本発明の一実施の形態に係る温度コントローラの概略構成を示したブロック図であり、（ｂ）は、本発明の一実施の形態に係る温度コントローラによる制御動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の一実施の形態に係る非線形光学結晶として分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶を用い、２．３Ｗ程度のグリーン光を発生させた場合の素子内温度分布を示したグラフである。
【図６】本発明の他の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７】（ａ）は、非線形光学結晶に磁性金属を蒸着させる際、下地に用いる物質と、０〜８０℃の温度サイクル試験を実施した際の基本波透過率との関係を示した説明図であり、（ｂ）は、（ａ）の下地の条件と、温度サイクル試験後の位相整合温度変化量との関係を示した説明図である。
【図８】（ａ）は、本発明の一実施の形態に係る波長変換レーザ光源において領域分割温度制御を用いた場合の、素子位置と素子内ビームパス温度との関係を示したグラフであり、（ｂ）は、領域分割温度制御を用いたときとそれを用いなかったときの、基本波光量と波長変換光（グリーン光）の光量との関係を示したグラフである。
【図９】（ａ）は、本発明の一実施の形態に係る波長変換レーザ光源において誘導加熱方法を用いた場合の時間に対する温度プロファイルを示したグラフであり、（ｂ）は、（ａ）の温度プロファイルと、従来構成のヒーターおよびペルチェ素子を用いた場合の温度プロファイルとを比較するグラフである。
【図１０】本発明のさらに他の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１１】図１０の波長変換レーザ光源における温度コントローラの概略構成を示したブロック図である。
【図１２】図１１の温度コントローラによる制御動作を示すフローチャートである。
【図１３】本発明のさらに他の実施の形態に係る波長変換レーザ光源における概略構成を示す説明図である。
【図１４】（ａ）は、図１３の波長変換レーザ光源における基本波レーザ光の通過パスと波長変換素子への入射角との関係を説明する説明図であり、（ｂ）は、図１３の波長変換レーザ光源における波長変換素子の温度と変換効率との関係を示す図である。
【図１５】図１３の波長変換レーザ光源における波長変換素子の温度保持機構として誘導加熱を用いた場合の概略構成を示す説明図である。
【図１６】基本波入力光量と波長変換光（グリーン光）の光量との関係を示したグラフである。
【図１７】本発明の波長変換レーザ光源を適用したプロジェクタ（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１８】本発明の波長変換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る。
【図１９】本発明の波長変換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。
【符号の説明】
【０２０８】
１００    波長変換レーザ光源
１０９    非線形光学結晶（波長変換素子）
１０１    基本波光源
１０２    励起ＬＤ
１１５    制御装置
１１６    励起コイル
１１７    磁性金属
１１８    絶縁性物質
１１９    高周波電源
４０３    サーミスタ（温度センサ）
４０８    インバータ回路（高周波電源）
４１１    温度コントローラ
６０９    磁束
６１０    磁束
１０００  波長変換レーザ光源
１００１  非線形光学結晶（波長変換素子）
１００２  磁性金属
１００３  励磁コイル
１００４  絶縁性物質
１００５  サーミスタ（温度センサ）
１３００  波長変換レーザ装置
１３０１  基本波レーザ光源（基本波光源）
１３０２  集光光学系
１３０３  第１凹面ミラー（第１反射面）
１３０４  第２凹面ミラー（第２反射面）
１３０５  波長変換素子
１５０４  帯域フィルタ
１７００  ２次元画像表示装置
１７０９  ２次元変調素子
１７１２  投影レンズ
１８００  液晶ディスプレイ
ＭＬ      主光線軸
ＰＢＷ    ビームウェスト位置
Ｘ１      分極反転構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１９】
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【図６】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１５】
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【図１７】
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【図１８】
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