(57)【要約】【課題】ディスプレイの光源としてレーザ光源を用いたとき、波長が単一で位相の揃った光で、コヒーレンスが非常に高いために、被照射面に照射するとスペックルノイズと呼ばれる反転模様が現れ、画像がちらついてみえてしまう。【解決手段】波長変換素子に半導体レーザの波長をロックするための反射スペクトルの違う複数の分布ブラッググレーティンと各レーザ光を波長変換する擬似位相整合領域が設けられた構成にし、出射光のスペクトル幅を広げている。【選択図】図１
2009253007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント光を生成する複数の半導体レーザ光源と、少なくとも一つの非線形光学結晶からなる波長変換素子とを備え、前記波長変換素子のうち少なくとも一つの波長変換素子が、横モード制御手段と、前記半導体レーザ光源にフィードバックをかけるための周期が異なる複数の分布ブラッググレーティング反射器と、周期が異なる複数の周期的分極反転領域とから構成されていることを特徴とする波長変換レーザ光源。
【請求項２】
前記分布ブラッググレーティング反射器の１つの反射スペクトルの帯域が他の分布ブラッググレーティング反射器の反射スペクトルと重なりを持つ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】
前記分布ブラッググレーティング反射器の１つの反射スペクトルの帯域が、隣り合う反射器の反射スペクトルとは重ならないことを特徴とする請求項２に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項４】
前記分布ブラッググレーティング反射器が、波長変換素子の後方に位置し、前記半導体レーザ光源から生成されるコヒーレント光のみを反射する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５】
前記周期が異なる複数の周期分極反転領域を個別温調するためのヒータを有する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６】
前記半導体レーザ光源に流れる電流を個別に制御する制御部を有する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７】
前記半導体レーザ光源と前記波長変換素子の間にコヒーレント光を集光する手段を有し、前記波長変換素子は、コヒーレント光が重なる領域にも異なる周期の分極反転領域を持つ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８】
前記コヒーレント光が波長変換素子端面に対して斜め方向から入射し、前記波長変換素子が、前方と後方に少なくとも２つの分布ブラッググレーティング反射器を備え、前記波長変換素子前方の分布ブラッググレーティング反射は、前記半導体レーザ光源から生成されるコヒーレント光とその高調波とを反射し、前記波長変換素子後方に位置する分布ブラッググレーティング反射器は前記半導体レーザ光源から生成されるコヒーレント光のみを反射する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９】
請求項１に記載の波長変換レーザ光源を用いた画像表示装置。
【請求項１０】
前記波長変換レーザ光源が、緑色の光源であることを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディスプレイ用途に用いるのに適した波長変換レーザ光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ディスプレイ用の光源として、緑色、青色といった可視光レーザの研究開発が進められている。可視光レーザの一種として、波長変換技術を利用して近赤外レーザ光を短波長化する波長変換レーザが知られている。
【０００３】
一般に波長変換レーザ光源では、非線形光学材料からなる波長変換器とコヒーレント光を生成するための半導体レーザあるいは固体レーザ光源からなり、レーザから発生したコヒーレント光（基本波）が非線形光学材料を伝搬することにより、基本波に対して２倍の周波数の光（第２高調波）や２つの光の和の周波数に変換された光（和周波）が出力される。
【０００４】
このような波長変換レーザ光源としては例えば、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１の実施例１および図１に開示された波長変換レーザでは、ワット級に高出力化されたブロードエリア型半導体レーザと垂直横モードを制御するスラブ光導波路を備えた波長変換器で構成され、高出力で高効率な波長変換レーザ光源が得られている。
【特許文献１】国際公開第２００５／０３３７９１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の構成ではスペクトル幅の狭い光しか得られず、コヒーレンスが非常に高いために、被照射面に照射するとスペックルノイズと呼ばれる干渉模様が現れ、画像がちらついてみえてしまう。
【０００６】
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、スペクトル幅の広いレーザ光源を提供する事を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明はわずかに波長の違う複数の基本波レーザ光源とそれらを同時に波長変換する事が出来る波長変換素子を設けた構成で、前記波長変換素子には複数の基本波レーザ光源の波長を正確にロックするための複数の分布ブラッググレーティング反射器と波長変換のための複数の擬似位相整合波長変換領域を備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によりスペクトル幅の広いレーザ光源を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例における波長変換レーザ光源について図面を参照にしながら説明する。
【００１０】
（実施の形態１）
図１はこの発明の実施の形態１による波長変換レーザ光源を示す構成図である。
【００１１】
半導体レーザ１４ａ〜ｊから出射された光は非線形光学結晶からなる基板１１上に作製されたプレーナー導波路１２に結合される。プレーナー導波路１２に結合された光の一部は、分布ブラッググレーティング反射器１３ａ〜ｊにより反射され、半導体レーザ１４ａ〜ｊに帰還される。透過した光は擬似位相整合領域１５ａ〜ｊにより基本波から高調波へと波長変換され出射される。
【００１２】
半導体レーザ１４ａ〜ｊはＩｎＧａＡｓ系の半導体材料から成り、１０６４ｎｍ近辺の波長で発振するように設計されている。
【００１３】
一方、分布ブラッググレーティング反射器１３ａ〜ｊの周期Λ１はプレーナー導波路の実効屈折率Ｎを用いてΛ１＝λ／２Ｎで決まり、各分布ブラッググレーティング反射器の周期は２．５ｎｍ程度ずれている。各分布ブラッググレーティング反射器の結合効率を１８０ｃｍ−１、長さを２５μｍ程度とする。この構成により、各分布ブラッググレーティング反射器では、１０６４ｎｍを中心に０．１ｎｍずれた光が２０％程度反射され、半導体レーザに帰還する。この光帰還により、半導体レーザ１４ａ〜ｊの波長は１０６４ｎｍを中心に０．１ｎｍずつずらして、正確にロックすることが出来る。つまり、分布ブラッググレーティング反射器の周期を変えることで半導体レーザの波長を所望の波長にロックすることができる。なお、図１では分布ブラッググレーティング反射器を半導体レーザと擬似位相整合の間に備えているが、擬似位相整合領域の後方に備え、反射率を１００％近くにすることでも同様の効果を得ることが出来る。
【００１４】
擬似位相整合領域の長さは２６ｍｍのときに、１つの擬似位相整合領域での波長許容幅（半値全幅）は擬似位相整合領域の長さで決まり０．１ｎｍとなる。擬似位相整合領域では非線形光学結晶が持つ自発分極の向きを周期的に反転（以下、周期分極反転）させている。周期分極反転の周期Λ２は基本波の実効屈折率Ｎ１と高調波の実行屈折率Ｎ２を用いて、Λ２＝λ／２（Ｎ１−Ｎ２）で決まる。分布ブラッググレーティング反射器により所望の波長に波長をロックしているため、それに合わせた周期Λ２にすることで高効率な波長変換を行う事が出来る。今回は半導体レーザの波長を１ｎｍずつずらしてロックしているため、周期分極反転の周期は０．２５ｎｍ程度ずらすことで各擬似位相整合領域において高効率に波長変換することが出来る。
【００１５】
この様な構成により、１０６４ｎｍの分布ブラッググレーティング反射器を持つグループでは波長５３２ｎｍ、スペクトル幅０．０５ｎｍの光を得ることができ、分布ブラッググレーティング反射器の波長が１ｎｍずれたグループでは、波長が０．５ｎｍずれた光を得ることが出来る。出射光としては、これらの光が重なり合った光となる。今回は１０グループあるので、波長５３２ｎｍを中心としてスペクトル幅０．４５ｎｍの出射光を得ることが出来る。今回の実施例ではグループの数を１０としたが、グループの数を増やすことでスペクトル幅をさらに広げることが出来る。
【００１６】
ここで、スペックルの輝度変動をσ／Ｘ＝輝度の標準偏差／平均輝度であらわし、完全なコヒーレントなレーザ光を過程するとσ／Ｘ＝１となる。
【００１７】
本実施形態の波長５００〜５５０ｎｍ、スペクトル幅０．５ｎｍ以上の光を出力する波長変換レーザ光源を用いることで、緑色光源として従来の波長変換レーザ光源を用いた時よりも波長幅が０．５ｎｍの光源を用いた時にはσ／Ｘを約３分の１以下に低減することが出来る。
【００１８】
（実施の形態２）
図２はこの発明の実施の形態２による波長変換レーザ光源を示す構成図である。実施の形態１とほぼ同様の構成および動作をもつが、擬似位相整合領域を個別温調するためのヒータを備えているものである。
【００１９】
図２において、半導体レーザ１４ａ〜ｊ、プレーナー導波路１２、分布ブラッググレーティング反射器１３ａ〜ｊは実施の形態１と同様のものを備えているため、同様に半導体レーザ１４ａ〜ｊの波長は１０６４ｎｍを中心に０．１ｎｍずつずらして、正確にロックすることが出来る。
【００２０】
実施の形態２では、擬似位相整合領域の周期分極反転の周期は一定で、擬似位相整合領域に備え付けられたヒータによって個別温調することで高効率な波長変換することが出来る。各位相整合領域の温度は、周期分極反転の周期と強誘電体のセルマイヤー方程式から算出でき、基本波の波長が０．１ｎｍ程度ずれるごとに、２．３℃程度ずれることが望ましい。
【００２１】
なお、周期分極反転の周期を変えることとヒータによる個別温調を併用しても上記と同様の効果を得ることが出来る。
【００２２】
（実施の形態３）
図３はこの発明の実施の形態３による波長変換レーザ光源を示す構成図である。実施の形態１とほぼ同様の構成および動作をもつが、半導体レーザ１３ａ〜ｊに個別に電流を制御する回路を備えている。
【００２３】
実施の形態１と同様の構成で半導体レーザ１４ａ〜ｊのそれぞれに電流を制御する回路３１ａ〜ｊを設けることで、基本波の出力をそれぞれ制御することができ、所望の中心波長で所望のスペクトル幅の出射光を得ることが出来る。
【００２４】
上記の構成により、各半導体レーザの固体バラツキによる出力の差をなくすことができ、よりきれいなスペクトルの出射光を得ることが出来る。加えて、例えば半導体レーザ１４ａが劣化したとしても、他の半導体レーザ１４ｂ〜ｊが正常に動作するため、ほぼ同様の効果を持続して得ることが出来る。
【００２５】
（実施の形態４）
図４はこの発明の実施の形態４による波長変換レーザ光源を示す構成図である。実施の形態１とほぼ同様の構成および動作をもつが、半導体レーザと波長変換器の間に集光レンズを設けている。
【００２６】
実施の形態１と異なる点は、上記構成により、隣り合う半導体レーザ、１４ａと１４ｂおよび１４ｂと１４ｃの光が波長変換素子に設けられたスラブ導波路内で、重なり合う構成となっている。半導体レーザ１４ａと１４ｂの光が重なり合う領域４１ａにおいて、半導体レーザ２つの光の波長をλ１４ａ、λ１４ｂとするとａ／λ３１ａ＝１／λ１４ａ＋１／λ１４ｂを満たす波長の光を得ることが出来る。上記の変換を高効率に行うために、周期分極反転の周期は光が重ならない擬似位相整合領域１５ａと１５ｂとは変えている。この構成では、各分布ブラッグレーティング反射器１３ａと１３ｂにより隣り合う半導体レーザの波長が０．２ｎｍずつずれるように波長をロックすることが望ましい。
【００２７】
例えば１．０６４ｎｍと１０６３．８ｎｍの光が重なりあう領域では、１０６４ｎｍと１０６３．８ｎｍの和周波光である５３１．９５ｎｍの光を得ることが出来る。これにより、２つの半導体レーザからスペクトル幅０．０５ｎｍの中心波長５３２ｎｍ、５３１．９５ｎｍ、５３１．９ｎｍの３つの光を得ることができる。同様に、１０６４ｎｍと１０６４．２ｎｍにロックされた半導体レーザからは、中心波長５３２ｎｍ、５３２．０５ｎｍ、５３２．１ｎｍの３つの光を得ることができる。これにより、３つのグループから中心は長５３２ｎｍ、スペクトル幅０．２ｎｍの光を得ることが出来る。
【００２８】
上記の構成を用いることで、Ｎ個のグループから２Ｎ−１の光を得ることができ、スペクトル幅がおよそ２倍の出射光を得ることが出来る。これにより、およそ２分の１のグループにより実施の形態１と同様の効果を得ることができ、構成を簡略化することが出来る。
【００２９】
なお、図４ではグループを３つとしているが、グループの数を増やしても良い。加えて、実施の形態２と同様にヒータによる個別温調を行うことでも同様の効果を得ることが出来る。
【００３０】
（実施の形態５）
図５はこの発明の実施の形態５による波長変換レーザ光源を示す構成図である。実施の形態１とほぼ同様の構成および動作を持つが、半導体レーザ１４ａと１４ｂが波長変換素子端面に対して斜めになっている。分布ブラッググレーティング反射器１３ａと１３ｂは半導体レーザ１４ａと１４ｂに光帰還させるために、半導体レーザ１４ａと１４ｂの出射面に対して平行に備え付けられている。加えて、波長変換器前方に、半導体レーザ１４ａと１４ｂから出射された基本波及び擬似位相整合領域１５ａで波長変換された高調波に対して高反射率の反射器を設けている。加えて、波長変換器後方には基本波に対して高反射率を持ち波長変換された光に対しては低反射率の反射器を設けている。
【００３１】
上記構成では、基本波を斜めに入射し、波長変換器前方と後方に設けられた分布ブラッググレーティング反射器により、複数回位相整合領域を通過し高効率な波長変換を得ることが出来る。複数回位相整合領域を通過することで、擬似的に位相整合領域の長さが長くなっているので、高効率に波長変換することが出来る。
【００３２】
例えば、２つの半導体レーザは分布ブラッググレーティング１３ａと１３ｂの反射スペクトルの中心波長を１０６４ａｎｍと１０６３．９ｎｍとし、半導体レーザを前記波長にロックする。この時、半導体レーザ１４ａの光が半導体レーザ１４ｂに戻ると半導体レーザの動作が不安定になってしまうため、入射の角度はわずかにずらすことが望ましい。加えて、各半導体レーザ１４ａと１４ｂの光を高効率波長変換するために、入射角度の差ををΔθとすると、ｃｏｓΔθ＝｛λ／２（Ｎ１−Ｎ２）｝／Λ２となることが望ましい。上記のように、２つの半導体レーザの波長が０．２ｎｍずれているときには、半導体レーザの入射角度は０．１度程度ずれていることが望ましい。
【００３３】
上記構成を用いることで、従来の光源よりも高効率でσ／Ｘを約３分の２以下に低減することが出来る。
【００３４】
（実施の形態６）
実施の形態６の画像表示装置は実施の形態１の波長変換レーザ光源を用いるものである。
【００３５】
３原色のうち青色と赤色の光源は半導体レーザ６１ａ、ｃを用い、緑色の光源として、波長５００〜５５０ｎｍ、スペクトル幅０．５ｎｍ以上の光を出力する波長変換レーザ光源６１ｂを用いた。
【００３６】
ビームエキスパンダ６２ａ〜ｃ、光インテグレータ６３ａ〜ｃ、集光レンズ６４ａ〜ｃにミラー６５ａ、ｃよって、空間変調素子６６ａ〜ｃを照明し、フィールドレンズ６７ａ〜ｃ拡散板６８ａ〜ｃ、ダイクロイックプリズム６９、投射レンズ６１０によりスクリーン６１１に投影する。緑色光源として本発明の波長変換レーザを用いることで、σ／Ｘを約３分の１以下に低減することが出来る。
【００３７】
なお、緑色は赤色と青色に比べて視感度がよいため、緑色の光源のスペックルノイズを低減することで、画像表示装置全体としてのスペックルノイズを低減に大きな効果を示す。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の波長変換レーザ光源は、広いスペクトル幅のレーザ光源である特徴を有し、ディスプレイ用途のレーザ光源として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態１における波長変換レーザ光源の上面図と側面図
【図２】本発明の実施の形態２における波長変換レーザ光源の図
【図３】本発明の実施の形態３における波長変換レーザ光源の図
【図４】本発明の実施の形態４における波長変換レーザ光源の図
【図５】本発明の実施の形態５における波長変換レーザ光源の図
【図６】本発明の実施の形態６における画像表示装置の図
【符号の説明】
【００４０】
１ａ〜ｊ    基本波
２ａ〜ｊ    高調波
３ａ〜ｂ    和周波
１１    基板
１２    プレーナー導波路
１３ａ〜ｊ    分布ブラッググレーティング反射器
１４ａ〜ｊ    半導体レーザ
１５ａ〜ｊ    擬似位相整合領域
２１ａ〜ｊ    ヒータ
３１ａ〜ｊ    ＬＤ電源
４１ａ〜ｂ    擬似位相整合領域
４２ａ〜ｃ    レンズ
５１ａ〜ｂ    分布ブラッググレーティング反射器
６１ａ，６１ｃ    半導体レーザ
６１ｂ    波長変換レーザ
６２ａ〜ｃ    ビームエキスパンダ
６３ａ〜ｃ    光インテグレータ
６４ａ〜ｃ    集光レンズ
６５ａ，ｃ    ミラー
６６ａ〜ｃ    空間変調素子
６７ａ〜ｃ    フィールドミラー
６８ａ〜ｃ    拡散板
６９    ダイクロイックプリズム
６１０    投射レンズ
６１１    スクリーン
【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６】
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