"光源及び波長変換素子を備える光システムにおいて、前記光源が、少なくとも2つの基本スペクトルピークを有するポンピングビームを発するように構成された、レーザを含む、及び前記光源の前記ポンピングビームが前記波長変換素子の入力ファセットに入射したときにほぼ等しいパワーを有する少なくとも3つの周波数変換後スペクトルピークを含む出力ビームが前記波長変換素子の出力ファセットから発せられるように、前記波長変換素子が前記基本スペクトルピークの内の少なくとも2つの周波数2逓倍及び前記基本スペクトルピークの内の少なくとも2つのそれぞれの和周波数混合を位相整合するように構成された非線形光学媒質を含む、ことを特徴とする光システム。前記波長変換素子が前記レーザの光共振器内に配される、及び/または前記2つの基本スペクトルピークが実質的に等しいパワーを有するように、前記レーザがパルスモードで動作させられる、ことを特徴とする請求項1に記載の光システム。前記出力ビームの周波数変換後スペクトルピークの数が前記ポンピングビームの基本スペクトルピークの数より多い、及び/または前記3つの周波数変換後スペクトルピークの波長間隔が約025nmより広い、及び/または前記レーザがN個の基本スペクトルピークを有するポンピングビームを発するように構成され、前記光源の前記ポンピングビームが前記波長変換素子の前記入力ファセットに入射したときに、個とN2個の間の、ほぼ等しいパワーを有する周波数変換後スペクトルピークを有する前記出力ビームが前記波長変換素子の前記出力ファセットから発せられる、ことを特徴とする請求項1または2に記載の光システム。前記波長変換素子の特徴が第1、第2及び第3の位相整合ピークで表され、前記第1の位相整合ピーク及び前記第3の位相整合ピークが二次高調波発生に対応し、前記第2の位相整合ピークが和集合発生に対応していて、前記ポンピングビームが前記波長変換素子の前記入力ファセットに入射したときに、前記第1の位相整合ピーク、前記第2の位相整合ピーク及び前記第3の位相整合ピークが、ほぼ等しいパワーを有する前記3つの周波数変換後スペクトルピークを生成する、応答比を有する、及び好ましくは、前記第1の周波数変換後スペクトルピーク及び前記第3の周波数変換後スペクトルピークに対応する前記波長変換素子の前記位相整合ピークが、第2の周波数変換後スペクトルピークに対応する前記波長変換素子の前記位相整合ピークの強度より高い強度を有する、または前記2つの基本スペクトルピークのそれぞれがほぼM個の縦レーザモードを含み、前記第1の位相整合ピーク、前記第2の位相整合ピーク及び前記第3の位相整合ピークの間の前記応答比がほぼ4::4である、ことを特徴とする請求項1に記載の光システム。前記非線形光媒質が、前記波長変換素子の縦光軸に沿う前記非線形光媒質の実効屈折率の変調に少なくともある程度基づく二次高調波発生及び和周波数発生に対応する少なくとも3つの位相整合ピークで特徴が表される、及び/または透明媒質によって隔てられている、複数の、位置合せされ複屈折態様で位相整合された媒質を含む、及び/または準周期的に分極反転され、複数の分極反転ドメインを有し、前記複数の分極反転ドメインが、キャリア周期性によって定められる正規周期位置に対して少なくともいくつかの前記分極反転ドメインのそれぞれの位置が縦シフトされるように前記キャリア周期性に重畳された位相変調関数で特徴が表される位相変調周期性にしたがって前記波長変換素子の縦光軸に沿って配置され、前記複数の分極反転ドメインの前記位相変調周期性が、少なくとも2つの基本スペクトルピークを含む前記ポンピングビームが前記波長変換素子の前記入力ファセットに入射したときに、前記少なくとも3つの周波数変換後スペクトルピークがほぼ等しいパワーを有するような周期である、ことを特徴とする請求項1に記載の光システム。したがって、スペックルの出現を低減して、レーザ投影画像の画像品質を向上させる、光システムが必要とされている。一実施形態において、光システムは光源及び波長変換素子を備える。光源は少なくとも2つの基本スペクトルピークを有するポンピングビームを発するように構成されたレーザを有することができる。波長変換素子は、光源のポンピングビームが波長変換素子の入力ファセットに入射したときに、少なくとも2つの基本スペクトルピークのそれぞれの二次高調波発生と少なくとも2つの基本スペクトルピークの和周波数発生を、ほぼ等しいパワーを有する少なくとも3つの周波数変換後スペクトルピークを有する出力ビームが波長変換素子の出力ファセットから発せられるように、位相整合するように構成された非線形光媒質を有する。別の実施形態において、光システムは光源及び波長変換素子を備える。光源は、波長が少なくとも05ナノメートル離れた、少なくとも2つの基本スペクトルピークを有するポンピングビームを発するように構成された少なくとも1つのレーザを有することができる。波長変換素子は、ポンピングビームが波長変換素子の入力ファセットに入射したときに、ほぼ等しいパワーを有し、波長間隔が025nmより広い、3つの周波数変換後スペクトルピークを生成する応答比を有する、少なくとも3つの位相整合ピークを与える位相変調関数を特徴とする非線形光媒質を有する。出力ビームの周波数変換後ピークの数はポンピングビームの基本スペクトルピークの数より多い。本明細書に説明される実施形態は全般に、レーザ投影システムに組み込まれると画像におけるスペックルの出現を低減することができる、光システムに関する。本明細書に説明される実施形態はレーザ投影システムの文脈において説明されるが、実施形態はレーザ投影システムに限定されない。本明細書に説明される実施形態はレーザ投影システム以外のシステムに組み込むことができる。それらの例が添付図面に示される、本開示の実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、図面を通して同じ参照数字が同じかまたは同様の要素を指して用いられる。光システムの一実施形態が図1に示される。光システムは全般に、少なくとも1つの半導体レーザ、必要に応じて選ばれる結合光学系及び波長変換素子を備える。半導体レーザ及び/または結合光学系を動作させるため、パッケージコントローラを含めることができる。半導体レーザの出力は波長変換素子の入力に直接に、または結合光学系を用いて、光結合される。半導体レーザは波長間隔がΔλIRの少なくとも2つの基本スペクトルピークを有するポンピングビームを発生する。波長変換素子は、半導体レーザによって発せられたポンピングビームのエネルギーを、少なくとも3つの周波数変換後スペクトルピークを有する出力ビームに変換する。光システムの様々なコンポーネント及び構成が本明細書でさらに説明される。図1は本明細書に示される光システム100を全般的に示す。半導体レーザ110によって発せられたポンピングビーム120は赤外波長帯域に2つの同時発光基本スペクトルピークを有することができる。ポンピングビーム120は、直接に波長変換素子130の導波路領域137に結合させることができ、あるいは、第1及び第2の結合光学系121として図示される、適応光学系を用いて波長変換素子130の導波路領域に結合させることができる。波長変換素子130はポンピングビーム120の出力波長を高次高調波に変換し、3つの周波数変換後スペクトルピーク142,144及び146を有する可視光出力ビームを生成する。このタイプの光パッケージは、長波長半導体レーザから短波長レーザビームを生成するに特に有用であり、例えば、レーザ投影システム用可視光源として用いることができる。光源110は、例えば、分布帰還レーザ、分布ブラッグ反射器レーザ、垂直共振器面発光レーザ、垂直外部共振器面発光レーザまたはファブリ-ペロレーザのような、1つ以上のレーザを有することができる。さらに、レーザ利得媒質が半導体であれば、量子井戸、量子細線または量子ドットへのキャリア閉込めの使用を含めることができる。レーザ投影システム用途において、光源は、赤色スペクトル範囲のビームを発するための第1の半導体レーザ、青色スペクトル範囲のビームを発するための第2の半導体レーザ及び、次いで周波数アップ変換領域内の1つ以上の周波数変換後スペクトルピークに周波数アップ変換される、赤外スペクトル範囲のビームを発するための第3の半導体レーザの、3つの半導体レーザを有することができる。光源110及び光システム100は、投影面にわたって複数のピクセルを有するレーザ投影画像を生成するため、走査光学系または画像形成光学系とともに、プログラムし、動作させることができる。本明細書に説明される実施形態は、スペックルコントラストの低減をもたらす、緑色または黄色の周波数変換出力ビームのスペクトル拡幅を利用する。スペックルは投影面上の無秩序な粗構造によって反射される光の無秩序な干渉の結果として生じる。干渉は増加的または減殺的であり、それぞれ輝点または暗点を画像に出現させることができる。本明細書に説明される実施形態の光源は、投影面に入射する周波数変換光のスペクトルを拡幅するため、複数の周波数変換後スペクトルピークを有する出力ビームを発する。スクリーンを照明する出力ビームに相異なる波長の光が存在すれば、干渉は1つの波長に対しては増加的になり、別の波長に対しては減殺的になって、正味の効果が相殺され得る。Δλ離れた2つの波長によってつくられる2つのスペックルパターンは、式:であれば、1e2より小さい相関を示す。ここで、σhはスクリーン表面局所高の標準偏差である。光強度が2つの無相関スペックルパターンをつくる2つの相異なる波長の間で等しく配分されていれば、スペックルコントラストはほぼ、に低減され得る。平均波長を約530nmとし、投影面の粗さを約100μmとすれば、周波数変換後スペクトルピークの波長間隔は約05nmより大きくすべきである。しかし、波長間隔がさらに小さくなっても、一般には2つの無相関スペックルパターンで達成され得る、には満たない、いくらかのスペックル低減を生じさせることができる。レーザビームに3つの波長が存在し、これらの波長の間の間隔が式を満たしていれば、推定スペックルコントラストはほぼに低減され得る。したがって、波長間隔は所望のスペックルコントラスト低減を達成するに十分に大きくすべきである。波長間隔がΔλの緑色スペクトル範囲内の3つの周波数変換後スペクトルピーク142,144,146を有する可視光ビーム140を達成するため、光源110は波長間隔がΔλIRの2つの基本スペクトルピークを有するポンピングビーム120を発生する。以下でさらに詳細に説明されるように、波長変換素子130がポンピングビームの基本スペクトルピークを周波数変換して、可視光出力ビーム内の3つの周波数変換後スペクトルピークを生成する。本明細書ではDBR半導体レーザの文脈において実施形態が説明されるが、他の構成の半導体レーザも利用され得ることは理解されるであろう。さらに、本明細書では、2つの基本スペクトルピークを有するポンピングビーム及び、3つの周波数変換後スペクトルピークを有する出力ビームを発生する、少なくとも3つの位相整合ピークを有する波長変換素子の文脈において実施形態が説明されるが、以下で詳細に説明されるように、実施形態はN個の基本スペクトルピークを有するポンピングビームを発生する半導体レーザ及び2N-1個とN2個の間の周波数変換後スペクトルピークを生成する波長変換素子を利用することができる。半導体レーザに同時に2つの波長を出力させることは、2つの波長が利得に対して競合するから、通常は困難であり、閾値の若干の差であってもレーザは基本スペクトルピークの一方を優先させる。本発明の発明者等は、組込み周波数選択素子を有するレーザダイオードまたは外部周波数選択反射器が与えられたファブリ-ペロレーザを用いることで、レーザダイオードを、例えばQスイッチングまたは利得スイッチングのような、パルスモードで動作させれば、複スペクトルピーク出力の達成がより容易になり得ることを認識した。Qスイッチング用に設計されたレーザには通常、共振器内に飽和吸収体区画が組み込まれている。SA区画の損失は、能動的に、または受動的に変調され、レーザは、SA区画の損失が低くなるそれぞれの時間、短く強い光パルスを発する。利得スイッチングにおいては、主増幅区画が周期信号で駆動され、正弦波のそれぞれの正の半周期の間、短パルスが発せられる。発明者等は、短パルス動作において、ダイオードレーザが、十分に強い光帰還が与えられる利得帯域内の全ての波長において本質的に同時に発光し、出力スペクトルは共振器ミラー、または共振器内のいずれかの追加のスペクトル選択性素子の、反射スペクトル形状に厳密にしたがうことを見いだした。限定ではなく、例として、225mm長1060nmファブリ-ペロダイオードレーザを体積ブラッグ格子によって与えられる外部反射をもつ外部共振器内においた。VBGは10605nm及び10624nmに、振幅がほぼ10で幅が02nmの、2つの反射ピークを有するように設計した。SA区画に約5mAのDC電流を印加し、利得区画に200mAのDC電流及びピーク間400mAの923MHz正弦波駆動電流を重畳して供給することにより、レーザを利得スイッチングモードで動作させ、平均パワーが65mWでピークパワーが~18Wの、ほぼ30ps長のパルスの列を発生させた。2つの等強度の主ピークを含み、2つのかなり弱いピークをさらに含む、出力スペクトルが図3Aに示される。図3Aのグラフは、ほぼ10605nmの波長に中心をおく第1基本スペクトルピーク及びほぼ1062.4nmの波長に中心をおく第2基本スペクトルピークを有するポンピングビームを示す。したがって、2つの基本スペクトルピークに波長間隔はほぼ19nmである。第1基本スペクトルピーク及び第2基本スペクトルピークはそれぞれ、付随する光周波数ω1及びω2を有する。2つの主ピークの位置及び幅はほぼ正確にVBGの反射スペクトルを再現している。したがって、DBRミラーの反射スペクトルによって、パルスDBRダイオードレーザの出力スペクトルを定めることができる。3区画DBR半導体レーザとして構成された一実施形態の光源110が図3Bに簡略に示される。半導体レーザ110は一般に、波長選択区画112,位相調節区画114及び利得区画116を有する。半導体レーザ110の分布ブラッグ反射器区画またはDBR区画とも称することができる、波長選択区画112は一般にレーザ共振器の活性領域の外側に配置された一次または二次のブラッグ格子を有する。この区画は、その反射係数が波長に依存するミラーとして格子がはたらくから、波長選択を提供する。半導体レーザ110の利得区画116はレーザの光利得を提供し、位相調節区画114は利得区画116の利得材料と波長選択区画112の反射性構造の間に調節可能な光路長すなわち位相シフトを形成することができる。以下でさらに詳細に説明されるように、位相区画は利得及び損失の変調機能を果たすための飽和吸収体として構成することができる。波長選択区画112はブラッグ格子を用いても用いなくても差し支えない多くの適する別の構成で設けることができる。制御電極113,115,117はそれぞれ、波長選択区画112,位相整合区画114,利得区画116に、またはこれらの組合せに、組み込まれ、図3Bに簡略に示されているだけである。電極113,115,117は様々な形態をとり得ると考えられる。例えば、電極113は、2つの波長を同時に発生するため、DBR区画の第1の半分と第2の半分の温度を独立に制御する2つの個別電極からなることができる。電極113は単区画または複区画のマイクロヒータとしてはたらくことができる。制御電極113,115,117は半導体レーザ110の対応する区画112,114,116に電流を注入するためにも用いることができる。さらに、3区画DBR半導体レーザは様々な形態で構成することができる。例えば、DBR区画は2つの相異なる格子周期を有する2つの区画からなることができ、位相区画は、位相区画が2つの選ばれた波長の利得/損失のバランスをとるために用いられ得るように、2つのDBR区画の間にあることができる。半導体レーザ110のDBR区画112は、1060nm近傍にあって、間隔が少なくとも05nmの、2つの波長においてほぼ等しい反射を与える。抽出格子、超構造格子、ピッチ及び/または深さが周期変調された格子、位相が周期シフトされた格子、または2格子DBRの使用のような、2つの波長における反射を達成するためのいかなる数の設計手法も用いることができる。利得/Qスイッチングモードで動作させると、そのようなDBRレーザは、2つのスペクトルピークにおいてパワーがほぼ等しい、安定な短パルス出力を発生することができる。一般に、連続波動作用に設計されたDBRレーザにおいて、レーザの層構造は、波長選択区画、位相調節区画及び利得区画で同じである。しかし、位相調節区画及び波長選択区画は一般に、この2つの区画を無修正利得区画によって発せられる光に対して透明にし、よって共振器内損失を最小限に抑える、バンドギャップ拡大が得られる量子井戸無秩序化として知られるプロセスを受ける。利得区画は能動であり、接続端子に印加される注入電流をレーザ光に変換する。位相調節区画に印加される注入電流は発光または光増幅をおこさないが、活性層の屈折率を変化させて、共振器モードの微調節を可能にする。波長選択区画も受動であり、注入電流は供給されない。DBR反射の基本スペクトルピーク位置を調整するため、波長選択区画の上面または側面に抵抗ヒータを配置して温度を変えることにより、屈折率の調節を可能にすることができる。本明細書に説明される実施形態の半導体レーザには、上述したDBRレーザ構造の改変形態を用いることができる。一実施形態において、位相整合区画114はQWIプロセスを受けない。この結果、位相整合区画114は、増幅器として、あるいは飽和吸収体として、動作することができる。この実施形態において、位相整合区画114は位相調整のためではなく、追加の利得/損失変調のために動作する。この点に関し、図3Bに示される実施形態の位相整合区画は飽和吸収体区画114と称される。波長選択区画112は受動のままであるかまたは能動になり、追加の飽和吸収を与える。波長調整は抵抗ヒータの使用によるか、あるいは、能動波長選択区画の場合、波長選択区画112に電流を注入することにより、達成することができる。半導体レーザ110のパルス動作は、2つの基本スペクトルピークにおける2つの所望のポンピング波長間で出力パワーを等化し、以下でさらに詳細に説明されるように、複波長周波数変換の場合には低下した波長変換効率の補償も行う。利得スイッチングパルスモードにおいては、上述したように、正弦波駆動信号を利得区画116に印加し、この結果それぞれの正の半周期の間に短パルスを発することができる。周期駆動信号に加えてDCバイアスを利得区画に印加することができる。飽和吸収体区画114にもDCバイアスを印加することができ、ピークパワーが最大の高品質パルスを発するに最適な飽和吸収レベルを得られるように、DCバイアスを調節することができる。Qスイッチングパルスモードにおいては、DC信号で利得区画116を駆動することができ、飽和吸収体区画114に周期バイアスを印加して、それぞれの正の半周期の間に短パルスが発せられるシャッターとして飽和吸収体区画114をはたらかせることができる。いくつかの実施形態において、2010年3月24日に出願された米国特許出願第12730482号の明細書に開示されているように、利得区画116及び飽和吸収体区画114が同相周期駆動電流を受け取る、ハイブリッド手法を用いることができる。この明細書は参照として本明細書に含められる。ハイブリッド駆動手法は半導体レーザ110の駆動に必要な最小量のRFパワーに対して可能な最善のパルス品質をもたらすことができる。上述した3つの駆動手法のいずれも、DBR半導体レーザに適用して2波長パルス出力を生成することができる。どの駆動方法が用いられるべきであるかについての選択はレーザ構造及び用途要件の詳細に依存する。さらに、ポンピングレーザは、2つ以上の同時発光基本スペクトルピークからなる基本出力スペクトルを生成するため、短いパルス振動の代わりに不均一スペクトル拡幅に依存することができる。例えば、実施形態には、DBRまたはDFB量子ドットレーザ、または、2波長反射性または複波長反射性を有する体積ブラッグ格子のような、いくつかの複波長選択光素子による不均一拡幅を有する光ポンピング固体レーザを用いることができる。そのような自然放出が不均一拡幅されるレーザは、連続波または準連続波の発光方式においても用いることができる。図1にもう一度戻れば、2つの基本スペクトルピークを有するポンピングビーム120は結合光学系121によって収束され、波長変換素子130に向けられる。図1に示される実施形態において、結合光学系121は一般に、半導体レーザ110によって発せられるポンピングビーム120をコリメートする第1のレンズ122a及びポンピングビーム120を波長変換素子130の導波路領域に集束する第2のレンズ122bを有する。しかし、他の結合方法及びデバイスが用いられ得ることは当然である。さらに、波長変換素子はバルク非線形光学材料からなるか、または共振器内波長変換素子としてレーザ110に組み込むことができる。レンズ122a,122bは、レンズの位置が調節可能であるように、x方向及びy方向にレンズ122a,122bの位置を調節するため、アクチュエータに結合することができる。x方向及びy方向のレンズ122a,122bの位置の調節は、ポンピングビーム120が導波路領域に合わせられ、波長変換素子130の周波数変換後出力が最適化されるように、波長変換素子130の入力ファセットに沿う、さらに詳しくは波長変換素子の導波路領域上の、ポンピングビーム120の位置決めを容易にすることができる。図1に示される光システム100は実質的に直線上の配位を有するが、他の配位及び構成も可能である。例えば、ポンピングビームの光路と周波数変換出力ビームの光路が折返し光路であるように半導体レーザと波長変換素子を配位することができる。波長変換素子130は一般に、入力ファセット131及び出力ファセット138を有する。波長変換素子は、その非線形光応答が、2つ以上の基本スペクトルピークの間の様々な可能な光周波数混合過程に対して位相整合を与えるために適切に波長間隔がとられた複数の位相整合ピークを含むように、位相変調位相整合をもつ非線形光媒質を有することができる。位相整合の位相変調は周波数混合に用いられる非線形光媒質の非線形または線形の光学特性を、あるいはいずれの光学特性も、変調することで得ることができる。波長変換素子130の導波路領域は入力ファセット131から出力ファセットまで延びる。波長変換素子130は、非線形光応答の符号が交互している複数のドメイン132を有する非線形光学材料で形成された結晶を含むことができる。波長変換素子に適する非線形光学材料には、例えば、分極反転されたドープトまたは無ドープのニオブ酸リチウム、分極反転されたドープトまたは無ドープのタンタル酸リチウム及び分極反転されたドープトまたは無ドープのリン酸チタンカリウムを含めることができるが、これらには限定されない。波長変換素子130内の光伝搬は自由空間伝搬または光導波路伝搬であり得る。波長変換素子130は、複屈折位相整合、モード間位相整合または準位相整合を含むが、これらには限定されない、位相整合方法を利用する結晶を含むことができる。位相整合の役割は、光路に沿う基本光場で生じる非線形分極により生成される周波数変換後光周波数において電磁波の増加的干渉を生じさせることである。位相整合の位相変調は位相整合を相異なる光周波数に対応するいくつかの位相整合スペクトルピークに、位相整合ピークのそれぞれが部分位相整合を生じるように、分布させるためにはたらく。ここで用語部分は、そのような部分位相整合ピークに対応する特定の光周波数に対し、結晶に沿う、いくつかの、ただし全てである必要はない、領域によって生じる周波数アップ変換光波が増加的に干渉して、出力上に実質的にゼロではないアップ変換後信号を生じさせることを意味する。したがって、位相変調は、基本の無変調設計において部分位相整合または無位相整合に位相整合された周波数変換過程の光周波数における最大位相整合を弱め、同時に、無位相整合が無変調設計により与えられた他の光周波数における部分位相整合を可能にする。変換下限において、同調された単色入力信号への位相変調後位相整合応答のスペクトルは、位相整合に用いられる物理的機構にかかわらず、位相変調関数のフーリエ変換に比例する。アップ変換周波数範囲への高レベルエネルギー変換においては、PMFのフーリエ変換からのアップ変換後信号のスペクトルの偏差が生じる。多くの場合、この偏差はスペックルコントラスト低減において少々の悪化をもたらし得る。この悪化が重要になれば、高レベル変換におけるスペクトル応答が一層良いスペックルコントラスト低減をもたらし、例えば、光パワーが高くなると最大スペックル低減が重要になり得る場合に、低レベル変換におけるスペックルコントラストが若干高くなり得るように、PMFを変えることによって位相整合ピークの強度比を調節することができる。PMFは周波数アップ変換後光場に空間的に変化する位相を与える。これは、非線形分極の位相または空間位置の変調によるか、及び/または、結晶に沿う様々な場所で生成されるアップ変換後光波の位相遅延を、媒質の屈折率または光波がたどる光路長を変調することによって、達成される。準周期的分極反転の反転ドメインの位置の縦シフトのような、位相変調のための手法のいくつかは、非線形または線形の変調パスの実施形態として解することができる。一般に、非線形媒質は、ポンピングビームの第1の光周波数ω1の二次高調波発生、ポンピングビームの第1の光周波数ω1と第2の光周波数ω2との和周波数発生及びポンピングビームの第2の光周波数のSHGの3つの非線形光過程に対する位相整合を含むように設計される。したがって、周波数変換出力ビームは、2ω1,及び2ω2の周波数を有する3つの周波数変換後スペクトルピークを有することができる。限定ではなく例として、図3Aに示され、ファブリ-ペロレーザに関して上述した、ほぼ42mWの赤外光を、図12~14Bに示される連続位相変調関数にしたがう準周期位相反転導波路ニオブ酸リチウム素子を有する波長変換素子に光結合させ、3つのほぼ等しい周波数変換後スペクトルピーク142,144,146を有する、図2に示される出力スペクトルをもつ緑色光を発生させた側方ピークによって助長された、一方は主ポンピングIRスペクトルピークと、他方はFWM成分との間の和周波数混合による。準位相整合は、例えば非線形光学材料内の準周期反転強誘電性ドメイン132による、非線形光応答の周期的または準周期的な符号反転の導入によって達成することができる。準周期反転分極は、素子長に沿って発生された注目する周波数における非線形光応答の増加的加算を保証するため、波長変換素子130の非線形係数の符号の準周期反転を与える。図1に示されるように、ドメイン132はそれぞれに付随する正または負の非線形分極を有することができる。ドメインの非線形応答の符号は結晶の軸長に沿ってほぼ周期的に交互することができる。以下でさらに詳細に説明されるように、複数の反転分極ドメインの周期性は、ドメインが準周期的に分極反転されるように、位相変調することができる。説明の目的のため、図1では準周期ドメイン132の大きさが誇張されていることに注意されたい。さらに、図1において波長変換素子10は部分的にしか示されていない。2ω1,及び2ω2の周波数変換後スペクトルピークは、無秩序に加え合わされてスペックルの出現を低減する、3つの並行スペックルパターンを生じさせることができる。いくつかの独立なスペックルパターンの強度加算によるスペックルコントラスト低減の最大化のためには、出力ビームの周波数変換後波長の間でほぼ均等に光パワーが分配されるべきである。周波数変換後出力の3つの周波数変換後スペクトルピークによって3つの独立なスペックルパターンが生成される場合については、それぞれの周波数変換後スペクトルピークの光パワーがほぼ同じであるべきである。しかし、周波数変換後スペクトルピークが同等ではなく、残りの周波数変換後スペクトルピークよりも大きいパワーを有する周波数変換後スペクトルピークにともなうスペックルパターンが観察者に一層顕著になり得るような場合でも、ある程度のスペックル低減を達成することができる。3つの周波数変換後スペクトルピークは、二次非線形相互作用による、半導体レーザで発せられる光周波数ω1及びω2の2つの基本スペクトルピークの光周波数混合によって生成される。周波数変換過程は、式:式:及び、式:で表すことができる。上式は、周波数変換後出力が周波数2ω1,及び2ω2において光パワーを有し得ることを示す。2ω1及び2ω2における出力はそれぞれ、ω1及びω2における入力ビームの光周波数の二次高調波であり、は2つの基本光周波数の和周波数である。同じ非線形係数d実効に対し、和周波数出力の振幅は二次高調波出力のそれぞれの振幅の2倍であることが分かる。光出力は電場振幅の二乗に比例するから、における和周波数スペクトルピークは二次高調波スペクトルピーク2ω1及び2ω2のそれぞれのパワーの4倍のパワーを有することになろう。しかし、3つの周波数変換後スペクトルピークの光パワーは、投影面において1つ以上のスペックルパターンが有意に顕著になることのないように、ほぼ等しくなければならない。例えば、和周波数出力の光パワーが2つの二次高調波出力の4倍であれば、観察者には和周波数出力によって生成されるスペックルパターンが一層顕著になるであろう。しかし、いくつかの実施形態において、総変換効率を高めるため、和周波数発生にともなう周波数変換後スペクトルピークは二次高調波発生にともなう周波数変換後スペクトルピークよりも大きいパワーを有することができる。この場合、波長変換素子の変換効率を高めるため、スペックルコントラストの低減がある程度犠牲にされ得る。本明細書に説明される実施形態は、非線形光媒質の位相整合特性の操作により、波長変換素子の3つの周波数変換後スペクトルピークの光パワーをほぼ等しくすることができる。二次高調波発生のために用いられる波長変換素子は、伝搬方向に沿う様々な場所で生成される周波数アップ変換後光を位相整合させるため、位相整合周期で分極反転される。説明のため、固定位相整合周期Λを有するニオブ酸リチウム内の周期反転強誘電性ドメインを含むQPM構造のスペクトル強度応答は波数ベクトル空間において、m=123...として、m2πΛに準位相整合ピークを有する。m=1で表される準位相整合ピークは準位相整合ピークのそれぞれの内で最も高い強度を有する。様々な次数mに対応する準位相整合ピークの相対強度値は1m2にしたがって減少する。したがって、最も高効率の準位相整合に対し、m=1の準位相整合ピークは、周波数変換後出力ビームを生成するため、半導体レーザによって発せられるポンピングビームの赤外波長にあるべきである。以下で説明される位相整合概念は準位相整合以外の位相整合手法にも適用され得ることは当然である。説明の目的のため、準位相整合は波数ベクトル空間において表すことができる。二次高調波発生及び和周波数発生の場合、周波数アップ変換後光のソースは式の右辺で表される。特定の瞬間において、伝搬方向に沿う一例の周波数2ωにおけるソース波の位相分布は波数ベクトル2kω=2ωnωc=4πnωλωで表すことができる。ここで、cは光の速度、λωは周波数ωの光波の真空中の波長、nωは非線形分極を生じさせる、ポンピング波の光周波数ωにおける、非線形光媒質の屈折率である。導波路内の伝搬及び相互作用の場合、nωは非線形分極を生じさせる、基本周波数波の伝搬を表すために用いられる、導波路モードの実効屈折率である。同時に、伝搬方向に沿ういずれかの場所において発生される周波数2ωの自由伝搬する周波数アップ変換後光は、波数ベクトルがk2ω=2ωn2ωc=2πn2ωλ2ωの平面波で表すことができる。ここで、n2ωは二次高調波周波数2ωにおける媒質の屈折率であり、λ2ω=λω2は二次高調波の真空中の波長である。自由伝搬している周波数アップ変換後光が、光波が縦次元内に閉じ込められている、導波路伝搬の場合も含むことは当然である。ソース波の波数ベクトルが自由伝搬波の波数ベクトルと同じであれば、発生した二次高調波の増加的干渉が素子長に沿ってみられ、二次高調波のパワーが増加する。そうでなければ、二次高調波のパワーは長さに沿って振動し、式:で表される波数ベクトルのずれによって規定される小さな最大値にしか達しない。Δkが非ゼロである場合、二次高調波のパワーの増大を可能にするための一方法は、上述したように準位相整合を用いることである。周期Λをもつ非線形係数の符号の周期反転及び付随するkベクトルKg=2πΛにより、Δkによって生じる位相ずれの周期的補償が得られる。準位相整合は、式:が成立する場合に達成され、よって波数ベクトルのずれが補償される。ここで、mはいずれかの整数とすることができ、準位相整合の次数を示す。和周波数発生の場合についても同じタイプの準位相整合が適用できるが、この場合は式が式:で置き換えられ、QPM条件が式:で置き換えられる。式で定められるように、関係する光場の周波数2逓倍に対して、それぞれの基本光波長λωには波数ベクトルずれΔkが付随する。同様に態様で、それぞれの光波長の和の発生に対して、2つの基本波長λ1及びλ2のそれぞれには波数ベクトルずれΔk1及びΔk2が付随する。ニオブ酸リチウムのd33非線形係数を利用するためのタイプIの準位相整合の場合、基本波長が1060nmのオーダーにあれば、9000cm-1のオーダーの、Δkが有意である。複屈折位相整合のような、他の場合の位相整合において、Δkは0である。キャリア周期性及びその位相変調に関してQPM素子設計を説明する場合、kベクトル空間において、式:により偏差kベクトルを定めることが便宜がよいことがある。ここでKCはQPMのキャリア周期性を表す波数ベクトルである。式の右辺の-符号はδkと基本波長の間のマッピングは、関係式位相整合が変調されていないときはδk=0であるように選ばれる。この態様においては、それぞれの基本波長及びそれぞれの非線形過程にδkの特定の値が付随する。非線形素子の特定の設計対して、中心光周波数の離調が付随する位相ずれを決定するから、非線形光学素子のスペクトル応答は、δkの関数として示し、プロットすることができる。δkと基本波長の間のマッピングは、関係式:で与えることができる。ここで、ngω及びng2ωは基本周波数及び二次高調波周波数における群屈折率を表す。周波数ωまたは波長λにおける群速度は、式:として定めることができる。長さLの真に周期的に分極反転させた素子は、半値全幅が1772πLに等しいsinc2関数によって表される、δkに関するスペクトル応答曲線を有するであろう。基本波長に関し、FWHMは式:となる。上記を利用して、本開示の波長変換素子は、少なくとも2つの基本スペクトルピークを有するポンピングビームの周波数を少なくとも3つの周波数変換後スペクトルピークを有する出力ビームに変換する。したがって、波長変換素子は、周波数が2ω1,及び2ω2の、光パワーがほぼ等しい、周波数変換後スペクトルピークを有する出力ビームを生じる、3つ以上の位相整合ピークを与えるべきである。準位相整合による二次高調波発生に関して上述した位相整合スペクトルピークの1つに焦点を絞れば、QPM結晶ドメイン構造の性質を位相整合周期Λにおける厳密な周期から準周期構造に変えることにより、ピーク形状を単ピークから複数のスペクトル成分を含む分裂ピークに変えることができる。周波数チャーピングQPM格子、周期的または非周期的な超格子、準周期的超格子、無周期超格子及び位相変調を含むがこれらには限定されない、QPMピークの形状を操作するためのいくつかの手法を用いることができる。さらに、スペクトル応答と物理空間における非線形分極率の分布の間のフーリエ変換関係を用いることにより、所望のスペクトル応答をもつQPM構造を得るためのコンピュータ最適化の手法を利用することができる。図6を全般に参照すれば、一実施形態にしたがう波長変換素子のδkに関するスペクトル応答が示される。スペクトル応答は少なくとも3つの位相整合ピーク、すなわち、第1の準位相整合ピーク162,第2の準位相整合ピーク163及び第3の準位相整合ピーク164を特徴とする。第1の準位相整合ピーク162は二次高調波発生により生成された2ω1の周波数を有する第1の周波数変換後スペクトルピーク142に対応し、第2の準位相整合ピーク163は和周波数発生によるの周波数を有する第2の周波数変換後スペクトルピーク144に対応し、第3の準位相整合ピーク164は二次高調波発生により生成された2ω2の周波数を有する第3の周波数変換後スペクトルピーク146に対応する。3つの周波数変換後スペクトルピーク142,144及び146を生成するための2つの基本スペクトルの混合による周波数アップ変換の特定の場合に対し、ポンピング光スペクトルの縦モード構造に基づいて弁別される3つの場合-単一モード、多モード及び広い連続スペクトル-があり得る。後者の場合は、ポンピング光スペクトルが、例えば過剰な周波数チャーピングにより、1つ以上の明確に定められたスペクトル線では十分に表されない状況を含む。単一モード基本スペクトルピークが本明細書において初めに説明され、続いて多モード実施形態が論じられるであろう。単一モードにおいて、2つの基本スペクトルピークのそれぞれはスペクトル線幅が狭い単一縦レーザモードからなる。ポンピングモードの線幅は一般に波長変換素子のスペクトル応答特性よりかなり狭いから、スペクトルピークの幅は第一義的には重要ではない。したがって、スペックルコントラストが有意に減衰されるように、3つの周波数変換後波長における出力パワーを等しくするため、強度応答比を1:025:1に保ちながら、3つの準位相整合ピーク162,163及び164のピーク強度値を最大化することを含むことができる。準位相整合ピークが正確にδk空間内にあることを保証するために注意が払われるべきであることに注意されたい。和周波数は二次高調波周波数2ω1と2ω2の間の正確に中位にあるが、和周波数発生過程に対する波数ベクトルのずれは、材料分散及び導波路分散による2つの二次高調波発生過程に対する平均波数ずれに対して若干シフトされ得る。このシフトは、和周波数発生非線形過程に対応する第2のスペクトルピーク163の幅と同等になる場合には、無視不可になり得る。δkにおいて等間隔に配された3つのスペクトルピークを有し、実質的に等しい光パワーを有する3つの周波数変換後スペクトルピークを生成するための所望の応答比を有する波長変換素子を得るため、位相整合周期性の変調を用いることができる。赤外光と変換後光の間の波数ベクトルずれΔkは数1000cm-1である。このずれを補償するには、位相ずれを排除するため、短い準位相整合周期Λをもつ周期分極反転及びΔkを整合する数1000cm-1の波数ベクトルKCが必要になり得る。この結果は、二次高調波発生に関して上述したように、δk=0に中心をおく単一スペクトルピークになるであろう。準位相整合周期Λは基本キャリア周期性と称することができる。3つの準位相整合ピークを得るため、位相変調関数をキャリア周期性に適用して位相変調周期性を達成することができる。位相変調周期性は、準周期分極反転ドメインの形態にある非線形光学材料に適用されると、δk=0に中心をおく単スペクトルピークを複数のスペクトルピークに分裂させ、よって中心スペクトルピーク163に隣接して等間隔で配された側波帯を生成する効果を有する。反転ドメインは、PMFで変調されたときに複数のドメインは全体としては真に周期的ではないから、準周期的と称される。PMFは、QPM周期Λに比較して非常に大きな周期を有し、したがってかなり小さなkベクトルを有する。PMFは分極反転ドメインの相対位置に小さな摂動を導入する。例として、第1及び第3の側帯スペクトルピーク162及び164が中心の第2の準位相整合ピーク162から28cm-1にあることが望ましければ、28cm-1のkベクトルによる変調を適用することができる。周期分極反転に位相変調関数を適用するため、伝搬方向に沿う全ての反転ドメインの位置をPMFの局所値に比例する距離だけシフトさせることができる。比例定数は、PMFによって規定されるπの位相シフトが反転ドメインに対する05Λの縦シフトに対応するような値をとる。位相変調関数がfであれば、伝搬方向に沿う位置xにおける反転ドメインの位置の縦シフトはAfxである。同じ素子実施の説明を周波数変調に関して与え得ることは当然である。ポンピングスペクトルピークが中心波長λの両側に波長でΔλだけ離して対称に配されていれば、波長が05,05λ及び05のアップ変換後光の生成を可能にするであろう成分に位相整合ピークを分裂させることができる周期PMFは、式:の周期を有するべきである。周期位相変調が有効なスペックル低減に用いられ得る様々な位相変調関数の1つでしかないことは当然である。周期位相変調はスペックル低減と変換効率の間の折衷に関するほぼ最適な応答を提供できるが、準位相整合ピークの位置及び強度が周期変調の場合に比較して若干代わっても実質的なスペックル低減には十分な性能を提供するであろう多ピークアップ変換スペクトル応答を生じさせるため、他の非周期PMFも用いることができる。最適化されたスペックル低減及び変換効率を与えることができるのは、準位相整合ピークの十分な波長間隔と強度分布である。別の実施形態において、周期分極反転と干渉せずに、位相変調関数を実効屈折率に適用することができる。例えば、導波路の幅、厚さまたは屈折率分散を徐々に変えることによりδkを周期的に変えることができ、よって真の周期分極反転を変えずにスペクトル応答に複数の準位相整合ピークを生成することができる。この手法は、複屈折位相整合またはモード間位相整合のような、非線形係数の周期符号反転とは別の手段に依存する位相整合相互作用にも適用することができる。複屈折位相整合またはQPMをともなうバルク結晶の場合、温度、応力または電場による屈折率の周期変化も、連続位相変調に適用することができる。線形光学特性の変調は、材料組成、温度、電場、機械的応力またはその他の応力要因によって生じさせることができる。導波路伝搬の場合、導波路の幅、厚さまたは材料組成のような導波路特性の周期変調が、光学モードの実効屈折率への効果を介して、位相整合の周期変調をおこさせることができる。別の実施形態において、複数の結晶を、光透過性材料の薄層を間にして、光伝搬方向に沿って順次に重ねることができる。間層の厚さは、離散位相変調に対し、基本光周波数とアップ変換後光周波数の間に、l=0123...として、πの位相差が生じるように選ばれる。あるいは、非線形光学特性及び線形光学特性が異なる、異なる材料のブロックを重ね合わせて、位相整合の変調を得ることができる。次に図4及び5を参照すれば、位相変調関数の一実施形態及び、得られた、位相変調後周期を有する複数の分極反転ドメインが示される。図4は矩形波からなる離散PMF150を示す。離散PMF150は長周期符号反転シーケンスを実施する。各符号反転はπの離散位相ジャンプと等価である。周期分極反転によるQPMの場合に対し、この周期符号反転は位相整合周期Λによる周期分極反転に重畳される。図5に示されるように、非線形係数の符号反転は、ニオブ酸リチウムのような強誘電体結晶における誘電分極反転と等価である。周期符号反転は1つ以上のドメインの方位をそれぞれの正規方位に対して、位相整合周期Λを特徴とするように、反転させることによって達成される。図4~6に示され、特徴が表される波長変換素子は、8mm長準周期分極反転ニオブ酸リチウム結晶である。離散PMF150は、全素子長の13の、約267mmの符号反転周期を有する。8mm長領域の外部において位相整合は与えられない。数学的には、位相整合領域の外部における非線形光学係数は、その領域の外側に非線形媒質が拡がっていても、0とすることができる。離散PMF150のデューティサイクルは、準位相整合ピーク及び対応する3つの周波数変換後スペクトルピークの所望の間隔及び強度を達成するため、変えることができる。図4に示される実施形態の離散PMFのデューティサイクルは、図6に示される3つの準位相整合ピーク162,163及び164の4:1:4の応答比を達成するため、ほぼ0354である。図5は波長変換素子130の一領域の複数のドメインを示す。図5が比例尺で描かれておらず、説明目的でしかないことは当然である。第1の結晶方位132aを有するドメインは上向き矢印↑で示され、第2の結晶方位132bを有するドメインは下向き矢印↓で示される。図4を参照すれば、x軸上のx=-04が波長変換素子の位相整合領域の始点に相当し、x=04が波長変換素子130の位相整合領域の終点である。離散位相変調関数150の領域151は値‘1’を特徴とする。この領域において、ドメイン132a,132bは位相整合周期Λにしたがって周期的に交互する。しかし、領域151から領域152への遷移点において、ドメインの符号または方位が反転する。図5に示されるように、ドメイン133は、領域152内の残りのドメインが位相整合周期Λによって定められるような正規位置に対してπだけ位相シフトするように、第1の結晶方位ではなく第2の結晶方位を有する。ドメインはに等価な05Λだけx軸に沿って縦シフトする。領域152と153の間の遷移点において、ドメイン134の方位は、領域153内のドメインが位相整合周期Λにしたがって周期的に交互するように、反転する。同様に、ドメイン135の符号または方位は領域153と154の間の遷移点において反転する。したがって、ドメインは離散位相変調関数150の領域151,153及び155におけるキャリア周期性によって定められる正規位置において分極反転し、ドメインは離散位相変調関数150の領域152,154及び156において正規位置に対し05Λだけシフトされる。図6は、位相整合周期Λにより定められ、図5に示されるPMFによる周期ドメイン符号シーケンスを乗じることで改変された位相変調周期性において分極反転された波長変換素子のスペクトル応答160を示す。それぞれのドメインのドメイン幅はほぼ32μmである。波長変換素子はMgOドープ調和ニオブ酸リチウム導波路を組み込み、二次非線形分極率のd33成分を用いるタイプIの位相整合を可能にするため、準周期位相整合が用いられる。スペクトル応答160がδkの関数として図6に示される。3つの主準位相整合ピーク162,163及び164の強度はそれぞれ、0343,00849及び0343である。外側の2つの準位相整合ピーク161及び165は周波数変換後出力に寄与しない。第1及び第3の準位相整合ピーク162及び164はΔk空間において45cm-1だけ離れている。これらの準位相整合ピーク162及び164は、波長で約159nm離れた、1060nm周りの2つの対応する赤外波長の周波数2逓倍に準位相整合するであろう。第2の準位相整合ピーク163は2つの赤外波長の和周波数混合に準位相整合するであろう。レーザパワーPが2つのポンピングモード間で等しく配分されているとすれば、同時二次高調波発生過程/和周波数発生過程の総合効率は、式:で与えることができる。ここで、η0は、単一準位相整合ピークをもつ、同じ長さの均等周期分極反転準位相整合格子の二次高調波発生効率である。因子0256が変換効率を低くしすぎれば、パルス動作に御希有ピークパワーの増大によって効率を回復させることができる。周波数アップ変換後出力信号の平均パワーと平均基本入力パワーの比として定義される、非線形光学素子の外部変換効率は全光システムの一部としての非線形素子の性能を表す最も重要なパラメータであり得る。外部変換効率の14への減少は、ピーク基本パワーの4倍以上の増大によって補償され得る。さらに、パルス形状が矩形ではなく、ガウス形、双曲線正割形またはローレンツ形のような、より一般的なレーザパルス形状である場合には、14~2の因子がさらに適用されるべきである。周期ΛPMによる周期符号反転及び50デューティサイクルによって表されるPMFにより、同じ長さの真に周期的なQPM構造に比較して、それぞれがほぼ041の相対強度を有する2つの成分へのQPMスペクトルピークへの分裂が得られる。QPM構造の長さがPMFの数周期にしか等しくない場合、QPM構造の終端においてPMFがどのように打ち切られているかに依存して、041からの相対強度の偏差が見られ得る。好ましい打切りは、PMFがQPM構造の中心に関して対称であり、QPM構造の長さLが、mを正整数として、ほぼΛPMに等しいときにおこる。例えば、L=ΛPMである場合、2つのピークの相対応答強度は、m=123及び4の場合に、それぞれ0474,0442,0431及び0424である。準位相整合ピークが2つしかない符号反転QPM構造が、和周波数発生に対する位相整合を与えられずに、ポンピングモードのそれぞれを周波数2逓倍するために用いられれば、2つの二次高調波発生過程のそれぞれに対する規格化効率の方が高いとしても、全周波数変換後出力は式:で与えられることになろう。式と式の比較は、3つの準位相整合ピークをもつ最適化されたQPM構造を利用すれば、約1141から約1173へのスペックル低減因子の向上に役立つだけでなく、2つの準位相整合ピークしか有していない構造に比較して平均で約25の総合非線形変換効率の増強にも役立つであろうことを示す。和周波数発生波数ベクトルずれΔSFGの周波数シフトが準位相整合ピークの間隔を制限し、よって完全スペックル低減因子は得られないとしても、2つのスペクトル上離れたポンピングレーザモードが同時に発生される場合には、変換効率の増強だけでも有益であり得る。限定ではなく、例として、PMF周期または非線形素子長L=ΛPMの最適選択に対し、デューティサイクルが39の周期符号反転PMFは、無変調位相整合素子に対してほぼ0342,0071及び00342の強度をもつ2つの中心ピークを生成する。デューティサイクルが28であれば、相対ピーク強度は0247でほぼ等しい。すなわち、27と29の間のデューティサイクル範囲は、有意なスペックル低減を提供することができる応答ピーク比の範囲に対応する。中央位相整合ピークの強度が2つの側帯ピークの強度と同様である場合、中央周波数変換後出力ピークは第1及び第3の出力ピークより若干高い光パワーを含み、総合周波数変換効率を向上させることができる。中央ピークのパワーが2つの他のピークのパワーの2倍以内にあれば、スペックル低減の中程度でしかない悪化が見られるであろう。これは、そのようなトレードオフが望ましい場合に、効率の増大とトレードオフされ得る。別の実施形態において、離散PMF150は、デューティサイクルではなく、離散位相変調の深さによって複数の位相整合ピークの強度比を制御することができる。PMFは振幅がΦ0PMの矩形波形からなることができる。PMFによって位相整合に与えられる位相は式:で与えられる。ここでψ0は、望ましければ、QPM構造に沿う中点に対するPMF波形の一定の位相シフトを可能にするパラメータである。例として、L=33ΛPMでピーク比が4:1:4の場合に対するPMFが図7に示され、スペクトル応答が図8に示される。sign関数は引数が正の場合に値1を取り、引数が負の場合に値-1を取り、引数が0のときは0であるから、PMFによって定められる位相は本質的にΦ0PMと-Φ0PMの間で周期的にジャンプする。位相変調の深さは位相変調の振幅の2倍に等しく、式:で与えられる。位相整合長がL=07706cmの波長変換素子にψ0=0及びΛPM=02335の式で定められるPMFを用いれば、振幅Φ0PMを0316πから0403πに変えることにより、位相変調QPMスペクトル応答の3つの主ピークの比は1:1:4から4:1:4の範囲に入る。さらに、ピーク比は、Φ0PM=0375πのときに4:175:4であり、Φ0PM=0364πのときに2:1:2である。これらの後者のQPMピーク比は、後に説明されるように、ポンピング光の多モードスペクトルピークの場合に重要になり得る。PPMgLN導波路に適用すれば、上記のPMFは波長でほぼ1061nmを中心にして約19nm離れたポンピング光スペクトルピークの周波数混合に対するQPMを与えるであろう。さらに長いQPM構造及び同じピーク比に対し、それぞれの位相変調深さは本質的に同じである。さらに、偶数または整数のPMF周期に等しくない結晶長による波形打切りの効果は、位相整合スペクトルピークに要求されるある強度比に対して必要な位相変調深さに多少影響する。実用的に重要な範囲にわたる離散矩形PMFのいくつかの例を表1にまとめてある。表1には矩形波PMFパラメータ及び位相整合スペクトル応答におけるピークの強度が示される。MSHG及びMSFGは、同じ長さの真に周期的な位相整合構造の単一モードSHG応答の強度に対して規格化された、位相整合二次高調波発生及び位相整合和周波数発生に帰因する位相整合応答におけるピークの強度である。また別の実施形態において、PMF150はxの台形関数である。関数は周期がΛPMの周期関数である。図9はL=33ΛPMでピーク比が4:1:4の場合に対する台形PMFを示し、対応するスペクトル応答が図10に示される。それぞれの半周期においては、与えられる位相は、単一コントラストをとるのではなく、傾斜区画及び平坦区画にしたがう。対称台形PMFの場合、後者は位相振幅Φ0PM,周期ΛPM,位相シフトψ0,及び平坦部デューティサイクルによって定めることができる。PDCは半周期の分率としての平坦区画の長さに等しい。傾斜区画の長さL傾斜は半周期の残余であり、傾斜率は×振幅Φ0PMである。付加された自由パラメータのため、要求されるある位相整合ピーク比はパラメータの異なる組合せ、したがって異なる台形PMF波形によって得ることができる。よって、台形PMFは、位相整合を変調してスペックル低減及び変換効率に関する最適な性能を得るためのフレキシブルな方法を提供することができる。PMFパラメータセット及び対応する位相整合ピークの優れた規格化強度の例を表2に含めてある。実用的に重要なスペクトル応答範囲にわたる対称台形PMFのいくつかの特定の例を表2にまとめてある。表2には台形波PMFパラメータ及び位相整合スペクトル応答におけるピークの強度が示される。MSHG及びMSFGは、同じ長さの真に周期的な位相正号構造の単一モードSHG応答の強度に対して規格化された、位相整合二次高調波発生及び位相整合和周波数発生に帰因する位相整合応答におけるピークの強度である。与えられた位相の直線傾斜は伝搬方向に沿って一定態様で増加または減少する位相シフトを表す。準位相整合の場合、これは、異なる観点から、QPM構造の局所周期における変化として見ることができる。すなわち、対称連続台形位相変調関数は、3つの異なるQPM周期を有する構造を表すと見ることができる。無摂動構造の周期は、PMFが与えられる位相の平坦部によって表されるデバイス長に沿う領域において見られる。この周期は、PMFが傾斜によって表される領域における、キャリア周期性より1つは小さく、1つは大きい、2つの値の内の1つに固定される。比較的平滑な投影面に対しては、均等に離れた位相整合ピークを生成する上述した方式によって許容され得るより大きな可視周波数変換後スペクトルピーク間隔を有することが望ましいであろう。そのような場合、ΔkSFGは、2つの外側のピークが2つの二次高調波発生過程に対する波数のずれを一致させるように合わされる、3つの等間隔準位相整合ピークをもつQPM超構造の中間位相整合ピークの中心からかなりシフトされるであろう。そのような場合、3つの周波数変換プロセスの全てが適切に位相整合されることを保証するための手段がとられるべきである。これを達成するための一方法は、より短い結晶を有する波長変換素子を用いて、上述したような3つの等間隔準位相整合ピークを生成することである。波長間隔がより大きな準位相整合ピークを必要であることにより、離散PMFの周期が縮小されることになり、同時に、結晶長が短くなるにつれて、準位相整合ピークのそれぞれの幅が増大することになるであろう。粗さがさらに微小なスクリーン上でのスペックル低減が望まれる場合、準位相整合ピークの間隔がさらに広いQPM構造が必要になり得る。この場合、二次高調波発生過程及び和周波数発生過程に対し、ピークを不等間隔Δkベクトルと合わせるために中央準位相整合ピークを若干シフトさせることが必要になり得る。図11は、波長変換素子230が第1の分極反転ニオブ酸リチウム結晶区画280及び第2の分極反転ニオブ酸リチウム結晶区画282を有する実施形態を示す。この実施形態の波長変換素子230では、2つの準位相整合ピークを生成するために二次高調波発生に用いられるべき上述した離散PMFにしたがう位相変調周期性を有するQPM構造が、より低い準位相整合ピークを生成するために和周波数発生に用いられるべき若干異なるQPM周期を有する短い一様QPM構造と組み合わされる。短QPM構造の周期は、和周波性発生準位相整合ピークがΔkSFGのずれを補償するために適切にシフトされ得るような周期である。さらに、準位相整合ピークのスペクトル間隔は、それぞれの準位相整合ピークの歪をもたらすであろう準位相整合ピーク間の干渉を避けるため、それぞれの準位相整合ピークの幅よりもかなり大きくすべきである。関連実施形態において、区画280と区画282の順序を光路に沿って逆にしても同様の性能を得ることができる。ポンピング光の減耗が問題になる場合、区画280と区画282の長さの最適な比は光路に沿ってそれぞれが配される順序に依存して若干変えることができる。外側の二次高調波発生QPMピークを生成する第1の結晶区画280は、準位相整合ピークの2つの準位相整合ピークへの効率的分裂のための、上述した、またはその他の、符号反転手法に基づくことができる。例えば、波長変換素子230の第1の区画280が長さL1にしたがう符号反転による位相変調周期性を有し、二次高調波発生過程に対応する祖手小川の準位相整合ピークが和周波数発生過程に対応する中央準位相整合ピークより4倍高いことが必要であれば、無摂動中央準位相整合ピークの第2の結晶区画L2は、第1の結晶区画の準位相整合ピークが一様QPM格子を有する結晶に比較してほぼ041倍に減衰することを考慮すれば、式:によってL1に関係付けられる。因子041は、位相整合関数の数周期しか位相整合構造の長さ内で適合しない場合に数の変動をもたらし得る、位相整合構造の終端においてPMFがどのように打ち切られるかに実値が依存するから、近似値である。式からL2=035L1が得られ、この実施形態にしたがう総波長変換素子長はL=L1L2=132L1である。上述したように、位相変調区画の長さL1は、041より若干高い2つのスペクトルピークの規格化強度を得るに好ましいPMFの打ち切りを与えるため、mを整数として、ΛPMにほぼ等しい長さに選ぶことができる。次いで、長さL1とL2の比を調節して、3つの出力の光パワーのバランスをとりなおす必要があり得る。和周波数発生に割り当てられる短QPM区画は、光軸に沿って、二次高調波発生に割り当てられる位相変調区画に先行することもできる。限定ではなく、例として、605mm長の第1の分極分極反転ニオブ酸リチウム結晶または周期が1mmでデューティサイクルが50の離散位相変調関数が基本QPM周期Λ1に適用されているQPM格子を有する導波路区画からなる波長変換素子は、基本波長においてほぼ4nm離れた2つの準位相整合ピークを生成するであろう。スペクトルピークの半値全幅は、Δk空間において、になり、基本波長において03nmになるであろう。長さがL2=195mmであり、QPM周期Λ2がΔkSFGを補償するために適切に選ばれている第2の分極反転ニオブ酸リチウム結晶区画は、Δk空間において、の、また基本波長空間において1nmのスペクトル幅を有するであろう。2区波長変換素子は、中間の準位相整合ピークは外側の準位相整合ピークよりかなり広くなり得るから、完全には最適化され得ないことに注意されたい。なお、このことはスペックル低減に必須ではない。2つの基本スペクトルピークのそれぞれが半導体の複数の縦モードを含む場合、位相整合ピークのスペクトル応答の最適強度比が変わる。波長変換素子の出力上の3つの周波数アップ変換後スペクトルピークは、2つの基本スペクトルピークを構成する様々な縦ポンピングレーザモードに対応する狭幅細線の、周波数2逓倍または和周波数混合によって生成された複数のスペクトル線からなるであろう。例えば、ポンピングビームの2つの基本スペクトルピークのそれぞれにM個の縦モードが含まれるとする。規格化強度が1のスペクトルピーク内の単一縦モードの周波数2逓倍の効率をη0とし、3つの、位相整合スペクトルピークまたはQPMスペクトルピークのそれぞれが、1の規格化強度を有するとする。波長変換素子の位相整合スペクトルピークまたはQPMスペクトルピークの帯域幅が様々なモード間の周波数混合の効率を制限しないとすれば、以下の関係が成立する:異なるスペクトルピークに属する周波数成分欄の和周波数発生混合効率に対し、ηSFG=4η0である、及び生成される基本周波数の内の1つ成分の、他の基本スペクトルピークからのモードとの混合を除く、波長変換素子の1つの対応するSFG位相整合スペクトルピークまたはQPMスペクトルピークによって生成される総周波数アップ変換に対し、ηSHG=η0である。この関係は、相対重みが1のそれぞれのポンピング縦モードの周波数2逓倍及び相対重みが4の相異なる縦モードの和周波数混合の寄与を考慮することによって導かれる。スペックルコントラストの最大の低減は、やはり、周波数変換後出力の光パワーが3つの周波数変換後スペクトルピークに間で均等に分配されるときにみられるであろう。これは3つの準位相整合ピークの規格化ピーク効率を、ηSHG1:ηSFG:ηSHG2=4:4になるように、調節することによって得ることができる。M≫1の場合、最適比は2:1:2になる。同じ波長変換素子長に対し、基本スペクトルピークのそれぞれが単一のモードを含む場合と比較して、多モード実施形態では実際に高い総合変換効率が得られることに注意されたい。これは、多モード二次高調波発生準位相整合ピークの総合変換効率が2倍までは高められるからである。スペックルコントラストの最大低減を得るためには、中央和周波数準位相整合ピークの効率がほぼ同じ倍率で高められ、よって総合効率を増強するべきである。この効率増強は、基本スペクトルピークのスペクトル幅が準位相整合応答の準位相整合の許容帯域幅と同等であるかまたはさらに広ければ、弱められ得る。図12~14Bは、多モード実施形態において波長変換素子の3つの周波数変換後スペクトルピークを生成するために利用することができる、位相変調の別の実施形態を示す。図12に示されるPMFは、キャリア周期性Λに適用された場合、位相変調周期性を有する複数のドメインを与える、正弦波関数170である。正弦波関数170は複数の縦モードを有する基本スペクトルピークの文脈で説明されるが、そのような正弦波関数は、基本スペクトルピークが単一の縦モードを有する実施形態においても利用され得ることは当然である。単一モード基本スペクトルピークによる最適スペックル低減に適切なピーク比を与えるため、位相変調の深さを調節することができる。図4~6に関して上述したように複数のドメインの位相を離散的に変調するのではなく、正弦波関数は位相整合Λで定められる正規の周期的位置に対して強誘電性ドメインの位置を連続的にシフトする効果を有する。離散PMFに関して上述したように、位相変調周期性は、準周期分極反転ドメインの形態の非線形光学材料に適用された場合、δkに中心をおく単一準位相整合ピークを3つの準位相整合ピークに分裂させて、中央準位相整合ピーク183の隣に等しく離れた側波帯を生成する効果を有する。正弦波PMF170は位相整合周期Λに比較して非常に大きな周期を有し、したがって非常に小さなkベクトルを有する。したがって、正弦波関数は分極反転ドメインの相対位置に非常に小さな摂動を導入する。特に図12及び13を参照すれば、PMFの一実施形態及び得られた位相変調周期性を有する複数の分極反転ドメインが示される。図12は、位相変調周期Λに適用されると、式:で表すことができる、Δxだけ分極反転ドメインの位置を連続的にシフトさせる、正弦波関数170を示す。ここで、εは位相変調振幅Φ0PMの2倍に等しい位相変調深さである。変調深さεは得られる準位相整合ピーク182,183及び184の相対強度に影響する。図12~14Bに示され、特徴が表される、準周期分極反転波長変換素子は、幅が約025nmで、それぞれが10605nm及び10624nmに中心をおく2つの基本スペクトルピーク125,127を有するポンピングビームによってポンピングされる、7706mm長の分極反転ニオブ酸リチウム導波路である。それぞれの基本スペクトルピークは3つないし5つのモードを含むことができる。したがって、最適スペクトル応答比は4:167:4と4:18:4の間にあるであろう。4:175:4のスペクトル応答比を有する波長変換素子330を達成するため、正弦波関数170によって与えられる変調深さεは約1066πであり、正弦波関数170の周期は約2335mmである。波長変換素子330は、ほぼ33周期の正弦波位相変調関数170がキャリア周期性に適用されている。波長変換素子330の長さは正弦波関数170により与えられる位相変調の最適打切りによって決定することができる。位相変調の最適打切りは、分極反転ドメインの位相変調周期性の長さとシヌソイド関数170の周期の間の関係が式:で与えられるときに得ることができる。ここで、ΛSはシヌソイド関数の周期であり、m=123...である。適切な値の範囲は約から約の間であり、最適中心値はほぼである。波長変換素子330の長さがこれらの範囲の間で選ばれ、シヌソイド関数が波長変換素子の中心に対して対称に適用されていれば、効率×帯域幅領域のほとんどは3つの所望の準位相整合ピーク182,183及び184に保持され、注目する中央波長領域の外側の、使用されない準位相整合ピークには少ししかわたらない。波長変換素子の長さがこの態様で選ばれていれば、波長変換素子の両端での打切りは正弦波関数の、急な傾斜またはその直後ではなく、ピークまたはトラフの直後におこる。位相の余弦のピーク及びトラフは分極反転の周期が位相変調QPM格子によってカバーされる周期範囲の中心近くの値を有する領域である。正弦波関数の傾斜部上で位相が急速に変化する領域は、局所周期が平均周期より実質的に短いかまたは実質的に長い領域である。そのような周期は中心波長から離れた波長に対して二次高調波発生を位相整合させ、よって注目する中央領域の外側まで効率を延び拡げる。図13は導波路変換素子330の一部を簡略に示す。波長変換素子330は、上向き矢印↑及び下向き矢印↓によって示されるように結晶方位が交互する、複数の分極反転ドメイン132を有する。分極反転ドメイン132のそれぞれの位置はキャリア周期性によって定められる正規周期位置に対して縦シフトされる。このシフトは、正弦波PMFにしたがい、連続的である。例えば、ドメイン139は正弦波関数170のピークにしたがってシフトされ、したがって、変調振幅Φ0PMで表される、正規周期位置に対して最大値までシフトされている。図13に示されるように、分極反転ドメイン132の相対位置は連続的に縦シフトされる。図14A及び14Bに示されるように、3つの準位相整合ピーク182,183及び184の応答比180はほぼ4:175:4である。周期分極反転MgOドープニオブ酸リチウム導波路の場合について、図14Aはδk空間における準位相整合ピーク182,183及び184を示し、図14Bは波長空間における準位相整合ピーク182,183及び184を示す。半導体レーザによって発せられたポンピングビームの2つの多モード基本ピーク125,127により、総合変換効率は、図4~6で説明した構造を用いる単一モード基本スペクトルピークを有するポンピングビームの効率のほとんど2倍にもなるであろう。図14Bの場合についてと比較して、変換効率は式:で表すことができる。一般に、それぞれの基本スペクトルピークがN個のモードを含んでいれば、多モード基本ピークを用いた場合と単一モード基本ピークを用いた場合の間で効率はほぼ倍になるであろう。単一モードポンピングスペクトルピークの場合に関連して上述した符号反転構造と比較して、同調曲線の向上した最適化により式から計算される改善は高くなる。いくつかの場合、効率増大は、例えば光パルスのスペクトル帯域幅が準位相整合ピークのQPM許容帯域幅と同等であるかまたはそれより大きい場合に、準位相整合ピークのそれぞれの制限されたQPM帯域幅の効果により、小さくなり得る。また、準位相整合ピーク強度の実験比も、素子作製の不完全性により、理論比と比較していくらかは変わり得る。そのような不完全性には、低いないしそれほど高くはない分極反転忠実性及び導波路に基づく波長変換素子の場合の長さに沿う何らかの導波路非一様性を含めることができるが、これらには限定されない。準位相整合ピーク比の小さな変動がスペックル低減特性に与える効果は一般に小さいであろう。波長変換素子のポンピングに多モード基本スペクトルピークを有するポンピングビームを用いる場合の別の要件は、基本ピークのそれぞれの全スペクトル帯域幅が対応する準位相整合ピークのQPM帯域幅と同等になり得ることである。これは変換効率を制限するか。または準位相整合ピークが基本光周波数をある程度フィルタリングする場合に、準位相整合ピークの最適比に小さな変化を課す。例えば、基本スペクトルピークのそれぞれが波長空間において03nmのスペクトル帯域幅を有していれば、03nmより小さいかまたはこれと同等の準位相整合ピークのいずれの準位相整合FWMH帯域幅もQPMピークによって与えられる変換効率を実質的に変えることができる。前述の多モード解析の限度内にとどまるためには、波長変換素子は波長空間において、少なくとも多モード基本スペクトルピークのスペクトル帯域幅ほどの広さの位相整合ピークを有するべきである。これは波長変換素子の長さに、または複数の準位相整合ピークを生成するために用いられる超構造の複雑さに、制限を課す。準位相整合ピークが狭くなるほど、スペックル低減に最適なピーク比の変化は小さくなるが、同じ最大応答強度をもつ十分に広い準位相整合ピークに比較して、総合アップ変換効率は低くなる。他方で、QPM波長変換素子が長くなることで準位相整合ピークが狭くなっているときに、これらの準位相整合ピークの最大強度は高くなり、多くの場合、総合効率を高めるであろう。波長変換素子の長さにおける制限は総合変改効率を制限し得る。例えば、それぞれの基本スペクトルピークの幅が03nmであれば、それぞれの準位相整合ピークの幅も少なくとも03nmであるべきであり、スペクトル分裂に加えてスペクトル拡幅を可能にする、より巧緻な超構造を設計するための手段がさらにとられない限り、全素子長は6mmより長くし得ないことになる。この場合にも、図11に説明され、示される、特定の分極反転ドメインにより達成される2つの準位相整合ピークを有する第1の結晶区画280及び後続するΔkSFGを整合するためにシフトされた1つの準位相整合ピークをもつ、第2の、短い一様分極反転結晶区画282を有する2区波長変換素子を利用することができる。中央ピーク強度を高める必要があることから、全長の中央ピーク強度の相対部分を大きくし、帯域幅を狭めることになる。中央準位相整合ピークの帯域幅は外側の位相整合ピークに比較して不必要に大きくなり得るから、この実施形態はスペックルを低減し、帯域幅を効率的に利用することができる。帯域幅が十分であるとすれば、非常に多くのモードを含むポンピングスペクトルピークについて、長さの比は式:によって決定することができる。限定ではなく、例として、全長が8mmの波長変換素子は、長さL1が約552mmの第1の位相反転結晶区画280及び長さL2が約248mmの、中央和周波数準位相整合ピークのための、第2の一様分極反転結晶区画282を有するであろう。波長空間における3つの二次高調波発生準位相整合ピークのQPM帯域幅は約036nmであろう。和周波数発生準位相整合ピークのQPM帯域幅は約083nmであろう。二次高調波準位相整合ピークが帯域幅が不十分であることによって変換効率を低下させていれば、スペックルコントラストを最小限に抑えるために和周波数発生準位相整合ピークに対する効率を対応して低下させるため、和周波数発生準位相整合ピークを生成する付加QPM区画の長さを若干短くするべきである。ΔkSHG1とΔkSHG2の平均に対するΔkSFGのシフトに関する上述した制限は多モード応用にも適用できる。したがって、より大きな準位相整合ピークの周波数間隔がスペックル低減に必要な場合に、十分な帯域幅には長さが不足している分極反転構造を有する波長変換素子、または中央準位相整合ピークがシフトされている分極反転構造を有する波長変換素子を用いることができる。最適スペックル低減に対し、波長間隔が非一様な出力準位相整合ピークの比はやはり4:4の比にほぼ一致するように選ばれるべきである。波長変換素子のための分極反転構造を設計する際に考慮する必要があり得る別の要件は、DBRレーザによって発せられる個々のモードが正確に同じパワーを有してはいないことがあり得ることである。したがって、多モード応用のための波長変換素子のQPM設計は3つの出力スペクトルピークの強度を等化するため、若干調節する必要があり得る。別の要件は、2つのポンピングスペクトルピークの出力パワーが若干異なり得る場合である。この場合、ポンピングスペクトルピークにおける不等パワーを補償するため、中央ピークの位置に対するQPMピーク強度の対称性を破ることができる。これは、説明した周期PMFのいずれにおいても適切な非ゼロ位相シフトψ0を適用することによるか、または位相変調関数に二次チャーピングをかけることにより、達成することができる。あるいは、線形導路特性を変えることによるチャーピングをかけるため、非一様導波路設計を利用することができる。QPM構造の中心に対してPMFをシフトさせる結果、必要に応じて強度が不等なSHGに対して側帯準位相整合ピークを利用するであろう、位相シフトが得られる。本明細書に説明される実施形態が2つの基本スペクトルピークを発する半導体レーザ及び3つの周波数変換後スペクトルピークを有する出力ビームを発する波長変換素子に限定されないことに注意されたい。例えば、上述した方法は、05nmより大きく離れた、5つまたは6つの強度がほぼ等しい周波数変換後スペクトルピークを発して、またはのスペックル低減をもたらす、周波数変換光システムを設計するために用いることができる。この場合、半導体レーザは3つの等間隔または不等間隔の基本スペクトルピークを発し、波長変換素子は、3つは二次高調波発生に対し、2つまたは3つは和周波発生に対する少なくとも5つまたは6つの位相整合ピークを有するように設計される。基本スペクトルピークの波長の間隔が一様ではない場合、3つのSFG波長の内の1つは中間SHG波長に一致するであろう。7つ,8つ,9つ以上の周波数変化後スペクトルピークを発するレーザを設計することができ、それぞれの場合に、レーザはNの等間隔の基本スペクトルピークを発し、波長変換素子は、SHGまたはSHGSFGに対してはN個、SFGだけに対しては個の、個以上の準位相整合ピークを有する。波長間隔が非一様なN個の基本スペクトルピークに対し、SHGに対してはN個、SFGに対してはN2個の、フルセットでN2個までの出力ピークが生成され得る。同じ長さの無摂動位相整合構造の単一ピークに比較して、多ピーク位相整合設計の位相整合ピークのそれぞれの低い変化能率を補償するため、パルス動作による変換効率利得を用いることができる。別の実施形態において、非線形素子における光強度は、ポンピングレーザの共振器内部に非線形光媒質が挿入される、共振器内波長変換によって、あるいは非線形媒質が入っている別の共振器内で基本光信号またはアップ変換後光信号を共振させることにより、高めることができる。さらに、変換効率は、ポンピング光が非線形媒質内をポンピング利得媒質から離れる方向及び逆のポンピング利得媒質に向かう方向のいずれにも進むときに周波数アップ変換後信号が発生される、非線形媒質内の二重パス波長変換によって高めることができる。以上の詳細な説明では、特許請求されるような本主題の本質及び特質を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。当業者には、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本明細書に説明された実施形態に様々な改変及び変形がなされ得ることが明らかであろう。したがって、本発明の改変が添付される特許請求項及びそれらの等価形態に範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。好ましい、普通に及び一般にのような用語は、本明細書に用いられる場合、特許請求される発明の範囲を限定すること及びある特徴が特許請求される発明の構造または機能に肝要であるか本質的であることを、または重要であることすら、意味することは意図されていないことに注意されたい。むしろ、これらの用語は本発明の特定の実施形態に利用されてもされなくても差し支えない別のまたは追加の特徴を強調することが意図されているに過ぎない。さらに、別の値、パラメータまたは変数の関数である、値、パラメータまたは変数への言及は、それらの値、パラメータまたは変数が唯一無二の値、パラメータまたは変数の関数であることを意味するととられるべきではないことに注意されたい。本発明を説明し、定める目的のため、用語実質的に、ほぼ及び約は本明細書で、いずれの量的な比較、値、測定値またはその他の表現にも帰因させることができる固有の不確定性の度合いを表現するために用いられていることに注意されたい。用語実質的には本明細書で量的表現、例えば実質的にゼロより上が言明された基準、例えばゼロから変化する度合いを表すためにも用いられ、量的表現が容易に弁別できる大きさだけ言明された基準から変わることが必要であると解されるべきではない。"