WO2007026510A1

WO2007026510A1 - ファイバレーザおよび光学装置

Info

Publication number: WO2007026510A1
Application number: PCT/JP2006/315672
Authority: WO
Inventors: Kiminori Mizuuchi; Kazuhisa Yamamoto; Hiroyuki Furuya
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2007-03-08
Also published as: JPWO2007026510A1; US20090279573A1; US7826500B2; CN101253659B; CN101253659A

Abstract

　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。

Description

明細書

ファイバレーザおよび光学装置

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力知られている。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。し力しながら、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といつ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、固体レーザファィ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。上記ファィ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、レ一ザ発振する。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、光フアイバ増幅器力も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つの偏光成分にぉ、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、モードでレーザ発振を行って、る。特許文献 1：特表平 11― 501158号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[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!/、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、固体レ一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、て、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、偏波保存フア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 LiNbO、 Mgドープ

3

LiTaO、 KTiOPO、ストィキオメトリック組成の Mgドープ LiNbO、ストィキオメトリック組成の Mgドープ LiTaO ( \、ずれかであっても良!、。

3

[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、固体レ一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、固体レ一ザファイノ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、ブリュースタ一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次元スィ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、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、 44、 61、 111 波長変換素子入射面

、 42、 65 反射膜

、 66、 77 高調波

集光光学系

Pe偏光

0 Po偏光

1 ARコート

2 P偏光

3 S偏光

1 集光光学系

3 ファイバ

5 出射面

3、 64 端面

2、 102 プリズム

21 コヒーレント光源

22 コリメート光学系

3 インテグレータ光学系 4 拡散板

5 液晶パネル

6 投影レンズ

7 スクリーン

1 RGBレーザ光源

2、 133 ミラー

4 スクリーン

1 導波板

2 拡散板

3 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 λ ρ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、希土類元素力 S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 λ ρ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 λ ρの光により活性ィ匕され、波長 λ 1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。波長え 1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、固体レーザファイノ 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 λ 1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っため、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 LiNb03)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。固体レーザフアイバ 3から出射された入射光 11は、入射面 5に対して入射角 Θ in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 Θ psで示す。偏光角差 Θ ps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で角度を持つて反射され、 P偏光 23と分離される。このときの入射角 Θ inと入射面 5での P偏光 2 3の反射率と、入射角 Θ inと結晶内での P、 S偏光の成す偏光角差 Θ psの関係を PP MgLNの場合にっ、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 Θ psは入射角 Θ inとともに増大する。偏光角差 Θ ps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 Θ psを設ける。好ましくは、入射角 Θ inは 30度以上であり、さらに好ましくは、入射角 Θ inは 60度以上である。入射角 Θ inが 60度以上になると、偏光角差 Θ ps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 Θ ps は飽和する。

[0039] 入射角 Θ in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力結晶の 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 Θ in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 Θ inに対する入射面 5での S偏光 22の反射率と、入射角 Θ inに対する結晶内での P、 S偏光の成す偏光角差 Q ps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 Θ ps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 Θ inの値としては、「ブリュースター角士 10度」が好ましく、さらに好ましくは「ブリュースター角士 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ぐ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°C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 Θ ps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力つた。一方、本実施形態によれば、固体レーザファイバ 3が細ぐコアが小さいため、小さな偏光角差 Θ ps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からの光が損失なぐ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アイバが好ましい。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— l lOOnm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！、ずれかの元素を含む構成を用いても良、。 Ndドープファイバを用いれば 1060 nm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、出力の安定ィ匕が図れる。偏波保存ファイバを用いない場合は、外乱によりフア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、 KTiOPO

4、 LiNbO

3、 LiTaOま

3 たは Mgをドープした LiNbO、 LiTaOまたはストィキォ LiNbO、 LiTaO等がある。

3 3 3 3 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力である。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、固体レ一ザファイノ 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。スベクトルが狭帯域ィ匕することで、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。本実施形態のフアイバレーザは、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とファイノ 3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。本実施形態のフアイバレーザは、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の発振スベクトルをより狭帯域ィ匕できる。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。本実施形態のフアイバレーザは、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、固体レ一ザファイバ 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 Θ in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 Θ in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ぉ、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。これによつて 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。本実施形態のフアイバレーザは、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アイバ 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。本実施形態のフアイバレーザは、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。偏波保存フアイバにより偏光の安定ィ匕が図れ、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。本実施形態のファィバレーザは、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。本実施形態のファィバレーザは、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!、。

[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、単一モードィ匕が劣化する。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次元スィ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 12 7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 5mmZs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ぐ緑色に関しては半導体レ一ザの形成が難しい。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次元スィッチとして、液晶パネル 125以外に、反射型液晶スィッチや 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 13 4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!/、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ィッチ機能を備える。

[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、 RG B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。これによつて、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に示すファィ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 1 41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 14 4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 1 48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、フアイバレーザを備えた RGBレーザ光源を用いれば、単一の光源カゝら 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、ずれのファイバレーザを備えても良!、。

[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っため、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°C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、ずれのファイバレーザを備えても良!、。

[0093] なお、実施形態 9から実施形態 12にお、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、シングルモードィ匕が必須である。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

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ノックライト等に有用である。

Claims

請求の範囲

[I] 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

[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。

[3] 前記波長変換素子が複屈折率を有して!/、る請求項 1に記載のファイバレーザ。

[4] 前記波長変換素子が反射要素を備えて!/、る請求項 1に記載のファイバレーザ。

[5] 前記固体レーザファイバ力偏波保存ファイバである請求項 1に記載のファイバレ一ザ

[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。

[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。

[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プリユースター角条件を満足して、る請求項 1に記載のファイバレーザ。

[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一ザ

[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。

[II] 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に記載のファイノくレーザ。

[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。

[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 LiNbO

3、 Mgドープ LiTaO、 KTiOPO、ストィキオメトリック組成の Mgドープ LiNbO、ストィキオメトリック組成の Mgドープ LiTaOの!、ずれかである請求項 1に記載のファイバレーザ

3

[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。

[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。

[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、て、る請求項 1に記載のフアイバレーザ。

[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。

[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。

[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。

[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。

[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。

[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。

[23] 前記画像変換光学系が 2次元スィッチである請求項 21に記載の光学装置。

[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。

[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。

[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。

[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。