波長変換レーザ光源及びレーザ波長変換方法
【課題】動的な温度変化に対応する安定した波長変換効率が得られるＳＨＧ型レーザ光源を提供する
【解決手段】レーザ光源４と該レーザ光源３から出射されるレーザ光線を集光し焦点化するコリメートレンズ９より構成されるレーザ光源部３と、当該レーザ光線の焦点位置に入射面が位置し前記レーザ光線の基本波を第２高調波に変換する円柱型分極反転デバイス１と、円柱型分極反転デバイス１の円柱の中心軸を回転中心として回転させる回転制御部１０と、を備え、円柱型分極反転デバイス１は、円柱縦断方向に、順分極領域と反転分極領域とが交互に配置される分極構造を有し、当該円柱型分極反転デバイス１を回転して該レーザ光線の通過する円柱横断方向に当該両分極領域幅の分極構造の周期を変化させる。
【解決手段】レーザ光源４と該レーザ光源３から出射されるレーザ光線を集光し焦点化するコリメートレンズ９より構成されるレーザ光源部３と、当該レーザ光線の焦点位置に入射面が位置し前記レーザ光線の基本波を第２高調波に変換する円柱型分極反転デバイス１と、円柱型分極反転デバイス１の円柱の中心軸を回転中心として回転させる回転制御部１０と、を備え、円柱型分極反転デバイス１は、円柱縦断方向に、順分極領域と反転分極領域とが交互に配置される分極構造を有し、当該円柱型分極反転デバイス１を回転して該レーザ光線の通過する円柱横断方向に当該両分極領域幅の分極構造の周期を変化させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換レーザ光源に関し、詳細には、二次高調波発生素子によって波長変換を行う波長変換レーザ光源が安定した波長変換性能を有するレーザ光源及びレーザ波長変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、カラーレーザディスプレイの高輝度化のために、ワットクラスの出力が得られるレーザ光源が必要とされている。このため、レーザ光源として高出力のＡｒガスレーザやＫｒガスレーザ等が使用されてきた。しかし上述のようなガスレーザ光源は、エネルギー変換効率が０．１％程度と悪く、また水冷機構が必要であるため、装置が大型化し、コストが非常に高いという問題があった。
【０００３】
そこで近年、可視の短波長レーザ光源としてＬＤ励起ＳＨＧレーザが使用され始めた。例えば波長が１０６４ｎｍのＬＤ励起ファイバーレーザを用いた５３２ｎｍの緑色波長を発するレーザではガスレーザよりもエネルギー変換効率が高いものが得られている。（特許文献１参照）。
【０００４】
短波長化の技術としては、ＬＤ励起ファイバーレーザと擬似位相整合（ＱＰＭ)方式の分極反転型デバイスを用いた第２高調波発生（ＳＨＧ）がある。
【０００５】
図１１は一般的なＬＤ励起ファイバーレーザの概略図である。図１１を参照すると、ＬＤ励起ファイバーレーザは、ファイバーレーザ１０１と、ポンプレーザダイオード１０２とを備えている。ファイバーレーザ１０１は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１０３内のＹｂイオンを励起させるようになる１０００ｎｍおよび１１００ｎｍの間の範囲の波長、例えば１０６４ｎｍで第２のポンプ放射を生成するように構成されている。ファイバーレーザ１０１は、好ましくは、第１及び第２のブラッグ回折格子１０４、１０５とを含む。ブラッグ回折格子１０４、１０５は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１０３の両端部にライディングされ、ファイバーレーザ１０１のファブリーペロー共振空洞部の境界を画する。ポンプレーザダイオード１０２は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１０３の一端部に光学的に結合され、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１０３をポンピングするための励起光を生成するようになっている。Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１０３の反対側の端部は、第２のポンプ光を出射するためのファイバー１０６に接合されている。（特許文献２参照）
さらに、ファイバーレーザを高い変換効率で第二高調波に変換するために、ファブリーペロー共振空洞部に偏光素子、例えば、ブリュースター角石英ガラスプレートを設け、特性方向に偏光ビームを選択できる偏光素子の作用によって、ＬＤ励起ファイバーレーザを直線偏光にする方法が開示されている。（特許文献３参照）
ファイバーレーザ１０１から出射したレーザ光はコリメートレンズ１０７によって並行にされ、フォーカシングレンズ１０８によって分極反転デバイス１の端面を通りに分極反転領域１１０内に集光される。分極反転領域１１０を伝播して、レーザ光の成分が高調波に変換され、この高調波および変換されなかった基本波が分極反転型デバイスの出射端面より出射される。（特許文献４参照）
分極反転型デバイス１０９の形成法としては、例えばＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３などの強誘電体基板の表面に櫛形電極、裏面には平面電極を形成し、電極に電圧を印加することで周期状の分極反転領域を形成する方法が開示されている。（特許文献５参照）
分極反転デバイス１０９は、波長変換効率の高効率化のために、該分極反転デバイス１０９の位相整合波長許容幅が０．１ｎｍ程度と小さく設定されている。
【特許文献１】特開２０００−３１４９２０号公報
【特許文献２】特開２００１−１４４３５４号公報
【特許文献３】特開２００３−２５８３４１号公報
【特許文献４】特開２００２−１６４６１６号公報
【特許文献５】特開２００２−９９００９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
工業用途のレーザ光源においては、安定した波長変換効率を得るために、発振波長を固定し、電子冷却素子により温度を固定する方法が取られているが、電子冷却素子など比較的高価な部品を用いて光源を安定させることや、使用温度環境を限定して使用することが許容されてきた。しかしながら、テレビに代表される民生用途のカラーディスプレイでは、一般的な動作保障温度は０〜４０℃と広く、また安価であることも強く要望されていることから、容量の大きい電子冷却素子を用いることは現実的ではない。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、動的な温度変化に対応し、波長変化が起きても安定した波長変換効率を確保したレーザ光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明の波長変換レーザ光源は、波長変換を行なう波長変換レーザ光源において、レーザ光源と該レーザ光源から出射されるレーザ光線を集光し焦点化するコリメートレンズより構成されるレーザ光源部と、当該レーザ光線の焦点位置に入射面が位置し前記レーザ光線の基本波を第２高調波に変換する円柱型分極反転デバイスと、前記円柱型分極反転デバイスの円柱の中心軸を回転中心として回転させる回転制御部と、を備え、前記円柱型分極反転デバイスは、円柱縦断方向に、順分極領域と反転分極領域とが交互に配置される分極構造を有し、当該円柱型分極反転デバイスを回転して該レーザ光線の通過する円柱横断方向に当該両分極領域幅の分極構造の周期を変化させることを特徴としたものである。
【０００９】
また、本発明のレーザ光波長変換方法は、波長変換を行なうレーザ光波長変換方法において、レーザ光線を円柱型分極反転デバイスの円柱側面に入射し、雰囲気温度範囲に対応して前記円柱型分極反転デバイスを回転して該レーザ光線が通過する円柱型分極反転デバイスの分極構造の周期を変化し、前記レーザ光線の基本波を第２高調波に変換することを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の波長変換レーザ光源及びレーザ波長変換方法によれば、動的な温度変化による波長変化に対応し、広い温度帯域で安定した波長変換効率を確保することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の波長変換レーザ光源の実施の形態を、図面とともに詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
本実施形態では、本発明の波長変換レーザ光源の好ましい一形態について、図１から図７を用いて説明する。
【００１３】
図１は本実施例における波長変換レーザ光源を模式的に示したものである。図１（ａ）は波長変換レーザ光源１２を模式的に示したものであり、ＬＤ励起ファイバーレーザおよびコリメートレンズ９よりなる光源部３および光源部３ら出射したレーザ光が集光する位置に配置された周期的な分極反転領域２が形成された円柱型分極反転型デバイス１、回転制御手段１０及び温度検出器１１とからなる。即ち、波長変換型レーザ光源１２は、ＬＤ（レーザダイオード）励起ファイバレーザ３を用い、レーザ源としては、レーザ源の温度検出機能をもつポンプレーザダイオード４を有する。
【００１４】
ここで、ＬＤ（レーザダイオード）励起ファイバレーザ３の詳細は従来のＬＤ励起ファイバーレーザと同様であるので詳細な説明は省略する。
【００１５】
図１（ｂ）は本実施例における円柱型分極反転デバイス１の側面とレーザ光の通過位置を示す模式図である。以下に分極反転デバイス１の周期を変化さす回転制御手段１０について説明する。円柱型分極反転デバイス１の一端部は外周部に歯車を有する円柱状平歯車構造を有する円柱型分極反転デバイス１の裏面電極として構成される。そしてその平歯車１７と噛み合うラック１０とから構成されている。もちろん裏面電極２３に重ねて平歯車構造を有する円柱型平歯車１７を構成することができる。ラック１０は、平歯車１７に組み合わされ直線運動を回転運動に変換するので、このラック１０の直線運動を制御して円柱型分極反転デバイス１を回転させ、レーザ光線の通過する位置を変化して分極反転周期を制御し、温度変化に対応し安定した波長変換を行なうものである。また、ラック１０に代えてウォームギア（図示せず）を用いて、ウォームギアの回転運動を制御して分極反転デバイス１を回転制御することもできる。
【００１６】
本実施例の特徴は、円柱型分極反転デバイス１の形状及び回転制御手段１０を用いて円柱型分極反転デバイス１を制御することで、光学調整が緩和され雰囲気温度の影響が少なく、すぐれた波長変換効率を確保することにある。
【００１７】
図２は、本実施例における円柱型分極反転デバイスの作製方法を模式的に示したものである。
【００１８】
図２（ａ）は、絶縁基板２２の基板表面に一方の電極部を構成するための金属薄膜１３を形成した状態を示す模式図である。図２（ｂ）は、金属薄膜１３の上にレジスト１４を塗布した状態を示す模式図である。図２（ｃ）は、レジスト１４上にパターンマスクを介して紫外線を照射しレジストパターン１６を形成した状態を示す模式図である。図２（ｄ）は、レジストパターン１６以外の金属薄膜をエッチング処理し電極を形成した状態を示す模式図である。図２（ｅ）は、基板表面に電極を形成後、基板裏面に金属薄膜を形成し、他方の電極１７を形成した状態を示す模式図である。図２（ｆ）は、基板表面、裏面に形成した電極にパルス電界を印加し、分極反転層１８を形成した状態を示す模式図である。
【００１９】
分極反転デバイスとしては、厚さ１ｍｍ、φ２８ｍｍのリチウムナイオベートにマグネシウムが含有され、結晶方位がＺ軸に配向された基板２２(山寿セラミクス社製）を用いて、図２（ａ）のように、基板表面（＋Ｚ面）にタンタルをスパッタ装置（アルバック社製）で１００ｎｍの薄膜１３を作製した。タンタル薄膜１３作製後、図２（ｂ）のようにｉ線用のレジスト１４（住友化学社製）をコーター・デベロッパ装置（東京エレクトロン社製）を用いて塗布した。繰返しパターンの周期構造を有するマスクが装着された露光器（ズース・マイクロテック社製）にコンタクトさせ、ｉ線の光（波長３６５ｎｍ）を照射した後に、基板表面にＮＳＤ−ＴＤ２．３８％（東京応化社製）を塗布し現像を行うことで、図２（ｃ）に示すように繰返しパターンのレジストパターン１６を有する基板を作製した。レジストパターン１６の形成後、図２（ｄ）のようにエッチングを行い、＋Ｚ面に周期構造の電極１６を有する基板１２を作製する。
【００２０】
その後、図２（ｅ）のように基板裏面（−Ｚ面）にもスパッタ装置（アルバック社製）を用いて１００ｎｍのタンタル薄膜を成膜することで、裏面電極２３を形成する。＋Ｚ及び−Ｚ面に電極を形成後、図２（ｆ）に示すようにパルス電界１９を印加することで、＋Ｚ面及び−Ｚ面が電極で覆われた部分の結晶方位が電界により結晶内部で原子が移動し分極方位が反転し、分極反転層１８が形成される。以上のようにして、周期構造を有し、結晶方位が＋Ｚ面と−Ｚ面となった分極反転デバイス１を作製する。
【００２１】
さらに、基板裏面に形成される裏面電極２３部に円柱部を延長し、この延長円柱の外側に歯車構造を形成する。また、円柱型分極反転デバイス１の裏面電極２３側を延長してＯリング（図示せず）を介在させ、中空円筒状の平歯車１７の中空部にはめ込み固着させることで、回転制御機構１０を作製することもできる。
【００２２】
図３は、レーザ光源からの１０６４ｎｍのレーザ波長を５３２ｎｍに変換する場合の分極反転デバイス１の波長変換効率と温度特性について示したものである。横軸は分極反転デバイス近傍の雰囲気温度、縦軸は波長変換効率を示すもので、温度を波長変換効率が最も高く得られる値で規格化した規格化変換効率である。
【００２３】
図３から、波長変換効率が最もよいのは２２．５℃であり、これから１℃ずれると波長変換効率はほぼ０になることがわかる。すなわち、雰囲気温度の変化、言い換えれば分極反転デバイス１に入射してくる光の波長に依存して、分極反転デバイスの波長変換効率は大きく変化することがわかる。
【００２４】
図４は、円柱型分極反転デバイス１の温度変化による波長ずれに対する最適な分極反転周期を示したものである。横軸は分極反転デバイス１の雰囲気温度、縦軸は、レーザ光の１０６４ｎｍの波長を５３２ｎｍの波長への波長変換に最適な分極反転周期を示すものである。
【００２５】
分極反転デバイス温度が２０℃の時に光源部から１０６４ｎｍの波長が出射されていると、図４よりこのとき最も効率よく波長変換できる分極反転周期は７．０５μｍであることがわかる。さらに、雰囲気温度が０℃の時には、６．８７μｍ、そして雰囲気温度が４０℃の時には７．２μｍ、雰囲気温度が５０℃の時には７．３μｍの分極反転周期が最も効率よく波長変換できることがわかる。そのため、分極反転周期は分極デバイスの単位温度の温度変化に対して、０．００８２５μｍの比率で変化することがわかる。
【００２６】
図５は、本実施例における円柱型分極反転デバイス１とレーザ光が通過する分極反転周期パターン位置の回転制御を模式的に示したものである。分極反転デバイス１は厚さ１ｍｍ、直径２６ｍｍの円柱形状である。図２に示したように、分極反転層１８は、円柱型分極反転デバイス１の縦断方向に形成され、レーザ光線は円柱型分極デバイス１の横断方向に入射し、２０℃においては、この縦断方向面に対し垂直に入射する。図５（ｂ）の周期パターン方向Ｐがこの垂直入射を示すものである。
【００２７】
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、回転制御部１０は、直線状に歯を取り付けたいわゆるラックと円柱型分極反転デバイス１に構成される平歯車と組み合わせた構造を有し，回転運動を直線運動に変換して分極反転周期パターン位置の回転制御するものである。
【００２８】
図５（ａ）は、円柱型分極反転デバイス１の上面図を示すもので、分極反転周期パターンは入射されるレーザ光に対して、垂直方向に配置された模式図である。このレーザ光の入射方向を周期パターン方向Ｐと呼ぶ。図５（ａ）においてはレーザ光が通過する分極反転パターン構造の分極反転周期はΛ１となっている。図５（ｂ）は、円柱型分極反転デバイス１の上面図を示すもので、ラックの直線運動を分極反転デバイス１に構成された平歯車を利用して回転運動に変換し、入射されるレーザ光は、周期パターン方向Ｐに対して傾斜角θを有する状態で配置された模式図である。図５（ｂ）においてはレーザ光が通過する分極反転周期はΛ２となり、Λ２＞Λ１となる。
【００２９】
また、回転制御部１０をラックと平歯車との組み合わせた構造を用いたが、平歯車構造、ウォームギアなどで回転制御ができる。
【００３０】
ここで、分極反転デバイス１が円柱型となっていることで、コリメートされたレーザ光が分極反転デバイス１に入射されると、分極反転デバイス１中で集光されるということと、角度θを傾けた状態においても、レーザ光の屈折の影響がなく、分極反転が垂直方向に配置された状態と同様な光路を通過するため、システム全体の光路のずれが発生しないといった特徴がある。即ち、円柱型の分極反転デバイス１の側面へのレーザ光の入射角が一定となり、レーザ光の屈折の影響を受けないからである。図５（ｃ）は、周期パターン方向Ｐとの傾斜角θとレーザ光が通過する分極反転周期Λ２の関係を示したものである。図５（ｃ）から分極反転周期Λ２は１０度傾けた時に７．００μｍが、２０度傾けた時に７．３３μｍとなっていることがわかる。
【００３１】
本発明の実施例において、分極反転デバイス１が円柱型として説明したが、分極反転デバイスの少なくとも入射される端面が曲率を有する形状であれば、同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００３２】
図６は、円柱型分極反転デバイス１周辺の雰囲気温度と円柱型分極反転デバイス１を円柱の中心軸を回転軸として回転させた場合の回転軸の傾きθ（周期パターン方向Ｐに対する傾斜角と同じである。）の関係を示したものである。横軸は円柱型分極反転デバイス１の温度、縦軸は波長変換に最適な分極反転デバイス１の傾きである。図６より温度範囲０〜５０℃において、円柱型分極反転デバイス１は０〜２０度の範囲内で変化すれば、温度０〜５０℃の範囲で適した分極反転周期が達成することがわかる。
【００３３】
図７は、本実施例における円柱型分極反転デバイス１を用いて０℃から５０℃の温度範囲に対応して、円柱型分極反転デバイス１の回転軸を制御した時の波長変換効率の関係を示したものである。横軸は円柱型分極反転デバイス１近傍の雰囲気温度、縦軸は波長変換効率が最も高い値で規格化した規格化変換効率である。
【００３４】
円柱型分極反転デバイス１の雰囲気温度に対応して、円柱型分極反転デバイス１の回転軸を制御することで、波長変換効率は温度に対してほぼ安定していることがわかる。
【００３５】
図３と図７を比較すると、本実施例の構成において、周囲温度が０℃〜５０℃に亘って変化しても、円柱型の分極反転デバイス１の円柱の中心軸を回転中心として周囲温度に対応した角度だけ回転させることにより、波長変換効率を１近くにすることができる。
【００３６】
従って、上述のように、波長変換レーザ光源を構成することで、広い温度範囲で優れた波長変換特性を有する波長変換レーザ光源を提供することが可能となる。特に、分極反転デバイスは位相整合波長許容幅が狭いので、本実施例のように基本波がレーザダイオードあるいはファーバーレーザより出射されるビーム品質が高く波長幅が狭いレーザ光との組み合わせでは、安定した波長変換特性を確保する有用な技術である。
【００３７】
本実施例では、１０６４ｎｍの波長を５３２ｎｍに変換する波長変換レーザ光源として説明したが、波長変換レーザ光源の波長を限定するものではなく、本発明の効果はあらゆる波長の波長変換レーザ光現に適用できることは言うまでもない。
【実施例２】
【００３８】
本発明の実施例について図８から１０を用いて説明する。
【００３９】
図８は本実施例における波長変換レーザ光源を模式的に示したものである。図８（ａ）は波長変換レーザ光源２９を模式的に示したものであり、ＬＤ励起ファイバーレーザおよびコリメートレンズよりなる光源部３および光源部３から出射したレーザ光が集光する位置に配置された周期的な分極反転領域２が形成された分極反転デバイス１、回転制御部１０とからなる。
【００４０】
本実施例における円柱型分極反転デバイス１は、分極反転デバイス１の近傍の温度検出器を有さずとも、波長変換レーザ光源２９のレーザ発振素子のフィードバック回路で用いられる温度検出器を介して温度検知することで、円柱型分極反転デバイス１の回転軸が角度範囲を有して変動するように構成されている。その他の構成は実施例１と同様であるため、詳細な説明は省略する。また、円柱型分極反転デバイス１の作製方法も図２に示したものと同じである。図８（ｂ）は本実施例における分極反転デバイス１の側面とレーザ光の通過位置を示す模式図である。以下に回転制御手段１００について説明する。円柱型分極反転デバイス１の外周部が歯車構造をもつ中空円筒状の平歯車の中空部と固着するように構造される。もちろん裏面電極２３に重ねて平歯車構造を有する平歯車１７を構成することも可能である。そして、その平歯車１７と噛み合う平歯車１７１，１７２とから構成されている。平歯車１７と噛み合う平歯車としては、右回転する平歯車１７１或いは、左回転する平歯車１７２のいずれか又は両方の平歯車を使用して回転制御する。
【００４１】
図９は分極反転デバイスの謡動と波長変換効率の関係を示したものである。横軸は時間、縦軸は波長変換効率が最も高い値で規格化した規格化変換効率である。
【００４２】
図９（ａ）は波長変換レーザ光源を２０℃から２５℃の範囲で円柱型分極反転デバイス１の回転制御をしない場合を示すものである。ポンプレーザダイオード４に含まれる温度センサ（図示せず）より温度を検出し、測定された温度に基づいて所定の分極周期が得られるように円柱型分極反転デバイス１を回転制御する。即ち、周波数が０の状態であり、一定周期で回転駆動をせず、測定温度に応じて所定の角度だけ円柱型分極反転デバイス１を円柱の中心軸を回転中心として回動するだけである。この場合、検知した波長変換レーザ光源の温度と分極反転デバイス１の温度の間にギャップが発生して、雰囲気温度に合致した反転周期が得られず、波長変換効率は低下する場合がある。
【００４３】
図９（ｂ）は波長変換レーザ光源を２０℃から２５℃の範囲で温度が変化するように制御された時、回転制御部１０を用いて円柱型分極反転デバイス１を周期パターン方向Ｐに対して、０度から６度の範囲で回転制御した場合を示す。その際の周期変化は、一秒間に５０回往復運動させることで（周波数：５０Ｈｚ）、レーザ光が通過する分極反転周期は経時的に変化させた場合の波長変換効率を示す。
【００４４】
図５において、円柱型分極反転デバイス１の回転角度を変化すれば分極反転周期を制御することができるので、雰囲気温度に対応して回転角度を変化させれば、分極反転周期を制御できる。即ち、円柱型分極反転デバイス１の回転角度を制御することで、温度変化に適した分極反転周期を実現できるが、正確な雰囲気温度を検出して当該温度に対応して分極反転デバイス１の回転角度を制御しなくとも、所定の温度範囲に対応する回転制御を行い、分極反転デバイス１を一定の周期で左右に回転させて（以下、揺動という。）分極反転デバイス１の分極反転周期を変化させる。このように制御すると、雰囲気温度に合致した反転周期のタイミングが周期的に得られ、検知した波長変換レーザ光源の温度と分極反転デバイスの温度の間に発生するギャップの影響が緩和され、波長変換効率の低下の少ない所定の波長変換効率を得ることができる。
【００４５】
分極反転デバイスの温度に対して、一定の周期で分極反転デバイスの回転軸を制御することで、分極反転デバイスの厳密な温度制御を行わずとも、雰囲気温度に合致した反転周期のタイミングが周期的に得られ、安定した波長変換効率を確保することができ、優れた波長変換レーザ光源を提供することができる。
【００４６】
本発明の実施例において、謡動させる周期を５０Ｈｚとしたが、周波数をより高めることで、発生していた波長変換効率のうねりを抑制し、同様な均一な波長変換効率を効果が得られることは言うまでもない。
【００４７】
図１０は本実施例における温度を２０℃変化させる場合の分極反転デバイス１の温度制御に関する加熱方法及び回転制御に関する制御方法について示す。
【００４８】
図１０（ａ）は分極反転デバイス１を加熱し、温度変化させた時の関係を示したものである。０．１℃／ｓの速度で５０秒間加熱、１０秒のインターバルといったサイクルが続くようになっており、２３０秒後に２０℃の温度変化になる。図１０（ｂ）は加熱時間と回転制御部２８のラックを平行運動させることによる円柱型分極反転デバイス１の円柱の中心軸を回転中心として回転させた場合、加熱時間即ち温度変化範囲と分極反転デバイス１が揺動する角度範囲の関係を示したものである。分極反転デバイス１の温度変化が０度Ｃ〜５度Ｃの範囲の時は謡動する角度範囲は０度〜６．２度、温度変化が５度Ｃ〜１０度Ｃの範囲の時は謡動する角度範囲は６．２度〜９．０度、温度変化が１０度Ｃ〜１５度Ｃの範囲の時は謡動する角度範囲は９．０度〜１１．０度、温度変化が１５度Ｃ〜２０度Ｃの範囲の時は謡動する角度範囲は１１．０度〜１２．０度といったように制御する。
【００４９】
本実施例における分極反転デバイスは、波長変換レーザ光源中のレーザ発振素子の概略、温度のみを検知し、温度変化範囲に応じて円柱型分極反転デバイス１の円柱の中心軸を回転中心として所定の角度範囲揺動するように構成されている。分極反転デバイスの温度を正確に検出する必要はなく、更には不要な謡動範囲が抑えられ、波長変換効率の低下の少ない所定の波長変換効率を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明にかかる波長変換レーザ光源は、波長変換レーザ光源の安定した波長変換効率を確保する構成を有し、レーザディスプレイの高輝度光源を広い温度範囲において使用可能とする技術として有用である。
【００５１】
本発明にかかる波長変換レーザ光源は、安定した波長変換効率を必要とするレーザ光源に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施例１における波長変換レーザ光源の構成を示す模式図
【図２】分極反転デバイスの作製方法を示す模式図
【図３】本発明の実施例１における波長変換レーザ光源の分極反転デバイスの波長変換効率と温度特性の関係を示す図
【図４】本発明の実施例１における波長変換レーザ光源の温度の波長ずれに対応する分極反転デバイスの最適な分極反転周期の温度特性を示す図
【図５】本発明の実施例１における波長変換レーザ光源の分極反転デバイスの分極反転周期と回転角度の関係を示す図
【図６】本発明の実施例１における波長変換レーザ光源の分極反転デバイス周辺の雰囲気温度と回転角度の関係を示す図
【図７】分極反転デバイスの波長変換効率の温度特性を示す図
【図８】本発明の実施例２における波長変換レーザ光源の構成を示す模式図
【図９】本発明の実施例２における波長変換レーザ光源の分極反転デバイスの謡動速度と波長変換効率の関係を示す図
【図１０】分極反転デバイスの回転軸の制御方法を説明するための図
【図１１】従来の波長変換レーザ光源の構成を示す模式図
【符号の説明】
【００５３】
１、１０９ 円柱型分極反転デバイス
２、１１０ 分極反転領域
３ ＬＤ励起ファイバレーザ
４、１０２ ポンプレーザダイオード
５、１０３ Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー
６、１０４ 第１のブラッグ回折格子
７、１０５ 第２のブラッグ回折格子
８、１０６ ファイバ
９、１０７ コリメートレンズ
１０、１００ 回転制御部
１１ 温度検出器
１２、２９、１１１ 波長変換レーザ光源
１３ タンタル薄膜
１４ レジスト溶液
１５ 周期性を有するレジストパターン
１６ 周期性を有する表面電極
１７ 平歯車
１８ 分極反転層
１９ パルス電界
２０ レーザ光の光路
２２ リチウムナイオベート基板
２３ 裏面電極
１７１ 右回転する平歯車
１７２ 左回転する平歯車
１０１ ファイバレーザ
１０８ フォーカシングレンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換レーザ光源に関し、詳細には、二次高調波発生素子によって波長変換を行う波長変換レーザ光源が安定した波長変換性能を有するレーザ光源及びレーザ波長変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、カラーレーザディスプレイの高輝度化のために、ワットクラスの出力が得られるレーザ光源が必要とされている。このため、レーザ光源として高出力のＡｒガスレーザやＫｒガスレーザ等が使用されてきた。しかし上述のようなガスレーザ光源は、エネルギー変換効率が０．１％程度と悪く、また水冷機構が必要であるため、装置が大型化し、コストが非常に高いという問題があった。
【０００３】
そこで近年、可視の短波長レーザ光源としてＬＤ励起ＳＨＧレーザが使用され始めた。例えば波長が１０６４ｎｍのＬＤ励起ファイバーレーザを用いた５３２ｎｍの緑色波長を発するレーザではガスレーザよりもエネルギー変換効率が高いものが得られている。（特許文献１参照）。
【０００４】
短波長化の技術としては、ＬＤ励起ファイバーレーザと擬似位相整合（ＱＰＭ)方式の分極反転型デバイスを用いた第２高調波発生（ＳＨＧ）がある。
【０００５】
図１１は一般的なＬＤ励起ファイバーレーザの概略図である。図１１を参照すると、ＬＤ励起ファイバーレーザは、ファイバーレーザ１０１と、ポンプレーザダイオード１０２とを備えている。ファイバーレーザ１０１は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１０３内のＹｂイオンを励起させるようになる１０００ｎｍおよび１１００ｎｍの間の範囲の波長、例えば１０６４ｎｍで第２のポンプ放射を生成するように構成されている。ファイバーレーザ１０１は、好ましくは、第１及び第２のブラッグ回折格子１０４、１０５とを含む。ブラッグ回折格子１０４、１０５は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１０３の両端部にライディングされ、ファイバーレーザ１０１のファブリーペロー共振空洞部の境界を画する。ポンプレーザダイオード１０２は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１０３の一端部に光学的に結合され、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１０３をポンピングするための励起光を生成するようになっている。Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１０３の反対側の端部は、第２のポンプ光を出射するためのファイバー１０６に接合されている。（特許文献２参照）
さらに、ファイバーレーザを高い変換効率で第二高調波に変換するために、ファブリーペロー共振空洞部に偏光素子、例えば、ブリュースター角石英ガラスプレートを設け、特性方向に偏光ビームを選択できる偏光素子の作用によって、ＬＤ励起ファイバーレーザを直線偏光にする方法が開示されている。（特許文献３参照）
ファイバーレーザ１０１から出射したレーザ光はコリメートレンズ１０７によって並行にされ、フォーカシングレンズ１０８によって分極反転デバイス１の端面を通りに分極反転領域１１０内に集光される。分極反転領域１１０を伝播して、レーザ光の成分が高調波に変換され、この高調波および変換されなかった基本波が分極反転型デバイスの出射端面より出射される。（特許文献４参照）
分極反転型デバイス１０９の形成法としては、例えばＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３などの強誘電体基板の表面に櫛形電極、裏面には平面電極を形成し、電極に電圧を印加することで周期状の分極反転領域を形成する方法が開示されている。（特許文献５参照）
分極反転デバイス１０９は、波長変換効率の高効率化のために、該分極反転デバイス１０９の位相整合波長許容幅が０．１ｎｍ程度と小さく設定されている。
【特許文献１】特開２０００−３１４９２０号公報
【特許文献２】特開２００１−１４４３５４号公報
【特許文献３】特開２００３−２５８３４１号公報
【特許文献４】特開２００２−１６４６１６号公報
【特許文献５】特開２００２−９９００９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
工業用途のレーザ光源においては、安定した波長変換効率を得るために、発振波長を固定し、電子冷却素子により温度を固定する方法が取られているが、電子冷却素子など比較的高価な部品を用いて光源を安定させることや、使用温度環境を限定して使用することが許容されてきた。しかしながら、テレビに代表される民生用途のカラーディスプレイでは、一般的な動作保障温度は０〜４０℃と広く、また安価であることも強く要望されていることから、容量の大きい電子冷却素子を用いることは現実的ではない。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、動的な温度変化に対応し、波長変化が起きても安定した波長変換効率を確保したレーザ光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明の波長変換レーザ光源は、波長変換を行なう波長変換レーザ光源において、レーザ光源と該レーザ光源から出射されるレーザ光線を集光し焦点化するコリメートレンズより構成されるレーザ光源部と、当該レーザ光線の焦点位置に入射面が位置し前記レーザ光線の基本波を第２高調波に変換する円柱型分極反転デバイスと、前記円柱型分極反転デバイスの円柱の中心軸を回転中心として回転させる回転制御部と、を備え、前記円柱型分極反転デバイスは、円柱縦断方向に、順分極領域と反転分極領域とが交互に配置される分極構造を有し、当該円柱型分極反転デバイスを回転して該レーザ光線の通過する円柱横断方向に当該両分極領域幅の分極構造の周期を変化させることを特徴としたものである。
【０００９】
また、本発明のレーザ光波長変換方法は、波長変換を行なうレーザ光波長変換方法において、レーザ光線を円柱型分極反転デバイスの円柱側面に入射し、雰囲気温度範囲に対応して前記円柱型分極反転デバイスを回転して該レーザ光線が通過する円柱型分極反転デバイスの分極構造の周期を変化し、前記レーザ光線の基本波を第２高調波に変換することを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の波長変換レーザ光源及びレーザ波長変換方法によれば、動的な温度変化による波長変化に対応し、広い温度帯域で安定した波長変換効率を確保することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の波長変換レーザ光源の実施の形態を、図面とともに詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
本実施形態では、本発明の波長変換レーザ光源の好ましい一形態について、図１から図７を用いて説明する。
【００１３】
図１は本実施例における波長変換レーザ光源を模式的に示したものである。図１（ａ）は波長変換レーザ光源１２を模式的に示したものであり、ＬＤ励起ファイバーレーザおよびコリメートレンズ９よりなる光源部３および光源部３ら出射したレーザ光が集光する位置に配置された周期的な分極反転領域２が形成された円柱型分極反転型デバイス１、回転制御手段１０及び温度検出器１１とからなる。即ち、波長変換型レーザ光源１２は、ＬＤ（レーザダイオード）励起ファイバレーザ３を用い、レーザ源としては、レーザ源の温度検出機能をもつポンプレーザダイオード４を有する。
【００１４】
ここで、ＬＤ（レーザダイオード）励起ファイバレーザ３の詳細は従来のＬＤ励起ファイバーレーザと同様であるので詳細な説明は省略する。
【００１５】
図１（ｂ）は本実施例における円柱型分極反転デバイス１の側面とレーザ光の通過位置を示す模式図である。以下に分極反転デバイス１の周期を変化さす回転制御手段１０について説明する。円柱型分極反転デバイス１の一端部は外周部に歯車を有する円柱状平歯車構造を有する円柱型分極反転デバイス１の裏面電極として構成される。そしてその平歯車１７と噛み合うラック１０とから構成されている。もちろん裏面電極２３に重ねて平歯車構造を有する円柱型平歯車１７を構成することができる。ラック１０は、平歯車１７に組み合わされ直線運動を回転運動に変換するので、このラック１０の直線運動を制御して円柱型分極反転デバイス１を回転させ、レーザ光線の通過する位置を変化して分極反転周期を制御し、温度変化に対応し安定した波長変換を行なうものである。また、ラック１０に代えてウォームギア（図示せず）を用いて、ウォームギアの回転運動を制御して分極反転デバイス１を回転制御することもできる。
【００１６】
本実施例の特徴は、円柱型分極反転デバイス１の形状及び回転制御手段１０を用いて円柱型分極反転デバイス１を制御することで、光学調整が緩和され雰囲気温度の影響が少なく、すぐれた波長変換効率を確保することにある。
【００１７】
図２は、本実施例における円柱型分極反転デバイスの作製方法を模式的に示したものである。
【００１８】
図２（ａ）は、絶縁基板２２の基板表面に一方の電極部を構成するための金属薄膜１３を形成した状態を示す模式図である。図２（ｂ）は、金属薄膜１３の上にレジスト１４を塗布した状態を示す模式図である。図２（ｃ）は、レジスト１４上にパターンマスクを介して紫外線を照射しレジストパターン１６を形成した状態を示す模式図である。図２（ｄ）は、レジストパターン１６以外の金属薄膜をエッチング処理し電極を形成した状態を示す模式図である。図２（ｅ）は、基板表面に電極を形成後、基板裏面に金属薄膜を形成し、他方の電極１７を形成した状態を示す模式図である。図２（ｆ）は、基板表面、裏面に形成した電極にパルス電界を印加し、分極反転層１８を形成した状態を示す模式図である。
【００１９】
分極反転デバイスとしては、厚さ１ｍｍ、φ２８ｍｍのリチウムナイオベートにマグネシウムが含有され、結晶方位がＺ軸に配向された基板２２(山寿セラミクス社製）を用いて、図２（ａ）のように、基板表面（＋Ｚ面）にタンタルをスパッタ装置（アルバック社製）で１００ｎｍの薄膜１３を作製した。タンタル薄膜１３作製後、図２（ｂ）のようにｉ線用のレジスト１４（住友化学社製）をコーター・デベロッパ装置（東京エレクトロン社製）を用いて塗布した。繰返しパターンの周期構造を有するマスクが装着された露光器（ズース・マイクロテック社製）にコンタクトさせ、ｉ線の光（波長３６５ｎｍ）を照射した後に、基板表面にＮＳＤ−ＴＤ２．３８％（東京応化社製）を塗布し現像を行うことで、図２（ｃ）に示すように繰返しパターンのレジストパターン１６を有する基板を作製した。レジストパターン１６の形成後、図２（ｄ）のようにエッチングを行い、＋Ｚ面に周期構造の電極１６を有する基板１２を作製する。
【００２０】
その後、図２（ｅ）のように基板裏面（−Ｚ面）にもスパッタ装置（アルバック社製）を用いて１００ｎｍのタンタル薄膜を成膜することで、裏面電極２３を形成する。＋Ｚ及び−Ｚ面に電極を形成後、図２（ｆ）に示すようにパルス電界１９を印加することで、＋Ｚ面及び−Ｚ面が電極で覆われた部分の結晶方位が電界により結晶内部で原子が移動し分極方位が反転し、分極反転層１８が形成される。以上のようにして、周期構造を有し、結晶方位が＋Ｚ面と−Ｚ面となった分極反転デバイス１を作製する。
【００２１】
さらに、基板裏面に形成される裏面電極２３部に円柱部を延長し、この延長円柱の外側に歯車構造を形成する。また、円柱型分極反転デバイス１の裏面電極２３側を延長してＯリング（図示せず）を介在させ、中空円筒状の平歯車１７の中空部にはめ込み固着させることで、回転制御機構１０を作製することもできる。
【００２２】
図３は、レーザ光源からの１０６４ｎｍのレーザ波長を５３２ｎｍに変換する場合の分極反転デバイス１の波長変換効率と温度特性について示したものである。横軸は分極反転デバイス近傍の雰囲気温度、縦軸は波長変換効率を示すもので、温度を波長変換効率が最も高く得られる値で規格化した規格化変換効率である。
【００２３】
図３から、波長変換効率が最もよいのは２２．５℃であり、これから１℃ずれると波長変換効率はほぼ０になることがわかる。すなわち、雰囲気温度の変化、言い換えれば分極反転デバイス１に入射してくる光の波長に依存して、分極反転デバイスの波長変換効率は大きく変化することがわかる。
【００２４】
図４は、円柱型分極反転デバイス１の温度変化による波長ずれに対する最適な分極反転周期を示したものである。横軸は分極反転デバイス１の雰囲気温度、縦軸は、レーザ光の１０６４ｎｍの波長を５３２ｎｍの波長への波長変換に最適な分極反転周期を示すものである。
【００２５】
分極反転デバイス温度が２０℃の時に光源部から１０６４ｎｍの波長が出射されていると、図４よりこのとき最も効率よく波長変換できる分極反転周期は７．０５μｍであることがわかる。さらに、雰囲気温度が０℃の時には、６．８７μｍ、そして雰囲気温度が４０℃の時には７．２μｍ、雰囲気温度が５０℃の時には７．３μｍの分極反転周期が最も効率よく波長変換できることがわかる。そのため、分極反転周期は分極デバイスの単位温度の温度変化に対して、０．００８２５μｍの比率で変化することがわかる。
【００２６】
図５は、本実施例における円柱型分極反転デバイス１とレーザ光が通過する分極反転周期パターン位置の回転制御を模式的に示したものである。分極反転デバイス１は厚さ１ｍｍ、直径２６ｍｍの円柱形状である。図２に示したように、分極反転層１８は、円柱型分極反転デバイス１の縦断方向に形成され、レーザ光線は円柱型分極デバイス１の横断方向に入射し、２０℃においては、この縦断方向面に対し垂直に入射する。図５（ｂ）の周期パターン方向Ｐがこの垂直入射を示すものである。
【００２７】
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、回転制御部１０は、直線状に歯を取り付けたいわゆるラックと円柱型分極反転デバイス１に構成される平歯車と組み合わせた構造を有し，回転運動を直線運動に変換して分極反転周期パターン位置の回転制御するものである。
【００２８】
図５（ａ）は、円柱型分極反転デバイス１の上面図を示すもので、分極反転周期パターンは入射されるレーザ光に対して、垂直方向に配置された模式図である。このレーザ光の入射方向を周期パターン方向Ｐと呼ぶ。図５（ａ）においてはレーザ光が通過する分極反転パターン構造の分極反転周期はΛ１となっている。図５（ｂ）は、円柱型分極反転デバイス１の上面図を示すもので、ラックの直線運動を分極反転デバイス１に構成された平歯車を利用して回転運動に変換し、入射されるレーザ光は、周期パターン方向Ｐに対して傾斜角θを有する状態で配置された模式図である。図５（ｂ）においてはレーザ光が通過する分極反転周期はΛ２となり、Λ２＞Λ１となる。
【００２９】
また、回転制御部１０をラックと平歯車との組み合わせた構造を用いたが、平歯車構造、ウォームギアなどで回転制御ができる。
【００３０】
ここで、分極反転デバイス１が円柱型となっていることで、コリメートされたレーザ光が分極反転デバイス１に入射されると、分極反転デバイス１中で集光されるということと、角度θを傾けた状態においても、レーザ光の屈折の影響がなく、分極反転が垂直方向に配置された状態と同様な光路を通過するため、システム全体の光路のずれが発生しないといった特徴がある。即ち、円柱型の分極反転デバイス１の側面へのレーザ光の入射角が一定となり、レーザ光の屈折の影響を受けないからである。図５（ｃ）は、周期パターン方向Ｐとの傾斜角θとレーザ光が通過する分極反転周期Λ２の関係を示したものである。図５（ｃ）から分極反転周期Λ２は１０度傾けた時に７．００μｍが、２０度傾けた時に７．３３μｍとなっていることがわかる。
【００３１】
本発明の実施例において、分極反転デバイス１が円柱型として説明したが、分極反転デバイスの少なくとも入射される端面が曲率を有する形状であれば、同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００３２】
図６は、円柱型分極反転デバイス１周辺の雰囲気温度と円柱型分極反転デバイス１を円柱の中心軸を回転軸として回転させた場合の回転軸の傾きθ（周期パターン方向Ｐに対する傾斜角と同じである。）の関係を示したものである。横軸は円柱型分極反転デバイス１の温度、縦軸は波長変換に最適な分極反転デバイス１の傾きである。図６より温度範囲０〜５０℃において、円柱型分極反転デバイス１は０〜２０度の範囲内で変化すれば、温度０〜５０℃の範囲で適した分極反転周期が達成することがわかる。
【００３３】
図７は、本実施例における円柱型分極反転デバイス１を用いて０℃から５０℃の温度範囲に対応して、円柱型分極反転デバイス１の回転軸を制御した時の波長変換効率の関係を示したものである。横軸は円柱型分極反転デバイス１近傍の雰囲気温度、縦軸は波長変換効率が最も高い値で規格化した規格化変換効率である。
【００３４】
円柱型分極反転デバイス１の雰囲気温度に対応して、円柱型分極反転デバイス１の回転軸を制御することで、波長変換効率は温度に対してほぼ安定していることがわかる。
【００３５】
図３と図７を比較すると、本実施例の構成において、周囲温度が０℃〜５０℃に亘って変化しても、円柱型の分極反転デバイス１の円柱の中心軸を回転中心として周囲温度に対応した角度だけ回転させることにより、波長変換効率を１近くにすることができる。
【００３６】
従って、上述のように、波長変換レーザ光源を構成することで、広い温度範囲で優れた波長変換特性を有する波長変換レーザ光源を提供することが可能となる。特に、分極反転デバイスは位相整合波長許容幅が狭いので、本実施例のように基本波がレーザダイオードあるいはファーバーレーザより出射されるビーム品質が高く波長幅が狭いレーザ光との組み合わせでは、安定した波長変換特性を確保する有用な技術である。
【００３７】
本実施例では、１０６４ｎｍの波長を５３２ｎｍに変換する波長変換レーザ光源として説明したが、波長変換レーザ光源の波長を限定するものではなく、本発明の効果はあらゆる波長の波長変換レーザ光現に適用できることは言うまでもない。
【実施例２】
【００３８】
本発明の実施例について図８から１０を用いて説明する。
【００３９】
図８は本実施例における波長変換レーザ光源を模式的に示したものである。図８（ａ）は波長変換レーザ光源２９を模式的に示したものであり、ＬＤ励起ファイバーレーザおよびコリメートレンズよりなる光源部３および光源部３から出射したレーザ光が集光する位置に配置された周期的な分極反転領域２が形成された分極反転デバイス１、回転制御部１０とからなる。
【００４０】
本実施例における円柱型分極反転デバイス１は、分極反転デバイス１の近傍の温度検出器を有さずとも、波長変換レーザ光源２９のレーザ発振素子のフィードバック回路で用いられる温度検出器を介して温度検知することで、円柱型分極反転デバイス１の回転軸が角度範囲を有して変動するように構成されている。その他の構成は実施例１と同様であるため、詳細な説明は省略する。また、円柱型分極反転デバイス１の作製方法も図２に示したものと同じである。図８（ｂ）は本実施例における分極反転デバイス１の側面とレーザ光の通過位置を示す模式図である。以下に回転制御手段１００について説明する。円柱型分極反転デバイス１の外周部が歯車構造をもつ中空円筒状の平歯車の中空部と固着するように構造される。もちろん裏面電極２３に重ねて平歯車構造を有する平歯車１７を構成することも可能である。そして、その平歯車１７と噛み合う平歯車１７１，１７２とから構成されている。平歯車１７と噛み合う平歯車としては、右回転する平歯車１７１或いは、左回転する平歯車１７２のいずれか又は両方の平歯車を使用して回転制御する。
【００４１】
図９は分極反転デバイスの謡動と波長変換効率の関係を示したものである。横軸は時間、縦軸は波長変換効率が最も高い値で規格化した規格化変換効率である。
【００４２】
図９（ａ）は波長変換レーザ光源を２０℃から２５℃の範囲で円柱型分極反転デバイス１の回転制御をしない場合を示すものである。ポンプレーザダイオード４に含まれる温度センサ（図示せず）より温度を検出し、測定された温度に基づいて所定の分極周期が得られるように円柱型分極反転デバイス１を回転制御する。即ち、周波数が０の状態であり、一定周期で回転駆動をせず、測定温度に応じて所定の角度だけ円柱型分極反転デバイス１を円柱の中心軸を回転中心として回動するだけである。この場合、検知した波長変換レーザ光源の温度と分極反転デバイス１の温度の間にギャップが発生して、雰囲気温度に合致した反転周期が得られず、波長変換効率は低下する場合がある。
【００４３】
図９（ｂ）は波長変換レーザ光源を２０℃から２５℃の範囲で温度が変化するように制御された時、回転制御部１０を用いて円柱型分極反転デバイス１を周期パターン方向Ｐに対して、０度から６度の範囲で回転制御した場合を示す。その際の周期変化は、一秒間に５０回往復運動させることで（周波数：５０Ｈｚ）、レーザ光が通過する分極反転周期は経時的に変化させた場合の波長変換効率を示す。
【００４４】
図５において、円柱型分極反転デバイス１の回転角度を変化すれば分極反転周期を制御することができるので、雰囲気温度に対応して回転角度を変化させれば、分極反転周期を制御できる。即ち、円柱型分極反転デバイス１の回転角度を制御することで、温度変化に適した分極反転周期を実現できるが、正確な雰囲気温度を検出して当該温度に対応して分極反転デバイス１の回転角度を制御しなくとも、所定の温度範囲に対応する回転制御を行い、分極反転デバイス１を一定の周期で左右に回転させて（以下、揺動という。）分極反転デバイス１の分極反転周期を変化させる。このように制御すると、雰囲気温度に合致した反転周期のタイミングが周期的に得られ、検知した波長変換レーザ光源の温度と分極反転デバイスの温度の間に発生するギャップの影響が緩和され、波長変換効率の低下の少ない所定の波長変換効率を得ることができる。
【００４５】
分極反転デバイスの温度に対して、一定の周期で分極反転デバイスの回転軸を制御することで、分極反転デバイスの厳密な温度制御を行わずとも、雰囲気温度に合致した反転周期のタイミングが周期的に得られ、安定した波長変換効率を確保することができ、優れた波長変換レーザ光源を提供することができる。
【００４６】
本発明の実施例において、謡動させる周期を５０Ｈｚとしたが、周波数をより高めることで、発生していた波長変換効率のうねりを抑制し、同様な均一な波長変換効率を効果が得られることは言うまでもない。
【００４７】
図１０は本実施例における温度を２０℃変化させる場合の分極反転デバイス１の温度制御に関する加熱方法及び回転制御に関する制御方法について示す。
【００４８】
図１０（ａ）は分極反転デバイス１を加熱し、温度変化させた時の関係を示したものである。０．１℃／ｓの速度で５０秒間加熱、１０秒のインターバルといったサイクルが続くようになっており、２３０秒後に２０℃の温度変化になる。図１０（ｂ）は加熱時間と回転制御部２８のラックを平行運動させることによる円柱型分極反転デバイス１の円柱の中心軸を回転中心として回転させた場合、加熱時間即ち温度変化範囲と分極反転デバイス１が揺動する角度範囲の関係を示したものである。分極反転デバイス１の温度変化が０度Ｃ〜５度Ｃの範囲の時は謡動する角度範囲は０度〜６．２度、温度変化が５度Ｃ〜１０度Ｃの範囲の時は謡動する角度範囲は６．２度〜９．０度、温度変化が１０度Ｃ〜１５度Ｃの範囲の時は謡動する角度範囲は９．０度〜１１．０度、温度変化が１５度Ｃ〜２０度Ｃの範囲の時は謡動する角度範囲は１１．０度〜１２．０度といったように制御する。
【００４９】
本実施例における分極反転デバイスは、波長変換レーザ光源中のレーザ発振素子の概略、温度のみを検知し、温度変化範囲に応じて円柱型分極反転デバイス１の円柱の中心軸を回転中心として所定の角度範囲揺動するように構成されている。分極反転デバイスの温度を正確に検出する必要はなく、更には不要な謡動範囲が抑えられ、波長変換効率の低下の少ない所定の波長変換効率を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明にかかる波長変換レーザ光源は、波長変換レーザ光源の安定した波長変換効率を確保する構成を有し、レーザディスプレイの高輝度光源を広い温度範囲において使用可能とする技術として有用である。
【００５１】
本発明にかかる波長変換レーザ光源は、安定した波長変換効率を必要とするレーザ光源に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施例１における波長変換レーザ光源の構成を示す模式図
【図２】分極反転デバイスの作製方法を示す模式図
【図３】本発明の実施例１における波長変換レーザ光源の分極反転デバイスの波長変換効率と温度特性の関係を示す図
【図４】本発明の実施例１における波長変換レーザ光源の温度の波長ずれに対応する分極反転デバイスの最適な分極反転周期の温度特性を示す図
【図５】本発明の実施例１における波長変換レーザ光源の分極反転デバイスの分極反転周期と回転角度の関係を示す図
【図６】本発明の実施例１における波長変換レーザ光源の分極反転デバイス周辺の雰囲気温度と回転角度の関係を示す図
【図７】分極反転デバイスの波長変換効率の温度特性を示す図
【図８】本発明の実施例２における波長変換レーザ光源の構成を示す模式図
【図９】本発明の実施例２における波長変換レーザ光源の分極反転デバイスの謡動速度と波長変換効率の関係を示す図
【図１０】分極反転デバイスの回転軸の制御方法を説明するための図
【図１１】従来の波長変換レーザ光源の構成を示す模式図
【符号の説明】
【００５３】
１、１０９ 円柱型分極反転デバイス
２、１１０ 分極反転領域
３ ＬＤ励起ファイバレーザ
４、１０２ ポンプレーザダイオード
５、１０３ Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー
６、１０４ 第１のブラッグ回折格子
７、１０５ 第２のブラッグ回折格子
８、１０６ ファイバ
９、１０７ コリメートレンズ
１０、１００ 回転制御部
１１ 温度検出器
１２、２９、１１１ 波長変換レーザ光源
１３ タンタル薄膜
１４ レジスト溶液
１５ 周期性を有するレジストパターン
１６ 周期性を有する表面電極
１７ 平歯車
１８ 分極反転層
１９ パルス電界
２０ レーザ光の光路
２２ リチウムナイオベート基板
２３ 裏面電極
１７１ 右回転する平歯車
１７２ 左回転する平歯車
１０１ ファイバレーザ
１０８ フォーカシングレンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長変換を行なう波長変換レーザ光源において、
レーザ光源と該レーザ光源から出射されるレーザ光線を集光し焦点化するコリメートレンズより構成されるレーザ光源部と、
当該レーザ光線の焦点位置に入射面が位置し前記レーザ光線の基本波を第２高調波に変換する円柱型分極反転デバイスと、
前記円柱型分極反転デバイスの円柱の中心軸を回転中心として回転させる回転制御部と、
を備え、
前記円柱型分極反転デバイスは、円柱縦断方向に、順分極領域と反転分極領域とが交互に配置される分極構造を有し、当該円柱型分極反転デバイスを回転して該レーザ光線の通過する円柱横断方向に当該両分極領域幅の分極構造の周期を変化させることを特徴とする波長変換レーザ光源。
【請求項２】
前記円柱型分極反転デバイスの底面部に平歯車構造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３】
前記平歯車は、前記円柱型分極デバイスの底面の電極部に構成される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】
前記平歯車は、中空円筒状の外周部に歯を有し、当該中空部に前記円柱型分極デバイスを挿入し固着する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５】
前記平歯車と噛み合うラックを有し、前記ラックを移動させて前記円柱型分極反転デバイスを回転させて当該分極反転デバイスの周期パターン方向Ｐを変化させることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項６】
前記平歯車と噛み合う他の平歯車を更に有し、当該他の平歯車を回転制御して前記円柱型分極反転デバイスを回転させて当該分極反転デバイスの周期パターン方向Ｐを変化させることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項７】
前記分極構造の周期は、前記レーザ光線の波長の略１０６４ｎｍを半分の波長への変換に対応する周期であ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８】
前記回転制御部は、前記円柱型分極反転デバイスの円柱中心軸を回転中心として５０Ｈｚ以上で回転させ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】
波長変換を行なうレーザ光波長変換方法において、
レーザ光線を円柱型分極反転デバイスの円柱側面に入射し、
雰囲気温度範囲に対応して前記円柱型分極反転デバイスを回転して該レーザ光線が通過する円柱型分極反転デバイスの分極構造の周期を変化し、
前記レーザ光線の基本波を第２高調波に変換することを特徴とするレーザ光波長変換方法
【請求項１０】
前記レーザ光源部のレーザ発振素子は、レーザダイオード励起型ファイバーレーザであることを特徴とする請求項９記載のレーザ光波長変換方法。
【請求項１】
波長変換を行なう波長変換レーザ光源において、
レーザ光源と該レーザ光源から出射されるレーザ光線を集光し焦点化するコリメートレンズより構成されるレーザ光源部と、
当該レーザ光線の焦点位置に入射面が位置し前記レーザ光線の基本波を第２高調波に変換する円柱型分極反転デバイスと、
前記円柱型分極反転デバイスの円柱の中心軸を回転中心として回転させる回転制御部と、
を備え、
前記円柱型分極反転デバイスは、円柱縦断方向に、順分極領域と反転分極領域とが交互に配置される分極構造を有し、当該円柱型分極反転デバイスを回転して該レーザ光線の通過する円柱横断方向に当該両分極領域幅の分極構造の周期を変化させることを特徴とする波長変換レーザ光源。
【請求項２】
前記円柱型分極反転デバイスの底面部に平歯車構造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３】
前記平歯車は、前記円柱型分極デバイスの底面の電極部に構成される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】
前記平歯車は、中空円筒状の外周部に歯を有し、当該中空部に前記円柱型分極デバイスを挿入し固着する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５】
前記平歯車と噛み合うラックを有し、前記ラックを移動させて前記円柱型分極反転デバイスを回転させて当該分極反転デバイスの周期パターン方向Ｐを変化させることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項６】
前記平歯車と噛み合う他の平歯車を更に有し、当該他の平歯車を回転制御して前記円柱型分極反転デバイスを回転させて当該分極反転デバイスの周期パターン方向Ｐを変化させることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の波長変換レーザ光源。
【請求項７】
前記分極構造の周期は、前記レーザ光線の波長の略１０６４ｎｍを半分の波長への変換に対応する周期であ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８】
前記回転制御部は、前記円柱型分極反転デバイスの円柱中心軸を回転中心として５０Ｈｚ以上で回転させ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】
波長変換を行なうレーザ光波長変換方法において、
レーザ光線を円柱型分極反転デバイスの円柱側面に入射し、
雰囲気温度範囲に対応して前記円柱型分極反転デバイスを回転して該レーザ光線が通過する円柱型分極反転デバイスの分極構造の周期を変化し、
前記レーザ光線の基本波を第２高調波に変換することを特徴とするレーザ光波長変換方法
【請求項１０】
前記レーザ光源部のレーザ発振素子は、レーザダイオード励起型ファイバーレーザであることを特徴とする請求項９記載のレーザ光波長変換方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−１５８１５５（Ｐ２００８−１５８１５５Ａ）
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４５５１５（Ｐ２００６−３４５５１５）
【出願日】平成１８年１２月２２日（２００６．１２．２２）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２２日（２００６．１２．２２）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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