波長変換装置および２次元画像表示装置
【課題】Ｗ級の高出力の緑色レーザ出力光を安定して得られる波長変換装置及びこの波長変換装置を用いた２次元画像表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】励起光を発生するレーザ光源の偏光方向と発振器から発せられる光の偏光方向とを直交させ、レーザー共振器とレーザ光源との間に設けられた偏光分離素子により、ＡＳＥによる励起光源の劣化を抑制する。
【解決手段】励起光を発生するレーザ光源の偏光方向と発振器から発せられる光の偏光方向とを直交させ、レーザー共振器とレーザ光源との間に設けられた偏光分離素子により、ＡＳＥによる励起光源の劣化を抑制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバレーザと波長変換素子を組み合わせて安定な可視光高出力レーザを得る波長変換装置、および、この波長変換装置を光源として用いた２次元画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単色性が強くかつＷ級の高出力が出力できる可視光光源は、大型ディスプレイや高輝度ディスプレイ等を実現するうえで必要とされている。赤、緑、青の３原色のうち赤色の光源については、ＤＶＤレコーダー等で使用されている赤色高出力半導体レーザが、生産性の高い小型の光源として利用可能である。しかし、緑色または青色の光源については、半導体レーザ等での実現が難しく、生産性の高い小型の光源が求められている。とりわけ、緑色の出力光を得ることは、半導体レーザとして構成できる適当な材料がないこともあり、緑色の光源を実現するうえでの難易度は高い。
【０００３】
このような光源として、ファイバレーザと波長変換素子とを組み合わせた波長変換装置が低出力の可視光光源として実現されている。ファイバレーザを励起する励起光の光源として半導体レーザを用い、波長変換素子として非線形光学結晶を用いた緑色や青色の小型の光源はよく知られている。
【０００４】
しかしながら、このような波長変換装置からＷ級の高出力の緑色や青色の出力光を得るためには、いくつかの課題を解決することが必要である。例えば、従来の波長変換装置の構成を用いて緑色の出力光を得る場合、波長変換装置は、基本波を出力するファイバレーザと、基本波を緑色のレーザ光に変換する波長変換素子と、この波長変換素子の端面に基本波の出力を集光するレンズとを備えている必要がある。
【０００５】
ここで、このファイバレーザの基本のレーザ動作について説明する。まず、励起用レーザ光源からの励起光がファイバの一端から入射する。入射した励起光は、ファイバに含まれるレーザ活性物質で吸収され、これによりファイバの内部では基本波の種光が発生する。この基本波の種光は、ファイバに形成されたファイバグレーティングと、ここでは別のファイバのファイバグレーティングとを一対の反射ミラーとする共振器の中を何度も反射して往復する。それと同時に、種光は、ファイバに含まれるレーザ活性物質によるゲインで増幅されて、光強度が増大し波長選択もされてレーザ発振に到る。なお、ファイバとファイバとは、接続部で接続されており、レーザ光源は、励起用レーザ電流源により電流駆動される。
【０００６】
次に波長変換装置の基本動作について説明する。上記のようにしてファイバレーザにより基本波が出力され、レンズを介して波長変換素子に入射する。このファイバレーザからの基本波は、波長変換素子の非線形光学効果により高調波に変換される。この変換された高調波は、ビームスプリッタで一部反射されるが、透過した高調波は、波長変換装置の出力光である緑色のレーザ光となる。
【０００７】
なお、ビームスプリッタで一部反射された高調波は、波長変換装置の出力光をモニターするための受光素子で受光されたのち電気信号に変換されて利用される。この変換された信号の強度が波長変換装置で所望の出力が得られる強度になるように、出力制御部は、励起用レーザ電流源でレーザ光源の駆動電流を調整する。そうするとレーザ光源からの励起光の強度が調整されるとともに、ファイバレーザの基本波の出力強度が調整され、その結果として波長変換装置の出力の強度が調整される。このことにより波長変換装置の出力の強度は、一定に保たれる、いわゆるオートパワーコントロール（以下、「ＡＰＣ」と略する）が安定に動作することとなる。
【０００８】
このような構成により、数百ｍＷの緑色の高出力レーザを得ることは可能であるが、Ｗ級の緑色の高出力レーザを得ることは難しい。すなわち、波長変換装置の光出力を増大するためには、ファイバレーザの基本波および励起光の出力を増大させる必要がある。一方、レーザ活性物質としてＹｂを添加したファイバレーザ光源において、ＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）と呼ばれる自然発光が発生し、励起用レーザ光源に放射される（いわゆる戻り光）ことにより励起用レーザ光源を劣化させる原因となる事が知られている。また、このＡＳＥは、レーザ共振器外部の意図しない光反射により生じ、第２高調波を発生させる非線形光学結晶を破壊するという課題もあった。前者の励起用レーザの劣化を防止するために従来から、ダイクロイックミラーを使用する方法（特許文献１）や、角度を持ってファイバを接続する方法（特許文献２）、ファイバの構造を工夫するもの（特許文献３）、戻り光の光量を調整するための反射量調整器を備えたもの（特許文献４）などが提案されていた。
【特許文献１】特開２００４−１６５３９６号公報
【特許文献２】特開２００５−７０６０８号公報
【特許文献３】特開２００５−１５９１４２号公報
【特許文献４】特開２００３−３１８４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、レーザディスプレイ用の基本波の波長（１０３０ｎｍ〜１１００ｎｍ）を得ようとした場合に発生するＡＳＥの波長は１０４０ｎｍ〜１０８０ｎｍのように励起用レーザの波長（例えば９１５ｎｍ、９７５ｎｍ）と近くなる可能性が高い。このような場合には励起効率が低下するほか、誘電体フィルタ等による波長選択によってＡＳＥが励起用レーザ光源に戻るのを有効に阻止することが困難であり、ファイバを斜めに接続する方法においても、発生したＡＳＥにより接続部が劣化するという問題があった。
【００１０】
また、医療用レーザ光源用の基本波の波長（１１００ｎｍ〜１１８０ｎｍ）を得ようとした場合に生じるＡＳＥの波長は励起用レーザの波長から比較的離れたものとなるため、このような場合には誘電体フィルタ等による波長選択によってＡＳＥの戻りを阻止することも可能であるが、この場合においてもＡＳＥの戻りを阻止するための構成をより容易に構築することが期待されている。
【００１１】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、Ｗ級の高出力の緑色や青色のレーザ出力光を安定して得られる波長変換装置と、この波長変換装置を用いた高輝度の２次元画像表示装置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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の波長変換装置は、レーザ活性物質を含むファイバと前記ファイバに形成されたファイバグレーティングとを有するレーザ共振器と、前記ファイバに励起光を入射するためのレーザ光源と、前記レーザ共振器と前記レーザ光源との間に設けられた偏光分離素子と、前記レーザ共振器から出射するレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを具備し、前記レーザ共振器は、偏波保持ファイバおよび単一偏光化機構を用いて前記レーザ光源の偏光方向と直交する方向に偏光した光を出射するように単一偏光化されているとともに、一対の反射面とを有し、前記偏光分離素子は、前記各反射面のうち前記レーザ光源に近い反射面と前記レーザ光源との間に配置され、前記レーザ光源から照射される特定の偏光方向の励起光を前記レーザ共振器に導く一方、このレーザ共振器から出射される前記特定の偏光方向と直交する偏光方向の前記基本波を前記レーザ光源から外れた方向へ導くことを特徴とする。
【００１３】
本発明の波長変換装置によれば、例えば、Ｙｂドープファイバを用いて、１ｕｍ帯のレーザ光を発生させる際に問題となるＡＳＥの発生を抑制することが可能となり、励起用レーザ光源の劣化や発生したレーザ光を波長変換する非線形光学結晶の破壊を防止することができる。
【００１４】
具体的に、励起光を発生するレーザ光源の偏光方向と発振器から発せられる光の偏光方向とを直交させ、双方を光学的に結合させる際に偏光分離素子を挿入することで、突発的に生じるＡＳＥがレーザ光源に導かれるのを抑制することができるので、当該ＡＳＥによる励起光源の劣化を防止することが出来る。
【００１５】
前記波長変換装置において、前記各反射面のうち前記波長変換素子に近い反射面は、誘電体多層膜から構成されており、前記波長変換素子に近い反射面の前記基本波発振波長域の反射率が１５％以上２０％以下であることが好ましい。この反射率はファイバ出射端面の反射率・波長変換素子など外部に配置される光学素子からの反射を考慮して決定されている。何の処理も施していないファイバの出射端面の反射率は大きくて５％程度であるが、強励起とした場合アイソレーションＩｓが低下する。そのため、ＡＳＥの抑制のために波長変換素子に近い側の反射面の反射率を、何の処理も施していないファイバの端面の反射率の３倍程度とすることが望ましい。
【００１６】
前記波長変換装置において、前記ファイバレーザ共振器のファイバの端面が、当該ファイバの軸線と直交する方向に対して７°以上の傾きを持った構成とすれば、ＡＳＥの発生を抑制することが可能となる。
【００１７】
特に、前記レーザ共振器の二つの前記ファイバの端面が非平行となるように構成されている場合、強励起時にファイバ両端面でＱ値の小さな共振器を構成することができるので、ＡＳＥの発生を抑制することができる。
【００１８】
前記波長変換装置において、前記レーザ活性物質は、Ｙｂを含み、前記基本波の波長は、１１００ｎｍ以上、１１８０ｎｍ以下、である構成とした場合には、励起光の波長（例えば９１５ｎｍ、９７５ｎｍ）とＡＳＥの波長とが比較的離れたものとなるため、誘電体フィルタによりＡＳＥが励起光源に戻るのを抑制することも可能であるが、前記偏光分離素子を用いた構成としているため、より設計の容易な構成とすることができる。
【００１９】
前記波長変換装置において、前記レーザ共振器と前記波長変換素子との間に光リミッタが設けられていることが好ましい。この構成によれば、所定のピーク強度の光が入射されたときにさらなる光の透過を制限することができるので、ＡＳＥによる波長変換素子へ与えるダメージを減少することができる。
【００２０】
具体的に、前記光リミッタとしてはＫＴｉＯＰＯ４やＣｒＹＡＧを用いることができる。これらを用いた場合、所定のピーク強度以上の光が光リミッタに入射すると、当該光の透過した部分が変色し、さらなる光の透過を制限することができる。この変色は過熱機能付保持具の過熱機能を用いて過熱すれば除去することができる。
【００２１】
前記波長変換装置において、１０３０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長を有する前記基本波を発生させるときに、前記基本波の出力が７Ｗ以上であること、又は、１１００ｎｍ以上１１９０ｎｍ以下の波長を有する前記基本波を発生させるときに、前記基本波の出力が５Ｗ以上であることが好ましい。
【００２２】
つまり、前記基本波の出力が大きくなるほどＡＳＥの発生量も多くなるが、ＡＳＥが発生する度合は基本波の波長に応じて変化する。そして、このＡＳＥの発生度合は、１０３０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の基本波長においては基本波の出力が７Ｗを超えたとき、１１００ｎｍ以上１１９０ｎｍ以下の基本波長においては基本波の出力が５Ｗを超えたときに急激に上昇することが実験上明らかとなっているため、これらの条件を満たすことによりＡＳＥによる影響を抑制しつつより大きな基本波の出力を得ることができる。
【００２３】
前記波長変換装置において、前記一対の反射面をそれぞれファイバグレーティングにより形成することができる。
【００２４】
また、上記目的を達成するために、本発明は、前記波長変換装置を搭載する２次元画像表示装置を提供する。この２次元画像表示装置は、入力信号の輝度情報に応じて光量を制御するように構成されているため、コントラストを向上することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の波長変換装置によれば、Ｗ級の高出力の緑色や青色のレーザ出力光を安定して得られる波長変換装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態にかかる波長変換装置および２次元画像表示装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。また、図面で同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合もある。
【００２７】
（実施の形態１）
図１から図１１は、本発明の波長変換装置２１の第１の実施の形態を示す図である。図１に示すように本実施の形態の波長変換装置２１は、ファイバレーザ２２と、ファイバレーザ２２から出射される基本波２３を高調波出力２４に変換する波長変換素子２５とを備えている。
【００２８】
ファイバレーザ２２は、ファイバ２６に入射する励起光２７を出力するレーザ光源２８と、基本波の波長を選択して基本波を反射するファイバグレーティング２９が内部に形成されたファイバ２６と、出力である基本波２３を波長変換素子２５に導く偏光分離プリズム（偏光分離素子）３０とを備えている。なお、偏光分離プリズム３０は、励起光２７を透過してレーザ光源２８とファイバ２６を結びつけ、かつファイバ２６から出射する基本波２３を反射して波長変換素子２５に導く機能を果たすとともに、ファイバレーザ２２で発生した光がレーザ光源２８（励起光源）へ戻ることを防止している。
【００２９】
このファイバレーザ２２の基本のレーザ動作について次に説明する。図１で半導体レーザ光源２８からの励起光２７は、コリメートレンズ３２ａで平行光に変換された状態で偏光分離プリズム３０を透過する。さらに励起光２７は集光レンズ３２ｂにより集光されて、ファイバ２６の第２の反射面３３よりファイバ２６に入射する。入射した励起光２７はファイバ２６に含まれるレーザ活性物質で吸収されつつファイバ２６中を伝搬する。励起光２７はファイバグレーティング２９を通過したのち、第１の反射面３４で反射されてファイバ２６の中を折り返してレーザ活性物質で吸収されつつ伝搬し、第２の反射面３３に到達するまでに１往復してほぼレーザ活性物質に吸収されて消失する。従来はファイバ内を一方向に伝搬しつつ励起光が吸収されるだけなので、基本波を増幅するゲインは励起光が伝搬していく方向に進行するに従い減少していく。一方、本実施の形態では、励起光２７は、ファイバ２６内を折り返して一往復して吸収されるので、基本波を増幅するゲインは、従来に比べてファイバ２６内で一様に高くなる。
【００３０】
このように本実施の形態では、励起光２７がファイバ２６の中を一往復してほぼ全て吸収され、ファイバ２６内で基本波を増幅するゲインが一様に高くなった状態で、基本波２３の種光がファイバ２６の内部で発生する。この基本波の種光は、ファイバレーザ２２の第２の反射面３３とファイバグレーティング２９を一組の反射面として、この共振器の中を増幅されて強度を増しつつ何度も反射して往復しレーザ発振に至る。
【００３１】
なお、レーザ発振する光の偏光方向は、集光レンズ３６により直線偏光となっている。
【００３２】
本実施の形態で用いたファイバ２６は、例えば、高出力の励起光２７を伝播させることが可能なダブルクラッドの偏波保持ファイバを使用した。したがって、励起光２７は、ファイバ２６のコアと内側のクラッドの比較的広い領域を伝播して、ファイバ２６に含まれるレーザ活性物質により吸収される。また、広い範囲を伝播することができるので高出力の励起光２７を用いることもできる。
【００３３】
このようにしてファイバ２６から出力される基本波２３は、第２の反射面３３から出射したのち、集光レンズ３２ｂにより平行光に変換されて偏光分離プリズム３０に到達する。偏光分離プリズム３０の表面３５は、偏光方向を選択するよう設計されており、励起光２７の偏光方向の光は、透過し、基本波２３の偏光方向の光は、反射するように構成されているので、基本波２３は、偏光分離プリズム３０の反射表面３５で反射されて波長変換素子２５に導かれる。
【００３４】
次に波長変換素子２５の基本動作について説明する。上記のようにしてファイバレーザ２２により基本波２３のレーザ光が出力され、集光レンズ５３で集光されて波長変換素子２５に入射する。このファイバレーザ２２からの基本波２３が入射波となり波長変換素子２５の非線形光学効果により変換されると、波長が基本波の１／２とされた高調波出力２４となる。この変換された高調波出力２４は、ビームスプリッタ３７で一部反射されるが、透過した高調波出力２４のほとんど全てが波長変換装置２１の出力光となって出射される。
【００３５】
なお、ビームスプリッタ３７で一部反射された高調波出力３８は、波長変換装置２１の出力光をモニターするために受光素子３９で受光して電気信号に変換されて利用される。この変換された信号の強度が波長変換装置２１で所望の出力が得られる強度になるように、出力コントローラー４０は、励起用レーザ電流源４１でレーザ光源２８の駆動電流を調整する。出力コントローラー４０は、ペルチェ素子４６および４７により高調波出力２４が最大となるように０．０１℃の精度で温度調整も行っている。そうするとレーザ光源２８からの励起光２７の強度が調整され、ファイバレーザ２２の基本波２３の出力強度が調整され、その結果として波長変換装置２１の出力の強度が調整される。これにより波長変換装置２１の出力の強度は、いわゆるオートパワーコントロール（以下、「ＡＰＣ」と略する）によって一定に保たれることとなる。なお、波長変換装置２１の出力の強度をＡＰＣにより、さらに精度よく制御するために、ファイバ２６の第１の反射面３４の外側に受光素子４２を配置することもできる。このようにして、ファイバグレーティング２９で反射されず僅かに漏れて透過してくる基本波２３を検出する、または第１の反射面３４で反射されずに僅かに漏れて透過してくる励起光２７を検出することができる。この検出データを基に、励起光２７や基本波２３の全体の強度を各々推定することにより、出力コントローラー４０は励起用レーザ電流源４１によるレーザ光源２８の駆動電流を調整して、波長変換装置２１の出力の強度をＡＰＣにより制御する。また同様に、偏光分離プリズム３０の基本波２３を反射する反射表面３５と反対の表面４３から僅かに反射してくる励起光の一部４４を受光素子５０で検出するとともに、この励起光の一部４４に基づいて励起光２７全体の強度を推定し、出力コントローラー４０によるＡＰＣによって波長変換装置２１の出力の強度を制御することもできる。
【００３６】
本実施の形態では、ＡＳＥのジャイアントパルスが発生した場合においても励起用レーザダイオード（励起光源２８）や波長変換素子２５を劣化させない方法および、不用意な外乱により、ＡＳＥのジャイアントパルスが発生を防止する方法を提案している。
【００３７】
まず、ＡＳＥのジャイアントパルスが発生した場合の励起光源２８および波長変換素子２５の劣化を回避する構成について図２および図３を用いて説明する。
【００３８】
図２は励起光３１をファイバレーザ２２へ光学的に結合させる結合部の模式図を示している。励起光源２８より発せられた励起光３１は、コリメートレンズ３２ａにより平行光になる。続いて偏光分離プリズム３０を通過し、結合レンズ３２ｂによりファイバレーザ２２の第２の反射面３３に励起光を結合させ、ファイバ２６へ励起光を導入する。ファイバレーザ２２で発生した基本波２３は、所望の波長の光だけでなく、ＡＳＥ等の不用意に発生した光を含め、第２の反射面３３より出射される。このときファイバレーザ２２は、ＰＡＮＤＡなどの偏波保持ファイバと、ポラライザなどの単一偏光化素子とにより、直線偏光で発振するため、第２の反射面３３より出力される基本波２３も直線偏光となっている。一方、励起光源２８としては一般的に半導体レーザ光源が使用されるが、発振した光は、ほぼ直線偏光となっているため（本願実施例では半導体レーザが構成された基板表面と平行方向の偏光方向：ＴＥ偏光）、励起光３１の偏光方向と基本波２３の偏光方向とをあらかじめ直交させておき、偏光分離プリズム３０を用いることで、ファイバレーザ２２で発生した基本波２３と励起光源２８で発生した励起光３１とで進行方向を変化させることができる。つまり、図２に示すように励起光源２８で発生した励起光３１は、そのまま通過させ、励起光３１と直交した偏光成分を持つ基本波２３は、９０°向きを変えて出射されることとなり、励起光源２８へは入射しない。このことにより、不用意にファイバレーザ２２において発生したレーザ光２２による励起光源２８の劣化を防止することができる。
【００３９】
さらに、不用意に発生したＡＳＥのジャイアントパルスで波長変換素子２５へ与える光学的ダメージを防止する方法について、図３を用いて説明する。ファイバレーザ２２より出射された基本波２３は、コリメートレンズ３２ｂ（励起光３１にとっては結合レンズ）を通過し、平行光となる。その後偏光プリズム３０の反射面３５により、角度を９０°曲げられ出射される。その後、光リミッタ５１を通過し、集光レンズ５３を介して波長変換素子２５へ集光され、第２高調波であるグリーン光やブルー光が発せられる。ここで光リミッタ５１の動作について説明する。この光リミッタは基本波２３の進行方向に対して長さ５ｍｍのＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）結晶で構成されており、加熱用ヒータ５２と組み合わせて使用される。ＫＴＰ結晶にピーク強度の大きな光が入射されることで、ＫＴＰ結晶の光が透過した部分は茶色く変色する。この現象はフォトダークニングと呼ばれている。ＡＳＥは、ファイバレーザの構成にもよるが、今回の構成では１０８５ｎｍ付近の波長で発生するため、ＫＴＰ結晶の方位は１０８５ｎｍに対する、第２種位相整合角度に合致するよう配置されている。よって、１０６０ｎｍの波長を有する光が、ＫＴＰ結晶において位相整合して、グリーン光を発することはない。また、このＫＴＰ結晶にＡＳＥのジャイアントパルスが入射され、変色を起こした場合、加熱用ヒータ５２で１５０℃程度に加熱することにより、着色を除去することができる。
【００４０】
なお、この時、ファイバレーザ２２の第２の反射面３３は、励起光の光学的結合効率を最大にするためには、図２、および図３にも示されているように励起光の進行方向と直角であることが望ましい。
【００４１】
また、上記光リミッタの作用をする材料としては過飽和吸収体としてのＣｒＹＡＧも適している。
【００４２】
また、ＡＳＥのジャイアントパルスの発生を防止するために、図４〜図６のようにファイバの両端面には、当該ファイバの軸線と直交する方向に対して７°以上の角度を持たせている。ジャイアントパルス発生の防止には、第２の反射面３３と第１の反射面３４が平行とならないようにすることが必要である。つまり、ファイバの両端面に角度を付けることにより、強励起時にファイバ両端面でＱ値の小さな共振器を構成することができるので、ＡＳＥが発生することを抑制することができる。なお、本願の図面では、ファイバ端面の形状を分かり易くするためにわざと大きく書いているので、実際の場合も端面だけ大きな部材が付いているわけではない。また、第１の反射面３４には、励起光である９１５ｎｍおよび９７５ｎｍは全反射で、ファイバレーザ２２により発生させる１０６０ｎｍは全透過（低反射）となるようなコーティングが施されている。この状態で、ファイバレーザ２２の発振波長帯域において、ＦＢＧ２９の反射率＞コーティングの反射率となるように設定すれば、強励起時においてＡＳＥの発生を防止することができる。図７は第１の反射面３４に施すコーティングの光学特性の一例を示したプロット図である。
【００４３】
以上に述べた対策を施した場合と施さなかった場合とのファイバレーザ発振スペクトルを図８及び図９に示す。図８は対策を施さなかった場合、図９は対策を施した場合のスペクトルを示している。このとき双方ともファイバレーザ２２からは９Ｗの１０６０ｎｍ出力が得られている。図８では裾の部分でもブロードな発振が確認される。このブロードな発振は、出力が７Ｗ以上となったところで確認されはじめ、以降励起を強くしていくに従い、裾野部分の発振が大きくなる。これがＡＳＥによるものである。ここで、外部より不用意な反射光が入射されると、ジャイアントパルスとなり、ファイバグレーティング２９で規定された発振波長以外の部分で発振することで、励起光源や光学素子を破壊する原因となる。一方、図９では、同様の出力が得られている状態であるが、裾野部分での光エネルギーの発生は抑制されており、所望の波長のみで光が得られていることが分かる。以上のように、本実施例の構成とすることでＡＳＥの発生を抑制でき、さらには、ジャイアントパルスの発生による励起光源や光学素子の破壊を防止することが可能となる。
【００４４】
ここで、基本波２３とジャイアントパルスとの関係について説明すると、基本波２３の強度を上げるとＡＳＥの発生度合も増加する。つまり、図８の符号Ｉｓで示す基本波のベースライン（裾野部分）からピークの頂点までの範囲（以下、アイソレーションＩｓと称す）が小さいほどジャイアントパルスの発生度合が大きいことを意味する。具体的には、アイソレーションＩｓが２０ｄＢを基準として、これより小さいときにジャイアントパルスの発生度合が大きいことが実験上明らかとなっている。以下、図１０及び図１１を参照して具体的に検証する。
【００４５】
図１０は１０６４ｎｍの基本波を発生させる際の基本波出力に対するアイソレーションＩｓを示すチャートである。この図から分かるように、１０６４ｎｍの基本波を発生させる場合、出力が７Ｗ弱の段階でアイソレーションＩｓが２０ｄＢを下回っている。
【００４６】
図１１は１１６０ｎｍの基本波を発生させる際の基本波出力に対するアイソレーションＩｓを示すチャートである。この図から分かるように、１１６０ｎｍの基本波を発生させる場合、出力が５Ｗ弱の段階でアイソレーションＩｓが２０ｄＢを下回っている。
【００４７】
したがって、１０６４ｎｍの基本波を発生させる場合には基本波の出力を７Ｗ以上とし、１１６０ｎｍの基本波を発生させる場合には基本波の出力を５Ｗ以上として前記波長変換装置２１を使用すれば、高出力で基本波２３を得ることができる。なお、これらの出力に設定した場合、ジャイアントパルスも発生していると考えられるが、前記偏光分離プリズム３０によりこのジャイアントパルスがレーザ光源２８に戻るのを有効に阻止することができる。
【００４８】
また、図１で示した構成の波長変換装置２１を利用して励起光２７の波長を９７６ｎｍにしたところ、９Ｗの励起光で４Ｗの緑色レーザ光が得られ、高調波出力２４が高効率で得られることが確認された。
【００４９】
なお、本実施の形態ではファイバの長さを従来の半分にできるので、ファイバ中の基本波の吸収量も半分にすることができる。したがって、ファイバに添加する希土類元素の種類や量を調整することにより本実施の形態で用いた基本波よりも短波長の基本波を１０Ｗ程度の高出力で出力できるので、より短波長の５１０ｎｍから５４０ｎｍのＷ級の緑色レーザ光を得ることができる。
【００５０】
（実施の形態２）
図１２に本発明の実施の形態２について示す。実施の形態２の波長変換装置７１およびファイバレーザ７２は、実施の形態１と同様の機能を別の形態で実現するための構成を有している。実施の形態２の構成について図１２を用いて順次説明を行う。構成上異なっている部分はファイバレーザ共振器が一対のファイバグラッググレーティング（ＦＢＧ２９ａ、２９ｂ：本実施形態における一対の反射面に相当する）から構成されており、発振したレーザ光が、励起光入射端と異なる端面から出射される構成となっている。
【００５１】
図１２に示すように本実施の形態の波長変換装置７１は、ファイバレーザ７２と、ファイバレーザ７２から出射される基本波２３を高調波出力２４に変換する波長変換素子２５とから構成されている。
【００５２】
ファイバレーザ７２は、ファイバ２６に入射する励起光２７を出力するレーザ光源２８と、基本波の波長を選択して基本波を反射するファイバグレーティング２９ａ、２９ｂが内部に形成されたファイバ２６と、不用意に発生したＡＳＥジャイアントパルスが励起光源２８へ入射されることを防止する偏光分離プリズム３０とから構成されている。
【００５３】
本来、発生させるべきレーザ光である基本波２３は、第１の反射面３４より出射される。基本波２３は、光リミッタ５１を通り、折り返しミラー７３で曲げられた光路に沿って進行し、波長変換素子２５へ入射されて、第２高調波に変換される。
【００５４】
ここでファイバグレーティング２９ａの反射帯域幅は、１ｎｍ程度であり、反射率は、９９％以上、ファイバグレーティング２９ｂは、反射帯域幅０．０５ｎｍ程度である。ファイバグレーティング２９ａの帯域幅＞ファイバグレーティング２９ｂの帯域幅という関係にあることが望ましい。また、第１の反射面３４には、実施の形態１に記載の図７と同様の仕様のコーティングが施してある。ファイバレーザ７２の発振波長帯域における、ファイバグレーティング２９ｂの反射率と第１の反射面３４の反射率との関係は、ファイバグレーティング２９ｂの反射率＞第１の反射面３４の反射率である必要がある。この関係から逸脱する場合、実施の形態１における図８の様にＡＳＥが発生し、外部より不用意な反射光が入射されると、ジャイアントパルスとなり、励起光源や光学素子を破壊する原因となる。具体的には、ファイバグレーティング２９ｂ（波長変換素子２５に近い方の反射面）の反射率を１５％以上２０％以下にするのが望ましい。２０％以上になるとファイバレーザの効率が低下するためこの範囲であることが望ましい。
【００５５】
また、ＡＳＥのジャイアントパルスの発生を防止するために、図４〜６のようにファイバの両端面は、当該ファイバの軸線と直交する方向に対し７°以上の角度を持って形成されている。ジャイアントパルス発生の防止には、反射面３３と３４が平行とならないようにすることが必要である。つまり、端面に角度を付けることにより、強励起時にファイバ両端面でＱ値の小さな共振器を構成することができるので、ＡＳＥが発生することを抑制することができる。なお、本願の図面では、ファイバ端面の形状を分かり易くするためにわざと大きく書いているので、実際の場合も端面だけ大きな部材が付いているわけではない。
【００５６】
実施の形態２に記載の構成も、作用としては実施の形態１に記載の構成と同様である。
【００５７】
次に波長変換素子２５の基本動作について説明する。上記のようにしてファイバレーザ２２により基本波２３のレーザ光が出力され、集光レンズ５３で集光されて波長変換素子２５に入射する。このファイバレーザ２２からの基本波２３は、波長変換素子２５の非線形光学効果により変換されると、波長が基本波の１／２である高調波出力２４となる。
【００５８】
このような構成の波長変換装置７１を用いて、実施の形態１と同様に波長変換装置５５からＷ級のＧ光が得られた。しかし、基本波を折り返す構成でないため、励起光率は低下し、投入電力からグリーン光への変換効率は低下するので、効率という観点では、実施の形態１を用いることがより望ましい。
【００５９】
（実施の形態３）
実施の形態３では、実施の形態１および２で示した波長変換光源をディスプレイ用途に展開した場合の一例を示している。
【００６０】
図１３に示すように本実施の形態の２次元画像表示装置８００は、液晶３板式プロジェクターの光学エンジンに本願の内容を適用させた一例を示している。２次元画像表示装置８００は、画像処理部８０２と、レーザ出力コントローラー（コントローラー）８０３と、ＬＤ電源８０４と、赤色、緑色、青色レーザ光源８０５Ｒ、８０５Ｇ、８０５Ｂと、ビーム形成ロッドレンズ８０６Ｒ、８０６Ｇ、８０６Ｂと、リレーレンズ８０７Ｒ、８０７Ｇ、８０７Ｂと、折り返しミラー８０８Ｇ、８０８Ｂと、画像を表示させるための２次元変調素子８０９Ｒ、８０９Ｇ、８０９Ｂと、偏光子８１０Ｒ、８１０Ｇ、８１０Ｂと、合波プリズム８１１と、投影レンズ８１２とを備えている。
【００６１】
中でも本願実施の形態１および２に述べているのはグリーンレーザ光源８０５Ｇに関するものでありグリーンレーザ光源８０５Ｇ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ー８０３およびＬＤ電源８０４で制御される。
【００６２】
各光源８０６Ｒ、８０６Ｇ、８０６Ｂからのレーザ光は、ロッドレンズ８０６Ｒ、８０６Ｇ、８０６Ｂにより矩形に整形され、リレーレンズ８０７Ｒ、８０７Ｇ、８０７Ｂを通って各色の２次元変調素子を照明する。各色で、２次元に変調された画像をクロスプリズム８１１で合成し、投影レンズ８１２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。
【００６３】
また、グリーンレーザ光源８０５Ｇは、レーザ共振器をファイバ内に閉じた系とし、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。
【００６４】
一方画像処理部８０２では、入力される映像信号８０１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、レーザ出力コントローラー８０３に送出する役割を果たしている。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。
【００６５】
一方、２次元変調素子を１枚だけ使用したプロジェクターの構成例を図１４に示す。
【００６６】
図１４の形態では、２次元変調素子として強誘電体ＬＣＯＳを用いた場合について述べている青色レーザ光源９０１ｂ、赤色レーザ光源９０１ｒ、緑色レーザ光源９０１ｇから発せられたレーザ光は、コリメートレンズ９０２ｒ、９０２ｇ、９０３ｂにより平行光にコリメートされる。ミラー９０３ｒ、９０３ｂ、９０３ｇは、それぞれ赤（波長６００ｎｍ以上）、青（波長４００−４６０ｎｍ）、緑（波長５２０−５６０ｎｍ）領域に反射特性を持つ誘電体多層ミラーである。ミラー９０３ｇの直後では青色光源・赤色光源・緑色光源のビームパスは、同軸となるようにレンズ９０２ｒ・９０２ｇ・９０２ｂ及びミラー９０３ｒ・９０３ｇ・９０３ｂを調整している。９０４は、スキャンミラーでありビームを紙面内方向にスキャンする役割を持つ。レンズ９０５は、シリンドリカルレンズであり、ビームを線状の輝線に整形する。レンズ９０６・９０８は、リレーレンズ・フィールドレンズである。リレーレンズ９０６・フィールドレンズ９０８の間に配置されている９０７は、拡散板であり、シリンドリカルレンズ９０５で輝線に整形されたビームをさらに帯状に形成する。偏光プリズム９０９は、偏光ビームスプリッタであり、９１０は、２次元変調素子（ＬＣＯＳ）である。ＬＣＯＳ９１０のＯＮ・ＯＦＦは、光の偏光方向を回転させることにより行われているため、偏光プリズム９０９は、偏光ビームスプリッタである必要がある。合波されスキャンミラー９０４で光路を振られたビームは、Ｓ偏光でプリズム９０９に入射される。プリズム内の反射膜は、Ｓ偏光で反射するように設計されているため、Ｓ偏光の光は、ＬＣＯＳ９１０を照明する。
【００６７】
コントローラー９１３は、マイクロディスプレイ駆動回路９１４と、ＬＤ・スキャンミラー駆動回路９１５と、レーザ電流源９１６とを備えている。ビデオ信号９１７はマイクロディスプレイ駆動回路９１４に入力され駆動信号９１８を生成する。駆動信号９１８の一つであるＶ−ＳＹＮＣ信号９１９をトリガとして、スキャンミラーの駆動波形とレーザの発光タイミングである発光トリガを生成する。発光トリガはレーザの電流源に入力され、トリガ信号に合わせてレーザへ電流が供給される。Ｖ−ＳＹＮＣは、６０Ｈｚのパルス信号であり、その信号を元にして、２倍速の場合は１２０Ｈｚのレーザ発光信号が生成される。つまりｎ倍速の場合でｎ・６０Ｈｚの信号が生成される。レーザの発光時間を決定するデューティー比は、２次元変調素子の駆動方法で決定される。また、赤色・緑色・青色レーザ９０１ｒ・９０１ｇ・９０１ｂの出力は、フォトディテクタ９２１ｒ・９２１ｇおよび９２１ｂでモニターし、ＬＤ電流源へフィードバックをかける構成となっている。ＬＤ変調信号９２０と各ＬＤの出力設定値９２２との積と、フォトディテクタ９２１からのモニター信号とを比較することにより、各レーザの発光強度を均一にすることができる。
【００６８】
このような、ディスプレイ用途において、光量制御や、フィールドシーケンシャル制御を行う際の色切り替え時にパルス発光させる場合がある。このような場合、従来構成のファイバレーザを用いた光源では、図１５に示すように励起電流として矩形波の電流波形を入力すると、図１６に示すようにパルスの立ち上がりとともに高ピークのＡＳＥパルスが発生し、波長変換素子や、励起用レーザを劣化させてしまう課題があった。そして、この場合には、図１７に示すように、波長変換素子にレーザダメージを与えてしまい、グリーン光の発生が出来なかった。一方、本願第１及び第２の実施形態の波長変換光源を使用すると、図８及び図９に示すように、種となる自然放出光を抑制できるため、高ピークＡＳＥパルスの発生を防止することが出来る。
【００６９】
さらに、本願第１及び第２の実施形態の波長変換光源を使用した場合、図１８に示すように、１−１０μｓ程度の期間中にファイバレーザ光源の閾値以上の電流値で保持したり、閾値電流を上回るまでスロープ状に電流を増加させたりして立ち上げを行うことで、図１９に示すように、さらに確実にＡＳＥパルスの発生を防止することができる。その結果として、図２０の様な出力波形でグリーン光を出力することが出来た。
【００７０】
なお、このような構成の２次元画像表示装置のほかに、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）をとることも可能である。
【００７１】
また、Ｒ、Ｇ、Ｂの光の３原色を液晶パネルの背面から照明する構成とすることにより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も可能である。
【００７２】
なお、図１３および図１４では透過型液晶あるいは反射型液晶による空間変調素子を用いたが、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（ＭＥＭＳ）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。
【００７３】
なお、本実施の形態のように、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（反射型空間変調素子やＭＥＭＳ、ガルバノミラー）に対し、高調波を光ファイバで伝搬する際は、ＰＡＮＤＡファイバなどの偏波保持ファイバである必要はない。一方、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望ましい。
【００７４】
なお、第１から第３の実施の形態においてファイバレーザは希土類元素としてＹｂをドープしたものを用いたが、他の希土類元素、例えば、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｐｒ、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｇｄ、ＹおよびＬａ等から選択された少なくとも１つの希土類元素を用いてもよい。また、波長変換装置の波長や出力に応じて希土類元素のドープ量を変えたり、複数の希土類元素をドープしたりしてもよい。
【００７５】
なお、実施の形態１から３においてファイバレーザの励起用レーザ光源には、波長９１５ｎｍおよび波長９７６ｎｍのレーザを用いたが、ファイバレーザを励起できるものであれば、これらの波長以外のレーザ光源を用いてもよい。
【００７６】
なお、実施の形態１から３において波長変換素子は、周期分極反転ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３を用いたが、他の材料や構造の波長変換素子、例えば、周期的に分極反転構造を有するリン酸チタニルカリウム（ＫＴＰ）やＭｇ：ＬｉＴａＯ３等を用いてもよい。
【００７７】
なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。
【００７８】
本発明の波長変換装置は、レーザ活性物質を含むファイバと前記ファイバに形成されたファイバグレーティングとを有するレーザ共振器と、前記ファイバに励起光を入射するためのレーザ光源と、前記レーザ共振器と前記レーザ光源との間に設けられた偏光分離素子と、前記レーザ共振器から出射するレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを具備し、前記レーザ共振器は、偏波保持ファイバおよび単一偏光化機構を用いて前記レーザ光源の偏光方向と直交する方向に偏光した光を出射するように単一偏光化されているとともに、一対の反射面とを有し、前記偏光分離素子は、前記各反射面のうち前記レーザ光源に近い反射面と前記レーザ光源との間に配置され、前記レーザ光源から照射される特定の偏光方向の励起光を前記レーザ共振器に導く一方、このレーザ共振器から出射される前記特定の偏光方向と直交する偏光方向の前記基本波を前記レーザ光源から外れた方向へ導くことを特徴とする。
【００７９】
本発明の波長変換装置によれば、例えば、Ｙｂドープファイバを用いて、１ｕｍ帯のレーザ光を発生させる際に問題となるＡＳＥの発生を抑制することが可能となり、励起用レーザ光源の劣化や発生したレーザ光を波長変換する非線形光学結晶の破壊を防止することができる。
【００８０】
具体的に、励起光を発生するレーザ光源の偏光方向と発振器から発せられる光の偏光方向とを直交させ、双方を光学的に結合させる際に偏光分離素子を挿入することで、突発的に生じるＡＳＥがレーザ光源に導かれるのを抑制することができるので、当該ＡＳＥによる励起光源の劣化を防止することが出来る。
【００８１】
前記波長変換装置において、前記各反射面のうち前記波長変換素子に近い反射面は、誘電体多層膜から構成されており、前記波長変換素子に近い反射面の前記基本波発振波長域の反射率が１５％以上２０％以下であることが好ましい。この反射率はファイバ出射端面の反射率・波長変換素子など外部に配置される光学素子からの反射を考慮して決定されている。何の処理も施していないファイバの出射端面の反射率は大きくて５％程度であるが、強励起とした場合アイソレーションＩｓが低下する。そのため、ＡＳＥの抑制のために波長変換素子に近い側の反射面の反射率を、何の処理も施していないファイバの端面の反射率の３倍程度とすることが望ましい。
【００８２】
具体的に、前記図１の実施形態における第２の反射面３３、図１２の実施形態におけるファイバグレーティング２９ｂの基本波発振波長域の反射率を１５％〜２０％とすることができる。
【００８３】
また、前記レーザ共振器を一対のファイバグレーティングを用いることにより構成することもできる。この場合、一方のファイバグレーティングの基本波発振波長域における反射率を９８％以上とし、その帯域幅を１ｎｍ以上とすることができる。また、他方のファイバグレーティングの基本波発信波長域における反射率を１５％以上２０％以下とし、その帯域幅を０．１ｎｍ以下とすることができる。
【００８４】
例えば、図１２の実施形態においてレーザ光源２８に近いファイバグレーティング２９ａの反射率を９８％以上、その帯域幅を１ｎｍ以上とするとともに、レーザ光源２８から遠いファイバグレーティング２９ｂの反射率を１５％以上２０％以下、その帯域幅を０．１ｎｍ以下とすることができる。
【００８５】
前記波長変換装置において、前記ファイバレーザ共振器のファイバの端面が、当該ファイバの軸線と直交する方向に対して７°以上の傾きを持った構成とすれば、ＡＳＥの発生を抑制することが可能となる。
【００８６】
特に、前記レーザ共振器の二つの前記ファイバの端面が非平行となるように構成されている場合、強励起時にファイバ両端面でＱ値の小さな共振器を構成することができるので、ＡＳＥの発生を抑制することができる。
【００８７】
なお、前記ファイバレーザ共振器の前記ファイバの端面に７°〜２０°の傾きを持たせた上で、狭帯域のファイバグレーティングの反射率を１５％以上とした場合、突発的なＡＳＥの発生と合わせて、強励起した場合のＡＳＥの発生を抑制することが可能となる。よって、本発明の波長変換装置によれば、励起波長と発振波長が非常に近いＹｂファイバレーザによる１ｕｍ帯発生時においても、装置の長寿命化・信頼性の向上が可能となる。
【００８８】
また、波長が５１０ｎｍから５４０ｎｍである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。
【００８９】
前記波長変換装置において、前記レーザ活性物質は、Ｙｂを含み、前記基本波の波長は、１１００ｎｍ以上、１１８０ｎｍ以下、である構成とした場合には、励起光の波長（例えば９１５ｎｍ、９７５ｎｍ）とＡＳＥの波長とが比較的離れたものとなるため、誘電体フィルタによりＡＳＥが励起光源に戻るのを抑制することも可能であるが、前記偏光分離素子を用いた構成としているため、より設計の容易な構成とすることができる。
【００９０】
前記波長変換装置において、前記レーザ共振器と前記波長変換素子との間に光リミッタが設けられていることが好ましい。この構成によれば、所定のピーク強度の光が入射されたときにさらなる光の透過を制限することができるので、ＡＳＥによる波長変換素子へ与えるダメージを減少することができる。
【００９１】
具体的に、前記光リミッタとしてはＫＴｉＯＰＯ４やＣｒＹＡＧを用いることができる。これらを用いた場合、所定のピーク強度以上の光が光リミッタに入射すると、当該光の透過した部分が変色し、さらなる光の透過を制限することができる。この変色は過熱機能付保持具の過熱機能を用いて過熱すれば除去することができる。
【００９２】
前記波長変換装置において、１０３０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長を有する前記基本波を発生させるときに、前記基本波の出力が７Ｗ以上であること、又は、１１００ｎｍ以上１１９０ｎｍ以下の波長を有する前記基本波を発生させるときに、前記基本波の出力が５Ｗ以上であることが好ましい。
【００９３】
つまり、前記基本波の出力が大きくなるほどＡＳＥの発生量も多くなるが、ＡＳＥが発生する度合は基本波の波長に応じて変化する。そして、このＡＳＥの発生度合は、１０３０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の基本波長においては基本波の出力が７Ｗを超えたとき、１１００ｎｍ以上１１９０ｎｍ以下の基本波長においては基本波の出力が５Ｗを超えたときに急激に上昇することが実験上明らかとなっているため、これらの条件を満たすことによりＡＳＥによる影響を抑制しつつより大きな基本波の出力を得ることができる。
【００９４】
前記波長変換装置において、前記一対の反射面をそれぞれファイバグレーティングにより形成することができる。
【００９５】
また、上記目的を達成するために、本発明は、前記波長変換装置を搭載する２次元画像表示装置を提供する。この２次元画像表示装置は、入力信号の輝度情報に応じて光量を制御するように構成されているため、コントラストを向上することができる。
【００９６】
さらに、前記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、緑色およ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いずれかの波長変換装置を用いた構成としてもよい。
【００９７】
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。
【００９８】
このような特長を持つ波長変換装置を用いた本発明の２次元画像表示装置は、高輝度で、かつ色再現範囲が広く高画質に加えて、薄型・高効率・低消費電力化も可能であるという大きな効果を奏する。
【００９９】
なお、前記波長変換装置を搭載する２次元画像表示装置において、１枚の２次元変調素子を有し、映像信号のＶ−ＳＹＮＣ信号を元に赤・緑・青を順次切り替えて表示させる構成とすることができる。
【０１００】
また、前記波長変換装置を搭載する２次元画像表示装置において、パルス発振させる際、光源の駆動電流値を波形立ち上がり時に１−１０μｓの間光源の閾値以上保持する構成とすることもできる。
【０１０１】
さらに、前記波長変換装置を搭載する２次元画像表示装置において、パルス発振させる際、光源の駆動電流値を波形立ち上がり時に１−１０μｓでスロープ状に光源の閾値電流値まで上昇させる構成とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明の波長変換装置および２次元画像表示装置は、高輝度で色再現範囲が広く低消費電力であるので、大型ディスプレイや高輝度ディスプレイ等のディスプレイ分野で有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の実施の形態１における波長変換装置の概略構成図である。
【図２】励起用光源からファイバレーザ部への励起光結合部の拡大図である。
【図３】基励起用光源からファイバレーザ部および波長変換結晶部の拡大図である。
【図４】ファイバレーザにおけるファイバ両端面の処理及びファイバポラライザについて示した拡大図である。
【図５】図４の一部を拡大した図である。
【図６】図４の一部を拡大した図である。
【図７】ファイバレーザ２２におけるファイバ端面３４に施された反射膜の光学特性の一例を示した模式図である。
【図８】ファイバレーザ２２の発振スペクトルの一例で本願実施例に記載の方法を採用しなかった場合における、１０６０ｎｍ出力８Ｗ時の発振スペクトルを示した図である。
【図９】ファイバレーザ２２の発振スペクトルの一例で本願実施例の構成を採用した場合における１０６０ｎｍ出力８Ｗ時の発振スペクトルを示した図である。
【図１０】１０６４ｎｍの基本波を発生させる際の基本波出力に対するアイソレーションＩｓを示すチャートである。
【図１１】１１６０ｎｍの基本波を発生させる際の基本波出力に対するアイソレーションＩｓを示すチャートである。
【図１２】本発明の実施の形態２における波長変換装置の概略構成図である。
【図１３】本願で発明した波長変換光源を採用した２次元画像表示装置の一例を示した図である。
【図１４】本願で発明した波長変換光源を採用し、２次元変調素子を一枚だけ使用し、フィールドシーケンシャル動作を行う場合の２次元画像表示装置の一例を示した図である。
【図１５】従来構成の波長変換光源を採用した場合における変調時の印加電流波形を示したプロット図である。
【図１６】従来構成の波長変換光源を採用した場合における変調時の基本波の出力波形を示したプロット図である。
【図１７】従来構成の波長変換光源を採用した場合における変調時の第２高調波（グリーン光）の出力波形を示したプロット図である。
【図１８】本願構成の波長変換光源を採用した場合における変調時の印加電流波形を示したプロット図である。
【図１９】本願構成の波長変換光源を採用した場合における変調時の基本波の出力波形を示したプロット図である。
【図２０】本願構成の波長変換光源を採用した場合における変調時の第２高調波（グリーン光）の出力波形を示したプロット図である。
【符号の説明】
【０１０４】
２１、７１ 波長変換装置
２２ ファイバレーザ
２３ 基本波
２５ 波長変換素子
２６ ファイバ
２８ レーザ光源
２９、２９ａ、２９ｂ ファイバグレーティング
３０ 偏光分離プリズム
７２ ファイバレーザ
７３ ミラー
８００ ２次元画像表示装置
８０５Ｇ グリーンレーザ光源
９０１ｇ 緑色レーザ光源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバレーザと波長変換素子を組み合わせて安定な可視光高出力レーザを得る波長変換装置、および、この波長変換装置を光源として用いた２次元画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単色性が強くかつＷ級の高出力が出力できる可視光光源は、大型ディスプレイや高輝度ディスプレイ等を実現するうえで必要とされている。赤、緑、青の３原色のうち赤色の光源については、ＤＶＤレコーダー等で使用されている赤色高出力半導体レーザが、生産性の高い小型の光源として利用可能である。しかし、緑色または青色の光源については、半導体レーザ等での実現が難しく、生産性の高い小型の光源が求められている。とりわけ、緑色の出力光を得ることは、半導体レーザとして構成できる適当な材料がないこともあり、緑色の光源を実現するうえでの難易度は高い。
【０００３】
このような光源として、ファイバレーザと波長変換素子とを組み合わせた波長変換装置が低出力の可視光光源として実現されている。ファイバレーザを励起する励起光の光源として半導体レーザを用い、波長変換素子として非線形光学結晶を用いた緑色や青色の小型の光源はよく知られている。
【０００４】
しかしながら、このような波長変換装置からＷ級の高出力の緑色や青色の出力光を得るためには、いくつかの課題を解決することが必要である。例えば、従来の波長変換装置の構成を用いて緑色の出力光を得る場合、波長変換装置は、基本波を出力するファイバレーザと、基本波を緑色のレーザ光に変換する波長変換素子と、この波長変換素子の端面に基本波の出力を集光するレンズとを備えている必要がある。
【０００５】
ここで、このファイバレーザの基本のレーザ動作について説明する。まず、励起用レーザ光源からの励起光がファイバの一端から入射する。入射した励起光は、ファイバに含まれるレーザ活性物質で吸収され、これによりファイバの内部では基本波の種光が発生する。この基本波の種光は、ファイバに形成されたファイバグレーティングと、ここでは別のファイバのファイバグレーティングとを一対の反射ミラーとする共振器の中を何度も反射して往復する。それと同時に、種光は、ファイバに含まれるレーザ活性物質によるゲインで増幅されて、光強度が増大し波長選択もされてレーザ発振に到る。なお、ファイバとファイバとは、接続部で接続されており、レーザ光源は、励起用レーザ電流源により電流駆動される。
【０００６】
次に波長変換装置の基本動作について説明する。上記のようにしてファイバレーザにより基本波が出力され、レンズを介して波長変換素子に入射する。このファイバレーザからの基本波は、波長変換素子の非線形光学効果により高調波に変換される。この変換された高調波は、ビームスプリッタで一部反射されるが、透過した高調波は、波長変換装置の出力光である緑色のレーザ光となる。
【０００７】
なお、ビームスプリッタで一部反射された高調波は、波長変換装置の出力光をモニターするための受光素子で受光されたのち電気信号に変換されて利用される。この変換された信号の強度が波長変換装置で所望の出力が得られる強度になるように、出力制御部は、励起用レーザ電流源でレーザ光源の駆動電流を調整する。そうするとレーザ光源からの励起光の強度が調整されるとともに、ファイバレーザの基本波の出力強度が調整され、その結果として波長変換装置の出力の強度が調整される。このことにより波長変換装置の出力の強度は、一定に保たれる、いわゆるオートパワーコントロール（以下、「ＡＰＣ」と略する）が安定に動作することとなる。
【０００８】
このような構成により、数百ｍＷの緑色の高出力レーザを得ることは可能であるが、Ｗ級の緑色の高出力レーザを得ることは難しい。すなわち、波長変換装置の光出力を増大するためには、ファイバレーザの基本波および励起光の出力を増大させる必要がある。一方、レーザ活性物質としてＹｂを添加したファイバレーザ光源において、ＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）と呼ばれる自然発光が発生し、励起用レーザ光源に放射される（いわゆる戻り光）ことにより励起用レーザ光源を劣化させる原因となる事が知られている。また、このＡＳＥは、レーザ共振器外部の意図しない光反射により生じ、第２高調波を発生させる非線形光学結晶を破壊するという課題もあった。前者の励起用レーザの劣化を防止するために従来から、ダイクロイックミラーを使用する方法（特許文献１）や、角度を持ってファイバを接続する方法（特許文献２）、ファイバの構造を工夫するもの（特許文献３）、戻り光の光量を調整するための反射量調整器を備えたもの（特許文献４）などが提案されていた。
【特許文献１】特開２００４−１６５３９６号公報
【特許文献２】特開２００５−７０６０８号公報
【特許文献３】特開２００５−１５９１４２号公報
【特許文献４】特開２００３−３１８４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、レーザディスプレイ用の基本波の波長（１０３０ｎｍ〜１１００ｎｍ）を得ようとした場合に発生するＡＳＥの波長は１０４０ｎｍ〜１０８０ｎｍのように励起用レーザの波長（例えば９１５ｎｍ、９７５ｎｍ）と近くなる可能性が高い。このような場合には励起効率が低下するほか、誘電体フィルタ等による波長選択によってＡＳＥが励起用レーザ光源に戻るのを有効に阻止することが困難であり、ファイバを斜めに接続する方法においても、発生したＡＳＥにより接続部が劣化するという問題があった。
【００１０】
また、医療用レーザ光源用の基本波の波長（１１００ｎｍ〜１１８０ｎｍ）を得ようとした場合に生じるＡＳＥの波長は励起用レーザの波長から比較的離れたものとなるため、このような場合には誘電体フィルタ等による波長選択によってＡＳＥの戻りを阻止することも可能であるが、この場合においてもＡＳＥの戻りを阻止するための構成をより容易に構築することが期待されている。
【００１１】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、Ｗ級の高出力の緑色や青色のレーザ出力光を安定して得られる波長変換装置と、この波長変換装置を用いた高輝度の２次元画像表示装置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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の波長変換装置は、レーザ活性物質を含むファイバと前記ファイバに形成されたファイバグレーティングとを有するレーザ共振器と、前記ファイバに励起光を入射するためのレーザ光源と、前記レーザ共振器と前記レーザ光源との間に設けられた偏光分離素子と、前記レーザ共振器から出射するレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを具備し、前記レーザ共振器は、偏波保持ファイバおよび単一偏光化機構を用いて前記レーザ光源の偏光方向と直交する方向に偏光した光を出射するように単一偏光化されているとともに、一対の反射面とを有し、前記偏光分離素子は、前記各反射面のうち前記レーザ光源に近い反射面と前記レーザ光源との間に配置され、前記レーザ光源から照射される特定の偏光方向の励起光を前記レーザ共振器に導く一方、このレーザ共振器から出射される前記特定の偏光方向と直交する偏光方向の前記基本波を前記レーザ光源から外れた方向へ導くことを特徴とする。
【００１３】
本発明の波長変換装置によれば、例えば、Ｙｂドープファイバを用いて、１ｕｍ帯のレーザ光を発生させる際に問題となるＡＳＥの発生を抑制することが可能となり、励起用レーザ光源の劣化や発生したレーザ光を波長変換する非線形光学結晶の破壊を防止することができる。
【００１４】
具体的に、励起光を発生するレーザ光源の偏光方向と発振器から発せられる光の偏光方向とを直交させ、双方を光学的に結合させる際に偏光分離素子を挿入することで、突発的に生じるＡＳＥがレーザ光源に導かれるのを抑制することができるので、当該ＡＳＥによる励起光源の劣化を防止することが出来る。
【００１５】
前記波長変換装置において、前記各反射面のうち前記波長変換素子に近い反射面は、誘電体多層膜から構成されており、前記波長変換素子に近い反射面の前記基本波発振波長域の反射率が１５％以上２０％以下であることが好ましい。この反射率はファイバ出射端面の反射率・波長変換素子など外部に配置される光学素子からの反射を考慮して決定されている。何の処理も施していないファイバの出射端面の反射率は大きくて５％程度であるが、強励起とした場合アイソレーションＩｓが低下する。そのため、ＡＳＥの抑制のために波長変換素子に近い側の反射面の反射率を、何の処理も施していないファイバの端面の反射率の３倍程度とすることが望ましい。
【００１６】
前記波長変換装置において、前記ファイバレーザ共振器のファイバの端面が、当該ファイバの軸線と直交する方向に対して７°以上の傾きを持った構成とすれば、ＡＳＥの発生を抑制することが可能となる。
【００１７】
特に、前記レーザ共振器の二つの前記ファイバの端面が非平行となるように構成されている場合、強励起時にファイバ両端面でＱ値の小さな共振器を構成することができるので、ＡＳＥの発生を抑制することができる。
【００１８】
前記波長変換装置において、前記レーザ活性物質は、Ｙｂを含み、前記基本波の波長は、１１００ｎｍ以上、１１８０ｎｍ以下、である構成とした場合には、励起光の波長（例えば９１５ｎｍ、９７５ｎｍ）とＡＳＥの波長とが比較的離れたものとなるため、誘電体フィルタによりＡＳＥが励起光源に戻るのを抑制することも可能であるが、前記偏光分離素子を用いた構成としているため、より設計の容易な構成とすることができる。
【００１９】
前記波長変換装置において、前記レーザ共振器と前記波長変換素子との間に光リミッタが設けられていることが好ましい。この構成によれば、所定のピーク強度の光が入射されたときにさらなる光の透過を制限することができるので、ＡＳＥによる波長変換素子へ与えるダメージを減少することができる。
【００２０】
具体的に、前記光リミッタとしてはＫＴｉＯＰＯ４やＣｒＹＡＧを用いることができる。これらを用いた場合、所定のピーク強度以上の光が光リミッタに入射すると、当該光の透過した部分が変色し、さらなる光の透過を制限することができる。この変色は過熱機能付保持具の過熱機能を用いて過熱すれば除去することができる。
【００２１】
前記波長変換装置において、１０３０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長を有する前記基本波を発生させるときに、前記基本波の出力が７Ｗ以上であること、又は、１１００ｎｍ以上１１９０ｎｍ以下の波長を有する前記基本波を発生させるときに、前記基本波の出力が５Ｗ以上であることが好ましい。
【００２２】
つまり、前記基本波の出力が大きくなるほどＡＳＥの発生量も多くなるが、ＡＳＥが発生する度合は基本波の波長に応じて変化する。そして、このＡＳＥの発生度合は、１０３０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の基本波長においては基本波の出力が７Ｗを超えたとき、１１００ｎｍ以上１１９０ｎｍ以下の基本波長においては基本波の出力が５Ｗを超えたときに急激に上昇することが実験上明らかとなっているため、これらの条件を満たすことによりＡＳＥによる影響を抑制しつつより大きな基本波の出力を得ることができる。
【００２３】
前記波長変換装置において、前記一対の反射面をそれぞれファイバグレーティングにより形成することができる。
【００２４】
また、上記目的を達成するために、本発明は、前記波長変換装置を搭載する２次元画像表示装置を提供する。この２次元画像表示装置は、入力信号の輝度情報に応じて光量を制御するように構成されているため、コントラストを向上することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の波長変換装置によれば、Ｗ級の高出力の緑色や青色のレーザ出力光を安定して得られる波長変換装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態にかかる波長変換装置および２次元画像表示装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。また、図面で同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合もある。
【００２７】
（実施の形態１）
図１から図１１は、本発明の波長変換装置２１の第１の実施の形態を示す図である。図１に示すように本実施の形態の波長変換装置２１は、ファイバレーザ２２と、ファイバレーザ２２から出射される基本波２３を高調波出力２４に変換する波長変換素子２５とを備えている。
【００２８】
ファイバレーザ２２は、ファイバ２６に入射する励起光２７を出力するレーザ光源２８と、基本波の波長を選択して基本波を反射するファイバグレーティング２９が内部に形成されたファイバ２６と、出力である基本波２３を波長変換素子２５に導く偏光分離プリズム（偏光分離素子）３０とを備えている。なお、偏光分離プリズム３０は、励起光２７を透過してレーザ光源２８とファイバ２６を結びつけ、かつファイバ２６から出射する基本波２３を反射して波長変換素子２５に導く機能を果たすとともに、ファイバレーザ２２で発生した光がレーザ光源２８（励起光源）へ戻ることを防止している。
【００２９】
このファイバレーザ２２の基本のレーザ動作について次に説明する。図１で半導体レーザ光源２８からの励起光２７は、コリメートレンズ３２ａで平行光に変換された状態で偏光分離プリズム３０を透過する。さらに励起光２７は集光レンズ３２ｂにより集光されて、ファイバ２６の第２の反射面３３よりファイバ２６に入射する。入射した励起光２７はファイバ２６に含まれるレーザ活性物質で吸収されつつファイバ２６中を伝搬する。励起光２７はファイバグレーティング２９を通過したのち、第１の反射面３４で反射されてファイバ２６の中を折り返してレーザ活性物質で吸収されつつ伝搬し、第２の反射面３３に到達するまでに１往復してほぼレーザ活性物質に吸収されて消失する。従来はファイバ内を一方向に伝搬しつつ励起光が吸収されるだけなので、基本波を増幅するゲインは励起光が伝搬していく方向に進行するに従い減少していく。一方、本実施の形態では、励起光２７は、ファイバ２６内を折り返して一往復して吸収されるので、基本波を増幅するゲインは、従来に比べてファイバ２６内で一様に高くなる。
【００３０】
このように本実施の形態では、励起光２７がファイバ２６の中を一往復してほぼ全て吸収され、ファイバ２６内で基本波を増幅するゲインが一様に高くなった状態で、基本波２３の種光がファイバ２６の内部で発生する。この基本波の種光は、ファイバレーザ２２の第２の反射面３３とファイバグレーティング２９を一組の反射面として、この共振器の中を増幅されて強度を増しつつ何度も反射して往復しレーザ発振に至る。
【００３１】
なお、レーザ発振する光の偏光方向は、集光レンズ３６により直線偏光となっている。
【００３２】
本実施の形態で用いたファイバ２６は、例えば、高出力の励起光２７を伝播させることが可能なダブルクラッドの偏波保持ファイバを使用した。したがって、励起光２７は、ファイバ２６のコアと内側のクラッドの比較的広い領域を伝播して、ファイバ２６に含まれるレーザ活性物質により吸収される。また、広い範囲を伝播することができるので高出力の励起光２７を用いることもできる。
【００３３】
このようにしてファイバ２６から出力される基本波２３は、第２の反射面３３から出射したのち、集光レンズ３２ｂにより平行光に変換されて偏光分離プリズム３０に到達する。偏光分離プリズム３０の表面３５は、偏光方向を選択するよう設計されており、励起光２７の偏光方向の光は、透過し、基本波２３の偏光方向の光は、反射するように構成されているので、基本波２３は、偏光分離プリズム３０の反射表面３５で反射されて波長変換素子２５に導かれる。
【００３４】
次に波長変換素子２５の基本動作について説明する。上記のようにしてファイバレーザ２２により基本波２３のレーザ光が出力され、集光レンズ５３で集光されて波長変換素子２５に入射する。このファイバレーザ２２からの基本波２３が入射波となり波長変換素子２５の非線形光学効果により変換されると、波長が基本波の１／２とされた高調波出力２４となる。この変換された高調波出力２４は、ビームスプリッタ３７で一部反射されるが、透過した高調波出力２４のほとんど全てが波長変換装置２１の出力光となって出射される。
【００３５】
なお、ビームスプリッタ３７で一部反射された高調波出力３８は、波長変換装置２１の出力光をモニターするために受光素子３９で受光して電気信号に変換されて利用される。この変換された信号の強度が波長変換装置２１で所望の出力が得られる強度になるように、出力コントローラー４０は、励起用レーザ電流源４１でレーザ光源２８の駆動電流を調整する。出力コントローラー４０は、ペルチェ素子４６および４７により高調波出力２４が最大となるように０．０１℃の精度で温度調整も行っている。そうするとレーザ光源２８からの励起光２７の強度が調整され、ファイバレーザ２２の基本波２３の出力強度が調整され、その結果として波長変換装置２１の出力の強度が調整される。これにより波長変換装置２１の出力の強度は、いわゆるオートパワーコントロール（以下、「ＡＰＣ」と略する）によって一定に保たれることとなる。なお、波長変換装置２１の出力の強度をＡＰＣにより、さらに精度よく制御するために、ファイバ２６の第１の反射面３４の外側に受光素子４２を配置することもできる。このようにして、ファイバグレーティング２９で反射されず僅かに漏れて透過してくる基本波２３を検出する、または第１の反射面３４で反射されずに僅かに漏れて透過してくる励起光２７を検出することができる。この検出データを基に、励起光２７や基本波２３の全体の強度を各々推定することにより、出力コントローラー４０は励起用レーザ電流源４１によるレーザ光源２８の駆動電流を調整して、波長変換装置２１の出力の強度をＡＰＣにより制御する。また同様に、偏光分離プリズム３０の基本波２３を反射する反射表面３５と反対の表面４３から僅かに反射してくる励起光の一部４４を受光素子５０で検出するとともに、この励起光の一部４４に基づいて励起光２７全体の強度を推定し、出力コントローラー４０によるＡＰＣによって波長変換装置２１の出力の強度を制御することもできる。
【００３６】
本実施の形態では、ＡＳＥのジャイアントパルスが発生した場合においても励起用レーザダイオード（励起光源２８）や波長変換素子２５を劣化させない方法および、不用意な外乱により、ＡＳＥのジャイアントパルスが発生を防止する方法を提案している。
【００３７】
まず、ＡＳＥのジャイアントパルスが発生した場合の励起光源２８および波長変換素子２５の劣化を回避する構成について図２および図３を用いて説明する。
【００３８】
図２は励起光３１をファイバレーザ２２へ光学的に結合させる結合部の模式図を示している。励起光源２８より発せられた励起光３１は、コリメートレンズ３２ａにより平行光になる。続いて偏光分離プリズム３０を通過し、結合レンズ３２ｂによりファイバレーザ２２の第２の反射面３３に励起光を結合させ、ファイバ２６へ励起光を導入する。ファイバレーザ２２で発生した基本波２３は、所望の波長の光だけでなく、ＡＳＥ等の不用意に発生した光を含め、第２の反射面３３より出射される。このときファイバレーザ２２は、ＰＡＮＤＡなどの偏波保持ファイバと、ポラライザなどの単一偏光化素子とにより、直線偏光で発振するため、第２の反射面３３より出力される基本波２３も直線偏光となっている。一方、励起光源２８としては一般的に半導体レーザ光源が使用されるが、発振した光は、ほぼ直線偏光となっているため（本願実施例では半導体レーザが構成された基板表面と平行方向の偏光方向：ＴＥ偏光）、励起光３１の偏光方向と基本波２３の偏光方向とをあらかじめ直交させておき、偏光分離プリズム３０を用いることで、ファイバレーザ２２で発生した基本波２３と励起光源２８で発生した励起光３１とで進行方向を変化させることができる。つまり、図２に示すように励起光源２８で発生した励起光３１は、そのまま通過させ、励起光３１と直交した偏光成分を持つ基本波２３は、９０°向きを変えて出射されることとなり、励起光源２８へは入射しない。このことにより、不用意にファイバレーザ２２において発生したレーザ光２２による励起光源２８の劣化を防止することができる。
【００３９】
さらに、不用意に発生したＡＳＥのジャイアントパルスで波長変換素子２５へ与える光学的ダメージを防止する方法について、図３を用いて説明する。ファイバレーザ２２より出射された基本波２３は、コリメートレンズ３２ｂ（励起光３１にとっては結合レンズ）を通過し、平行光となる。その後偏光プリズム３０の反射面３５により、角度を９０°曲げられ出射される。その後、光リミッタ５１を通過し、集光レンズ５３を介して波長変換素子２５へ集光され、第２高調波であるグリーン光やブルー光が発せられる。ここで光リミッタ５１の動作について説明する。この光リミッタは基本波２３の進行方向に対して長さ５ｍｍのＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）結晶で構成されており、加熱用ヒータ５２と組み合わせて使用される。ＫＴＰ結晶にピーク強度の大きな光が入射されることで、ＫＴＰ結晶の光が透過した部分は茶色く変色する。この現象はフォトダークニングと呼ばれている。ＡＳＥは、ファイバレーザの構成にもよるが、今回の構成では１０８５ｎｍ付近の波長で発生するため、ＫＴＰ結晶の方位は１０８５ｎｍに対する、第２種位相整合角度に合致するよう配置されている。よって、１０６０ｎｍの波長を有する光が、ＫＴＰ結晶において位相整合して、グリーン光を発することはない。また、このＫＴＰ結晶にＡＳＥのジャイアントパルスが入射され、変色を起こした場合、加熱用ヒータ５２で１５０℃程度に加熱することにより、着色を除去することができる。
【００４０】
なお、この時、ファイバレーザ２２の第２の反射面３３は、励起光の光学的結合効率を最大にするためには、図２、および図３にも示されているように励起光の進行方向と直角であることが望ましい。
【００４１】
また、上記光リミッタの作用をする材料としては過飽和吸収体としてのＣｒＹＡＧも適している。
【００４２】
また、ＡＳＥのジャイアントパルスの発生を防止するために、図４〜図６のようにファイバの両端面には、当該ファイバの軸線と直交する方向に対して７°以上の角度を持たせている。ジャイアントパルス発生の防止には、第２の反射面３３と第１の反射面３４が平行とならないようにすることが必要である。つまり、ファイバの両端面に角度を付けることにより、強励起時にファイバ両端面でＱ値の小さな共振器を構成することができるので、ＡＳＥが発生することを抑制することができる。なお、本願の図面では、ファイバ端面の形状を分かり易くするためにわざと大きく書いているので、実際の場合も端面だけ大きな部材が付いているわけではない。また、第１の反射面３４には、励起光である９１５ｎｍおよび９７５ｎｍは全反射で、ファイバレーザ２２により発生させる１０６０ｎｍは全透過（低反射）となるようなコーティングが施されている。この状態で、ファイバレーザ２２の発振波長帯域において、ＦＢＧ２９の反射率＞コーティングの反射率となるように設定すれば、強励起時においてＡＳＥの発生を防止することができる。図７は第１の反射面３４に施すコーティングの光学特性の一例を示したプロット図である。
【００４３】
以上に述べた対策を施した場合と施さなかった場合とのファイバレーザ発振スペクトルを図８及び図９に示す。図８は対策を施さなかった場合、図９は対策を施した場合のスペクトルを示している。このとき双方ともファイバレーザ２２からは９Ｗの１０６０ｎｍ出力が得られている。図８では裾の部分でもブロードな発振が確認される。このブロードな発振は、出力が７Ｗ以上となったところで確認されはじめ、以降励起を強くしていくに従い、裾野部分の発振が大きくなる。これがＡＳＥによるものである。ここで、外部より不用意な反射光が入射されると、ジャイアントパルスとなり、ファイバグレーティング２９で規定された発振波長以外の部分で発振することで、励起光源や光学素子を破壊する原因となる。一方、図９では、同様の出力が得られている状態であるが、裾野部分での光エネルギーの発生は抑制されており、所望の波長のみで光が得られていることが分かる。以上のように、本実施例の構成とすることでＡＳＥの発生を抑制でき、さらには、ジャイアントパルスの発生による励起光源や光学素子の破壊を防止することが可能となる。
【００４４】
ここで、基本波２３とジャイアントパルスとの関係について説明すると、基本波２３の強度を上げるとＡＳＥの発生度合も増加する。つまり、図８の符号Ｉｓで示す基本波のベースライン（裾野部分）からピークの頂点までの範囲（以下、アイソレーションＩｓと称す）が小さいほどジャイアントパルスの発生度合が大きいことを意味する。具体的には、アイソレーションＩｓが２０ｄＢを基準として、これより小さいときにジャイアントパルスの発生度合が大きいことが実験上明らかとなっている。以下、図１０及び図１１を参照して具体的に検証する。
【００４５】
図１０は１０６４ｎｍの基本波を発生させる際の基本波出力に対するアイソレーションＩｓを示すチャートである。この図から分かるように、１０６４ｎｍの基本波を発生させる場合、出力が７Ｗ弱の段階でアイソレーションＩｓが２０ｄＢを下回っている。
【００４６】
図１１は１１６０ｎｍの基本波を発生させる際の基本波出力に対するアイソレーションＩｓを示すチャートである。この図から分かるように、１１６０ｎｍの基本波を発生させる場合、出力が５Ｗ弱の段階でアイソレーションＩｓが２０ｄＢを下回っている。
【００４７】
したがって、１０６４ｎｍの基本波を発生させる場合には基本波の出力を７Ｗ以上とし、１１６０ｎｍの基本波を発生させる場合には基本波の出力を５Ｗ以上として前記波長変換装置２１を使用すれば、高出力で基本波２３を得ることができる。なお、これらの出力に設定した場合、ジャイアントパルスも発生していると考えられるが、前記偏光分離プリズム３０によりこのジャイアントパルスがレーザ光源２８に戻るのを有効に阻止することができる。
【００４８】
また、図１で示した構成の波長変換装置２１を利用して励起光２７の波長を９７６ｎｍにしたところ、９Ｗの励起光で４Ｗの緑色レーザ光が得られ、高調波出力２４が高効率で得られることが確認された。
【００４９】
なお、本実施の形態ではファイバの長さを従来の半分にできるので、ファイバ中の基本波の吸収量も半分にすることができる。したがって、ファイバに添加する希土類元素の種類や量を調整することにより本実施の形態で用いた基本波よりも短波長の基本波を１０Ｗ程度の高出力で出力できるので、より短波長の５１０ｎｍから５４０ｎｍのＷ級の緑色レーザ光を得ることができる。
【００５０】
（実施の形態２）
図１２に本発明の実施の形態２について示す。実施の形態２の波長変換装置７１およびファイバレーザ７２は、実施の形態１と同様の機能を別の形態で実現するための構成を有している。実施の形態２の構成について図１２を用いて順次説明を行う。構成上異なっている部分はファイバレーザ共振器が一対のファイバグラッググレーティング（ＦＢＧ２９ａ、２９ｂ：本実施形態における一対の反射面に相当する）から構成されており、発振したレーザ光が、励起光入射端と異なる端面から出射される構成となっている。
【００５１】
図１２に示すように本実施の形態の波長変換装置７１は、ファイバレーザ７２と、ファイバレーザ７２から出射される基本波２３を高調波出力２４に変換する波長変換素子２５とから構成されている。
【００５２】
ファイバレーザ７２は、ファイバ２６に入射する励起光２７を出力するレーザ光源２８と、基本波の波長を選択して基本波を反射するファイバグレーティング２９ａ、２９ｂが内部に形成されたファイバ２６と、不用意に発生したＡＳＥジャイアントパルスが励起光源２８へ入射されることを防止する偏光分離プリズム３０とから構成されている。
【００５３】
本来、発生させるべきレーザ光である基本波２３は、第１の反射面３４より出射される。基本波２３は、光リミッタ５１を通り、折り返しミラー７３で曲げられた光路に沿って進行し、波長変換素子２５へ入射されて、第２高調波に変換される。
【００５４】
ここでファイバグレーティング２９ａの反射帯域幅は、１ｎｍ程度であり、反射率は、９９％以上、ファイバグレーティング２９ｂは、反射帯域幅０．０５ｎｍ程度である。ファイバグレーティング２９ａの帯域幅＞ファイバグレーティング２９ｂの帯域幅という関係にあることが望ましい。また、第１の反射面３４には、実施の形態１に記載の図７と同様の仕様のコーティングが施してある。ファイバレーザ７２の発振波長帯域における、ファイバグレーティング２９ｂの反射率と第１の反射面３４の反射率との関係は、ファイバグレーティング２９ｂの反射率＞第１の反射面３４の反射率である必要がある。この関係から逸脱する場合、実施の形態１における図８の様にＡＳＥが発生し、外部より不用意な反射光が入射されると、ジャイアントパルスとなり、励起光源や光学素子を破壊する原因となる。具体的には、ファイバグレーティング２９ｂ（波長変換素子２５に近い方の反射面）の反射率を１５％以上２０％以下にするのが望ましい。２０％以上になるとファイバレーザの効率が低下するためこの範囲であることが望ましい。
【００５５】
また、ＡＳＥのジャイアントパルスの発生を防止するために、図４〜６のようにファイバの両端面は、当該ファイバの軸線と直交する方向に対し７°以上の角度を持って形成されている。ジャイアントパルス発生の防止には、反射面３３と３４が平行とならないようにすることが必要である。つまり、端面に角度を付けることにより、強励起時にファイバ両端面でＱ値の小さな共振器を構成することができるので、ＡＳＥが発生することを抑制することができる。なお、本願の図面では、ファイバ端面の形状を分かり易くするためにわざと大きく書いているので、実際の場合も端面だけ大きな部材が付いているわけではない。
【００５６】
実施の形態２に記載の構成も、作用としては実施の形態１に記載の構成と同様である。
【００５７】
次に波長変換素子２５の基本動作について説明する。上記のようにしてファイバレーザ２２により基本波２３のレーザ光が出力され、集光レンズ５３で集光されて波長変換素子２５に入射する。このファイバレーザ２２からの基本波２３は、波長変換素子２５の非線形光学効果により変換されると、波長が基本波の１／２である高調波出力２４となる。
【００５８】
このような構成の波長変換装置７１を用いて、実施の形態１と同様に波長変換装置５５からＷ級のＧ光が得られた。しかし、基本波を折り返す構成でないため、励起光率は低下し、投入電力からグリーン光への変換効率は低下するので、効率という観点では、実施の形態１を用いることがより望ましい。
【００５９】
（実施の形態３）
実施の形態３では、実施の形態１および２で示した波長変換光源をディスプレイ用途に展開した場合の一例を示している。
【００６０】
図１３に示すように本実施の形態の２次元画像表示装置８００は、液晶３板式プロジェクターの光学エンジンに本願の内容を適用させた一例を示している。２次元画像表示装置８００は、画像処理部８０２と、レーザ出力コントローラー（コントローラー）８０３と、ＬＤ電源８０４と、赤色、緑色、青色レーザ光源８０５Ｒ、８０５Ｇ、８０５Ｂと、ビーム形成ロッドレンズ８０６Ｒ、８０６Ｇ、８０６Ｂと、リレーレンズ８０７Ｒ、８０７Ｇ、８０７Ｂと、折り返しミラー８０８Ｇ、８０８Ｂと、画像を表示させるための２次元変調素子８０９Ｒ、８０９Ｇ、８０９Ｂと、偏光子８１０Ｒ、８１０Ｇ、８１０Ｂと、合波プリズム８１１と、投影レンズ８１２とを備えている。
【００６１】
中でも本願実施の形態１および２に述べているのはグリーンレーザ光源８０５Ｇに関するものでありグリーンレーザ光源８０５Ｇ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ー８０３およびＬＤ電源８０４で制御される。
【００６２】
各光源８０６Ｒ、８０６Ｇ、８０６Ｂからのレーザ光は、ロッドレンズ８０６Ｒ、８０６Ｇ、８０６Ｂにより矩形に整形され、リレーレンズ８０７Ｒ、８０７Ｇ、８０７Ｂを通って各色の２次元変調素子を照明する。各色で、２次元に変調された画像をクロスプリズム８１１で合成し、投影レンズ８１２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。
【００６３】
また、グリーンレーザ光源８０５Ｇは、レーザ共振器をファイバ内に閉じた系とし、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。
【００６４】
一方画像処理部８０２では、入力される映像信号８０１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、レーザ出力コントローラー８０３に送出する役割を果たしている。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。
【００６５】
一方、２次元変調素子を１枚だけ使用したプロジェクターの構成例を図１４に示す。
【００６６】
図１４の形態では、２次元変調素子として強誘電体ＬＣＯＳを用いた場合について述べている青色レーザ光源９０１ｂ、赤色レーザ光源９０１ｒ、緑色レーザ光源９０１ｇから発せられたレーザ光は、コリメートレンズ９０２ｒ、９０２ｇ、９０３ｂにより平行光にコリメートされる。ミラー９０３ｒ、９０３ｂ、９０３ｇは、それぞれ赤（波長６００ｎｍ以上）、青（波長４００−４６０ｎｍ）、緑（波長５２０−５６０ｎｍ）領域に反射特性を持つ誘電体多層ミラーである。ミラー９０３ｇの直後では青色光源・赤色光源・緑色光源のビームパスは、同軸となるようにレンズ９０２ｒ・９０２ｇ・９０２ｂ及びミラー９０３ｒ・９０３ｇ・９０３ｂを調整している。９０４は、スキャンミラーでありビームを紙面内方向にスキャンする役割を持つ。レンズ９０５は、シリンドリカルレンズであり、ビームを線状の輝線に整形する。レンズ９０６・９０８は、リレーレンズ・フィールドレンズである。リレーレンズ９０６・フィールドレンズ９０８の間に配置されている９０７は、拡散板であり、シリンドリカルレンズ９０５で輝線に整形されたビームをさらに帯状に形成する。偏光プリズム９０９は、偏光ビームスプリッタであり、９１０は、２次元変調素子（ＬＣＯＳ）である。ＬＣＯＳ９１０のＯＮ・ＯＦＦは、光の偏光方向を回転させることにより行われているため、偏光プリズム９０９は、偏光ビームスプリッタである必要がある。合波されスキャンミラー９０４で光路を振られたビームは、Ｓ偏光でプリズム９０９に入射される。プリズム内の反射膜は、Ｓ偏光で反射するように設計されているため、Ｓ偏光の光は、ＬＣＯＳ９１０を照明する。
【００６７】
コントローラー９１３は、マイクロディスプレイ駆動回路９１４と、ＬＤ・スキャンミラー駆動回路９１５と、レーザ電流源９１６とを備えている。ビデオ信号９１７はマイクロディスプレイ駆動回路９１４に入力され駆動信号９１８を生成する。駆動信号９１８の一つであるＶ−ＳＹＮＣ信号９１９をトリガとして、スキャンミラーの駆動波形とレーザの発光タイミングである発光トリガを生成する。発光トリガはレーザの電流源に入力され、トリガ信号に合わせてレーザへ電流が供給される。Ｖ−ＳＹＮＣは、６０Ｈｚのパルス信号であり、その信号を元にして、２倍速の場合は１２０Ｈｚのレーザ発光信号が生成される。つまりｎ倍速の場合でｎ・６０Ｈｚの信号が生成される。レーザの発光時間を決定するデューティー比は、２次元変調素子の駆動方法で決定される。また、赤色・緑色・青色レーザ９０１ｒ・９０１ｇ・９０１ｂの出力は、フォトディテクタ９２１ｒ・９２１ｇおよび９２１ｂでモニターし、ＬＤ電流源へフィードバックをかける構成となっている。ＬＤ変調信号９２０と各ＬＤの出力設定値９２２との積と、フォトディテクタ９２１からのモニター信号とを比較することにより、各レーザの発光強度を均一にすることができる。
【００６８】
このような、ディスプレイ用途において、光量制御や、フィールドシーケンシャル制御を行う際の色切り替え時にパルス発光させる場合がある。このような場合、従来構成のファイバレーザを用いた光源では、図１５に示すように励起電流として矩形波の電流波形を入力すると、図１６に示すようにパルスの立ち上がりとともに高ピークのＡＳＥパルスが発生し、波長変換素子や、励起用レーザを劣化させてしまう課題があった。そして、この場合には、図１７に示すように、波長変換素子にレーザダメージを与えてしまい、グリーン光の発生が出来なかった。一方、本願第１及び第２の実施形態の波長変換光源を使用すると、図８及び図９に示すように、種となる自然放出光を抑制できるため、高ピークＡＳＥパルスの発生を防止することが出来る。
【００６９】
さらに、本願第１及び第２の実施形態の波長変換光源を使用した場合、図１８に示すように、１−１０μｓ程度の期間中にファイバレーザ光源の閾値以上の電流値で保持したり、閾値電流を上回るまでスロープ状に電流を増加させたりして立ち上げを行うことで、図１９に示すように、さらに確実にＡＳＥパルスの発生を防止することができる。その結果として、図２０の様な出力波形でグリーン光を出力することが出来た。
【００７０】
なお、このような構成の２次元画像表示装置のほかに、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）をとることも可能である。
【００７１】
また、Ｒ、Ｇ、Ｂの光の３原色を液晶パネルの背面から照明する構成とすることにより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も可能である。
【００７２】
なお、図１３および図１４では透過型液晶あるいは反射型液晶による空間変調素子を用いたが、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（ＭＥＭＳ）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。
【００７３】
なお、本実施の形態のように、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（反射型空間変調素子やＭＥＭＳ、ガルバノミラー）に対し、高調波を光ファイバで伝搬する際は、ＰＡＮＤＡファイバなどの偏波保持ファイバである必要はない。一方、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望ましい。
【００７４】
なお、第１から第３の実施の形態においてファイバレーザは希土類元素としてＹｂをドープしたものを用いたが、他の希土類元素、例えば、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｄｙ、Ｐｒ、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｇｄ、ＹおよびＬａ等から選択された少なくとも１つの希土類元素を用いてもよい。また、波長変換装置の波長や出力に応じて希土類元素のドープ量を変えたり、複数の希土類元素をドープしたりしてもよい。
【００７５】
なお、実施の形態１から３においてファイバレーザの励起用レーザ光源には、波長９１５ｎｍおよび波長９７６ｎｍのレーザを用いたが、ファイバレーザを励起できるものであれば、これらの波長以外のレーザ光源を用いてもよい。
【００７６】
なお、実施の形態１から３において波長変換素子は、周期分極反転ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３を用いたが、他の材料や構造の波長変換素子、例えば、周期的に分極反転構造を有するリン酸チタニルカリウム（ＫＴＰ）やＭｇ：ＬｉＴａＯ３等を用いてもよい。
【００７７】
なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。
【００７８】
本発明の波長変換装置は、レーザ活性物質を含むファイバと前記ファイバに形成されたファイバグレーティングとを有するレーザ共振器と、前記ファイバに励起光を入射するためのレーザ光源と、前記レーザ共振器と前記レーザ光源との間に設けられた偏光分離素子と、前記レーザ共振器から出射するレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを具備し、前記レーザ共振器は、偏波保持ファイバおよび単一偏光化機構を用いて前記レーザ光源の偏光方向と直交する方向に偏光した光を出射するように単一偏光化されているとともに、一対の反射面とを有し、前記偏光分離素子は、前記各反射面のうち前記レーザ光源に近い反射面と前記レーザ光源との間に配置され、前記レーザ光源から照射される特定の偏光方向の励起光を前記レーザ共振器に導く一方、このレーザ共振器から出射される前記特定の偏光方向と直交する偏光方向の前記基本波を前記レーザ光源から外れた方向へ導くことを特徴とする。
【００７９】
本発明の波長変換装置によれば、例えば、Ｙｂドープファイバを用いて、１ｕｍ帯のレーザ光を発生させる際に問題となるＡＳＥの発生を抑制することが可能となり、励起用レーザ光源の劣化や発生したレーザ光を波長変換する非線形光学結晶の破壊を防止することができる。
【００８０】
具体的に、励起光を発生するレーザ光源の偏光方向と発振器から発せられる光の偏光方向とを直交させ、双方を光学的に結合させる際に偏光分離素子を挿入することで、突発的に生じるＡＳＥがレーザ光源に導かれるのを抑制することができるので、当該ＡＳＥによる励起光源の劣化を防止することが出来る。
【００８１】
前記波長変換装置において、前記各反射面のうち前記波長変換素子に近い反射面は、誘電体多層膜から構成されており、前記波長変換素子に近い反射面の前記基本波発振波長域の反射率が１５％以上２０％以下であることが好ましい。この反射率はファイバ出射端面の反射率・波長変換素子など外部に配置される光学素子からの反射を考慮して決定されている。何の処理も施していないファイバの出射端面の反射率は大きくて５％程度であるが、強励起とした場合アイソレーションＩｓが低下する。そのため、ＡＳＥの抑制のために波長変換素子に近い側の反射面の反射率を、何の処理も施していないファイバの端面の反射率の３倍程度とすることが望ましい。
【００８２】
具体的に、前記図１の実施形態における第２の反射面３３、図１２の実施形態におけるファイバグレーティング２９ｂの基本波発振波長域の反射率を１５％〜２０％とすることができる。
【００８３】
また、前記レーザ共振器を一対のファイバグレーティングを用いることにより構成することもできる。この場合、一方のファイバグレーティングの基本波発振波長域における反射率を９８％以上とし、その帯域幅を１ｎｍ以上とすることができる。また、他方のファイバグレーティングの基本波発信波長域における反射率を１５％以上２０％以下とし、その帯域幅を０．１ｎｍ以下とすることができる。
【００８４】
例えば、図１２の実施形態においてレーザ光源２８に近いファイバグレーティング２９ａの反射率を９８％以上、その帯域幅を１ｎｍ以上とするとともに、レーザ光源２８から遠いファイバグレーティング２９ｂの反射率を１５％以上２０％以下、その帯域幅を０．１ｎｍ以下とすることができる。
【００８５】
前記波長変換装置において、前記ファイバレーザ共振器のファイバの端面が、当該ファイバの軸線と直交する方向に対して７°以上の傾きを持った構成とすれば、ＡＳＥの発生を抑制することが可能となる。
【００８６】
特に、前記レーザ共振器の二つの前記ファイバの端面が非平行となるように構成されている場合、強励起時にファイバ両端面でＱ値の小さな共振器を構成することができるので、ＡＳＥの発生を抑制することができる。
【００８７】
なお、前記ファイバレーザ共振器の前記ファイバの端面に７°〜２０°の傾きを持たせた上で、狭帯域のファイバグレーティングの反射率を１５％以上とした場合、突発的なＡＳＥの発生と合わせて、強励起した場合のＡＳＥの発生を抑制することが可能となる。よって、本発明の波長変換装置によれば、励起波長と発振波長が非常に近いＹｂファイバレーザによる１ｕｍ帯発生時においても、装置の長寿命化・信頼性の向上が可能となる。
【００８８】
また、波長が５１０ｎｍから５４０ｎｍである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。
【００８９】
前記波長変換装置において、前記レーザ活性物質は、Ｙｂを含み、前記基本波の波長は、１１００ｎｍ以上、１１８０ｎｍ以下、である構成とした場合には、励起光の波長（例えば９１５ｎｍ、９７５ｎｍ）とＡＳＥの波長とが比較的離れたものとなるため、誘電体フィルタによりＡＳＥが励起光源に戻るのを抑制することも可能であるが、前記偏光分離素子を用いた構成としているため、より設計の容易な構成とすることができる。
【００９０】
前記波長変換装置において、前記レーザ共振器と前記波長変換素子との間に光リミッタが設けられていることが好ましい。この構成によれば、所定のピーク強度の光が入射されたときにさらなる光の透過を制限することができるので、ＡＳＥによる波長変換素子へ与えるダメージを減少することができる。
【００９１】
具体的に、前記光リミッタとしてはＫＴｉＯＰＯ４やＣｒＹＡＧを用いることができる。これらを用いた場合、所定のピーク強度以上の光が光リミッタに入射すると、当該光の透過した部分が変色し、さらなる光の透過を制限することができる。この変色は過熱機能付保持具の過熱機能を用いて過熱すれば除去することができる。
【００９２】
前記波長変換装置において、１０３０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長を有する前記基本波を発生させるときに、前記基本波の出力が７Ｗ以上であること、又は、１１００ｎｍ以上１１９０ｎｍ以下の波長を有する前記基本波を発生させるときに、前記基本波の出力が５Ｗ以上であることが好ましい。
【００９３】
つまり、前記基本波の出力が大きくなるほどＡＳＥの発生量も多くなるが、ＡＳＥが発生する度合は基本波の波長に応じて変化する。そして、このＡＳＥの発生度合は、１０３０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の基本波長においては基本波の出力が７Ｗを超えたとき、１１００ｎｍ以上１１９０ｎｍ以下の基本波長においては基本波の出力が５Ｗを超えたときに急激に上昇することが実験上明らかとなっているため、これらの条件を満たすことによりＡＳＥによる影響を抑制しつつより大きな基本波の出力を得ることができる。
【００９４】
前記波長変換装置において、前記一対の反射面をそれぞれファイバグレーティングにより形成することができる。
【００９５】
また、上記目的を達成するために、本発明は、前記波長変換装置を搭載する２次元画像表示装置を提供する。この２次元画像表示装置は、入力信号の輝度情報に応じて光量を制御するように構成されているため、コントラストを向上することができる。
【００９６】
さらに、前記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、緑色およ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いずれかの波長変換装置を用いた構成としてもよい。
【００９７】
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。
【００９８】
このような特長を持つ波長変換装置を用いた本発明の２次元画像表示装置は、高輝度で、かつ色再現範囲が広く高画質に加えて、薄型・高効率・低消費電力化も可能であるという大きな効果を奏する。
【００９９】
なお、前記波長変換装置を搭載する２次元画像表示装置において、１枚の２次元変調素子を有し、映像信号のＶ−ＳＹＮＣ信号を元に赤・緑・青を順次切り替えて表示させる構成とすることができる。
【０１００】
また、前記波長変換装置を搭載する２次元画像表示装置において、パルス発振させる際、光源の駆動電流値を波形立ち上がり時に１−１０μｓの間光源の閾値以上保持する構成とすることもできる。
【０１０１】
さらに、前記波長変換装置を搭載する２次元画像表示装置において、パルス発振させる際、光源の駆動電流値を波形立ち上がり時に１−１０μｓでスロープ状に光源の閾値電流値まで上昇させる構成とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明の波長変換装置および２次元画像表示装置は、高輝度で色再現範囲が広く低消費電力であるので、大型ディスプレイや高輝度ディスプレイ等のディスプレイ分野で有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の実施の形態１における波長変換装置の概略構成図である。
【図２】励起用光源からファイバレーザ部への励起光結合部の拡大図である。
【図３】基励起用光源からファイバレーザ部および波長変換結晶部の拡大図である。
【図４】ファイバレーザにおけるファイバ両端面の処理及びファイバポラライザについて示した拡大図である。
【図５】図４の一部を拡大した図である。
【図６】図４の一部を拡大した図である。
【図７】ファイバレーザ２２におけるファイバ端面３４に施された反射膜の光学特性の一例を示した模式図である。
【図８】ファイバレーザ２２の発振スペクトルの一例で本願実施例に記載の方法を採用しなかった場合における、１０６０ｎｍ出力８Ｗ時の発振スペクトルを示した図である。
【図９】ファイバレーザ２２の発振スペクトルの一例で本願実施例の構成を採用した場合における１０６０ｎｍ出力８Ｗ時の発振スペクトルを示した図である。
【図１０】１０６４ｎｍの基本波を発生させる際の基本波出力に対するアイソレーションＩｓを示すチャートである。
【図１１】１１６０ｎｍの基本波を発生させる際の基本波出力に対するアイソレーションＩｓを示すチャートである。
【図１２】本発明の実施の形態２における波長変換装置の概略構成図である。
【図１３】本願で発明した波長変換光源を採用した２次元画像表示装置の一例を示した図である。
【図１４】本願で発明した波長変換光源を採用し、２次元変調素子を一枚だけ使用し、フィールドシーケンシャル動作を行う場合の２次元画像表示装置の一例を示した図である。
【図１５】従来構成の波長変換光源を採用した場合における変調時の印加電流波形を示したプロット図である。
【図１６】従来構成の波長変換光源を採用した場合における変調時の基本波の出力波形を示したプロット図である。
【図１７】従来構成の波長変換光源を採用した場合における変調時の第２高調波（グリーン光）の出力波形を示したプロット図である。
【図１８】本願構成の波長変換光源を採用した場合における変調時の印加電流波形を示したプロット図である。
【図１９】本願構成の波長変換光源を採用した場合における変調時の基本波の出力波形を示したプロット図である。
【図２０】本願構成の波長変換光源を採用した場合における変調時の第２高調波（グリーン光）の出力波形を示したプロット図である。
【符号の説明】
【０１０４】
２１、７１ 波長変換装置
２２ ファイバレーザ
２３ 基本波
２５ 波長変換素子
２６ ファイバ
２８ レーザ光源
２９、２９ａ、２９ｂ ファイバグレーティング
３０ 偏光分離プリズム
７２ ファイバレーザ
７３ ミラー
８００ ２次元画像表示装置
８０５Ｇ グリーンレーザ光源
９０１ｇ 緑色レーザ光源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ活性物質を含むファイバと前記ファイバに形成されたファイバグレーティングとを有するレーザ共振器と、
前記ファイバに励起光を入射するためのレーザ光源と、
前記レーザ共振器と前記レーザ光源との間に設けられた偏光分離素子と、
前記レーザ共振器から出射するレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを具備し、
前記レーザ共振器は、偏波保持ファイバおよび単一偏光化機構を用いて前記レーザ光源の偏光方向と直交する方向に偏光した光を出射するように単一偏光化されているとともに、一対の反射面とを有し、
前記偏光分離素子は、前記各反射面のうち前記レーザ光源に近い反射面と前記レーザ光源との間に配置され、前記レーザ光源から照射される特定の偏光方向の励起光を前記レーザ共振器に導く一方、このレーザ共振器から出射される前記特定の偏光方向と直交する偏光方向の前記基本波を前記レーザ光源から外れた方向へ導くことを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記各反射面のうち前記波長変換素子に近い反射面は、誘電体多層膜から構成されており、前記波長変換素子に近い反射面の前記基本波発振波長域の反射率が１５％以上２０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記レーザ共振器の前記ファイバの端面は、前記ファイバの軸方向と直交する方向に対して７°以上の傾きを持っていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換装置。
【請求項４】
前記レーザ共振器の二つの前記ファイバの端面は、非平行となるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記レーザ活性物質は、Ｙｂを含み、前記基本波の波長は、１１００ｎｍ以上、１１８０ｎｍ以下、であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記レーザ共振器と前記波長変換素子との間に光リミッタが設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記光リミッタは、ＫＴｉＯＰＯ４あるいはＣｒＹＡＧから構成されているとともに、過熱機能付保持具により保持されていることを特徴とする請求項６に記載の波長変換装置。
【請求項８】
１０３０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長を有する前記基本波を発生させるときに、前記基本波の出力が７Ｗ以上であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項９】
１１００ｎｍ以上１１９０ｎｍ以下の波長を有する前記基本波を発生させるときに、前記基本波の出力が５Ｗ以上であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１０】
前記一対の反射面がそれぞれファイバグレーティングからなることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか１項に記載の波長変換装置を搭載する２次元画像表示装置において、入力映像信号の輝度情報に応じて光量を制御する機構を具備することを特徴とする２次元画像表示装置。
【請求項１】
レーザ活性物質を含むファイバと前記ファイバに形成されたファイバグレーティングとを有するレーザ共振器と、
前記ファイバに励起光を入射するためのレーザ光源と、
前記レーザ共振器と前記レーザ光源との間に設けられた偏光分離素子と、
前記レーザ共振器から出射するレーザの基本波を高調波に変換する波長変換素子とを具備し、
前記レーザ共振器は、偏波保持ファイバおよび単一偏光化機構を用いて前記レーザ光源の偏光方向と直交する方向に偏光した光を出射するように単一偏光化されているとともに、一対の反射面とを有し、
前記偏光分離素子は、前記各反射面のうち前記レーザ光源に近い反射面と前記レーザ光源との間に配置され、前記レーザ光源から照射される特定の偏光方向の励起光を前記レーザ共振器に導く一方、このレーザ共振器から出射される前記特定の偏光方向と直交する偏光方向の前記基本波を前記レーザ光源から外れた方向へ導くことを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記各反射面のうち前記波長変換素子に近い反射面は、誘電体多層膜から構成されており、前記波長変換素子に近い反射面の前記基本波発振波長域の反射率が１５％以上２０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記レーザ共振器の前記ファイバの端面は、前記ファイバの軸方向と直交する方向に対して７°以上の傾きを持っていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換装置。
【請求項４】
前記レーザ共振器の二つの前記ファイバの端面は、非平行となるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記レーザ活性物質は、Ｙｂを含み、前記基本波の波長は、１１００ｎｍ以上、１１８０ｎｍ以下、であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記レーザ共振器と前記波長変換素子との間に光リミッタが設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記光リミッタは、ＫＴｉＯＰＯ４あるいはＣｒＹＡＧから構成されているとともに、過熱機能付保持具により保持されていることを特徴とする請求項６に記載の波長変換装置。
【請求項８】
１０３０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長を有する前記基本波を発生させるときに、前記基本波の出力が７Ｗ以上であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項９】
１１００ｎｍ以上１１９０ｎｍ以下の波長を有する前記基本波を発生させるときに、前記基本波の出力が５Ｗ以上であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１０】
前記一対の反射面がそれぞれファイバグレーティングからなることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか１項に記載の波長変換装置を搭載する２次元画像表示装置において、入力映像信号の輝度情報に応じて光量を制御する機構を具備することを特徴とする２次元画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００８−１９３０５７（Ｐ２００８−１９３０５７Ａ）
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２４５６５（Ｐ２００７−３２４５６５）
【出願日】平成１９年１２月１７日（２００７．１２．１７）
【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８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１７日（２００７．１２．１７）
【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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