JP4837671B2 - 波長変換モジュール、レーザ光源装置、２次元画像表示装置、バックライト光源、液晶ディスプレイ装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、光波長変換に用いられる非線形光学素子（波長変換素子）を用いた波長変換モジュール、当該モジュールを用いたレーザ光源装置、２次元画像表示装置、バックライト光源、液晶ディスプレイ装置及びレーザ加工装置に関する。

レーザ加工装置、あるいはレーザディスプレイなどに用いられる光源として、高出力レーザ光源が注目されている。

赤外光領域の高出力レーザ光源としては、ＹＡＧレーザ等の固体レーザ、Ｙｂ、Ｎｄ等の希土類が添加されたファイバを用いたファイバレーザなどが開発されている。また、赤色及び青色領域の高出力レーザ光源としてはガリウム・ヒ素、窒化ガリウム等を用いた半導体レーザが開発されている。一方、緑色領域の高出力レーザ光は、半導体から緑色光を直接発生させることは現時点においては依然として困難である。そのために、緑色領域の高出力レーザ光は、前記ＹＡＧレーザ等の固体レーザや前記ファイバレーザから発せられる赤外光領域のレーザ光を非線形光学素子により波長変換して発生させることが一般的である。

非線形光学素子としては、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、リチウムトリボレート（ＬｉＢ_３Ｏ_５：ＬＢＯ）、βバリウムボレート（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４：ＫＴＰ）、セシウムリチウムボレート（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０：ＣＬＢＯ）等の非線形光学単結晶からなる素子（非線形光学素子）が開発されている。

緑色領域の出力を得る装置には、例えば、以下のような非線形光学素子が用いられている。

２００−３００ｍＷクラスの緑色領域のレーザ光を得る装置には、分極反転構造が形成されたニオブ酸リチウム結晶からなる擬似位相整合（ＱＰＭ）波長変換素子が大きな非線形光学定数により高い変換効率が得られることから好ましく用いられている。

一方、数Ｗクラスの緑色領域の高出力レーザ光を得る装置には、ＬＢＯ、ＫＴＰなどの非線形光学単結晶が用いられている。

しかしながら、ＬＢＯ結晶は、非線形光学定数が小さいために、高い変換効率を得るためには共振器を構成し、その中にＬＢＯ結晶を配置する必要があり、装置構成が複雑になるとともにアライメントを緻密に調整する必要があるという短所を備えている。

一方、ＫＴＰ結晶は、非線形光学定数がＬＢＯ結晶のそれに比べて大きいために、共振器を構成しなくても高い変換効率が得られるという長所を備える一方、基本波や発生した第２高調波による結晶の破壊や劣化が起こりやすいという短所を備えている。

また、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムでは、特許文献１の様に結晶に添加物を導入したり、特許文献２の様に結晶組成を理想的な組成（化学量論：ストイキオメトリー組成）に近づけることが出来る方法で結晶育成したりすることにより、結晶劣化の一つである光による屈折率変化（フォトリフラクティブ）、すなわち光損傷を抑制する例が報告されている。

また、このほかにも緑色領域の高出力レーザ光としては、５ｍｏｌの酸化マグネシウムを添加したＬｉＮｂＯ_３結晶を１４０℃に加熱することにより、１．７Ｗの緑色光発生を実現した例が非特許文献１に報告されている。さらに、近年、酸化マグネシウムを添加したＬｉＮｂＯ_３単結晶を用い、この結晶基板に周期分極反転を施した波長変換素子と、発振波長の波長帯域幅を狭帯域化できるという特徴を持つファイバレーザとを組み合わせることにより、３Ｗの緑色光発生をも実現した例が非特許文献２に報告されている。

ここで、非線形光学素子を用いた従来の波長変換装置の構成について、図１４を参照して説明する。

図１４に示された波長変換装置においては、基本波光源１０１で発生したレーザ光は、空間中を伝搬し、集光レンズ１０２で集光され、波長変換素子１０３に入射する。そして、入射した基本波の一部は波長変換素子１０３で波長変換される。発生した高調波及び残留基本波は再コリメートレンズ１０４で平行光に整形される。そして、前記コリメートされた高調波と残留基本波とはビームスプリッタ１０５により高調波１０６と残留基本波１０７とに分離される。そして、ビームスプリッタ１０５により分離された高エネルギの残留基本波は、ビームダンパー１０８により処理される。

ＫＴＰ結晶やＬＢＯ結晶は、上述のように、第２高調波による結晶の破壊や劣化が起こりやすいという短所を備えている。そして、このような短所を抑制するために、複数の波長変換素子を用いて波長変換を行うことにより、一つあたりの波長変換素子に入射する基本波のパワー密度を低下させて、劣化を抑えることも検討されている（例えば、特許文献３）。

特許文献３に記載されている複数の波長変換素子を用いた波長変換装置について図１５を参照して説明する。

図１５に示すように、基本波光源１０１から出射された基本波は、集光レンズ１０２ａで集光された後、第１の波長変換素子１０３ａに入射する。そして、基本波は、第１の波長変換素子１０３ａで波長変換された後、コリメートレンズ１０４ａにより平行光に戻される。そして、ビームスプリッタ１０５ａで高調波１０６ａが分離される。一方、ビームスプリッタ１０５ａで分離された残留基本波は、集光レンズ１０２ｂで集光された後、第２の波長変換素子１０３ｂに入射する。そして、前記残留基本波は、第２の波長変換素子１０３ｂで波長変換された後、コリメートレンズ１０４ｂで平行光に戻される。そして、ビームスプリッタ１０５ｂで高調波１０６ｂと残留基本波１０７とが分離される。そして、残留基本波１０７はヒートシンク１０８で吸収及び拡散される。

図１５に示したような従来の波長変換装置を用いて、例えば、８〜９Ｗの基本波を投入して３Ｗの高調波を得る場合、残りの５〜６Ｗの基本波は残留基本波として出射される。そして、このような残留基本波は、平行光の状態で出射される高エネルギの光である。このような高エネルギの残留基本波を吸収及び拡散させるためには、大型のビームダンパー、放熱フィン、又はヒートシンクのような放熱手段が必要であった。また、上記のような波長変換装置は、レンズやビームスプリッタ等の光学部品を所定の場所に配置して、光線を自由空間中で取り回す必要があるために、比較的大型の装置であった。

さらに、このような従来の波長変換装置はレーザ加工機などの大型の機器には導入されうるが、近年、レーザの新しいアプリケーションとして提案されているレーザディスプレイのような小型の民生機器に導入されることは困難であった。

また、波長変換装置においては、ファイバレーザを用いて基本波を波長変換に適するように狭帯域化することによりレーザ光源の小型化を図れる。しかし、波長変換素子や各種光学部品は従来の構成と同様に配置する必要があるために、ファイバレーザを用いても波長変換装置全体の小型化は困難であった。
特許第３２６１５９４号公報 特許第３４２４１２５号公報 特開平１１−２７１８２３号公報 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｌｅｔｔｅｒｓ， ５９， ２１， ２６５７−５６５９ （１９９１） Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ ２００５ （ＣＬＥＯ２００５）， Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｄｉｇｅｓｔ， ＣＦＬ−１ （２００５）

本発明の目的は、基本波を波長変換素子を用いて波長変換することにより高エネルギの高調波を得る場合において、波長変換時に発生する残留基本波を大型の放熱手段を備えなくとも処理しうる、小型化された波長変換モジュールを提供することである。

本発明の一局面に従う波長変換モジュールは、レーザ光源から出射した基本波を伝搬するための第１の基本波伝搬光ファイバと、前記第１の基本波伝搬光ファイバと光学的に結合され、前記第１の基本波伝搬光ファイバから出射した基本波を高調波に変換するための第１の波長変換素子と、前記第１の波長変換素子と光学的に結合され、前記第１の波長変換素子から出射される高調波を伝搬するための第１の高調波伝搬光ファイバとを備え、前記第１の高調波伝搬光ファイバのコア径が前記第１の基本波伝搬光ファイバのコア径よりも小さいものである。

また、本発明の一局面に従うレーザ光源装置は、前記波長変換モジュールを備え、前記波長変換モジュールは、平均出力２Ｗ以上かつ波長２００〜８００ｎｍのレーザ光を出力する。

また、本発明の一局面に従う２次元画像表示装置は、前記レーザ光源装置を備え、前記レーザ光源装置から出射される平均出力２Ｗ以上のレーザ光を用いて画像を表示させる。

また、本発明の一局面に従うバックライト光源は、前記レーザ光源装置を備え、前記レーザ光源装置から出射される平均出力２Ｗ以上のレーザ光から放出される光を用いて液晶表示部を照明する。

また、本発明の一局面に従う液晶ディスプレイ装置は、前記バックライト光源を備えている。

また、本発明の一局面に従うレーザ加工装置は、前記レーザ光源装置を備え、前記レーザ光源装置から出射される光源平均出力２Ｗ以上のレーザ光を用いて対象物を加工する。

本発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明によって、より明白となる。

本発明の一局面は、レーザ光源から出射した基本波を伝搬するための第１の基本波伝搬光ファイバと、前記第１の基本波伝搬光ファイバと光学的に結合され、前記第１の基本波伝搬光ファイバから出射した基本波を高調波に変換するための第１の波長変換素子と、前記第１の波長変換素子と光学的に結合され、前記第１の波長変換素子から出射される高調波を伝搬するための第１の高調波伝搬光ファイバとを備え、前記第１の高調波伝搬光ファイバのコア径が前記第１の基本波伝搬光ファイバのコア径よりも小さいことを特徴とする波長変換モジュールである。このような構成により、前記高調波伝搬光ファイバ内における残留基本波のエネルギ損失を大きくして、前記残留基本波のエネルギを消費させる。そして、残留基本波のエネルギを前記高調波伝搬光ファイバ内で消費させることにより、高エネルギの高調波を得る場合でも、大型の放熱手段を用いなくても、残留基本波のエネルギを低減させることができる。

前記波長変換モジュールは、前記第１の高調波伝搬光ファイバのコア径が前記第１の基本波伝搬光ファイバのコア径の０．９倍以下であることが好ましい。前記第１の高調波伝搬光ファイバのコア径が前記第１の基本波伝搬光ファイバのコア径の０．９倍以下である場合には、残留基本波の伝搬損失が格段に高くなるために、前記第１の高調波伝搬光ファイバ内で残留基本波を充分に損失させることができる。

前記波長変換モジュールは、前記第１の波長変換素子と前記第１の高調波伝搬光ファイバとの間に、前記第１の波長変換素子から出射される、高調波と残留基本波とを分離するためのビームスプリッタをさらに備えることが好ましい。このような、ビームスプリッタを用いることにより、残留基本波と波長変換されて生じる高調波を分離することができる。そして、分離された残留基本波を波長変換することにより、さらに、高調波を得ることができる。

前記波長変換モジュールは、前記ビームスプリッタにより分離された残留基本波を伝搬するための第２の基本波伝搬光ファイバをさらに備えることが好ましい。前記第２の基本波伝搬光ファイバを用いることにより、他の波長変換モジュールに残留基本波を容易に伝搬することができる。

前記波長変換モジュールは、さらに、前記ビームスプリッタで分離された残留基本波の波長を高調波に変換するための第２の波長変換素子と、前記第２の波長変換素子から出射する高調波を伝搬するための第２の高調波伝搬光ファイバを備えることが好ましい。このように、一つの波長変換モジュール中に、複数の波長変換素子と該波長変換素子に結合された高調波伝搬光ファイバを備えることにより、基本波からより多くの高調波を得ることができる。

前記波長変換モジュールは、前記第１の高調波伝搬光ファイバが所定の曲率半径を有する曲線部を有することが好ましい。このように曲線部を有する高調波伝搬光を用いることにより、残留基本波の光ファイバ内での損失をより高めることができる。

前記波長変換モジュールは、前記曲線部の曲率半径が６０ｍｍ以下であることが好ましい。曲率半径が６０ｍｍ以下の場合には、残留基本波の光ファイバ内での損失が格段に高くなる。

前記波長変換モジュールは、前記第１の基本波伝搬光ファイバ、及び前記第１の高調波伝搬光ファイバのうちの少なくとも一つが偏波保持ファイバであることが好ましい。偏波保持ファイバを用いることにより、波長変換素子の特定の結晶軸に沿った直線偏光のみを得ることができる。

前記波長変換モジュールは、前記第１の波長変換素子が、リン酸チタニルカリウム、一致溶融（コングルエント）組成のニオブ酸リチウム、定比（ストイキオメトリック）組成のニオブ酸リチウム、一致溶融組成のタンタル酸リチウム、及び定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選ばれる少なくとも１種であることが非線形光学定数が大きく、波長変換効率に優れている点から好ましい。

前記波長変換モジュールは、前記第１の波長変換素子が、酸化マグネシウムのモル濃度が５．３〜６．３ｍｏｌである、一致溶融組成の酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウム及び酸化マグネシウム添加タンタル酸リチウムからなる群から選ばれる少なくとも１種であることが光損傷や結晶劣化を抑制する点から好ましい。

前記波長変換モジュールは、前記第１の波長変換素子が分極構造を周期的に反転させた非線形光学単結晶であることが擬似位相整合（ＱＰＭ）により、高い変換効率が得られる点から好ましい。

前記波長変換モジュールは、前記レーザ光源がＹｂ添加ファイバレーザであることが得られる高調波の波長範囲が広い点から好ましい。

前記波長変換モジュールは、高調波の波長が５２０〜５５０ｎｍの範囲であることが広い範囲の緑色光が得られる点から好ましい。

前記波長変換モジュールは、前記第１の波長変換素子の波長変換時の温度が２０〜６０℃であることが消費電力を低下させることができる点から好ましい。

また、本発明の一局面は、前期波長変換モジュールの複数個を多段に光学的に結合してなる波長変換モジュールであって、前記光学的結合が、第ｎ段目（但し、ｎは１以上）の整数の波長変換モジュールの第２の基本波伝搬光ファイバと第（ｎ＋１）段目の第１の基本波伝搬光ファイバを結合することを特徴とする波長変換モジュールである。このような結合波長変換モジュールによれば、所定の段の波長変換モジュールと次の段の波長変換モジュールを上記のように接続し、所定の段の残留基本波を次の段の基本波とすることにより、残留基本波を無駄にすることなく、より高出力の高調波を得ることができる。

また、本発明の一局面は、前記波長変換モジュールを備え、前記波長変換モジュールは、平均出力２Ｗ以上かつ波長２００〜８００ｎｍのレーザ光を出力することを特徴とするレーザ光源装置である。このようなレーザ光源装置は、残留基本波を処理する大型のビームダンパー等の放熱手段を必要としないため、小型化できる。従って、２次元画像表示装置等の小型の民生機器に適用することができる。

また、本発明の一局面は、前記レーザ光源装置を備え、前記レーザ光源装置から出射される平均出力２Ｗ以上のレーザ光を用いて画像を表示させることを特徴とする２次元画像表示装置である。このような２次元画像表示装置は、広い色再現範囲を有する。

前記２次元画像表示装置が液晶パネルにより形成された２次元空間変調素子を有する場合には、前記レーザ光源装置を用いることにより液晶パネルに含有される液晶材料の劣化を抑制することができる。

また、本発明の一局面は、前記レーザ光源装置を備え、前記レーザ光源装置から出射される平均出力２Ｗ以上のレーザ光から放出される光を用いて液晶表示部を照明することを特徴とするバックライト光源である。このようなバックライト光源が有する波長変換モジュールから発生する残留基本波のエネルギを光ファイバから発散することにより液晶表示部を保温することができるために、高い応答速度を維持することに寄与する。

また、本発明の一局面は、前記バックライト光源を備えた液晶ディスプレイ装置である。このような液晶ディスプレイ装置においては、液晶パネルに含有される液晶材料の劣化を抑制することができる。

また、本発明の一局面は、前記レーザ光源装置を備え、前記レーザ光源装置から出射される平均出力２Ｗ以上のレーザ光を用いて対象物を加工することを特徴とするレーザ加工装置である。このようなレーザ加工装置はプリント基板などの銅加工に適したレーザ描画加工装置である。

（第１実施形態）
第１実施形態の波長変換モジュール２１０について、図１Ａ及び図１Ｂを参照して説明する。図１Ａは、第１実施形態の波長変換モジュール２１０の側面模式図であり、図１Ｂは、波長変換モジュール２１０の上面模式図である。

図１Ａ及び図１Ｂ中、２０１は第１の基本波伝搬光ファイバ、２０２は第１の波長変換素子、２０３は第１の高調波伝搬光ファイバ、２０４は入射側組レンズ、２０５は出射側組レンズ、２０６はベース、２０７はペルチェ素子、２０８は温度センサ、２０９はヒートシンク、３１０はレーザ光源を示す。また、第１の高調波伝搬光ファイバ２０３は、ファイバをコイル状に成形した曲線部２１３を有する。

第１の基本波伝搬光ファイバ２０１及び入射側組レンズ２０４は、第１の基本波伝搬光ファイバ２０１から出射された基本波を入射側組レンズ２０４が集光し、第１の波長変換素子２０２に入射させるようにアライメントされ、ベース２０６上に配置されている。同様に、第１の高調波伝搬光ファイバ２０３及び出射側組レンズ２０５は、第１の波長変換素子２０２から出射された高調波及び残留基本波を出射側組レンズ２０５が結合して第１の高調波伝搬光ファイバ２０３に入射するようにアライメントされて、ベース２０６上に配置されている。

波長変換モジュール２１０の動作を以下に説明する。

レーザ光源３１０から出射された基本波は第１の基本波伝搬光ファイバ２０１に入射し、第１の基本波伝搬光ファイバ２０１内を伝搬する。そして、第１の基本波伝搬光ファイバ２０１から出射した後、入射側組レンズ２０４で集光され、第１の波長変換素子２０２に入射する。第１の波長変換素子２０２は結晶の温度により位相整合波長が変化するために、温度センサ２０８及びペルチェ素子２０７により０．０１℃程度の精度で温度制御されることが好ましい。なお、波長変換モジュール２１０においては、ヒートシンク２０９を設けることにより、温度変動が抑制されている。

第１の波長変換素子２０２に入射した基本波の一部は、高調波に波長変換される。高調波及び波長変換されなかった残留基本波は、第１の波長変換素子２０２から出射した後、出射側組レンズ２０５により第１の高調波伝搬光ファイバ２０３に結合され、入射する。第１の高調波伝搬光ファイバ２０３に入射した高調波は第１の高調波伝搬光ファイバ２０３内をシングルモードで伝搬する。そして、第１の高調波伝搬光ファイバ２０３のコア径は、第１の基本波伝搬光ファイバ２０１のコア径よりも小さいために、残留基本波は、第１の高調波伝搬光ファイバ２０３内を伝搬する際に損失し、その損失分のエネルギが表面から熱として放出される。すなわち、第１の高調波伝搬光ファイバ２０３のコア径を第１の基本波伝搬光ファイバ２０１のコア径よりも小さくして第１の高調波伝搬光ファイバ２０３の遮断波長を第１の波長変換素子２０２から出射される残留基本波の波長以下にすることにより、第１の高調波伝搬光ファイバ２０３内での残留基本波のエネルギ損失を大きくして、残留基本波のパワーを低減させることができる。

第１の基本波伝搬光ファイバ２０１としては、第１の波長変換素子２０２に入射する際に特定の結晶軸に沿った直線偏光である必要があるため、一般的なシングルモードファイバではなく、ＰＡＮＤＡファイバや、ボウタイファイバ等の偏波保持型シングルモードファイバ等が用いられることが望ましい。

第１の高調波伝搬光ファイバ２０３としては、用途に応じて、一般的なシングルモードファイバや、偏波保持ファイバが用いられる。

図２に、本発明者らの実験結果の一例である、シングルモード光ファイバ内での１０６４ｎｍの基本波の伝搬損失と前記シングルモード光ファイバのコア径との関係を示す。

図２に示すように、１０６４ｎｍの基本波がシングルモードで伝搬するのに最適なコア径６μｍの光ファイバにおける、１０６４ｎｍの基本波の伝搬損失は０．５ｄＢ／ｍ以下であることがわかった。また、６μｍの０．９倍のコア径に相当するコア径５．４μｍの光ファイバにおける、前記伝搬損失は２〜３ｄＢ／ｍ程度、６μｍの０．５倍に相当するコア径３μｍの光ファイバ内における、前記伝搬損失は３０ｄＢ／mであることがわかった。このように、１０６４ｎｍの基本波をシングルモードで伝搬するのに最適な光ファイバのコア径６μｍに対して、光ファイバのコア径が０．９倍以下の場合には、伝搬損失が大幅に高くなる。

前記結果から、波長変換モジュール２１０においては、第１の基本波伝搬光ファイバ２０１のコア径に対する、第１の高調波伝搬光ファイバ２０３のコア径を、０．９倍以下、さらには０．８倍以下にすることにより、波長変換後の残留基本波のエネルギを第１の高調波伝搬光ファイバ２０３において大幅に損失させうることが分かる。また、第１の基本波伝搬光ファイバ２０１のコア径に対する、第１の高調波伝搬光ファイバ２０３の倍率としては、０．５倍以上であることが、高調波の損失が充分に低い点から好ましい。

ところで、本発明者らは、波長変換モジュール２１０において、さらに、第１の高調波伝搬光ファイバ２０３による残留基本波のエネルギ損失効果を大きくする手段を検討し、第１の高調波伝搬光ファイバ２０３の所定の部分に特定の曲率半径以下の曲線部分２１３を形成することにより、残留基本波のエネルギ損失を格段に大きくできることを見出した。

本発明者らの実験結果の一例として、図３にコア径５μｍのシングルモードファイバにコイル部分を形成したときの、１０６４ｎｍの基本波の伝搬損失と光ファイバのコイル部分の曲率半径との関係を示す。

図３に示すように、曲率半径が６０ｍｍ超の場合には、１０６４ｎｍの基本波の伝搬損失は０．４ｄＢ／ｋm以下である。そして、曲率半径が６０ｍｍ以下では、伝搬損失は急激に高くなり、曲率半径１０ｍｍにおいては、その伝搬損失は４ｄＢ／ｋmであった。

図３に示した実験結果から、曲率半径を６０ｍｍ以下にすることにより基本波の伝搬損失を大きくし、より効果的に基本波を除去できることがわかる。なお、曲率半径が６０ｍｍ以下の場合には、基本波の損失は格段に大きくなるが、高調波の伝搬損失は０．４ｄＢ／ｋm以下である。なお、曲率半径は、小さければ小さいほど基本波の伝搬損失は大きくなるが、曲率半径１０ｍｍ以下になれば、光ファイバが曲げにくくなり、また、曲げる際に破損するおそれもある。

曲線部分２１３の形状としては、図４Ａに示すような、各環状部分が全て略同一の曲率半径を有するようなコイル形状でも、図４Ｂに示すような、環状部分の曲率半径が徐々に小さくなる渦巻状コイル、であってもよい。また、図４Ｃに示すような、各山の高さが全て略同一である波状形状でも、図４Ｄに示すような、各山の高さが徐々に小さくなる波状形状、であってもよい。

なお、図４Ｂに示すような、環状部分の曲率半径が徐々に小さくなる渦巻状コイルの場合には入射側の曲率半径を出射側の曲率半径よりも大きく形成し、また、図４Ｄに示すような、各山の高さが徐々に小さくなる波状形状である場合には、入射側の山の高さを出射側の山の高さよりも大きく形成することが好ましい。エネルギは入射側から出射側に向かうにつれて徐々に減少するため、エネルギが大きい部分では伝播損失を小さくして放熱量を抑え、エネルギが小さい部分においては伝搬損失を大きくして放熱量を高めることにより、光ファイバ全体に渡って放熱量を均一にすることができるためである。

波長変換モジュール２１０をレーザ加工装置、あるいはレーザディスプレイ等に用いる場合においては、曲線部分２１３が効率よく放熱しうる位置に配置することが好ましい。この配置の具体例については、後述する第６実施形態において説明する。

波長変換素子２０２としては、例えば、定比（ストイキオメトリック）組成及び一致溶融（コングルエント）組成の、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウム、酸化マグネシウムドープタンタル酸リチウム、リン酸チタニルカリウム、リチウムトリボレート、ニオブ酸カリウム、及びタンタル酸カリウム等からなる素子が挙げられる。また、波長変換素子２０２としては周期分極反転構造を有しているものが特に好ましく用いられる。

なお、前記ストイキオメトリー組成及びコングルエント組成の、酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウム素子や、酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウム結晶素子における酸化マグネシウムのモル濃度としては、５〜６．３ｍｏｌ％、さらには、５．３〜６．３ｍｏｌ％であることが好ましい。すなわち、光により屈折率が変化する光損傷や結晶劣化を抑制するためには５ｍｏｌ％以上、さらには５．３ｍｏｌ％以上であって、６．３ｍｏｌ％以下の範囲で酸化マグネシウムを添加することが望ましい。

なお、基本波を連続発振（ＣＷ）のレーザ光源により発生させる場合には、周期分極反転構造を有する酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウム素子が、非線形光学定数が大きく、波長変換効率に優れている点から特に好ましい。

一方、基本波をパルス発振のレーザ光源により発生させる場合には、分極反転構造を有する酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウム（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ_３：ＰＰＭｇＬＮ）素子、分極反転構造リン酸チタニルカリウム（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ_３：ＰＰＫＴＰ）、及び分極反転構造マグネシウムドープタンタル酸リチウム（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｍｇ：ＬｉＴａＯ_３：ＰＰＭｇＬＴ）等が好ましく用いられる。

また、ベース２０６としては、アルミ、真鍮等からなる金属基材のほか、マイナス熱膨張セラミック基材等のセラミック基材等が挙げられる。特に、波長変換モジュール２１０を用いて、２Ｗ以上の高調波を発生させる場合には、結晶発熱による位相不整合を緩和して、温度調節の要求精度を緩和するために、マイナス熱膨張セラミック基材を用いることが好ましい。マイナス熱膨張セラミック基材の熱膨張率としては、−１ｘ１０^７〜０の範囲であることが好ましい。

また、前記のような位相不整合を抑制するために、熱膨張率の異なる素材からなる基材を厚み方向に積層して張り合わせることにより、熱膨張を制御した基材をベース２０６として用いてもよい。

上記説明した波長変換モジュール２１０によれば、残留基本波のエネルギは、高調波伝搬光ファイバ２０３内を伝搬する際に、その表面から熱として分散されて放出される。従って、従来の波長変換装置が平行光として残留基本波を放出するときのような、エネルギの集中を回避することができる。その結果、従来の波長変換装置において必要とされていた、大型のビームダンパー等の放熱手段が不要となる。

以上説明したような波長変換モジュール２１０を用いて、例えば７００〜１６００ｎｍの波長を有する基本波を波長変換することにより、波長２００〜８００nmの波長を有する平均出力２Ｗ以上の高出力レーザ光が得られうる。

（第２実施形態）
第１実施形態の波長変換モジュール２１０を用いたレーザ光源装置について図５を参照して、詳しく説明する。

図５は波長変換モジュール２１０を用いたレーザ光源装置の構成例を示す模式図である。

図５中、３１０は本実施形態で用いたレーザ光源を示し、３０１は励起用（ポンプ用）レーザダイオード（ＬＤ）光源、３０３はＹｂドープダブルクラッドファイバ、３０２，３０４はファイバグレーティング、３０５は発振した光を直線偏光にするためのポラライザを示す。なお、ファイバグレーティング３０２，３０４は共振器を構成している。ファイバグレーティング３０４としては、発振するレーザ光のバンド幅を調整し、分極反転構造の波長変換素子の波長許容幅０．１ｎｍに合わせるために、反射中心波長１０６４ｎｍで、反射帯域幅０．０９ｎｍであるものを用いている。Ｙｂドープダブルクラッドファイバ３０３は励起用ＬＤ３０１（波長約１９５ｎｍ、最大出力３０ｗ）により励起され、１０６４ｎｍ付近の波長の基本波を生成する。このようなレーザ光源３１０は、波長１０６４ｎｍ付近、バンド幅０．０９ｎｍで、平均出力７Ｗの連続発振光（ＣＷ）を発生するものである。

本実施形態においては、第１の高調波伝搬光ファイバ２０３としては、高調波である緑色光を最低次モード（シングルモード）で伝搬するように４μｍコア−１２５μｍクラッドのシングルモードファイバ１０ｍを用い、第１の基本波伝搬光ファイバ２０１としては、６μｍコア−１２５μｍクラッドのＰＡＮＤＡ等の偏波保持のシングルモードファイバを用いる。この場合、第１の高調波伝搬光ファイバ２０３を伝搬する第２高調波である緑色光（５２０〜５５０nm付近）の伝搬ロスに比べて、波長が倍である基本波（１０４０〜１１００ｎｍ付近）の伝搬ロスは格段に大きくなる。

また、第１の波長変換素子２０２として、長さ１０ｍｍの周期分極反転ＭｇＯ：ＬｉＮＢＯ_３結晶からなる波長変換素子を用いる。従来、Ｗクラスの出力を得る場合の波長変換素子の温度は、１００℃以上に加熱することが一般的であった。一方、周期的分極反転ＭｇＯ：ＬｉＮＢＯ_３結晶からなる波長変換素子を用いた場合、２０〜４０℃の室温付近であっても安定した緑色光出力が得られる。従って、装置の消費電力を低減することができる。結晶保持温度を室温以上（４０〜６０℃）に設定した場合には、高価なペルチェ素子を使用しなくてもヒータで代替できるためさらに部材コストを低減することができる。なお、第１の波長変換素子２０２は結晶の温度により位相整合波長が変化するため０．０１℃の精度で温度制御することが好ましい。

Ｙｂドープダブルクラッドファイバ３０３から出射され、ファイバグレーティング３０４を通過した基本波光はＰＡＮＤＡ型偏波保持ファイバからなる第１の基本波伝搬光ファイバ２０１を伝搬する。そして、第１の基本波伝搬光ファイバ２０１から出射した基本波光は、入射側組レンズ２０４により集光され、第１の波長変換素子２０２に入射する。

そして、第１の波長変換素子２０２に入射された基本波光は、一部が基本波光の１／２の波長である５３２ｎｍの緑色光（第２高調波）に変換され、一部は基本波として残留する。

そして、発生した緑色光及び残留基本波は第１の波長変換素子２０２から出射したのち、出射側組レンズ２０５によって第１の高調波伝搬用光ファイバ２０３に結合される。そして、第１の高調波伝搬光ファイバ２０３を伝搬しながら残留基本波のエネルギは熱に変換される。このとき、第２高調波３０６は殆ど損失しない。

本実施形態のレーザ光源装置によれば、例えば６〜９Ｗの基本波を投入することにより、２〜４Ｗの第２高調波が得られる。

（第３実施形態）
第３実施形態として、複数個の波長変換素子を用いた波長変換モジュール５１０を図６Ａ及び図６Ｂを参照して説明する。図６Ａは、波長変換モジュール５１０の側面模式図であり、図６Ｂは、波長変換モジュール５１０の上面模式図である。なお、第３実施形態において、第１実施形態及び第２実施形態と同じ符号で示される構成要素の説明は、先に説明されたものと同様であるために、その詳しい説明は省略する。

図６Ａ及び図６Ｂにおいて、２０２ａは第１の波長変換素子、２０２ｂは第２の波長変換素子、２０１は第１の基本波伝搬光ファイバ、２０３ａは第１の高調波伝搬光ファイバ、２０３ｂは第２の高調波伝搬光ファイバ、２０４は第１の入射側組レンズ、５０１は再コリメートレンズ、５０２はビームスプリッタ、５０３はミラー、５０４は第２の入射側組レンズ、２０５ａは第１の出射側組レンズ、２０５ｂは第２の出射側組レンズ、２０６はベース、２０７はペルチェ素子、２０８は温度センサ、２０９はヒートシンク、３１０はレーザ光源を示す。また、高調波伝搬光ファイバ２０３a,２０３ｂは、それぞれファイバがコイル状に形成された曲線部２１３ａ及び２１３ｂを有する。

波長変換モジュール５１０においては、レーザ光源３１０から出射した基本波は第１の基本波伝搬光ファイバ２０１を伝搬し、第１の入射側組レンズ２０４により集光されて、第１の波長変換素子２０２ａに入射する。そして、第１の波長変換素子２０２ａに入射した基本波の一部は、高調波に波長変換される。

高調波及び波長変換されなかった残留基本波は、再コリメートレンズ５０１により平行光に戻された後、ビームスプリッタ５０２により、基本波と高調波とに分離される。そして、分離された高調波は第１の出射側組レンズ２０５ａによって第１の高調波伝搬用光ファイバ２０３ａに結合され、これを通じて伝搬する。

一方、分離された残留基本波はミラー５０３により第２の入射側組レンズ５０４に入射され、第２の入射側組レンズ５０４により集光されて、第２の波長変換素子２０２ｂに入射する。そして、第２の波長変換素子２０２ｂから高調波及び残留基本波が発生する。発生した高調波及び残留基本波は第２の出射側組レンズ２０５ｂによって第２の高調波伝搬光ファイバ２０３ｂに結合され、これを通じて伝搬する。

なお、発生した高調波は第１の高調波伝搬光ファイバ２０３ａ及び第２の高調波伝搬光ファイバ２０３ｂの２本の光ファイバより出力する。これらは、コンバイナやバンドルファイバを用いることにより、一本のファイバにまとめて出力してもよい。

なお、本実施形態では、一例として、２個の波長変換素子を有する波長変換モジュールを示したが、さらに多くの波長変換素子を有してもよい。

従来の波長変換装置においては、第１の波長変換素子から出射した残留基本波から、さらに高調波を取り出すために波長変換素子を増設する場合、波長変換装置を構成する各光学部品の煩雑なアライメントが必要であった。一方、波長変換モジュール５１０においては、モジュールの組立時に各部品が結合されて固定されるために、アライメントのずれが発生しにくく、その結果、波長変換の信頼性を向上させることができる。また、残留基本波は、第１の高調波伝搬用光ファイバ２０３ａ及び第２の高調波伝搬光ファイバ２０３ｂを伝搬する際に処理されるために、大型の放熱手段等を必要としない。

（第４実施形態）
図７Ａ及び図７Ｂを参照して、波長変換モジュール６１０の構成を説明する。

図７Ａは、波長変換モジュール６１０の側面模式図であり、図７Ｂは、波長変換モジュール６１０の上面模式図である。なお、第４実施形態において、第１実施形態〜第３実施形態と同じ符号で示される構成要素の説明は、先に説明したものと同様であるために、その詳細な説明を省略する。

図７Ａ及び図７Ｂ中、２０１は第１の基本波伝搬光ファイバ、６０３は第２の基本波伝搬光ファイバ、２０２は第１の波長変換素子、２０３は第１の高調波伝搬光ファイバ、２０４は第１の入射側組レンズ、６０１はビームスプリッタ、２０５は第１の出射側組レンズ、６０２は第２の出射側組レンズ、２０６はベース、２０７はペルチェ素子、２０８は温度センサ、２０９はヒートシンク、３１０はレーザ光源を示す。

ここで、波長変換モジュール６１０の特徴となる点は、第１の波長変換素子２０２から出射する残留基本波のほとんどをビームスプリッタ６０１で分離し、残留基本波を第２の出射側組レンズ６０２により第２の基本波伝搬光ファイバ６０３に結合する点である。このような構造の波長変換モジュール６１０を用いることにより、複数の波長変換モジュールをカスケード状に多段接続することができる。

図８に、複数の波長変換モジュールをカスケード状に多段接続してなる波長変換モジュール７１０を備えたレーザ光源装置を示す。波長変換モジュール７１０を構成する１段目の波長変換モジュール７０１及び２段目の波長変換モジュール７０２には、波長変換モジュール６１０が用いられる。また、終端用波長変換モジュール７０３には、第１実施形態の波長変換モジュール２１０が用いられる。

図８中、７０１は１段目の波長変換モジュール、７０２は２段目の波長変換モジュール、７０３は終端用波長変換モジュールであり、７１２，７２２，７３２はそれぞれ第１の基本波伝搬光ファイバ、７１４，７２４，７３４はそれぞれ第１の高調波伝搬光ファイバ、７１１，７２１はそれぞれ第２の基本波伝搬光ファイバ、７１３，７２３，７３３はそれぞれ波長変換素子、７１５，７２５はそれぞれビームスプリッタである。

波長変換モジュール７１０においては、レーザ光源３１０から出射した基本波は１段目の波長変換モジュール７０１に結合された第１の基本波伝搬光ファイバ７１２を伝搬する。そして、基本波は、波長変換素子７１３に入射して、一部の基本波が高調波に波長変換される。そして、高調波と波長変換されずに残った残留基本波とは、ビームスプリッタ７１５により分離される。分離された残留基本波の殆どは、第２の基本波伝搬光ファイバ７１１に入射する。また、分離された高調波は第１の高調波伝搬光ファイバ７１４から出射する。

そして、１段目の波長変換モジュール７０１の第２の基本波伝搬光ファイバ７１１は、２段目の波長変換モジュール７０２の第１の基本波伝搬光ファイバ７２２と接続されているために、１段目の波長変換モジュール７０１で生じた残留基本波を２段目の波長変換モジュール７０２の波長変換素子７２３に入射させることができる。そして、残留基本波は、波長変換素子７２３に入射して、一部の基本波が高調波に波長変換される。そして、高調波と波長変換されずに残った残留基本波とは、ビームスプリッタ７２５により分離される。分離された残留基本波の殆どは、第２の基本波伝搬光ファイバ７２１に入射する。また、分離された高調波は第１の高調波伝搬光ファイバ７２４から出射する。

さらに、２段目の波長変換モジュール７０２の第２の基本波伝搬光ファイバ７２１は、終端用波長変換モジュール７０３の第１の基本波伝搬光ファイバ７３２と接続されているために、２段目の波長変換モジュール７０２で生じた残留基本波を終端用波長変換モジュール７０３の波長変換素子７３３に入射させることができる。

このようにして、２段目の波長変換モジュール７０２と３段目の波長変換モジュール７０３とは接続される。そして、２段目の波長変換モジュール７０２で発生した残留基本波の一部は、終端用波長変換モジュール７０３の波長変換素子７３３により高調波に波長変換される。そして、高調波と波長変換されずに残った残留基本波とは、第１の高調波伝搬光ファイバ７３４に入射し、伝搬する。そして、第１の高調波伝搬光ファイバ７３４において、残留基本波は消費され、高調波が第１の高調波伝搬光ファイバ７３４から出射する。

高調波伝搬光ファイバ７１４，７２４，７３４は、コンバイナやバンドルファイバを用いることにより、一本のファイバにまとめて、高調波を出力してもよい。

なお、本実施形態では、３個の波長変換モジュールを接続した例を示したが、さらに多くの波長変換モジュールを接続してもよい。

多段波長変換モジュール７１０における、第１の基本波伝搬光ファイバ及び第２の基本波伝搬光ファイバは波長変換素子に基本波を入力する際に直線偏光である必要があるために偏波保持ファイバであることが好ましい。しかしながら、偶数段目の波長変換モジュールで波長変換される偏波と奇数段目の波長変換モジュールで波長変換される偏波とを垂直にしたり、波長変換素子の光軸を４５度傾けた状態で配置したり、或いは、角度位相整合の場合、第２種位相整合の結晶を使用したりする場合には、基本波伝搬ファイバとして、一般的なシングルモードファイバを用いてもよい。

複数の波長変換モジュール６１０を結合してなる多段の波長変換モジュール７１０は、従来の波長変換素子を複数個用いて多段化した波長変換装置に比べて、大きなスペースを必要とせず、また、光学調整も容易である。すなわち、波長変換モジュール６１０においては、光ファイバにより光が入出力されるために、波長変換素子のアライメントも波長変換モジュール６１０の組立時に完了することができる。また、複数の波長変換モジュールの接続時のアライメントとしては、光ファイバを融着する際のアライメントが必要であるが、光ファイバの融着は光ファイバ融着接続器で容易に行いうる。従って、設置や交換も非常に容易である。また、波長変換モジュール６１０内の波長変換素子のアライメントは製造時に調整し、固定化されているために、アライメントのずれが発生せず、波長変換手段の信頼性が向上する。さらに、部品点数も低減できることから製造コストを低減できる。

（第５実施形態）
第１実施形態〜第４実施形態で説明した波長変換モジュールを備えたレーザ光源装置は、レーザディスプレイ（２次元画像表示装置）の表示用光源や、液晶ディスプレイ装置のバックライト用光源、又は、レーザ加工装置の加工用レーザ光源として用いられうる。また、その他、光ディスク装置や計測装置等、従来からレーザ光が用いられている各種用途に好適に用いることができる。例えば、光ディスク装置に前記レーザ光源装置を用いた場合、コヒーレンスの高い、安定な高出力を得ることができ、ホログラム記録にも有効である。

さらに、前記レーザ光源装置は、照明光源としても利用できる。ファイバレーザを基本波光源として用いれば、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、光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。この結果、光発生を特定の場所で行い、離れた場所へ光を送ることで、光のセントラル発生による室内の照明が可能になる。また、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。

第１実施形態〜第４実施形態で説明した波長変換モジュールを備えたレーザ光源装置の用途の一例として、前記レーザ光源装置を適用したレーザディスプレイ（２次元画像表示装置）の構成の一例について図９を用いて説明する。

レーザ光源装置には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のレーザ光源９０１ａ〜９０１ｃを用いた。赤色レーザ光源９０１ａには波長６３８ｎｍのＧａＡｓ系半導体レーザを用い、青色レーザ光源９０１ｃには波長４６５ｎｍのＧａＮ系半導体レーザを用いている。また、緑色レーザ光源９０１ｂには、赤外レーザの波長を１／２にする波長変換素子を具備した波長変換緑色光源装置を用いており、この波長変換緑色光源装置として、第１実施形態〜第４実施形態で説明した波長変換モジュールを備えたレーザ光源装置を用いうる。

各光源９０１ａ、９０１ｂ、９０１ｃより発せられたレーザビームは、反射型２次元ビーム走査手段９０２ａ〜９０２ｃにより２次元的に走査され、ミラー９１０ａ、凹レンズ９１０b及びミラー９１０ｃを通過した後、拡散板９０３ａ〜９０３ｃを照射する。拡散板９０３ａ〜９０３ｃ上を２次元的に走査される各色のレーザビームは、フィールドレンズ９０４ａ〜９０４ｃを通過した後、２次元空間光変調素子９０５ａ〜９０５ｃへ導かれる。

ここで、画像データは、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれに分割されており、各信号が２次元空間光変調素子９０５ａ〜９０５ｃに入力され、ダイクロイックプリズム９０６で合波されることにより、カラー画像が形成される。このように合波された画像は、投射レンズ９０７によりスクリーン９０８に投影される。このとき、拡散板９０３ａ〜９０３ｃがスペックルノイズ除去部として２次元空間変調素子９０５ａ〜９０５ｃの手前に配置されており、拡散板９０３ａ〜９０３ｃを揺動することにより、スペックルノイズを低減することができる。スペックルノイズ除去部としては、レンチキュラーレンズ等を用いてもよい。

また、本実施形態では、色毎に１つの半導体レーザを使用しているが、バンドルファイバにより２〜８個の半導体レーザの出力を１本のファイバ出力で得られるような構造をとってもよい。その場合、波長スペクトル幅は数ｎｍと非常にブロードになり、この広いスペクトルによりスペックルノイズの発生を抑制することができる。

２次元空間変調素子９０５ａ〜９０５ｃとしては、超小型ミラーが集積された反射型空間変調素子（ＤＭＤミラー）を用いることができるが、液晶パネルを用いた２次元空間変調素子や、ガルバノミラー、メカニカルマイクロスイッチ（ＭＥＭＳ）を用いた２次元空間変調素子を用いてもよい。なお、反射型空間変調素子やＭＥＭＳ、ガルバノミラーといった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の場合、高調波を伝搬する光ファイバはＰＡＮＤＡファイバなどの偏波保持ファイバである必要はないが、液晶パネルを用いた２次元空間変調素子を用いる場合には、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。

なお、液晶パネルを用いた２次元空間変調素子を用いる場合においては、光源として前記レーザ光源装置を用いることにより、照射する光から基本波である赤外光成分が高調波伝搬光ファイバにより除去されるので、液晶パネルが赤外光成分により劣化することを抑制することができる。

なお、本実施形態のレーザディスプレイ装置においては、レーザ光源装置の波長変換モジュールが備える高調波伝搬用光ファイバを、レーザディスプレイ装置の放熱性が高い部分に巻き付けることも好ましい。

その具体例を図１０Ａ及び図１０Ｂを参照して説明する。図１０Ａは、レーザディスプレイ装置１００１とスピーカ１００２とを備えるレーザディスプレイ装置構成体１００４の構成模式図であり、図１０Ｂはその１０−１０’部分の断面模式図である。

図１０Ａ及び図１０Ｂ中、１００１はレーザディスプレイ装置、１００５は緑色レーザ光源装置、１００２はスピーカ、１００３はスピーカ用円筒であり、１００４はレーザディスプレイ装置構成体である。また、２０３は緑色レーザ光源装置１００５から導き出される高調波伝搬用ファイバである。

高調波伝搬用ファイバ２０３は曲率半径が小さい曲線部を有する場合には、前記曲線部で残留基本波のエネルギを放熱しやすい。従って、高調波伝搬用ファイバ２０３をレーザディスプレイ装置構成体１００４内の、所定の円筒部に巻き付けることにより放熱性を高くすることができる。一例として、図１０Ｂには、緑色レーザ光源装置１００５から導き出される高調波伝搬用光ファイバ２０３が、スピーカ用円筒１００３に巻き付けられた後、図１０Ａに示すように、レーザディスプレイ装置１００１に導入される様子が示されている。高調波伝搬用光ファイバ２０３をスピーカ用円筒１００３に巻きつけることにより、スピーカの発生する音圧を利用して、効率よく放熱することができる。また、前記発生した熱はレーザディスプレイ装置１００４の筐体の内側に高調波伝搬用光ファイバ２０３を這わせることによっても、効率よく発散される。

このようなレーザディスプレイ装置の緑色光として、５３０ｎｍのレーザ光を選択した場合の色再現範囲とＳ−ＲＧＢ規格の色再現範囲とを図１１に示す。緑色光として、５３０ｎｍのレーザ光を選択した場合における色再現範囲のいずれもが、従来の画像表示装置で再現可能なＳ−ＲＧＢ規格の色再現範囲よりも広がることがわかる。このように、本実施形態のレーザディスプレイ装置は、その光源として前記レーザ光源装置を用いることにより、高精細な映像を再現することが可能となる。

本実施形態のレーザディスプレイ装置に用いられる緑色のレーザ光源装置としては、Ｙｂを添加したファイバレーザ光源（Ｙｂドープファイバレーザ）が好ましい。Ｙｂドープファイバレーザを光源として本実施形態のレーザ光源装置に用いた場合、５２０〜５５０ｎｍの範囲のような広い範囲の波長のグリーン光を発生することができる。従って、Ｙｂ添加ファイバレーザを用いた場合には、色再現範囲をさらに拡大できる。

なお、前記レーザ光源装置は、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）を採用することも可能である。

（第６実施形態）
第１実施形態〜第４実施形態で説明した波長変換モジュールを備えたレーザ光源装置は液晶ディスプレイ装置のバックライト用光源として使用することもできる。前記レーザ光源装置をバックライト用光源として用いれば、高効率及び高輝度の液晶ディスプレイ装置が実現できる。また、このようなレーザ光源装置をバックライト用光源として使用した場合、残留基本波のエネルギを光ファイバから発散して液晶表示部を保温することにより、高い応答速度を維持することに寄与する。さらに、前記レーザ光源装置をバックライト用光源として用いた場合には、照射する光から基本波である赤外光成分が高調波伝搬光ファイバにより除去されるので、液晶パネルが赤外光成分により劣化することを抑制することができる。

図１２Ａに前記レーザ光源装置をバックライト用光源として用いた液晶ディスプレイ装置１１０８の構成模式図を示す。なお、液晶ディスプレイ装置１１０８は、左右それぞれに同様の動作をする１組ずつの多段の波長変換モジュールを備えるが、説明を簡略化するために液晶ディスプレイ装置１１０８の左側に備えられた多段の波長変換モジュールの動作のみを図１２Ｂの拡大模式図を用いて説明する。なお、右方に備えられた結合波長変換モジュールも同様の動作をする。

図１２Ａ及び図１２Ｂ中、１１０１は液晶表示部、１１０５ａ及び１１１０ａは１段目の波長変換モジュール、１１０５ｂ及び１１１０ｂは２段目の波長変換モジュールである。また、電圧印加により表示画像を制御するための液晶駆動用端子１１０７を備える。さらに、液晶表示部１１０１の裏面には、図略の導光板が備えられている。

そして、１段目の波長変換モジュール１１０５ａ及び１１１０ａ、２段目の波長変換モジュール１１０５ｂ及び１１１０ｂは、リム１１０２中に収納されている。なお、リム１１０２の波長変換モジュールが配置される付近には赤外吸収材料、例えば、黒色アルマイト処理等がされていることが好ましい。液晶パネルに赤外光が入射することによる液晶材料の劣化を防止するためである。

図１２Ｂに示された１段目の波長変換モジュール１１０５ａは、第１の波長変換素子１１２０と第１の基本波伝搬光ファイバ１１０６，第２の基本波伝搬光ファイバ１１０４及び第１の高調波伝搬光ファイバ１１１５とが光学的に結合されて構成されている。また、２段目の波長変換モジュール１１０５ｂは、第２の波長変換素子１１３０と第１の基本波伝搬光ファイバ１１２４，第２の基本波伝搬光ファイバ１１１４及び第２の高調波伝搬光ファイバ１１１６とが光学的に結合され構成されている。また、１段目の波長変換モジュール１１０５ａの第２の基本波伝搬光ファイバ１１０４と２段目の波長変換モジュール１１０５ｂの第１の基本波伝搬光ファイバ１１２４とは光学的に結合されている。

レーザ光源Ｌ１から発せられた基本波は基本波導入部１１０６から導入され、第１の基本波伝搬光ファイバ１１０６内を伝搬する。そして、１段目の波長変換モジュール１１０５ａの波長変換素子１１２０に入射する。そして、入射した基本波は、一部が第２高調波に変換されて第１の高調波伝搬光ファイバ１１１５から出射し、残留基本波は、第１の波長変換素子１１２０から出射して、第２の基本波伝搬光ファイバ１１０４及び第１の基本波伝搬光ファイバ１１２４を伝搬して、２段目の波長変換モジュール１１０５ｂの波長変換素子１１３０に入射する。第２の波長変換素子１１３０に入射した基本波は、一部が第２高調波に変換されて第２の高調波伝搬光ファイバ１１１６から出射する。一方、残留基本波は、第２の波長変換素子１１３０から出射して、第３の基本波伝搬光ファイバ１１１４を伝搬して終端部１１０３に達する。

そして、第１の高調波伝搬光ファイバ１１１５及び第２の高調波伝搬光ファイバ１１１６から出射した緑色光である第２高調波は、非球面レンズとフレネルレンズ等の組合せからなる光学系Ｒ１，Ｒ２によりシートビームに整形され、導光板に入力されて液晶パネルを均一に照射する。

一方、第２の波長変換素子１１３０から出射した残留基本波は、第２の波長変換素子１１３０と結合された第２の基本波伝搬光ファイバ１１１４内を伝搬し、第２の基本波伝搬光ファイバ１１１４の末端に結合された終端部１１０３に到達する。ここで、第２の基本波伝搬光ファイバ１１１４は、例えば図４Ｄに示すように、終端部１１０３に近づくにつれて各山の高さが徐々に小さくなるような波状形状に形成されている場合には、第２の基本波伝搬光ファイバ１１１４内における放熱が光ファイバ内で、より分散しやすくなる点から好ましい。

また、第２の基本波伝搬光ファイバ１１１４で分散しきれなかった残留基本波のエネルギは放熱性に優れた素材から形成される終端部１１０３で処理してもよい。

図１２Ａにおいては、バックライト用光源として、波長変換モジュールを２つ接続した結合波長変換モジュールを左右に１組ずつ配置した構成例を挙げたが、波長変換モジュールの結合数や組数は液晶ディスプレイ装置の面積等に応じて、適宜選択されうる。

（第７実施形態）
次に、第１実施形態〜第４実施形態で説明した波長変換モジュールを備えたレーザ光源装置を適用したレーザ加工装置の一例について、図１３を用いて説明する。本実施形態では、加工用レーザ光源１３０１として、前記レーザ光源装置を用いたレーザ光源装置（緑色光：波長５３０ｎｍ付近）を使用しており、プリント基板などの銅加工に適したレーザ描画加工装置である。なお、加工用レーザ光源１３０１の構成は第１実施形態〜第４実施形態で説明した波長変換モジュールを備えたレーザ光源装置と同様であるので、詳細な説明を省略する。

加工用レーザ光源１３０１を出射した緑色光は、組レンズ１３０２によりコリメートされる。その後スリット１３０３を通過してビーム径が調整され、ミラー１３０４などにより光軸を折り返した後、レンズ１３０５を介してガルバノミラー１３０６ａ、１３０６ｂへ導かれる。ガルバノミラー１３０６ａ、１３０６ｂはレーザ光の光軸を加工方向（ｘ方向又はｙ方向）に動かし、その後、ｆ−θレンズ１３０７により、ｘ−ｙステージ１３０９に取り付けられた加工対象物１３０８に垂直にビームが入射され、所望の加工が行われる。加工に用いられるレーザ光の波長範囲は、光ディスクのマスタリング等に使用できる４００ｎｍから樹脂の融着に使用できる６００ｎｍまでの波長範囲であることが望ましい。

また、本実施形態においては、ミラーを用いて加工するためのビームを移動させていたが、高調波伝搬用光ファイバ２０３から出射された高調波光を被加工物の直前で集光することにより得られる集光ビームを用いて加工を行うことも可能であり、この場合、組レンズ１３０２、スリット１３０３といったビーム整形光学系およびガルバノミラー１３０６ａ、１３０６ｂ、ｆ−θレンズ１３０７が不要となるため装置を大幅に小型化でき、低コスト化が可能である。加えて、ｆ−θレンズ１３０７は温度特性を持つため、使用する部屋の温度を一定に保ち、さらにレンズの特性プロファイルを管理する必要があったが、ファイバで持ってきたビームを被加工物直前で集光することができるためこのような管理が不要となり、信頼性・利便性が向上する。

なお、従来、このようなレーザ加工装置に用いるレーザ光源には、ＬＢＯ（リチウムトリボレート（ＬｉＢ_３Ｏ_５））結晶を用いたレーザ光源が用いられていた。しかし、ＬＢＯ結晶には潮解性があるために、長期間使用しない場合には結晶を１５０℃に加熱したり、乾燥雰囲気中で使用したりする必要があった。また、これまでに報告のあった、ＭｇＯ５ｍｏｌ添加：ＬｉＮｂＯ_３は、潮解性がないという特長を持つが、２００〜３００ｍＷまでの出力を得た例がほとんどで、２Ｗ以上の緑色光出力を得ようとした場合、結晶が割れるなどの問題があった。しかしながら、Ｗクラスの緑色高出力を得ることが可能な、ＭｇＯ５．６ｍｏｌ添加：ＬｉＮｂＯ_３等を使用した場合には、３Ｗ以上の出力が安定して得られる。また、潮解性がないため、装置を使用しない場合には、電源を遮断した状態でも結晶劣化をなくすことができる。その結果ヒータを駆動する装置の消費電力を低減し、さらには装置の小型化が可能となる。

加工用レーザ光源１３０１においては、第１実施形態〜第４実施形態で説明したような波長変換モジュールがファイバレーザから出射された基本波を波長変換している。高調波光が青緑、青色と波長が短くなるほど、可視光吸収による結晶破壊や出力不安定の影響を受けやすくなるが、前記レーザ光源装置を使用することで、基本波の波長を変化させアルゴンイオンレーザ（４８８ｎｍ、５１４ｎｍ）を発生させることも可能である。アルゴンイオンレーザの発振波長が得られることでこれまでガラスチューブを用いた大型の光源だったものを体積にして２０〜３０％に小型化することが可能となるという利点がある。

なお、以上の各実施形態に例示した波長変換モジュール、レーザ光源装置、２次元画像表示装置、バックライト光源、液晶ディスプレイ装置及びレーザ加工装置はあくまでも一例であり、他の態様をとることが可能であることは言うまでもない。

本発明の波長変換モジュールは、光ファイバの特性として持ち合わせる光学損失を利用して波長変換後の残留基本波を除去する。従って、残留基本波の有するエネルギを分散して放出することが出来る。その結果、大型のビームダンパーや放熱フィンが不要となる。また、入出力に光ファイバを用いていることから、ファイバ同士を融着させ接続することでファイバレーザ装置との接続も簡便であり、アライメントのずれなどが起こりえないため高い信頼性を確保できる。本発明の波長変換モジュールを用いることで、装置が簡略化され、複雑な調整なしに波長変換モジュールが増設可能にし、部品点数を低減できることから製造コストを低減することが可能となる。

そのため、より単純な構成で、高輝度のレーザディスプレイ（画像表示装置）などを構成することが可能となる。

図１Ａは第１実施形態の波長変換モジュールを側面から見た模式図であり、図１Ｂは第１実施形態の波長変換モジュールを上面から見た模式図である。 １０６４nmの基本波の伝搬損失と光ファイバのファイバコア径との関係を表すグラフである。 １０６４nmの基本波の伝搬損失と光ファイバに形成された曲線部の曲率半径との関係を表すグラフである。 図４Ａは光ファイバに形成されたコイル状の曲線部の形状の一例を示す模式図であり、図４Ｂは光ファイバに形成された渦巻型コイル状の曲線部の形状の一例を示す模式図であり、図４Ｃは光ファイバに形成された波状形状の曲線部の形状の一例を示す模式図であり、図４Ｄは光ファイバに形成された波状形状の曲線部の形状の一例を示す模式図である。 第２実施形態のレーザ光源装置の構成模式図である。 図６Ａは第３実施形態のベース上に複数の波長変換素子を備えた波長変換モジュールを側面から見た模式図であり、図６Ｂは第３実施形態のベース上に複数の波長変換素子を備えた波長変換モジュールを上面から見た模式図である。 図７Ａは多段接続（カスケード接続）用波長変換モジュールを側面から見た模式図であり、図７Ｂは多段接続（カスケード接続）用波長変換モジュールを上面から見た模式図である。 多段の波長変換モジュールを使用したレーザ光源装置の構成模式図である。 レーザ光源装置を用いたレーザディスプレイ装置（２次元画像表示装置）の一例を示す模式図である。 図１０Ａはレーザディスプレイ装置構成体における、レーザ光源装置の配置の一例を示す模式図であり、図１０Ｂは図１０Ａの模式図の１０−１０’断面の模式図である。 Ｓ−ＲＧＢ規格の色再現範囲と、緑色光として５３０ｎｍのレーザ光を選択した場合における色再現範囲とを示す図である。 図１２Ａはレーザ光源装置を用いたバックライト装置の一例を示す構成模式図であり、図１２Ｂは図１２Ａに示したバックライト装置の部分拡大模式図である。 レーザ光源装置を用いたレーザ加工描画装置の一例を示す模式図である。 従来の波長変換装置の構成を示す模式図である。 従来の波長変換装置の構成を示す模式図である。

Claims (21)

1. レーザ光源から出射した基本波を伝搬するための第１の基本波伝搬光ファイバと、
   前記第１の基本波伝搬光ファイバと光学的に結合され、前記第１の基本波伝搬光ファイバから出射した基本波を高調波に変換するための第１の波長変換素子と、
   前記第１の波長変換素子と光学的に結合され、前記第１の波長変換素子から出射される高調波を伝搬するための第１の高調波伝搬光ファイバとを備え、
   前記第１の高調波伝搬光ファイバのコア径が前記第１の基本波伝搬光ファイバのコア径よりも小さいことを特徴とする波長変換モジュール。
2. 前記第１の高調波伝搬光ファイバのコア径が前記第１の基本波伝搬光ファイバのコア径の０．９倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換モジュール。
3. 前記第１の波長変換素子と前記第１の高調波伝搬光ファイバとの間に、前記第１の波長変換素子から出射される、高調波と残留基本波とを分離するためのビームスプリッタをさらに備える請求項１または２に記載の波長変換モジュール。
4. 前記ビームスプリッタにより分離された残留基本波を伝搬するための第２の基本波伝搬光ファイバをさらに備える請求項３に記載の波長変換モジュール。
5. 前記ビームスプリッタにより分離された残留基本波の波長を高調波に変換するための第２の波長変換素子と、前記第２の波長変換素子から出射される高調波を伝搬するための第２の高調波伝搬光ファイバとをさらに備える請求項３に記載の波長変換モジュール。
6. 前記第１の高調波伝搬光ファイバが所定の曲率半径を有する曲線部を有する請求項１〜５の何れか１項に記載の波長変換モジュール。
7. 前記曲線部の曲率半径が６０ｍｍ以下である請求項６に記載の波長変換モジュール。
8. 前記第１の基本波伝搬光ファイバ及び前記第１の高調波伝搬光ファイバのうちの少なくとも一つが偏波保持ファイバである請求項１〜７の何れか１項に記載の波長変換モジュール。
9. 前記第１の波長変換素子及び前記第２の波長変換素子の少なくとも１つが、リン酸チタニルカリウム、一致溶融（コングルエント）組成のニオブ酸リチウム、定比（ストイキオメトリック）組成のニオブ酸リチウム、一致溶融組成のタンタル酸リチウム、及び定比組成のタンタル酸リチウムからなる群から選ばれる少なくとも１種である請求項１〜８の何れか１項に記載の波長変換モジュール。
10. 前記第１の波長変換素子が、酸化マグネシウムのモル濃度が５．３〜６．３ｍｏｌである、一致溶融組成の酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウム及び酸化マグネシウム添加タンタル酸リチウムからなる群から選ばれる少なくとも１種である請求項１〜９の何れか１項に記載の波長変換モジュール。
11. 前記第１の波長変換素子が分極構造を周期的に反転させた非線形光学単結晶である請求項１〜１０の何れか１項に記載の波長変換モジュール。
12. 前記レーザ光源がＹｂ添加ファイバレーザである請求項１〜１１の何れか１項に記載の波長変換モジュール。
13. 高調波の波長が５２０〜５５０ｎｍの範囲である請求項１〜１２の何れか１項に記載の波長変換モジュール。
14. 前記第１の波長変換素子の波長変換時の温度が２０〜６０℃であることを特徴とする請求項１〜１３の何れか１項に記載の波長変換モジュール。
15. 請求項４に記載の波長変換モジュールの複数個を多段に光学的に結合してなる波長変換モジュールであって、
    前記光学的結合が、第ｎ段目（但し、ｎは１以上の整数）の波長変換モジュールの第２の基本波伝搬光ファイバと第（ｎ＋１）段目の第１の基本波伝搬光ファイバを結合することを特徴とする波長変換モジュール。
16. 請求項１〜１５に記載の波長変換モジュールを備え、前記波長変換モジュールは、平均出力２Ｗ以上かつ波長２００〜８００ｎｍのレーザ光を出力することを特徴とするレーザ光源装置。
17. 請求項１６に記載のレーザ光源装置を備え、
    前記レーザ光源装置から出射される平均出力２Ｗ以上のレーザ光を用いて画像を表示させることを特徴とする２次元画像表示装置。
18. 液晶パネルにより形成されている２次元空間変調素子を備えた請求項１７に記載の２次元画像表示装置。
19. 請求項１６に記載のレーザ光源装置を備え、
    前記レーザ光源装置から出射される平均出力２Ｗ以上のレーザ光から放出される光を用いて液晶表示部を照明することを特徴とするバックライト光源。
20. 請求項１９に記載のバックライト光源を備えた液晶ディスプレイ装置。
21. 請求項１６に記載のレーザ光源装置を備え、
    前記レーザ光源装置から出射される平均出力２Ｗ以上のレーザ光を用いて対象物を加工することを特徴とするレーザ加工装置。

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