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WO2015083200A1 - 多波長レーザ装置 - Google Patents

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WO2015083200A1
WO2015083200A1 PCT/JP2013/007151 JP2013007151W WO2015083200A1 WO 2015083200 A1 WO2015083200 A1 WO 2015083200A1 JP 2013007151 W JP2013007151 W JP 2013007151W WO 2015083200 A1 WO2015083200 A1 WO 2015083200A1
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WO
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laser
wavelength
wavelength conversion
emitted
laser beams
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2013/007151
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
史生 正田
柳澤　隆行
陽介 秋野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
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Priority to JP2015551264A priority patent/JP6141452B2/ja
Priority to PCT/JP2013/007151 priority patent/WO2015083200A1/ja
Priority to CN201380081336.9A priority patent/CN105992971B/zh
Priority to US15/036,193 priority patent/US9762022B2/en
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    • H01S3/0826—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors defining a plurality of resonators, e.g. for mode selection or suppression incorporating a dispersive element, e.g. a prism for wavelength selection using a diffraction grating
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    • H01S5/143—Littman-Metcalf configuration, e.g. laser - grating - mirror
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    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4087—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar emitting more than one wavelength

Definitions

  • the present invention relates generally to laser technology, and more particularly to a laser apparatus capable of generating a plurality of laser beams having different wavelengths.
  • light sources of three colors for example, R (red), G (green), and B (blue) are required as light sources.
  • fundamental laser light having a fundamental wavelength of 900 nm band, 1 ⁇ m band, and 1.3 ⁇ m band is used as a fundamental wave (hereinafter referred to as fundamental laser light), and these fundamental wave laser lights are converted into non-linear materials.
  • a wavelength conversion type laser apparatus has been proposed that generates light of a necessary color (wavelength) by performing wavelength conversion on the second harmonic generation (SHG: Second Harmonic Generation).
  • Patent Document 1 As an example of such a conventional laser device, there is one composed of a semiconductor laser, a laser medium, and a nonlinear material.
  • the laser apparatus disclosed in Patent Document 1 includes a semiconductor laser, a laser medium, and a nonlinear optical material as components related to laser light generation.
  • the semiconductor laser element generates excitation light for the laser medium.
  • the generated excitation light is absorbed by the laser medium, and a gain for amplifying the fundamental laser light is generated in the laser medium.
  • laser oscillation occurs at the fundamental wavelength in the laser medium, and fundamental wave laser light is emitted.
  • the fundamental laser beam emitted from the laser medium is converted into second harmonic light by wavelength conversion in the nonlinear optical material.
  • the wavelength spectrum width of the fundamental laser beam may be very narrow. Therefore, the width of the wavelength spectrum of the light obtained by wavelength conversion is also very narrow.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a schematic configuration of a multi-wavelength laser device when the conventional technique is applied.
  • FIG. 9 shows the case where the wavelength conversion as in Patent Document 1 is used, and from the two fundamental laser beams having different wavelengths, the second harmonic generation and the sum frequency generation.
  • the two fundamental laser beams having different wavelengths the second harmonic generation and the sum frequency generation.
  • three types of laser light after wavelength conversion are generated.
  • 200a and 200b are fundamental laser light sources
  • 300a and 300b are fundamental laser beams
  • 400,..., 407 are mirrors (including half mirrors)
  • 500a, 500b, and 500ab are wavelength conversion elements
  • 600a. , 600b, 600ab indicate laser beams obtained by wavelength conversion.
  • the direction of the arrow corresponds to the traveling direction of light.
  • the fundamental wave laser beam 300a emitted from the laser light source 200a is branched by the mirror 400.
  • One of the branched fundamental wave laser light 300a is incident on the wavelength conversion element 500a, and the other is incident on the wavelength conversion element 500ab via the mirrors 401 and 402.
  • the fundamental laser beam 300b emitted from the laser light source 200b is branched by the mirror 403.
  • One of the branched fundamental wave laser beams 300 b enters the wavelength conversion element 500 b and the other enters the wavelength conversion element 500 ab via the mirror 402.
  • the wavelength conversion element 500a converts the wavelength of the incident fundamental wave laser beam 300a and emits a second harmonic laser beam 600a.
  • the wavelength conversion element 500b converts the wavelength of the incident fundamental wave laser beam 300b and emits a second harmonic laser beam 600b.
  • the wavelength conversion element 500ab emits a sum frequency laser beam 600ab from the incident fundamental wave laser beams 300a and 300b.
  • the second harmonic laser beam 600a and the sum frequency laser beam 600ab are overlapped by mirrors 404 and 405, and further, the second harmonic laser beam 600b is overlapped by mirrors 406 and 407.
  • two fundamental laser beams 20a and 20b are generated, wavelength conversion is performed on the generated fundamental laser beams by the wavelength conversion element, and a laser beam 600a obtained by wavelength conversion is obtained.
  • 600b and 600b are overlapped by a plurality of mirrors and emitted.
  • the fundamental laser beam is incident on the plurality of wavelength conversion elements using a plurality of mirrors, and a plurality of wavelength-converted laser beams emitted from the wavelength conversion elements are further provided.
  • a plurality of wavelength-converted laser beams emitted from the wavelength conversion elements are further provided.
  • the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and a plurality of wavelength-converted lights overlapping on the same axis can be obtained with a simple configuration, and the restriction on the superimposed light can be relaxed.
  • An object is to provide a multi-wavelength laser device.
  • a multi-wavelength laser device includes a laser light source that emits a plurality of laser beams having different fundamental wavelengths, and A dispersion element that changes the traveling direction of each of the plurality of laser beams emitted from the laser light source according to a wavelength and an incident direction, and emits the plurality of laser beams in a state of being overlapped on the same axis, In the polarization inversion region and the non-polarization inversion region, the polarization inversion region and the non-polarization inversion region, which are periodically formed, are emitted from the dispersion element and overlapped on the same axis.
  • a wavelength conversion element that performs wavelength conversion and emits a plurality of laser beams obtained by the wavelength conversion in a state of being overlapped on the same axis.
  • Another multiwavelength laser device includes a pumping light source that emits a plurality of pumping lights for giving a gain to a laser medium, An end for transmitting the excitation light and reflecting the laser light of the fundamental wavelength is provided on the excitation light source side, and is amplified using the plurality of excitation lights emitted from the excitation light source.
  • a laser medium that emits a plurality of different laser beams
  • a dispersion element that changes a traveling direction of each of the plurality of laser beams emitted from the laser medium according to a wavelength and an incident direction, and emits the plurality of laser beams in a state of being overlapped on the same axis;
  • the polarization inversion region and the non-polarization inversion region which are periodically formed, are emitted from the dispersion element and overlapped on the same axis.
  • a wavelength conversion element that performs wavelength conversion and emits a plurality of laser beams obtained by the wavelength conversion in an overlapping state on the same axis;
  • a resonator for a plurality of laser beams having different fundamental wavelengths is formed together with the end of the laser medium on the excitation light source side, and a plurality of laser beams obtained by the wavelength conversion emitted from the wavelength conversion element And a mirror that transmits a plurality of laser beams having different fundamental wavelengths from each other.
  • a multi-wavelength laser apparatus in which a plurality of wavelength-converted lights overlapping on the same axis can be obtained with a simple configuration and the restriction on the superposed light can be relaxed. be able to.
  • each element of the diagram is divided for convenience of explanation of the present invention, and its implementation is not limited to the configuration, division, name, etc. of the diagram. Further, the division method itself is not limited to the division shown in the figure.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a multi-wavelength laser apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 10 (10a,..., 10n) is a laser light source
  • 20 (20a,..., 20n) is a fundamental laser beam
  • 30 is a dispersion element
  • 40 is a wavelength conversion element
  • 50 is obtained by wavelength conversion.
  • the emitted laser beam is shown.
  • the direction of the arrow indicates the direction of light travel.
  • Embodiment 1 is an example in the case of using a so-called external type wavelength conversion system, that is, a configuration in which a wavelength conversion element is disposed outside a resonator structure for laser oscillation.
  • reference numeral 10 is used when referring to the entire laser light source or when individual laser light sources are not distinguished, and reference numerals 10a to 10n are used when indicating individual laser light sources or when distinguishing individual laser light sources. May be explained.
  • the fundamental laser beam 20 (20a,..., 20n) may be described in the same manner.
  • the laser beam 50 obtained by wavelength conversion depends on the combination of a plurality of laser beams generated by the wavelength conversion element, it indicates the whole of the plurality of laser beams obtained by the wavelength conversion and is obtained by the wavelength conversion. The individual laser beams are not distinguished.
  • the laser light source 10 emits a plurality of laser beams having different fundamental wavelengths, that is, fundamental laser beams, 20a to 20n.
  • each of the laser light sources 10a, 10b,..., 10n has a resonator structure for laser oscillation therein. Further, the laser beams 20a, 20b,..., 20n emitted from the individual laser light sources 10a, 10b,..., 10n oscillate at the corresponding fundamental wavelengths ⁇ a, ⁇ b,. It shall be.
  • the individual laser light sources 10a, 10b,..., 10n are examples of cases where they are arranged at different positions or emit laser beams from different positions.
  • the orientations of the end portions of the individual laser light sources 10a, 10b,..., 10n on the side from which the laser light is emitted are arranged so that the laser light enters the dispersion element 30.
  • the laser light source 10 may be any laser applicable to the present embodiment, for example, (1) a semiconductor laser or (2) a solid-state laser.
  • a laser having a plurality of active layers and capable of emitting a plurality of laser beams in an array shape and performing multi-emitter oscillation can be applied.
  • (1) bulk type and (2) waveguide type can be applied.
  • the dispersion element 30 changes the traveling direction of each of the plurality of laser beams 20a, 20b,..., 20n incident from the laser light source 10 according to the wavelength and the incident direction.
  • the dispersion element 30 has a plurality of laser beams 20 a, 20 b,..., 20 n emitted from the laser light source 10 arranged in positions and orientations where the incident areas in the dispersion element 30 overlap.
  • the dispersive element 30 is disposed so as to emit a plurality of incident laser beams 20a, 20b,..., 20n in a state of being overlapped on the same axis.
  • the dispersive element 30 In the first embodiment, an example in which a diffraction grating capable of changing the traveling direction of light depending on the wavelength of incident light is used as the dispersive element 30 is shown.
  • a diffraction grating is used as the dispersive element 30, for example, a blazed diffraction grating having high diffraction efficiency for a specific order and wavelength is desirable.
  • the order of the diffraction grating which will be described later, becomes higher as the diffraction efficiency becomes higher as it is used at a lower order. Therefore, it is desirable to make the shape and dimensions so that it can be used at a lower order.
  • the orientation and arrangement of the laser light source 10 may be adjusted so that the fundamental laser beams 20a, 20b,.
  • the dispersion element 30 reflects the reflected fundamental wave laser beams 20a, 20b,..., 20n from the laser light 20a, 20b,. Are stipulated so as to be incident on the wavelength conversion element 40 while being substantially coaxially superimposed.
  • the wavelength conversion element 40 performs wavelength conversion on the incident fundamental wave laser beams 20a, 20b,..., 20n, and emits the laser beam 50 obtained by the wavelength conversion.
  • the number (n) of the fundamental wave laser beams 20 and the number of laser beams emitted in a state of being overlapped on the same axis as the laser beams 50 are not particularly limited. The description will be made with reference to the drawings, but the present invention can be applied even when a specific number of combinations, for example, each is two.
  • the end surface 41 of the wavelength conversion element 40 is arranged so that the laser beams 20a, 20b,.
  • the end face 41 of the wavelength conversion element 40 transmits the fundamental wavelength laser beams 20a, 20b,..., 20n, and reflects the laser beam 50 obtained by the wavelength conversion. Is formed.
  • an optical film is formed on the surface 42 at the other end of the wavelength conversion element 40 so as to transmit the laser light 50 obtained by the wavelength conversion.
  • the optical film on the end surface 42 may be an optical film that reflects the fundamental laser beams 20a, 20b,..., 20n, or may be an optical film that transmits light.
  • optical films 41 and 42 can be formed, for example, by laminating dielectric thin films.
  • wavelength conversion elements 40 Conventional and novel wavelength conversion materials can be used as the material of the wavelength conversion element 40.
  • KTP, KN, BBO, LBO, CLBO, LiNbO3, and LiTaO3 can be used as conventional materials.
  • FIG. 2 is a diagram showing the operating principle of a blazed diffraction grating.
  • 70 is a normal to the surface on which the diffraction grating is formed, and ⁇ ( ⁇ a, ⁇ b, ⁇ c) is incident on the fundamental laser beam 20 (20a, 20b, 20c) with respect to the normal 70 of the diffraction grating.
  • the angle, ⁇ is the emission angle of the fundamental laser beam 20 (20a, 20b, 20c) with respect to the normal 70 of the diffraction grating
  • d is the pitch of the diffraction grating
  • the arrow indicates the light traveling direction.
  • the diffraction grating 30 shows a cross section, and a grating is formed on the upper surface of the figure.
  • the case where the number of the fundamental laser beams 20 is 3 is shown as an example. However, other numbers may be used, and it may be considered that the fundamental laser beams 20a, 20b,.
  • the emission angle of the light emitted from the dispersive element 30 depends on the incident angle of the light to the dispersive element 30, the pitch of the diffraction grating of the dispersive element 30, and the wavelength of the incident light. It is represented by a grating equation.
  • ⁇ is the incident angle of light
  • ⁇ is the outgoing angle of light
  • ⁇ is the wavelength of light
  • m is the order
  • N is the number of slits (groove number) of the grating per 1 mm.
  • the number of slits (number of grooves) N is defined as the reciprocal of the distance between the openings (diffraction grating period) d.
  • angles ⁇ and ⁇ are based on the normal to the surface on which the diffraction grating is formed, and the counterclockwise direction in the figure is positive.
  • ⁇ c is determined, and a plurality of laser light sources 10 and diffraction gratings 30 are arranged.
  • the plurality of fundamental wave laser beams 20a, 20b, and 20c having different wavelengths emitted from the laser light source 10 can be emitted at the same emission angle ⁇ .
  • the fundamental laser beams 20a, 20b, and 20c can be emitted from the diffraction grating 30 in a state of being overlapped on the same axis. .
  • the laser light having a plurality of fundamental wavelengths that are overlapped on the same axis is incident on the wavelength conversion element 40 from the dispersion element 30.
  • the wavelength conversion element 40 converts the wavelength of the incident laser beam and outputs a plurality of laser beams 50 obtained by the wavelength conversion from the end face 42.
  • FIG. 3 is a perspective view showing an example of the schematic configuration and operation of the QPM wavelength conversion element 40.
  • 43 indicates a polarization inversion layer
  • 44 and 45 indicate optical films.
  • the wavelength conversion element 40 has a plurality of polarization inversion layers 43.
  • the polarization inversion layer 43 is obtained by inverting the polarization direction of a dielectric material polarized in a certain direction.
  • the polarization inversion layer 43 non-polarization inversion regions and polarization inversion regions are alternately arranged, and the entire polarization inversion layer 43 forms one crystal.
  • the polarization inversion layer 43 is periodically formed in the wavelength conversion element 40.
  • a plurality of fundamental laser beams 20a, 20b,..., 20n having different fundamental wavelengths are incident on the wavelength conversion element 40 from the end surface 41 in a state of overlapping on the same axis.
  • the axes of the fundamental laser beams 20a, 20b,..., 20n in an overlapped state do not necessarily coincide with the optical axis or crystal axis of the wavelength conversion element 40.
  • the fundamental laser beams 20a, 20b,..., 20n incident on the wavelength conversion element 40 propagate in order through alternately arranged non-polarization inversion regions and polarization inversion regions, and the surface 42 at the other end. Propagate until.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the internal structure of the QPM wavelength conversion grating shown in FIG.
  • FIG. 4 shows a general-purpose case in which wavelength conversion corresponding to all light of fundamental wavelengths ⁇ a,..., ⁇ n is possible.
  • 46 (46aa,..., 46nn) is the second harmonic generation region
  • 47 (47ab,..., 47na) is the sum frequency generation region
  • ⁇ ( ⁇ aa,..., ⁇ nn, ⁇ ab,. ... ⁇ na) is the period of each generation region 46 (46aa,..., 46nn, 47ab,..., 47na)
  • (+) and minus ( ⁇ ) marks indicate the direction of polarization.
  • the suffixes a, b,..., N in the symbols indicating the respective areas correspond to the suffixes a, b,..., N of the symbols 20a, 20b,. is doing. Therefore, the same subscript is used in the code in the case of the second harmonic generation region 46, and a different subscript is used in the code in the case of the sum frequency generation region 47.
  • a pair of polarization layers including a polarization layer (non-polarization inversion region) indicated by plus (+) and a polarization layer (polarization inversion region) indicated by minus ( ⁇ ) are arranged along the optical axis direction.
  • a plurality of sets are arranged.
  • the period ⁇ ( ⁇ aa,..., ⁇ nn, ⁇ ab,..., ⁇ na) of the non-polarization inversion region and the polarization inversion region is the wavelength of the incident fundamental wave laser beam 20 and the laser beam 50 obtained by wavelength conversion. Is determined when the wavelength conversion element 40 is formed.
  • the second harmonic generation region 46aa has parameters such as the angle of the crystal axis, the operating temperature, the period, and the like so that the light having the fundamental wavelength ⁇ a is converted into the second harmonic having the wavelength ⁇ a / 2. Decided when forming.
  • the light of the fundamental wavelength ⁇ b (,..., ⁇ n) is converted into the wavelength ⁇ b / 2 (,. , ⁇ n / 2) can be converted to a second harmonic.
  • the region of the period ⁇ ab corresponding to the wavelength ⁇ a and the wavelength ⁇ b when generating the sum frequency of the wavelengths ⁇ a and ⁇ b, the region of the period ⁇ ab corresponding to the wavelength ⁇ a and the wavelength ⁇ b, and when generating the sum frequency of the wavelengths ⁇ b and ⁇ c, When generating the sum frequency of the wavelength ⁇ n and the wavelength ⁇ a, the region of the period ⁇ na corresponding to the wavelength ⁇ c is formed.
  • a fundamental laser beam 20a having a wavelength ⁇ a and a fundamental laser beam 20b having a wavelength ⁇ b are incident on the wavelength conversion element (QPM wavelength conversion element) 40 configured as described above.
  • the fundamental laser beam 20a having the wavelength ⁇ a is incident, a part of the fundamental laser beam 20a having the wavelength ⁇ a has a wavelength ⁇ a / 2 in the second harmonic generation region 46aa for the wavelength ⁇ a due to the nonlinear optical effect.
  • the wavelength is converted into a second harmonic laser beam.
  • a part of the fundamental laser beam 20b having the wavelength ⁇ b is part of the second harmonic laser beam 20b in the second harmonic generation region 46bb corresponding to the wavelength ⁇ b. Wavelength converted.
  • a fundamental laser beam of another wavelength when incident, it is similarly converted into a second harmonic laser beam by providing a corresponding second harmonic generation region. Further, by providing regions (periods ⁇ bc,..., Periods ⁇ na) 47 that are converted into sum frequencies with respect to other combinations of fundamental laser beams, each region has a corresponding wavelength. Part of the fundamental laser beam is converted into a sum frequency laser beam.
  • the fundamental laser light 20 that has entered the wavelength conversion element 40 but has not been wavelength-converted is totally reflected by the end face 42 and is again wavelength-converted.
  • the light propagates in the element 40, and a part thereof is converted into second harmonic and sum frequency laser light.
  • the second harmonic and sum frequency laser light obtained by the wavelength conversion is directly emitted from the end face 42 to the outside of the wavelength conversion element 40 or totally reflected by the end face 41 and then from the end face 42 to the outside of the element. Is emitted.
  • the laser beam obtained by the wavelength conversion becomes a laser beam 50 in a state where a plurality of laser beams are superimposed on the same axis.
  • a plurality of wavelength-converted laser beams overlapping on the same axis can be obtained with a simple configuration, and the restriction on the superimposed light can be relaxed.
  • a multi-wavelength laser device can be provided.
  • the loss with respect to the laser light 20 having the fundamental wavelength in each conversion region can be reduced, and a multi-wavelength laser device having excellent wavelength conversion efficiency. Can be provided.
  • the configuration of the multi-wavelength laser apparatus has been described using the example shown in FIG. 1, but a configuration other than the configuration shown in FIG. 1 may be used. .
  • the cross-sections and traveling directions of the laser beams are all coincident with each other on the same axis, but it is not necessary to coincide completely. It is only necessary to overlap to the extent that the effect is achieved or to satisfy the performance required for the display device in the display device using the laser device of the present invention.
  • the dispersion element 30 is described using a reflective diffraction grating, but the form of the dispersion element 30 is not limited to this.
  • a dispersion prism described later may be used.
  • the dispersion element 30 and the dispersion element 30 and the laser light incident from the plurality of laser light sources 10 are incident on the wavelength conversion element 40 in a state where the plurality of fundamental wave laser beams are substantially coaxially overlapped. If the laser light source 10 is arranged, the same function as in the present embodiment can be obtained.
  • MgO-added LiNbO3, MgO-added LiTabO3, stoichiometric LiNbO3, and stoichiometric LiTaO3 that are resistant to optical damage may be used as the material of the wavelength conversion element 40.
  • MgO-added LiNbO3, MgO-added LiTabO3, stoichiometric LiNbO3, stoichiometric LiTaO3, and KTP having a periodically inverted polarization structure may be used as the material of the wavelength conversion element 40.
  • MgO-added LiNbO3, MgO-added LiTabO3, stoichiometric LiNbO3, stoichiometric LiTaO3, and KTP having a periodically inverted polarization structure may be used as the material of the wavelength conversion element 40.
  • MgO-added LiNbO3, MgO-added LiTabO3, stoichiometric LiNaO3, and KTP having a periodically inverted polarization structure may be used as the nonlinear constant is large.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a schematic configuration of the multi-wavelength laser apparatus in the second embodiment of the present invention.
  • 60 indicates a lens
  • a lens 60 is added between the laser light source 10 and the dispersion element 30 in the laser apparatus shown in FIG. The point is that it is arranged toward the lens 60.
  • the lens 60 emits a plurality of laser beams 20 a, 20 b,..., 20 n incident from the laser light source 10 and having different fundamental wavelengths toward the same region of the dispersion element 30.
  • the arrangement of the laser light sources 10a, 10b,..., 10n, the lens 60, and the dispersion element 30 is the same as in the first embodiment, and the laser beams 20a, 20b,. It arrange
  • the distance between the laser light emission positions of the laser light sources 10 a, 10 b,..., 10 n and the lens 60 is preferably a distance corresponding to the focal length of the lens 60.
  • the laser beams 20a, 20b,..., 20n are incident on the lens 60 at different positions.
  • the laser beams 20a, 20b,..., 20n collected by the lens 60 are incident on the dispersion element 30 so as to overlap in the same region of the dispersion element 30.
  • the condensed laser beams 20a, 20b,..., 20n are emitted toward the wavelength conversion element 40 in a state where they are overlapped on the same axis.
  • one lens 60 is used.
  • the present invention is not limited to the configuration shown in the figure.
  • individual laser light sources 10a, 10b,..., 10n, or laser light 20a, 20b, ..., a lens is arranged for 20n.
  • a separate lens may be used for some laser light sources or laser light.
  • Embodiment 3 The third embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a schematic configuration of a multi-wavelength laser device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • 31 is an angle adjusting mechanism
  • 70 is a mirror
  • 80 (80a, 80b,..., 80n) is a semiconductor laser
  • 90 (90a, 90b,..., 90n) is excitation light
  • 100 100 (100a, 100b).
  • 100n) represents a laser medium.
  • reference numeral 80 is used when referring to the entire semiconductor laser or when not distinguishing individual laser light sources, and when referring to individual laser light sources or individual laser light sources. In some cases, reference numerals 80a to 80n are used.
  • the excitation light 90 may be described in the same manner.
  • the first embodiment differs greatly from FIG. 1 in that the laser light source 10 in FIG. 1 is replaced with a semiconductor laser 80 and a laser medium 100, and the laser light 50 output side of the wavelength conversion element 40. In addition, a mirror 70 is added.
  • the external type wavelength conversion method shown in the first and second embodiments that is, the configuration in which the wavelength conversion element is installed outside the resonator, is not the internal type wavelength conversion method, that is, the wavelength inside the resonator.
  • the semiconductor laser 80 is an excitation light source that emits a plurality of excitation lights 90 for exciting the laser medium 100.
  • each excitation light 90a, 90b, ..., 90n is the wavelength and output of each laser medium 100a, 100b, ..., 100n, laser light 20a, 20b, ..., 20n emitted from the laser medium. Etc. in advance.
  • the semiconductor laser 80 is provided so that the end on the side from which the excitation light 90 is emitted faces the surface 101 at the end of the laser medium 100.
  • the semiconductor laser 80 for example, a laser made of a compound semiconductor material can be used.
  • the excitation light 90 emitted from the excitation light source 80 is incident on the laser medium 100.
  • the laser medium 100 emits a plurality of laser beams 20a, 20b,..., 20n having different fundamental wavelengths.
  • the laser medium 100a has an end surface 101 for transmitting the excitation light 90a and reflecting the fundamental laser light 20a on the excitation light source side.
  • the end face 101 constitutes a part of a resonator structure for oscillating the laser light 20a having the fundamental wavelength.
  • the other laser media 100b,..., 100n also have a surface 101 that transmits excitation light and transmits fundamental laser light.
  • Nd YAG
  • Nd YLF
  • Nd Glass
  • Yb YAG
  • Yb YLF
  • Yb KGW
  • Er Glass
  • Tm YAG
  • Tm YLF
  • Ho: YAG Ho: YLF
  • Cr LiSAF
  • the wavelength conversion element 40 has a characteristic that the end face 42 transmits light of a fundamental wavelength.
  • the mirror 70 has a characteristic of reflecting the fundamental laser beam 20 and transmitting the laser beam 50 obtained by wavelength conversion.
  • the mirror 70 together with the end surface 101 of the laser medium, constitutes a part of a resonator for oscillating the fundamental wavelength laser beam 20.
  • wavelength conversion is performed using fundamental laser beams of two different fundamental wavelengths ⁇ a and ⁇ b, and the second harmonic of each fundamental laser beam and both fundamental laser beams are converted.
  • ⁇ a and ⁇ b fundamental laser beams of two different fundamental wavelengths
  • ⁇ b fundamental laser beams of two different fundamental wavelengths
  • the second harmonic of each fundamental laser beam and both fundamental laser beams are converted.
  • a case where a sum frequency laser beam is generated will be described as an example.
  • the number of laser beams may be other numbers and is not limited.
  • the laser medium 100a has a wavelength at which the amplification gain reaches a peak ⁇ a
  • the laser medium 100b has a wavelength at which the amplification gain reaches a peak at ⁇ b.
  • excitation light 90a for exciting the laser medium 100a is emitted from the semiconductor laser 80a.
  • This light reciprocates in the resonator formed by the end surface 101 of the laser medium 100a and the mirror 70.
  • the amplification gain when making one round of the resonator exceeds the loss received when making one round of the resonator, the light of wavelength ⁇ a oscillates and the fundamental laser beam 20a is emitted from the laser medium 100a.
  • the semiconductor laser 80b, the laser medium 100b, and the mirror 70 cause the light of wavelength ⁇ b to oscillate, and the fundamental laser beam 20b is emitted from the laser medium 100b.
  • the fundamental laser beam 20a emitted from the laser medium 100a and the fundamental laser beam 20b emitted from the laser medium 100b are incident angles ⁇ a and ⁇ b (see FIG. 2) satisfying the expression (1) with respect to the wavelengths ⁇ a and ⁇ b.
  • the light enters the dispersion element 30.
  • the fundamental laser beams 20a and 20b emitted from the dispersive element 30 are emitted in a state where the emission angles ⁇ are equal and overlap on the same axis.
  • the fundamental laser beam 20a having the wavelength ⁇ a When the fundamental laser beam 20a having the wavelength ⁇ a is incident on the wavelength conversion element 40, a part of the fundamental laser beam 20a having the wavelength ⁇ a becomes a wavelength in the second harmonic generation region (region ⁇ aa) 46aa for the wavelength ⁇ a. The wavelength is converted into second harmonic light having ⁇ a / 2.
  • the fundamental laser beam 20b having the wavelength ⁇ b is converted into the laser beam having the wavelength ⁇ b / 2 in the region (period ⁇ bb region) 46bb in which the light having the wavelength ⁇ b is converted into the second harmonic.
  • the second harmonic wave and the sum frequency laser light generated in the wavelength conversion element 40 are emitted to the outside through the end face 42 and the mirror 70 of the wavelength conversion element 40.
  • the laser beam obtained by the wavelength conversion is emitted from the wavelength conversion element 40 as a laser beam 50 in a state where a plurality of laser beams are overlapped on the same axis.
  • the fundamental laser beams (20a, 20b) having the wavelengths ⁇ a and ⁇ b are incident on the wavelength conversion element 40 while being superimposed on the same axis, and the incident laser beams are inverted in polarization in the non-polarization inversion region.
  • Wavelength conversion is performed by sequentially propagating through the region, and three laser beams having wavelengths ⁇ a / 2, ⁇ b / 2, and ⁇ ab are generated.
  • These three laser beams are emitted from the mirror 70 to the outside through the end face 42 of the wavelength conversion element 40.
  • the fundamental laser beams 20a and 20b that have entered from the dispersive element 30 but have not been converted into the second harmonic wave and the sum frequency light within the wavelength conversion element 40 are reflected by the mirror 70 via the end face 42, and are converted again.
  • a part thereof is converted into the second harmonic wave and the sum frequency light as described above.
  • the second harmonic wave and the sum frequency light generated at this time are reflected by the end face 41 of the wavelength conversion element 40 and emitted from the mirror 70 to the outside through the end face 42.
  • the fundamental laser beams 20a and 20b reflected by the mirror 70 and incident on the wavelength conversion element 40 again but not wavelength-converted are the end surfaces 101 of the laser media 100a and 100b corresponding to the respective wavelengths, that is, resonance. It propagates to a part of the vessel, is reflected there, and contributes to the lasing operation of the fundamental laser beam as described above.
  • the laser medium 100 is oscillated at the fundamental wavelength at the gain peak wavelength, and the emission angle ⁇ of the light reflected by the dispersion element 30 at the gain peak wavelength is the same.
  • the case where the laser medium 100 and the dispersion element 30 are configured has been described.
  • the wavelength satisfying the formula (1) is changed by changing the angle of the dispersion element 30. It can be seen that the fundamental wavelength for oscillation can be changed.
  • the angle adjusting mechanism 31 (so that the incident angle of the laser light incident from the plurality of laser media 12 is changed in the dispersive element 30 or the incident angle of the laser light 20 incident on the dispersive element 30 can be adjusted.
  • Fig. 6 (however, the detailed configuration is not shown).
  • the wavelengths of the fundamental laser beams 20a and 20b are changed from ⁇ a and ⁇ b, which are the peak wavelengths of the gains of the laser media 100a and 100b, to the wavelength ⁇ a + ⁇ a.
  • ⁇ a and ⁇ b indicate the amount of wavelength change.
  • parameters such as the crystal axis angle, temperature, period of inversion polarization, etc. are determined in advance so that the light of the fundamental wavelength of the wavelength ⁇ a + ⁇ a and the wavelength ⁇ b + ⁇ b is also wavelength-converted.
  • the wavelength of the laser beam obtained by wavelength conversion can be changed, and the laser beam can be emitted in a state of being overlapped on the same axis.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a schematic configuration of a multi-wavelength laser apparatus in Embodiment 4 of the present invention.
  • a difference from FIG. 6 of the third embodiment is that a lens 60 is added between the laser medium 100 and the dispersion element 30, and the side of the laser medium 100 that emits the fundamental laser light is arranged toward the lens 60. It is a point that has been.
  • the lens 60 changes the traveling direction of the fundamental wave laser beams 20a, 20b,..., 20n emitted from the laser medium 100 and emits the same toward the same region of the dispersion element 30.
  • the arrangement of the laser media 100a, 100b,..., 100n, the lens 60, and the dispersion element 30 is the same as that of the second embodiment described above, and the fundamental wave laser beams 20a, 20b,. It arrange
  • the distance between the emission position of the fundamental laser beam of the laser light sources 100a, 100b,..., 100n and the lens 60 is preferably a distance corresponding to the focal length of the lens 60.
  • the fundamental wave wavelength conversion described in the first and second embodiments is performed outside the resonator.
  • the wavelength can be converted efficiently.
  • the wavelength after wavelength conversion can be changed and emitted in a state of being coaxially overlapped as in the case of providing the angle adjustment mechanism 31 in the third embodiment.
  • Embodiment 5 of the present invention will be described with reference to FIG.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a schematic configuration of a multi-wavelength generation laser device according to Embodiment 5 of the present invention.
  • reference numeral 110 denotes a dispersion prism.
  • a dispersion prism 110 is used instead of a diffraction grating as the dispersion element 30.
  • the traveling direction is changed when the incident laser light 20 is reflected.
  • the traveling direction is changed when it is transmitted.
  • the operation as a multi-wavelength laser device is the same except for the above.
  • a lens 60 for condensing light may be further used.
  • the present invention may be applied to an internal resonator type configuration, and is not limited to the present embodiment.
  • the polarization inversion regions are formed in the order shown in FIG. 4 as the wavelength conversion element 40 .
  • it is necessary to provide all the wavelength conversion regions shown in FIG. For example, only the wavelength conversion region corresponding to the wavelength desired to be emitted in the state of being overlapped on the same axis may be formed.
  • the laser device is mounted as follows: (1) All the configurations and structures shown in the above drawings are included. (2) The wavelength conversion element 40 has all the wavelength conversion regions shown in FIG. 10 or various mounting forms such as not including all of the semiconductor laser 90 and the laser medium 100 are possible.
  • the region where the polarization inversion period is ⁇ aa, the region ⁇ bb,..., ⁇ nn are arranged in the order shown in the figure. Although the case of the structure to explain was demonstrated, it is not limited to this.
  • a structure in which the polarization inversion period gradually increases or decreases gradually from the end portion 41 toward the end portion 42 and changes in a so-called chirp shape may be provided.
  • each region may have a structure that changes in a chirp shape.
  • the phase matching bandwidth which is the tolerance of the phase matching condition, can be widened as compared with the case where the polarization inversion period is uniform.
  • the sum frequency generation region 47 may have a structure in which the periodic structure of polarization inversion is changed to a chirp shape, and the same effect can be obtained.
  • a region for generating a difference frequency or a region for parametric oscillation may be provided in the wavelength conversion element 40, and the effects of the present invention are achieved.
  • the fundamental wave laser light 20 emitted from the dispersion element 30 is input to the wavelength conversion element 40 in a state of being overlapped on the same axis, and a plurality of laser lights obtained by wavelength conversion are obtained. Are emitted from the wavelength conversion element 40 while being overlapped on the same axis.
  • the above-mentioned “same axis” in the incident to the wavelength conversion element 40 and the emission from the wavelength conversion element 40 do not necessarily coincide with each other.
  • they are used for various parameters when mounting the laser device, for example, the wavelength conversion element 40.
  • they may overlap on different axes.
  • drawings of the multi-wavelength laser devices shown in the above embodiments are diagrams in which a detailed structure is omitted for easy understanding, but other functional elements or components such as power supply means, control, etc. Means may be included.
  • the configuration of the multi-wavelength laser device in each of the above embodiments is an example, and the mounting of the device is not limited to the configuration shown in the figure.
  • the present invention is not limited to each embodiment as long as an equivalent function can be realized, and various modifications can be made within the scope of the problems and effects of the present invention.

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Abstract

　同一軸上に重ね合わせられた複数の波長変換後の光が簡便な構成で得られ、且つ重ね合わせられる光に対する制限が緩和可能な、多波長レーザ装置を提供することを目的とする。　基本波長が互いに異なる複数のレーザ光２０を出射するレーザ光源１０と、レーザ光源１０から出射されたレーザ光２０の進行方向を波長及び入射方向に応じて変更させ同一軸上に重なり合った状態で出射する分散素子３０と、周期的に形成された分極反転領域及び非分極反転領域を有し、分散素子３０から出射され同一軸上で重なり合った状態の複数の基本波レーザ光に対し波長変換をし、波長変換により得られた複数のレーザ光５０を同一軸上に重なり合った状態で出射する波長変換素子４０と、を備える。

Description

多波長レーザ装置
　本発明は、一般的には、レーザ技術に関し、特には、波長の異なる複数のレーザ光を発生可能なレーザ装置に関する。
　例えばプロジェクタやプロジェクションテレビで代表されるカラー画像の表示装置においては、光源として例えばＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つの色の光源が必要とされる。
　近年、これらの光源として、基本波長が９００ｎｍ帯、１μｍ帯、１．３μｍ帯のレーザ光を基本波（以下、基本波レーザ光と記載。）とし、非線形材料を用いてこれら基本波レーザ光に対し波長変換を行って第２高調波発生（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）をさせることで、必要な色（波長）の光を生成する、波長変換型のレーザ装置が提案されている。
　このような従来のレーザ装置の一例として、半導体レーザ、レーザ媒質、および非線形材料で構成されているものがある。（特許文献１）
　特許文献１のレーザ装置では、特許文献１中の図１に示すように、レーザ光発生に係る構成要素として、半導体レーザ、レーザ媒質および非線形光学材料を備えている。
　そして、半導体レーザ素子がレーザ媒質に対する励起光を発生する。発生した励起光はレーザ媒質に吸収されて、レーザ媒質内において基本波レーザ光を増幅するための利得が生じる。
　さらに、発生した利得により、レーザ媒質において基本波長でレーザ発振が起こり、基本波レーザ光が出射される。レーザ媒質から出射された基本波レーザ光は、非線形光学材料における波長変換によって、第２高調波の光に変換される。
ＷＯ２００６／１０３７６７号公報
　このような従来のレーザ装置において、レーザ媒質として特に固体素子を用いて基本波レーザ光を発生させる場合（いわゆる固体レーザの場合）に、基本波レーザ光の波長スペクトル幅が非常に狭くなることが多く、従って、波長変換により得られた光の波長スペクトルの幅も非常に狭くなることになる。
　これは、波長変換後の光のコヒーレンシーが高いことを意味し、レーザ光として様々なメリットがある。
　その反面、干渉性が強くなることを意味し、表示装置用に用いた場合にスペックルノイズが発生するという問題が知られている。
　スペックルノイズを低減する方法としては、例えば、複数の波長の光を重ね合わせることで、光源のコヒーレンシーを低下させる方法が提案されている。
　図９は、従来技術を適用した場合の、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。
　なお、図９は、説明を分かりやすくするために、上記特許文献１のような波長変換を用いた場合で、波長の異なる２つの基本派レーザ光から、第２高調波発生と和周波発生により、波長変換後のレーザ光を３種類発生する場合の例となっている。
　図において、２００ａおよび２００ｂは基本波用のレーザ光源、３００ａおよび３００ｂは基本波レーザ光、４００、・・・、４０７はミラー（ハーフミラーを含む）、５００ａ、５００ｂ、５００ａｂは波長変換素子、６００ａ、６００ｂ、６００ａｂは波長変換により得られたレーザ光を示す。また、矢印の方向は光の進行方向に対応する。
　レーザ光源２００ａから出射された基本波レーザ光３００ａは、ミラー４００により分岐される。分岐した基本波レーザ光３００ａの、一方は波長変換素子５００ａへ、他方はミラー４０１および４０２を介して波長変換素子５００ａｂへ入射する。
　同様に、レーザ光源２００ｂから出射された基本波レーザ光３００ｂは、ミラー４０３により分岐される。分岐した基本波レーザ光３００ｂの、一方は波長変換素子５００ｂへ、他方はミラー４０２を介して波長変換素子５００ａｂへ入射する。
　波長変換素子５００ａは、入射した基本波レーザ光３００ａを波長変換して、第２高調波のレーザ光６００ａを出射する。また、波長変換素子５００ｂは、入射した基本波レーザ光３００ｂを波長変換し、第２高調波のレーザ光６００ｂを出射する。また波長変換素子５００ａｂは、入射した基本波レーザ光３００ａと３００ｂとから、和周波のレーザ光６００ａｂを出射する。
　第２高調波のレーザ光６００ａおよび和周波のレーザ光６００ａｂは、ミラー４０４および４０５により重なり合わされ、さらに、ミラー４０６および４０７により第２高調波のレーザ光６００ｂが重なり合わされる。
　このように、図９の構成例では、２つの基本波レーザ光２０ａおよび２０ｂを発生させ、発生した基本波レーザ光に対し波長変換素子において波長変換を行い、波長変換により得られたレーザ光６００ａ、６００ｂ、６００ｂが複数のミラーにより重なり合わされて出射される。
　上記図９の多波長レーザ装置では、複数枚のミラーを用いて複数個の波長変換素子に基本波レーザ光を入射させ、また、波長変換素子から出射された波長変換後のレーザ光をさらに複数枚のミラーにより同一軸上に結合しなければならない。
　このため、装置の構成が複雑となるという課題があった。
　一方、光の波長の差が小さい場合、ミラーのコーティングの分光特性によって各々の波長の光の進行方向を規定または制限することが難しい。
　このような場合に、偏光の異なる光を用いて重ね合わせる方法が考えられるが、偏光の異なる多くの光を重ねあわせることが困難であるという課題があった。
　本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、同一軸上に重なり合う複数の波長変換後の光が簡便な構成で得られ、且つ重ね合わせられる光に対する制限が緩和可能な、多波長レーザ装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る多波長レーザ装置は、基本波長が互いに異なる複数のレーザ光を出射するレーザ光源と、
　前記レーザ光源から出射された前記複数のレーザ光の各々の進行方向を波長及び入射方向に応じて変更させ、前記複数のレーザ光を同一軸上に重なり合った状態で出射する分散素子と、
　周期的に形成された分極反転領域及び非分極反転領域を有し、前記分散素子から出射され前記同一軸上で重なり合った状態の前記複数のレーザ光に対し前記分極反転領域及び非分極反転領域において波長変換をし、前記波長変換により得られた複数のレーザ光を同一軸上に重なり合った状態で出射する波長変換素子と、を備えるようにしている。
　また、本発明に係る別の多波長レーザ装置は、レーザ媒質に利得を与えるための複数の励起光を出射する励起光源と、
　前記励起光を透過し基本波長のレーザ光を反射するための端部を前記励起光源側に有し、前記励起光源から出射された前記複数の励起光を用いて光増幅をし、基本波長が互いに異なる複数のレーザ光を出射するレーザ媒質と、
　前記レーザ媒質から出射された前記複数のレーザ光の各々の進行方向を波長及び入射方向に応じて変更させ、前記複数のレーザ光を同一軸上に重なり合った状態で出射する分散素子と、
　周期的に形成された分極反転領域及び非分極反転領域を有し、前記分散素子から出射され前記同一軸上で重なり合った状態の前記複数のレーザ光に対し前記分極反転領域及び非分極反転領域において波長変換をし、前記波長変換により得られた複数のレーザ光を同一軸上に重なり合った状態で出射する、波長変換素子と、
　前記レーザ媒質の前記励起光源側の前記端部とともに前記基本波長が互いに異なる複数のレーザ光に対する共振器を構成し、前記波長変換素子から出射された前記波長変換により得られた複数のレーザ光を透過するとともに、前記基本波長が互いに異なる複数のレーザ光を反射するミラーと、を備えるようにしている。
　本発明の多波長レーザ装置によれば、同一軸上に重なり合う複数の波長変換後の光が簡便な構成で得られ、且つ重ね合わせられる光に対する制限が緩和可能な、多波長レーザ装置を提供することができる。
本発明の実施の形態１における、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。 本発明の実施の形態１における、回折格子の動作原理を示す図である。 本発明の実施の形態１における、波長変換素子の概略構成と動作の例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１における、波長変換素子の内部構造の例を示す図である。 本発明の実施の形態２における、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。 本発明の実施の形態３における、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。 本発明の実施の形態４における、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。 本発明の実施の形態５における、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。 従来技術を適用した場合の、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。
　以下に、本発明の各実施の形態について図を用いて説明する。
　なお、以下の各実施の形態の図においては、同一または同様なものについては、同一または同様の番号を付け、各実施の形態の説明においてその説明を一部省略する場合がある。
　また、図の各要素は、本発明を説明するために便宜的に分割したものであり、その実装形態は図の構成、分割、名称等に限定されない。また、分割の仕方自体も図に示した分割に限定されない。
実施の形態１.
　以下に、本発明の各実施の形態１について図１ないし図５を用いて説明する。
　図１は、本発明の実施の形態１における、多波長レーザ装置の概略構成を示す図である。
　図において、１０（１０ａ、・・・、１０ｎ）はレーザ光源、２０（２０ａ、・・・、２０ｎ）は基本波レーザ光、３０は分散素子、４０は波長変換素子、５０は波長変換により得られたレーザ光を示す。また、矢印の方向は光の進行方向を示す。
　本実施の形態１は、いわゆる外部型の波長変換方式、すなわちレーザ発振のための共振器構造の外部に波長変換素子が配置される構成、を用いた場合の例となっている。
　なお、以下の説明において、レーザ光源全体を指す場合または個々のレーザ光源を区別しない場合は符号１０を用い、個々のレーザ光源を指す場合または個々のレーザ光源を区別するは符号１０ａないし１０ｎを用いて説明する場合がある。基本波レーザ光２０（２０ａ、・・・、２０ｎ）についても同様にして説明する場合がある。
　また、波長変換により得られるレーザ光５０は、波長変換素子で発生する複数のレーザ光の組合せに依存するため、波長変換により得られる複数のレーザ光の全体を示すものとし、波長変換により得られた個々のレーザ光を区別しない。
　レーザ光源１０は、基本波長が互いに異なる複数のレーザ光、すなわち基本波レーザ光、２０ａないし２０ｎを出射する。
　ここで、個々のレーザ光源１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎは、その内部に、レーザ発振のための共振器構造を有している。また、個々のレーザ光源１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎから出射されるレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎは、対応する基本波長λａ、λｂ、・・・、λｎでレーザ発振しているものとする。
　また、本実施の形態では、個々のレーザ光源１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎは、互いに異なる位置に配置される、または、異なる位置からレーザ光を出射する、場合の例となっている。
　さらに、本実施の形態では、個々のレーザ光源１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎから出射されるレーザ光が直接分散素子３０に入射する場合の例となっている。そのため、個々のレーザ光源１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎの、レーザ光を出射する側の端部の向きは、分散素子３０にレーザ光が入射するように配置されている。
　レーザ光源１０としては、本実施の形態に適用可能なレーザは種類を問わず、例えば（１）半導体レーザ、（２）固体レーザ、が適用可能である。
　例えば半導体レーザの場合には、複数の活性層を有し、複数のレーザ光をアレー状に出射可能な、マルチエミッタ発振を行なっているものを適用することができる。
　また、例えば固体レーザの場合には、（１）バルク型、（２）導波路型、のものを適用することができる。
　分散素子３０は、レーザ光源１０から入射した複数のレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎの各々の進行方向を、波長及び入射方向に応じて変更させる。
　また、分散素子３０は、レーザ光源１０から出射される複数のレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎが、分散素子３０における入射領域が重なる位置及び向きに配置されている。
　また、分散素子３０は、入射した複数のレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎを、同一軸上で重なり合った状態で出射するように配置される。
　本実施の形態１では、分散素子３０として、入射する光の波長に依存して光の進行する方向を変更できる回折格子を用いる場合の例となっている。
　なお、分散素子３０として回折格子を用いる場合は、例えば、特定の次数と波長に対して高い回折効率を有するブレーズド（ｂｌａｚｅｄ）回折格子が望ましい。
　また、後述する回折格子の次数については、低い次数で使用するほど回折効率としては高くなるので、低い次数で使用可能なように形状及び寸法にすることが望ましい。
　なお、レーザ光源１０の向きおよび配置を、基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎが分散素子３０の入射領域が重なるように調整してもよい。
　本実施の形態においては、ブレーズド回折格子を用いた場合を例に説明する。なお、ブレーズド回折格子の詳細については後述する。
　また、分散素子３０は、レーザ光源１０から出射されるレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎが、分散素子３０で反射され、反射された基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎがほぼ同軸上に重ね合わされた状態で波長変換素子４０に入射されるよう、形状、寸法および配置が規定されている。
　波長変換素子４０は、入射する基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎに対し、波長変換を行い、波長変換により得られたレーザ光５０を出射する。
　本実施の形態の動作説明では主に、第２高調波発生及び和周波発生の少なくとも一方を用いた波長変換を行い、波長変換により得られたレーザ光５０を出射する場合を例に説明する。
　なお、以下の説明では、基本波レーザ光２０の数（ｎ）、及び、レーザ光５０として同一軸上に重なり合った状態で出射されるレーザ光の数、に関し、数を特に限定しない汎用的な図を用いて説明をするが、特定の数の組合せ、例えば各々が２、の場合でも適用可能である。
　また、波長変換素子４０の端部の面４１は、分散素子３０で反射されて重なりあった状態のレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎが、入射するように配置されている。
　また、波長変換素子４０の端部の面４１には、基本波長のレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎを透過するとともに、波長変換により得られたレーザ光５０を反射するよう、光学膜が形成されている。
　また、波長変換素子４０の他方の端部の面４２には、波長変換により得られたレーザ光５０を透過するように、光学膜が形成されている。なお、端部の面４２の光学膜は、基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎを反射する光学膜にしても良いし、透過する光学膜にしても良い。
　これらの光学膜４１および４２は、例えば誘電体薄膜を積層することによって形成することができる。
　波長変換素子４０の材料としては、従来及び新規な波長変換用材料を用いることができ、例えば、従来の材料として、ＫＴＰ、ＫＮ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、を用いることができる。
　波長変換素子４０の詳細については後述する。
　次に、分散素子３０として用いたブレーズド回折格子について説明する。
　図２は、ブレーズド回折格子の動作原理を示す図である。
　なお、図１と同様な構成要素および符号については、詳細な説明を省略する。
　図において、７０は回折格子が形成される面に対する法線、α（αａ、αｂ、αｃ）は、回折格子の法線７０を基準とした基本波レーザ光２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の入射角、βは回折格子の法線７０を基準とした基本波レーザ光２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の出射角、ｄは回折格子のピッチ、矢印は光の進行方向を示す。
　なお、図においては、回折格子３０は、その断面を示しており、図の上側の面に格子が形成されている。
　また、図においては、わかりやすくするために、基本波レーザ光２０の数が３の場合を例として示している。ただし、他の数でもよく、図１と同様に基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎがあるものとして考えてよい。
　また、角度をわかりやすくするために、図１と異なり、矢印は細い矢印で示している。
　分散素子３０から出射される光の出射角度は、分散素子３０への光の入射角度、分散素子３０の回折格子のピッチ、入射する光の波長、に依存し、ブレーズド回折格子の場合は以下のグレーティング（ｇｒａｔｉｎｇ）方程式により表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　ここで、αは光の入射角度、βは光の出射角度、λは光の波長、ｍは次数、Ｎは１ｍｍあたりの格子のスリット数（溝本数）を表す。ここで、スリット数（溝本数）Ｎは、開口の間隔（回折格子周期）ｄの逆数として規定される。
　なお、角度αおよびβの値は、回折格子が形成される面に対する法線を基準とし、図において反時計回りを正とする。
　式（１）基づいて、基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、２０ｃの出射角度βが等しくなるように、回折格子３０に入射する３つの基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、２０ｃの入射角度αａ、αｂ、αｃを決定し、複数のレーザ光源１０および回折格子３０を配置させる。
　このようにして、レーザ光源１０から出射された、波長の異なる複数の基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、同じ出射角度βで出射するようにすることができる。
　そして、基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、２０ｃの入射領域が重なるように配置することで、基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、２０ｃが同一軸上に重なり合った状態で回折格子３０から出射するようにできる。
　次に、波長変換素子４０の詳細および動作原理について説明する。
　波長変換素子４０には、同一軸上に重なり合った状態の複数の基本波長のレーザ光が、分散素子３０から入射する。波長変換素子４０は、入射したレーザ光を波長変換して、波長変換により得られた複数のレーザ光５０を端部の面４２から出力する。
　本実施の形態では、波長変換素子４０としてＱＰＭ（Ｑｕａｓｉ-Ｐｈａｓｅ　Ｍａｔｃｈｉｎｇ：擬似位相整合）波長変換素子を用いる場合の例を説明する。
　図３は、ＱＰＭ波長変換素子４０の概略構成と動作の例を示す斜視図である。
　図において、４３は分極反転層、４４、４５は光学膜を示す。
　なお、図１および図２と同様な構成要素については、詳細な説明を省略する。
　図に示すように、波長変換素子４０は、複数の分極反転層４３を有している。
　分極反転層４３は、一定方向に分極した誘電体材料の、分極の方向が反転したものである。
　波長変換素子４０内では、分極反転層４３として、非分極反転領域と分極反転領域が交互に配置されており、分極反転層４３全体として１つの結晶となっている。
　これにより、波長変換素子４０内には、周期的に分極反転層４３が形成される。
　波長変換素子４０には、基本波長が互いに異なる複数の基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎが、同一軸上で重なり合った状態で端部の面４１から入射する。
　なお、この場合、重なり合った状態の基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎの軸線と、波長変換素子４０の光学的な軸または結晶軸とが必ずしも一致している必要はなく、例えば、（１）レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎの波長の組合せ、（２）素子の構造、（３）波長変換方式、に依存して異なってもよい。
　波長変換素子４０に入射した基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎは、交互に配置された非分極反転領域および分極反転領域の中を順番に伝播し、他の端部の面４２まで伝播する。
　図４は、図３に示したＱＰＭ波長変換格子の内部構造の例を示す図である。
　なお、上記各図と同様な構成要素については、詳細な説明を省略する。
　図においては、図３に示した波長変換素子４０を側面からみた場合の、分極反転のパターンを示している。
　なお、図４は、基本波長λａ、・・・、λｎの光のすべての光に対応する波長変換が可能な、汎用的な場合を示している。
　図において、４６（４６ａａ、・・・、４６ｎｎ）は第２高調波発生領域、４７（４７ａｂ、・・・、４７ｎａ）は和周波発生領域、Λ（Λａａ、・・・、Λｎｎ、Λａｂ、・・・、Λｎａ）は各発生領域４６（４６ａａ、・・、４６ｎｎ、４７ａｂ、・・・、４７ｎａ）の周期、プラス（＋）印およびマイナス（－）印は分極の向きを示す。
　また、各領域を示す符号中の添字ａ、ｂ、・・・、ｎは、基本波レーザ光２０の符号２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎの添字ａ、ｂ、・・・、ｎに対応している。したがって、第２高調波発生領域４６の場合は同じ添字が、和周波発生領域４７の場合は異なる添字が符号中に用いられる。
　また、図において、プラス（＋）で示した分極層（非分極反転領域）とマイナス（－）で示した分極層（分極反転領域）からなる１組の分極層が、光軸方向に沿って複数組配設された構成となっている。
　上記の非分極反転領域と分極反転領域の周期Λ（Λａａ、・・、Λｎｎ、Λａｂ、・・、Λｎａ）は、入射する基本波レーザ光２０の波長、および、波長変換により得られるレーザ光５０の波長、に応じて波長変換素子４０を形成する際に決められる。
　第２高調波発生領域４６ａａは、基本波長λａの光が波長λａ／２を有する第２高調波に変換されるよう、結晶軸の角度、動作温度、周期などのパラメータが、波長変換素子４０を形成する際に決められる。
　同様にして、他の第２高調波発生領域４６ｂｂ（、・・・、４６ｎｎ）を形成することで、基本波長λｂ（、・・、λｎ）の光が、波長λｂ／２（、・・・、λｎ／２）を有する第２高調波に変換されるようにすることができる。
　さらに、和周発生領域４７ａｂは、基本波長λａ及びλｂの光が波長λａｂ（＝（λａ・λｂ）／（λａ＋λｂ））を有する和周波光に変換されるよう、結晶軸の角度、動作温度、周期などのパラメータが素子を形成する際に決められる。
　他の和周発生領域についても上記同様であるので、その説明を省略する。
　このように、基本波長λａの光に対して第２高調波を発生させたい場合には、波長λａに対応する周期Λａａの領域、波長λｂの光に対して第２高調波を発生させたい場合には、波長λｂに対応する周期Λｂの領域、・・・、波長λｎの第２高調波を発生させたい場合には、波長λｎに対応する周期Λｎの領域が形成される。
　同様に、波長λａと波長λｂの和周波を発生させる場合には、波長λａと波長λｂとに対応する周期Λａｂの領域、波長λｂと波長λｃの和周波を発生させる場合には、波長λｂと波長λｃに対応する周期Λｂｃの領域、・・・、波長λｎと波長λａの和周波を発生させる場合には、波長λｎと波長λａに対応する周期Λｎａの領域が形成される。
　以上のように構成された波長変換素子（ＱＰＭ波長変換素子）４０に、例えば例えば波長λａの基本波レーザ光２０ａと波長λｂの基本波レーザ光２０ｂが入射する場合を考える。波長λａの基本波レーザ光２０ａが入射すると、波長λａ用の第２高調波発生領域４６ａａにおいて、非線形光学効果によって、波長λａの基本波レーザ光２０ａの一部が、波長λａ／２を有する第２高調波のレーザ光に波長変換される。
　同様に、波長λｂの基本波レーザ光２０ｂが入射すると、その波長に対応する第２高調波発生領域４６ｂｂにおいて、波長λｂの基本波レーザ光２０ｂの一部が第２高調波のレーザ光２０ｂに波長変換される。
　そして、周期Λａａの領域４６ａａおよび周期Λｂｂの領域４６ｂｂにおいて第２高調波のレーザ光に変換されなかった基本波レーザ光２０ａおよび２０ｂ、の一部が、これら両波長に対する和周波発生領域４７ａｂにおいて、非線形光学効果によって、波長λａｂ（＝λａ・λｂ／（λａ＋λｂ））を有する和周波のレーザ光に変換される。
　他の波長の基本波レーザ光が入射する場合についても同様に、対応する第２高調波発生領域を設けておくことで、同様に第２高調波のレーザ光に変換される。また、基本波レーザ光の他の組合せに対して、和周波に変換される領域（周期Λｂｃ、・・・周期Λｎａの領域）４７を設けておくことで、各々の領域において、対応する波長の基本波レーザ光の一部が和周波のレーザ光に変換される。
　端面４２が基本波レーザ光を反射する光学膜が形成されている場合、波長変換素子４０に入射したが波長変換されなかった基本波レーザ光２０は、端面４２で全反射され、再度、波長変換素子４０内を伝播し、その一部が第２高調波および和周波のレーザ光に変換される。
　一方、波長変換により得られた第２高調波および和周波のレーザ光は、端面４２から波長変換素子４０の外部に直接出射されるか、端面４１で全反射してから端面４２から素子の外部に出射される。
　波長変換により得られたレーザ光は、複数のレーザ光が同一軸上に重ね合わされた状態のレーザ光５０となる。
　以上のように、本実施の形態の多波長レーザ装置によれば、同一軸上に重なり合う複数の波長変換後のレーザ光が簡便な構成で得られ、且つ重ね合わせられる光に対する制限が緩和可能な、多波長レーザ装置を提供することができる。
　また、１つの波長変換素子内において複数の波長変換領域を設けているので、各変換領域における、基本波長のレーザ光２０に対する損失を少なくすることができ、波長変換効率の良好な多波長レーザ装置を提供することができる。
　なお、本発明の実施の形態おいては、多波長レーザ装置の構成が図１に示した構成の場合の例を用いて説明したが、図１に示した構成以外の構成であってもよい。
　また、本発明の実施の形態の説明において、同一軸上で重なり合った状態としては、各レーザ光の断面および進行方向が全て一致することが望ましいが、完全に一致する必要はなく、本発明の効果を奏する程度、または、例えば本発明のレーザ装置を利用する表示装置において表示装置に必要な性能を満足する程度、に重なっていればよい。
　また、本実施の形態では、分散素子３０として、反射型の回折格子を用いて説明したが、分散素子３０の形態はこれに限定されるものではない。例えば、後述する分散プリズムを用いてもよい。この場合も、複数のレーザ光源１０から入射されたレーザ光に対して、これらの複数の基本波レーザ光がほぼ同軸上に重なり合った状態で波長変換素子４０に入射させるように、分散素子３０およびレーザ光源１０が配置されていれば、本実施の形態と同様の機能が得られる。
　また、波長変換素子４０の材料として、光損傷に強いＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３を用いるようにしてもよい。
　この場合、波長変換素子４０に入射する基本波レーザ光２０のパワー密度を上げることができるので、より高効率な波長変換が可能となる。
　さらに、波長変換素子４０の材料として、周期反転分極構造を持つＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰを用いるようにしてもよい。この場合、非線形定数が大きいので、ＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３などよりも高効率な波長変換が可能となる。
実施の形態２.
　以下に、本発明の各実施の形態２について図５を用いて説明する。
　なお、上記実施の形態１の図２の構成と同一または同様な要素については、その説明を省略する場合がある。
　図５は、本発明の実施の形態２における、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。
　図において、６０はレンズを示す。
　上記実施の形態１と異なる点は、実施の形態１の図１に示すレーザ装置において、レーザ光源１０と分散素子３０との間に、レンズ６０が追加され、レーザ光源１０のレーザ光出射側をレンズ６０に向けて配置している点である。
　レンズ６０は、レーザ光源１０から入射した、基本波長が互いに異なる複数のレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎを、分散素子３０の同一領域に向けて出射する。
　レーザ光源１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎ、レンズ６０および分散素子３０の配置は、上記実施の形態１と同様に、分散素子３０に入射するレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎの出射角度βが等しくなるように、上記式（１）を満足するよう配置される。
　なお、レーザ光源１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎのレーザ光出射位置と、レンズ６０と、の間の距離は、レンズ６０の焦点距離に相当する距離にすることが望ましい。
　以上のような構成により、レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎは、レンズ６０に入射する位置がそれぞれ異なるので、レンズ２０の偏心によって、分散素子３０にそれぞれ入射する角度が異なる。
　分散素子３０には、レンズ６０により集光されたレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎが、分散素子３０の同一領域で重なり合うように入射する。
　分散素子３０からは、集光されたレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎが、同一軸上に重なり合った状態で、波長変換素子４０に向かって出射される。
　以上のように、本実施の形態の多波長レーザ装置によれば、実施の形態１と同様な効果を奏する。
　なお、本発明の実施の形態の説明において、同一領域で重なり合う状態として、分散素子３０の同一領域で重なり合う領域が全て一致することが望ましいが、完全に一致する必要はなく、本発明の効果を奏する程度、または、例えば本発明のレーザ装置を利用する表示装置において表示装置に必要な性能を満足する程度、に重なっていればよい。
　また、本実施の形態では、1つのレンズ６０を用いているが、図の構成に限定されず、例えば（１）個々のレーザ光源１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎまたはレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎに対しレンズを配置する、（２）一部のレーザ光源またはレーザ光に対して個別のレンズを用いるようにしてもよい。
実施の形態３.
　以下に、本発明の各実施の形態３について図６を用いて説明する。
　なお、上記各実施の形態の図の構成と同一または同様な要素については、その説明を省略する場合がある。
　図６は、本発明の実施の形態３における、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。
　図において、３１は角度調整機構、７０はミラー、８０（８０ａ、８０ｂ、・・・、８０ｎ）は半導体レーザ、９０（９０ａ、９０ｂ、・・・、９０ｎ）は励起光、１００（１００ａ、１００ｂ、・・・、１００ｎ）はレーザ媒質を示す。
　なお、以下の説明において、実施の形態１と同様に、半導体レーザ全体を指す場合または個々のレーザ光源を区別しない場合は符号８０を用い、個々のレーザ光源を指す場合または個々のレーザ光源を区別するは符号８０ａないし８０ｎを用い説明する場合がある。励起光９０についても同様にして説明する場合がある。
　上記実施の形態１との図１と大きく異なる点は、図１のレーザ光源１０を、半導体レーザ８０およびレーザ媒質１００に置き換えて配置している点と、波長変換素子４０のレーザ光５０出力側に、ミラー７０が追加されている点である。
　これにより、実施の形態１および実施の形態２に示す外部型の波長変換方式、すなわち共振器外部に波長変換素子を設置する構成、ではなく、内部型の波長変換方式、すなわち共振器内部に波長変換素子を設置する構成の場合の例となっている。
　半導体レーザ８０は、レーザ媒質１００を励起するための複数の励起光９０を出射する励起光源である。
　すなわち、半導体レーザ８０は、レーザ媒質１００が光増幅のための利得を生じさせるのに必要な、励起光９０を出射する。各励起光９０ａ、９０ｂ、・・・、９０ｎの波長は、各レーザ媒質１００ａ、１００ｂ、・・・、１００ｎ、レーザ媒質から出射されるレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎの波長および出力等に応じて予め決定される。
　また、半導体レーザ８０は、励起光９０を出射する側の端部が、レーザ媒質１００の端部の面１０１と対向するように設けられる。
　半導体レーザ８０は、例えば、化合物半導体材料によって構成されたレーザを用いることができる。
　レーザ媒質１００には、励起光源８０から出射された励起光９０が入射する。また、レーザ媒質１００は、基本波長が互いに異なる複数のレーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎを出射する。
　また、レーザ媒質１００ａは、励起光９０ａを透過し基本波レーザ光２０ａを反射するための端部の面１０１を励起光源側に有する。端部の面１０１は、基本波長のレーザ光２０ａを発振するための共振器構造の一部を構成する。
　同様に、他のレーザ媒質１００ｂ、・・・、１００ｎも、励起光を透過し基本波レーザ光を透過する面１０１を有する。
　レーザ媒質１００の材料としては、従来及び新規なレーザ媒質を用いることができ、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦを用いることができる。
　波長変換素子４０は、端部の面４２が、基本波長の光も透過する特性を有する。
　ミラー７０は、基本波レーザ光２０を反射し、波長変換により得られたレーザ光５０を透過する特性を有する。
　また、ミラー７０は、レーザ媒質の端部の面１０１とともに、基本波長のレーザ光２０を発振するための共振器の一部を構成する。
　次に、レーザ装置の動作について説明する。
　以下では、説明を分かりやすくするため、異なる２つの基本波長λａおよびλｂの基本波レーザ光を用いて波長変換をし、各々の基本波レーザ光の第２高調波、及び両基本波レーザ光の和周波のレーザ光、を発生する場合を例として説明する。但し、レーザ光の数は他の数であってもよく、限定されない。
　なお、レーザ媒質１００ａは、増幅利得がピークとなる波長がλａあり、レーザ媒質１００ｂは増幅利得がピークとなる波長がλｂにあり、それぞれその波長でレーザ発振するとして説明する。
　まず、半導体レーザ８０ａからレーザ媒質１００ａを励起するための励起光９０ａが出射される。
　レーザ媒質１００ａに励起光９０ａが入射することにより、レーザ媒質１００ａ内では電子の反転分布状態が形成され、自然放出光が共振するモードに入り、自然放出光が誘導放出により増幅される。
　この光は、レーザ媒質１００ａの端部の面１０１とミラー７０とで構成される共振器の中を往復する。
　その際、共振器を１周する際の増幅利得が、共振器を１周する際に受ける損失を上回ると、波長λａの光がレーザ発振し、レーザ媒質１００ａから基本波レーザ光２０ａが出射される。
　同様に、半導体レーザ８０ｂ、レーザ媒質１００ｂ、ミラー７０によって、波長λｂの光がレーザ発振し、レーザ媒質１００ｂから基本波レーザ光２０ｂが出射される。
　レーザ媒質１００ａから出射される基本波レーザ光２０ａおよびレーザ媒質１００ｂから出射される基本波レーザ光２０ｂは、波長λａおよびλｂに関し式（１）を満足する入射角度αａ、αｂ（図２参照）で分散素子３０に入射する。
　分散素子３０から出射される基本波レーザ光２０ａおよび２０ｂは、出射角度βが等しくなり、同一軸上に重なり合った状態で出射される。
　波長変換素子４０は、波長λａ及び波長λｂの基本波長の光に対して、波長λａの第２高調波（波長＝λａ／２）、波長λｂの第２高調波（波長＝λｂ／２）、波長λａと波長λｂとの和周波（波長λａｂ＝（λａ・λｂ）／（λａ＋λｂ））が発生するように、周期的な分極反転層が予め形成される（図４参照）。
　波長変換素子４０に波長λａの基本波レーザ光２０ａが入射すると、波長λａ用の第２高調波発生領域（周期Λａａの領域）４６ａａにおいて、波長λａの基本波レーザ光２０ａの一部が、波長λａ／２を有する第２高調波光に波長変換される。
　同様に、波長λｂの基本波レーザ光２０ｂに対して、波長λｂの光が第２高調波に変換される領域（周期Λｂｂ領域）４６ｂｂにおいて、波長λｂ／２のレーザ光に変換される。
　また、和周波発生領域（周期Λａｂの領域）４７ａｂにおいて、波長λａと波長λｂの基本波レーザ光が、波長λａｂ（＝λａ・λｂ／（λａ＋λｂ））を有する和周波光に変換される。
　波長変換素子４０で発生した上記第２高調波および和周波のレーザ光は、波長変換素子４０の端部の面４２およびミラー７０を介して、外部に出射される。
　このとき、波長変換により得られたレーザ光は、複数のレーザ光が同一軸上に重なりあった状態のレーザ光５０となって、波長変換素子４０から出射される。
　このように、同一軸上に重ね合わされた状態で波長λａ及び波長λｂの基本波レーザ光（２０ａ、２０ｂ）が波長変換素子４０に入射し、入射したレーザ光が非分極反転領域内と分極反転領域内とを順番に伝搬することで波長変換され、波長λａ／２、λｂ／２、λａｂの３つのレーザ光が発生する。
　これらの３つのレーザ光は、波長変換素子４０の端面４２を介して、ミラー７０から外部に出射される。
　分散素子３０から入射したが波長変換素子４０内で第２高調波および和周波の光に変換されなかった基本波レーザ光２０ａ、２０ｂは、端面４２を介してミラー７０で反射され、再度波長変換素子４０内に入射し、上記同様に、非分極反転領域および分極反転領域を通過する際に、その一部が第２高調波および和周波の光に変換される。
　この際に発生した第２高調波および和周波の光は、波長変換素子４０の端面４１で反射され、端面４２を介してミラー７０から外部に出射される。
　一方、ミラー７０で反射され再度波長変換素子４０に入射したが波長変換されなかった基本波レーザ光２０ａ、２０ｂは、各々の波長に対応するレーザ媒質１００ａ、１００ｂの端部の面１０１、すなわち共振器の一部、まで伝播し、そこで反射され、上記同様に基本波レーザ光のレーザ発振動作に寄与する。
　以上のように、本実施の形態の多波長レーザ装置によれば、実施の形態1と同様な効果を奏する。
　また、内部型の波長変換方式にすることにより、実施の形態１および実施の形態２で示した基本波の波長変換を共振器外部で行う場合よりも、効率良く波長変換することができる。
　なお、本実施の形態においては、レーザ媒質１００の利得のピーク波長において基本波長でレーザ発振し、且つ、利得のピーク波長において分散素子３０で反射される光の出射角度βが同一になるように、レーザ媒質１００および分散素子３０が構成される場合について説明した。
　上記式（１）を参照すると、本実施の形態におけるレーザ媒質１００の利得帯域が広い場合には、分散素子３０の角度を変えることで式（１）を満足する波長が変化することから、レーザ発振する基本波長を変えることができることがわかる。
　そこで、分散素子３０に複数のレーザ媒質１２から入射されるレーザ光の入射角度を変えて配置する、または、分散素子３０に入射するレーザ光２０の入射角度を調整できるように角度調整機構３１（図６参照。但し、詳細な構成は図示していない。）を備えるようにしてもよい。
　角度調整機構３１を備える場合、分散素子３０への入射角度αが変化するので基本波レーザ光２０ａ、２０ｂの波長は、レーザ媒質１００ａ、１００ｂの利得のピーク波長であるλａ、波長λｂから波長λａ＋Δλａ、波長λｂ＋Δλｂへ変化する。ここで、Δλａ、Δλｂは波長変化量を示す。
　波長変換素子４０において、波長λａ＋Δλａ、波長λｂ＋Δλｂの基本波長の光も波長変換されるように、予め結晶軸角度、温度、反転分極の周期などのパラメータを決定し分極構造を設けておくことで、波長変換により得られるレーザ光の波長を変化させ、同軸上に重なり合った状態で出射するようにできる。
実施の形態４.
　以下に、本発明の各実施の形態４について図７を用いて説明する。
　なお、上記各実施の形態構成と同一または同様な要素については、その説明を省略する場合がある。
　図７は、本発明の実施の形態４における、多波長レーザ装置の概略構成の例を示す図である。
　上記実施の形態３の図６と異なる点は、レーザ媒質１００と分散素子３０との間に、レンズ６０が追加され、レーザ媒質１００の基本波レーザ光を出射する側が、レンズ６０に向けて配置されている点である。
　レンズ６０は、レーザ媒質１００から出射された基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎの進行方向を変化させ、分散素子３０の同一領域に向けて出射する。
　各レーザ媒質１００ａ、１００ｂ、・・・、１００ｎ、レンズ６０および分散素子３０の配置は、上記実施の形態２と同様に、分散素子３０に入射する基本波レーザ光２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎの出射角度βが揃うよう、上記式（１）を満足するように配置される。
　なお、レーザ光源１００ａ、１００ｂ、・・・、１００ｎの基本波レーザ光の出射位置と、レンズ６０と、の間の距離は、レンズ６０の焦点距離に相当する距離にすることが望ましい。
　以上のように、本実施の形態の多波長レーザ装置によれば、実施の形態１と同様の効果を奏する。
　また、実施の形態３と同様に、基本波に対する波長変換を共振器内部で行うことにより、実施の形態１および実施の形態２で示した基本波の波長変換を共振器外部で行う場合よりも、効率良く波長変換することができる。
　また、角度調整機構３１を備えるので、実施の形態３において角度調整機構３１を備える場合と同様に、波長変換後の波長を変化させ、同軸上に重なり合った状態で出射することができる。
実施の形態５.
　以下に、本発明の各実施の形態５について図８を用いて説明する。
　なお、上記実施の形態１の図２の構成と同一または同様な要素については、その説明を省略する場合がある。
　図８は、本発明の実施の形態５における、多波長発生レーザ装置の概略構成の例を示す図である。
　図において、１１０は分散プリズムを示す。
　上記各実施の形態と異なる点は、分散素子３０として、回折格子ではなく、分散プリズム１１０を用いている点である。
　上記実施の形態１の回折格子３０の場合は、入射したレーザ光２０が反射する際に、進行方向が変化させるが、分散プリズム１１０の場合は、透過する際に進行方向が変化させる。
　多波長レーザ装置としての動作は、上記以外は同様である。
　以上のように、実施の形態１と同様な効果を奏する。
　なお、上記実施の形態２および４のように、集光のためのレンズ６０をさらに用いるようにしてもよい。
　また、実施の形態３および４のように、内部共振器型の構成に適用してもよく、本実施の形態に限定されない。
　なお、上記各実施の形態においては、波長変換素子４０として、図４に示すような順番で分極反転領域が形成されている場合について説明したが、図４に示した波長変換領域を全て設ける必要はなく、例えば、同一軸上に重ねあわされた状態で出射させたい波長に対応する波長変換領域のみを形成しておいてもよい。レーザ光源１０、または、半導体レーザ９０およびレーザ媒質１００、についても同様であり、全て設ける必要はない。
　また、レーザ装置の実装として、（１）上記各図に示した構成及び構造を全て有するようにする、（２）波長変換素子４０として図４に示した波長変換領域を全て有するが、レーザ光源１０、または、半導体レーザ９０およびレーザ媒質１００の全ては備えない、など各種実装形態が可能である。
　また、上記各実施の形態においては、波長変換素子４０の第２高調波発生領域４６において、分極反転周期がΛａａの領域、Λｂｂの領域、・・・、Λｎｎの領域を図に示す順番に配置する構造の場合を説明したが、これに限定されない。
　例えば、端部４１から端部４２に向かって分極反転周期が漸増または漸減する、いわゆるチャープ状に変化する構造、を有するようにしてもよい。
　さらに、各領域内において、チャープ状に変化する構造を有するようにしてもよい。
　このように、分極反転の周期構造をチャープ状に変化させることにより、分極反転周期が一様な場合と比べて、位相整合条件の許容度である位相整合帯域幅を広くできる。
　和周波発生領域４７についても同様に、分極反転の周期構造をチャープ状に変化させた構造にしてもよく、同様の効果が得られる。
　また、上記各実施の形態においては、波長変換素子４０が第２高調波および和周波を発生する場合の例を説明したが、これに限定されない。
　例えば、波長変換素子４０内にとして差周波発生用の領域やパラメトリック発振用の領域を設けてもよく、本発明の効果を奏する。
　また、上記各実施の形態においては、分散素子３０から出射された基本波レーザ光２０が、同一軸上に重なり合った状態で波長変換素子４０に入力し、波長変換により得られた複数のレーザ光が同一軸上に重なり合った状態で波長変換素子４０から出射されている。
　しかし、波長変換素子４０への入射と波長変換素子４０からの出射における上記両「同一軸」は必ずしも一致する必要はなく、例えばレーザ装置を実装する際の各種パラメータ、例えば波長変換素子４０に用いるＱＰＭ波長変換阻止の擬似位相整合の条件、によっては異なる軸上で重なり合っていてもよい。
　また、上記各実施の形態で示した多波長レーザ装置の図は、わかりやすく説明するため、詳細な構造を省略した図となっているが、他の機能要素または構成要素、例えば電源手段、制御手段を含んでもよい。
　また、上記各実施の形態における多波長レーザ装置の構成のしかたは一例であり、装置の実装においては、図に示す構成に限定されない。また、等価な機能を実現できればよく各本実施の形態に限定されず、本発明の課題及び効果の範囲で各種変形が可能である。
　１０（１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎ）　レーザ光源、２０（２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎ）　基本波レーザ光、３０　分散素子（回折格子または分散プリズム）、３１　角度調節機構、４０　波長変換素子、４１　波長変換素子の端部（または端部の面）、４２　波長変換素子の端部（または端部の面）、４３　分極反転領域、４４、４５　光学膜（誘電体薄膜）、４６（４６ａａ、・・・、４６ｎｎ）第２高調波発生領域、４７（４７ａｂ、・・・、４７ｎａ）　和周波発生領域、５０　波長変換後の波長のレーザ光、６０　レンズ、７０　ミラー、８０（８０ａ、８０ｂ、・・・、８０ｎ）　半導体レーザ、９０（９０ａ、９０ｂ、・・・、９０ｎ）　励起光、１００（１００ａ、１００ｂ、・・・、１００ｎ）　レーザ媒質、１１０　分散プリズム（分散素子）、α　入射角度、β　出射角度、ｄ　回折格子のピッチ

Claims (7)

  1. 　基本波長が互いに異なる複数のレーザ光を出射するレーザ光源と、
    　前記レーザ光源から出射された前記複数のレーザ光の各々の進行方向を波長及び入射方向に応じて変更させ、前記複数のレーザ光を同一軸上に重なり合った状態で出射する分散素子と、
    　周期的に形成された分極反転領域及び非分極反転領域を有し、前記分散素子から出射され前記同一軸上で重なり合った状態の前記複数のレーザ光に対し前記分極反転領域及び非分極反転領域において波長変換をし、前記波長変換により得られた複数のレーザ光を同一軸上に重なり合った状態で出射する波長変換素子と、
    　を備える多波長レ－ザ装置。
  2. 　レーザ媒質に利得を与えるための複数の励起光を出射する励起光源と、
    　前記励起光を透過し基本波長のレーザ光を反射するための端部を前記励起光源側に有し、前記励起光源から出射された前記複数の励起光を用いて光増幅をし、基本波長が互いに異なる複数のレーザ光を出射するレーザ媒質と、
    　前記レーザ媒質から出射された前記複数のレーザ光の各々の進行方向を波長及び入射方向に応じて変更させ、前記複数のレーザ光を同一軸上に重なり合った状態で出射する分散素子と、
    　周期的に形成された分極反転領域及び非分極反転領域を有し、前記分散素子から出射され前記同一軸上で重なり合った状態の前記複数のレーザ光に対し前記分極反転領域及び非分極反転領域において波長変換をし、前記波長変換により得られた複数のレーザ光を同一軸上に重なり合った状態で出射する、波長変換素子と、
    　前記レーザ媒質の前記励起光源側の前記端部とともに前記基本波長が互いに異なる複数のレーザ光に対する共振器を構成し、前記波長変換素子から出射された前記波長変換により得られた複数のレーザ光を透過するとともに、前記基本波長が互いに異なる複数のレーザ光を反射するミラーと、
    　を備える多波長レ－ザ装置。
  3. 　前記波長変換素子は、
    　前記非分極反転領域及び分極反転領域を複数有し、
    　前記複数の前記非分極反転領域及び分極反転領域における２倍高調波発生及び和周波発生の少なくとも一方を用いた波長変換により、前記分散素子から出射された前記同一軸上で重なり合った状態の複数のレーザ光に対し前記波長変換をし、前記波長変換により得られた複数のレーザ光を同一軸上に重なり合った状態で出射する、
    　請求項１または請求項２に記載の多波長レ－ザ装置。
  4. 　前記レーザ光源と前記分散素子との間に配置され、前記レーザ光源から出射され前記基本波長が互いに異なる複数のレーザ光を、前記分散素子の同一領域に向けて出射する光学レンズ
    　をさらに備える、請求項１に記載の多波長レーザ装置。
  5. 　前記レーザ媒質と前記分散素子との間に配置され、前記レーザ媒質から出射され前記基本波長が互いに異なる複数のレーザ光を、前記分散素子の同一領域に向けて出射する光学レンズ
    　をさらに備える、請求項２に記載の多波長レーザ装置。
  6. 　前記波長変換素子は、
    　前記複数の前記非分極反転領域及び分極反転領域の分極反転周期が、前記基本波長のレーザ光が入射する側の端部から前記波長変換により得られたレーザ光を出射する側の端部に向かって、漸増または漸減する構造を有する、
    　請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の多波長レーザ装置。
  7. 　前記分散素子は、
    　前記基本波長が互いに異なる複数のレーザ光の入射方向を調整できる角度調整機構を有する、
    　請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の多波長レーザ装置。
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