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JP4636315B2 - １次元照明装置及び画像生成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、１次元横マルチモードレーザを用いた１次元照明装置及び画像生成装置において、高出力化や高効率化を図るとともに、画質等を向上させるための技術に関する。
固体レーザは高い出力を必要とする場合に使用され、その励起用光源として半導体レーザを用いる場合に、例えば、複数のエミッタ（放射源）を有するレーザアレイと、光学素子（マイクロレンズアレイ）を組み合わせた形態（例えば、特許文献１参照）、あるいは、ダイオードアレイとコリメート用シリンドリカルレンズを組み合わせた形態（例えば、特許文献２参照）が知られている。
また、非線形光学結晶は波長変換等に用いられ、例えば、第二高調波発生（ＳＨＧ）の場合、近赤外光を入射して緑色光を得ることができる。尚、光導波路型素子では、その光導波路方向に沿って周期分極反転構造を有するデバイスが知られており、ウエハープロセス技術による量産化及び低コスト化が可能である。
レーザ光源及び光変調素子を用いた画像生成装置（プロジェクタやプリンタ等）への適用において、画像の解像度を上げるために、１次元空間変調型構成の画像表示用光変調素子を用いた構成形態が知られている。例えば、画像投射装置への適用において、レーザ光源からの光を変調する光変調素子を設けるとともに、該素子からの光束について光走査しながらスクリーン上に投影することにより、２次元画像を映し出すことができる。
特開２００１−１８５７９２号公報 米国特許第５５２１９３２号明細書
しかしながら、従来の構成にあっては、レーザ光源の出力や効率面等に関して問題がある。
例えば、画像投射装置等への適用において、５Ｗ程度の緑色レーザ装置が必要であるが、高出力かつ高効率のレーザを実際に作製することは難しく、あるいは高価な装置を用いることに起因するコスト上昇等が問題となる。また、１次元光変調素子に照射される線状ビームをスポット状のレーザから形成するには、プロファイル変換用光学系やラインジェネレータ等が必要となり、これが構成の複雑化の原因となる。また、光学的な調整（アライメント）を高い精度で行う必要が生じたり、調整箇所が増えることに起因する安定性への影響等が問題となる。
この他、レーザ光の干渉性が高いことに起因するスペックルノイズの低減対策が、レーザディスプレイ等への適用において必要とされる。
そして、１次元発振のビーム強度に関して不均一性が認められる場合には、照明時に強度ムラが生じる虞がある。従って、固体レーザの構成形態において、レーザ媒質の横励起を行う場合に、横方向の励起光の均一性が問題とされる。
そこで、本発明は、高出力、高効率であって、スペックルノイズ低減に有効な１次元照明装置及び画像生成装置の提供を課題とする。
本発明に係る１次元照明装置は、上記した課題を解決するために、レーザ光源として１次元横マルチモードレーザを用いる構成において、励起用光源を構成し複数のレーザエミッタを一次元的に配列させた並列化光源として機能する半導体レーザと、共振器内のレーザ媒質と、上記半導体レーザと上記レーザ媒質との間に配置されたレンズアレイと、非線形光学結晶又は非線形光学素子を用いて構成される波長変換用素子とを備え、上記レーザ媒質と上記非線形光学結晶若しくは上記非線形光学素子との間に光路折り返し用の複数の反射手段を配置し、上記レーザ媒質に対してレーザ出力軸に直交する側方から励起光を照射し、真円を除く楕円状の横モードパターンで上記レーザ媒質を励起して得られる線状ビームを、上記非線形光学結晶又は上記非線形光学素子に照射することにより線状光を出力する構成としたものである。
また、本発明に係る画像生成装置は、１次元横マルチモードレーザを用いた１次元照明光源と、該光源からの光を変調する光変調手段と、該光変調手段からの出力光を走査する光走査手段を備え、励起用光源を構成し複数のレーザエミッタを一次元的に配列させた並列化光源として機能する半導体レーザと、共振器内のレーザ媒質と、上記半導体レーザと上記レーザ媒質との間に配置されたレンズアレイと、非線形光学結晶又は非線形光学素子を用いて構成される波長変換用素子とを有し、上記レーザ媒質と上記非線形光学結晶若しくは上記非線形光学素子との間に光路折り返し用の複数の反射手段を配置し、上記レーザ媒質に対してレーザ出力軸に直交する側方から励起光を照射する真円を除く楕円状の横モードパターンで上記レーザ媒質を励起して得られる線状ビームを、上記非線形光学結晶又は上記非線形光学素子に照射することにより線状光を出力し、上記光変調手段を構成する１次元光変調素子に照射するように構成したものである。
従って、本発明では、楕円状の横モードパターンを利用して高出力及び高効率での１次元照明を実現することができる。また、横マルチモードでの励起により干渉性が低下することはスペックルノイズの低減にとって有効である。そして、共振器中に非線形光学結晶又は非線形光学素子に配置しているので、該共振器内部に閉じ込められた発振光のパワー密度が高いため高効率での波長変換が可能であり、連続発振が可能となる。
本発明によれば、単一横モードレーザに比して高出力かつ高効率をもって線状ビームを得ることができ、しかも、そのために装置構成が複雑化する等の弊害を伴うことがなく、低コスト化に有利である。そして、１次元光変調素子を用いた画像生成装置への適用において、光学素子等を用いたスペックルノイズの低減対策を積極的に講じる必要がなくなり、構成の簡素化や小型化等を実現することが可能である。
レーザ媒質の横励起を行う励起用光源からの励起光を、集光光学系によって集光する形態では、その焦点位置を、レーザ媒質の入射端面とは反対側の端面又はその近傍に配置することが望ましい。これにより、均一で高効率な一次元線状発振を実現でき、照明ムラの少ない高効率な照明系を実現できる。また、レーザ媒質の入射側に励起光が集中するのを防ぐことができるため、該レーザ媒質で生じる熱レンズ効果や熱複屈折の効果をも低減でき、高出力化や高効率化等に寄与する。
励起用光源として半導体レーザを用いた励起方式に関し、半導体レーザを用いてレーザ媒質に対してレーザ出力軸に直交する側方から励起光を照射する形態（側面励起方式、所謂サイドポンプ）の採用は、高出力化の他、構成の簡単化及び部品点数削減、排熱対策に有効である。
そして、複数のレーザエミッタを一次元的に配列させた並列化光源（レーザアレイ）の使用によって、高出力化を実現することができ、該並列化光源とレーザ媒質との間に配置されるレンズアレイを用いることで、レーザ媒質に関する高効率での励起が可能となる。
また、このような並列化光源を用いてレーザ媒質を直接励起する形態では、部品点数を削減することができ、光学アライメントの不要化により工数削減に寄与する。その結果として低コスト化が図られ、また、品質管理面でも有効である。この場合、レーザ媒質に光閉じ込め手段を設け、励起光の閉じ込めにより効率を高めることが好ましい。
レーザ媒質の製造や加工性の面では、レーザ媒質の断面を矩形状とし（直方体形状等）、その形状設計に応じて所望の横モードパターンが得られるように制御できる。
共振器内に配置される非線形光学素子については、周期分極反転構造を有する光学デバイスを用いる場合に、従来の非線形光学結晶よりも非線形光学定数が大きく、高い変換効率が得られる。また、ウエハープロセス技術による大量生産が可能であり、低コスト化に好適である。特に、気相平衡法処理を施した化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウムを用いる場合には、光損傷に強く長期信頼性に優れた素子が得られ、波長変換効率が高いため、高出力の光を安定に得ることができる。また、レーザ媒質からの線状ビーム長に対して素子の横幅（厚み方向及び光軸方向に直交する方向における幅）を大きくすることにより対応できるので、高出力化対策に有効である。具体的には、抗電場が約１００Ｖ／ｍｍであって、かつ基板厚を０．９ｍｍ以上とし、高調波発生に係る位相整合のために分極反転周期を１０μｍ（マイクロメートル）以下とすれば良い（ビームスポットサイズ１００μｍに対して充分なアパーチャーを確保することができ、ブリュースター研磨の加工性を高めることが可能となる。）。
共振器サイズの小型化には、レーザ媒質と非線形光学結晶又は非線形光学素子との間に光路折り返し用の反射手段を配置する形態が好ましく、これによって、安定した出力光を得ることができる。
そして、非線形光学結晶又は非線形光学素子を用いた第二高調波発生により緑色又は青色の線状ビームを出力する形態において、希土類添加の固体レーザ媒質を赤外共振器内に配置することにより、固体レーザ媒質からの高出力の赤外光に基づいて可視光（線状光）を得ることができる。
また、コヒーレンス長（あるいはコヒーレント長）を短くして、２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下とすることが、干渉ノイズの低減や光学系の小型化等に有効であり、例えば、レーザ媒質として、Ｎｄ：ＹＡＧを用いる場合に、コヒーレンス長を２．２ｍｍ以上、１５ｍｍ以下にすることが好ましい。
非線形光学素子の端面において基本波や高調波の損失を最小に抑えるには、両端面が、基本光の入射角及び出射角に関してほぼブリュースター角をもつように加工することが好ましいとされるが、その際、非線形光学素子から離間した位置に反射鏡を設けた構成形態を採用する。ｄ33位相整合により発生する２方向の高調波光のうち、一方の高調波光が、非線形光学素子から出射されてから反射鏡で反射され、再び該非線形光学素子に入射された後で該素子における反対側の端面から出射される。他方の高調波光については反射鏡と反対側に位置する端面側から出射される。そして、両高調波光の間に角度差をもたせることで両者が重ならないように構成すると、位相制御を不要にすることができる。
１次元横マルチモードレーザを用いた１次元照明光源からの光を、１次元光変調素子によって変調するとともに、光走査によって２次元画像を生成する画像生成装置への適用において、変調素子に係る１次元方向（長軸方向）と横マルチモードの方向を合わせることで、プロファイル変換の必要がなくなり、部品点数や光学調整箇所を削減できる。そして、回折格子型の１次元光変調素子（あるいは１次元空間変調素子）を用いる場合に要求される線状の照明光（つまり、素子の有効長に亘って広がり、かつ該素子の短軸方向（横幅方向）には充分に集光された光）を該素子に対して照射することができ、性能や画質等の向上に有効である。
本発明は、１次元横マルチモードレーザを用いた１次元照明装置及び画像生成装置に関するものであり、例えば、光変調素子を用いた画像表示装置（画像投射装置等）や描画装置、プリンタ等の画像出力装置、各種の加工装置等に適用することができる。
図１及び図２は、本発明に係る基本構成例を示したものである。
図１は、１次元光変調素子に対する１次元照明装置の構成例を示している。
１次元照明装置１を構成するレーザ光源は、１次元横マルチモードレーザであり、励起用光源２と、共振器３内のレーザ媒質４及び波長変換用素子５を備えている。
励起用光源２にはレーザや放電灯等が用いられるが、小型化や寿命等を考慮した場合に半導体レーザの使用が好ましい（全固体レーザ化が可能である。）。
レーザ媒質４には、希土類添加の固体レーザ材料が用いられ、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ4、Ｎｄ：ＧｄＶＯ4、Ｙｂ：ＹＡＧ等が挙げられる。
波長変換用素子５を構成する非線形光学結晶又は非線形光学素子は、例えば、ＳＨＧ、ＴＨＧ（第三高調波発生）等の波長変換に用いられ、あるいは、和周波発生や光パラメトリック発振等に用いられる。使用材料には、ＫＴｉＯＰＯ4、β−ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3や、ＰＰ−ＫＴｉＯＰＯ4、ＰＰ−ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3、ＰＰ−ＭｇＯ：Ｓ−ＬｉＮｂＯ3、ＰＰ−Ｓ−ＬｉＴａＯ3等の非線形光学材料（例えば、電圧印加等による周期分極制御により周期分極反転構造をもつ）が挙げられる。尚、ここで「ＰＰ」は「Periodical Poling」、「Ｓ」は「Stoichiometric」を意味する。
非線形光学結晶又は非線形光学素子を用いた波長変換手段５を共振器中に配置することによって、共振器３の内部に閉じ込められる発振光のパワー密度が高く、高効率での波長変換が可能である。また、非線形光学結晶又は非線形光学素子を共振器３の外部に置くとパルス発振が必要となるが、共振器３の内部に配置する場合には、連続発振が可能である。
励起用光源２の出力する励起光がレーザ媒質４に照射され、楕円状の横モードパターンでレーザ媒質４が励起される。これによって得られる線状ビームは非線形光学結晶又は非線形光学素子に照射され、波長変換された線状光が共振器３から出力される。
ビーム拡大系６は共振器３に後段に配置された光学系であり、１次元光変調素子７の長手方向（長軸方向）に拡がった線状照明光を得るために設けられている。図中の「Ｉ」で示す強度分布（一定範囲が平坦とされかつ裾野部分において強度が急峻に低下する、所謂トップハット形状の分布）をもって１次元光変調素子７への照明が行われる。
１次元光変調素子７は、図示しない駆動回路からの信号を受けて制御され、画像信号に基づいて光を変調する。
本発明の適用において１次元光変調素子の如何は問わないが、例えば、米国シリコン・ライト・マシン（ＳＬＭ）社が開発したグレーティング・ライト・バルブ（Grating Light Valve）素子を用いることができる。この素子は反射型回折格子を用いて構成され、多数の可動リボンが所定間隔をもって配置され、隣り合う可動リボンの間に固定リボンが配置されている。そして、共通電極と可動リボンとの間に駆動電圧を印加することによって可動リボンが移動し、入射光に対する回折格子が構成される。つまり、この状態（所謂ピクセルオン時）では１次回折光が発生し、また、可動リボンを動かさない状態（所謂ピクセルオフ時）では１次回折光が発生しない（入射光に対する正反射のみである。）。特定の回折光を利用する構成により、高い回折効率をもって画像表示等に用いることができる（例えば、高階調の画像表示にはブレーズ型素子が好ましい。）。
上記構成において、例えば、励起用光源２に近赤外レーザを用いて、赤外共振器内にレーザ媒質４及び波長変換用素子５（ＳＨＧ素子）を配置した形態において、第二高調波発生により緑色又は青色の線状ビームを出力して、ビーム拡大系６を経て１次元光変調素子７への照明を行うことができる。
線状ビームを形成するには、例えば、レーザダイオード等によって得られるスポットをラインジェネレータ（レンズ）で線状化にする方法も挙げられるが、それには高い位置精度を必要とする。これに対して、上記のように光励起段階から横長の線状ビームを用いる構成形態を採用することで光学素子を使わなくても済み、部品点数が削減され、光学アライメントが容易になる等の利点が得られる。
尚、図１では、ビーム拡大系６を用いて照射対象（本例では１次元光変調素子７）に線状照明光を照射する構成を例示したが、このような光学系を用いないで線状光を照射対象に直接照射する形態等、用途に応じた各種形態での実施が可能である。
図２は、画像生成装置８の要部（１次元横マルチモードレーザを用いた１次元照明光源を除く。）の構成例を概略的に示しており、プロジェクションシステムへの適用例を示している。
１次元光変調素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂは、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３原色にそれぞれ対応して設けられ、各色照明光を変調する光変調手段を構成している。これらの１次元光変調素子を用いて変調された光は、Ｌプリズム等の合成手段９によって混合された後に、後段の光学系１０、光走査手段１１を経てスクリーンＳＣＮ上に投影される。
光学系１０には、空間フィルターや投影系等が含まれ、１次元光変調素子を用いて変調された光は、例えば、シュリーレンフィルターに通されて１次回折光が選別される。
光走査手段１１は、光変調手段からの出力光を所定方向（図の矢印「ＳＳ」参照）に走査するものであり、回転反射鏡が用いられ、その反射光は前方のスクリーンＳＣＮに向けて照射される。尚、光走査については、ガルバノミラーやポリゴンミラー等を用いた各種形態が挙げられる。
スクリーンＳＣＮに投影される１次元像は、光走査によって２次元像に展開されて映し出される。
尚、本例に限らず、光走査系と投影系との関係を逆にして、光走査手段１１とスクリーンＳＣＮとの間に投影系を配置した形態等、光学要素の変更に関して各種形態での実施が可能である。
次に、１次元照明装置に関する具体的な構成について説明する。
光励起については、例えば、下記に示す形態が挙げられる。
（Ａ）レーザ媒質に対してレーザ出力軸に沿う方向の端部に励起光を照射する形態（所謂エンドポンプ）
（Ｂ）レーザ媒質に対してレーザ出力軸に対して平行な側面部から励起光を照射する形態（所謂サイドポンプ）。
先ず、形態（Ａ）について説明する。
励起用光源として、例えば、発光領域幅の広いブロードエリアＬＤ（レーザダイオード）を用いて楕円状の横モードパターンでの励起を行う形態が挙げられ、この場合に単一又は複数のＬＤが用いられる。また、バーレーザ等の並列化光源とマイクロレンズアレイを用いて光励起を行う形態が挙げられる。
図３及び図４は構成例１２を示したものであり、半導体レーザ（bar laser）、マイクロレンズを使ったコリメートレンズ、集光レンズ等を用いてレーザ媒質（ＹＶＯ等）に励起光を照射する。
図３は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｚ軸に対して直交するｙ軸方向からみた構成を示し、図４は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｙ軸に対して直交するｚ軸方向からみた構成を示しており、ｘ軸が光軸に沿うように設定されている。
励起用光源を構成する並列化光源１３として、半導体レーザが用いられ、図５に示す例（１次元ＬＤアレイ）では、複数のレーザエミッタを一次元的に配列させたアレイ構造を有する。例えば、ＧａＡｌＡｓ（ガリウム・アルミニウム・砒素）の量子井戸構造のレーザダイオードを用いて波長８０８ｎｍ（ナノメートル）、４０Ｗ程度の出力を得ることができ、開口幅「ｗａ」のストライプ状エミッタ１３ａ、１３ａ、…が所定の間隔（図中の「ｄ」参照。）をもってｐｎ接合面に沿う方向に形成されている。各エミッタからほぼ楕円状をした横モードパターンの出力光が得られる。尚、光源部の長手方向のサイズ「Ｄ」は１０ｍｍ程度である。
多数のエミッタを並列化させることで、高出力化を実現でき、また、エミッタについては、発光領域幅が数十乃至数百μｍのブロードエリア構造を用いることが好ましい。
図３及び図４に示すように、半導体レーザアレイを構成する各エミッタの出力光線は、２つのコリメートレンズ１４、１５によって平行光線化される。例えば、独国ＬＩＭＯ社製のレンズユニットを用いることができる。このレンズユニットは、半導体レーザの「Fast Axis」 、「Slow Axis」の各方向の発散をコリメートするシリンドリカルレンズを組み合わせて構成されており、その一方「Fast Axis Collimator」(FAC)が非球面シリンドリカルレンズとされ、他方「Slow Axis Collimator」(SAC)が、レーザアレイのエミッタ配列ピッチ及び発散角に合わせた球面シリンドリカルレンズアレイである。つまり、半導体レーザアレイに近い方のコリメートレンズ１４を「FAC」、他方のコリメートレンズ１５を「SAC」として、コリメートレンズ１４によって図４のｘ−ｙ平面において各エミッタの出力光線が集光されて平行化され、コリメートレンズ１５のマイクロレンズによって図３のｘ−ｚ平面内において各エミッタの出力光線が集光されて平行化される。尚、レーザダイオードの発散角に関して、ｘ−ｙ平面内ではｘ−ｚ平面内に比べて大きな発散角をもつが、各面について別個のシリンドリカルレンズを用いるので、出射ビーム径をそれぞれ独立に制御して所望のビーム形状にすることができる。また、レーザダイオードの発光領域が大きい場合において、非点収差が問題となるときには、その補正用として上記のシリンドリカルレンズを用いることが好ましい。
コリメートレンズ１４、１５を透過した光は後段の集光レンズ１６によって収束され、線状ビームとしてレーザ媒質（ＹＶＯ結晶等）１７の一端に照射される。
レーザ媒質１７の端面（反射面）又はこれに付設したミラー、反射手段（１８、１９、２０）を用いて構成される共振器内には、ＳＨＧ等による波長変換用に非線形光学結晶（又は非線形光学素子）２１が設けられている。
レーザ媒質１７と非線形光学結晶２１との間の光路上に配置されたミラー１８（平面鏡）、１９（凹面鏡）は、光路折り返し用の反射手段として設けられたものである。本例ではレーザ媒質１７の出力光がｘ軸方向に沿ってミラー１８に到達し、該ミラーにて反射された光がミラー１９に向かうように光路変更を受ける。そして、ミラー１９の反射光が非線形光学結晶２１を透過してミラー２０に到達して反射される。
上記した反射手段（１８、１９）を用いた光路折り返しにより、直線的な光路設定に較べて装置サイズを小さくすることができる。
非線形光学結晶を用いたＳＨＧ素子の場合、ミラー１８、１９、２０は、レーザ媒質１７の出力光（基本波）波長に対して高反射率とされ、第二高調波の波長に対して高透過率とされる。そして、ミラー１９、２０から有効出力や後方出力（フォトダイオード等の光検出手段を用いてモニタリングされ、図示しない制御回路によって励起用光源の出力制御が行われる。）に係る光がそれぞれｘ軸に沿って反対方向に出射される。また、レーザ媒質１７の端面又は付設のミラーについては、レーザ媒質１７の出力光（基本波）波長に対して高反射率とされ、入射光波長（励起光波長）に対して高透過率とされる。
光路折り返し用のミラー１８、１９において第二高調波（ＳＨＧ光）に対する反射率を最小とすることで迷光を低減できる。
以上のように、レーザダイオードを用いた励起光によって高効率が得られる（これは励起光波長と固体レーザ結晶の吸収線波長との一致に依る）。また、エンドポンプの採用は高効率化に有効である（レーザ発振光と励起光との空間的一致に依る。）。
そして、複数のレーザエミッタを一次元的に配列させた並列化光源を用いる場合には、該並列化光源とレーザ媒質との間に配置されるレンズアレイを用いて、各レンズの光軸を各エミッタに対して空間的に一致させることにより高効率での励起が可能となる（特に、１次元横マルチモードの場合、レーザ発振光に対してレーザダイオードのビームパターンの形状が一致するため高効率化に有効である。）。
次に、上記形態（Ｂ）について説明する。
サイドポンプの採用は、構成の簡素化によって部品点数の削減やコスト低減に有効であり、光学的な調整箇所が少ない等の利点が得られ、例えば、下記に示す構成形態が挙げられる。
（Ｂ−１）並列化光源及び２つのコリメートレンズを用いる形態（図６、図７参照）
（Ｂ−２）並列化光源及び１つの光学系を用いる形態（図８乃至図１４参照）
（Ｂ−２−１）光学系にコリメートレンズを用いる形態（図８、図９、図１３参照）
（Ｂ−２−２）光学系として集光光学系を用いる形態（図１０、図１１、図１４参照）
（Ｂ−３）並列化光源による励起光をレーザ媒質に直接照射する形態（図１５、図１６参照）。
図６及び図７に示す構成例２２では、半導体レーザ（bar laser）、２つのコリメートレンズを用いてレーザ媒質（Ｎｄ：ＹＡＧ等）に励起光を照射する。
尚、図６は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｚ軸に対して直交するｙ軸方向からみた構成を示し、図７は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｙ軸に対して直交するｚ軸方向からみた構成を示しており（共振器についてはレーザ媒質だけを示す。）、ｚ軸が共振器光軸に沿うように設定されている。
励起用光源を構成する上記並列化光源１３と、コリメートレンズ１４、１５を用いる点において、図３及び図４の構成例と同様であるが、下記の点で相違する。
・レーザ媒質１７の出力軸がｚ軸方向（長軸方向）に設定されており、並列化光源１３からの励起光がコリメートレンズ１４、１５によって平行化されてｘ軸方向からレーザ媒質１７に対して照射されること
・ｚ軸上に配置されるミラー１８及び２３がレーザ媒質１７を挟んで互いに反対側に位置されていること。
本例では、スラブ状結晶のレーザ媒質１７において、その長手方向（長軸方向）がレーザ発振方向とされ、並列化光源１３の出射光がコリメートレンズ１４、１５を透過して、レーザ媒質１７の側面（ｘ軸に直交する一方の側面）１７ａに照射される。つまり、並列化光源１３を構成するＬＤの各エミッタからの出力光は、コリメートレンズ１４によって図７のｘ−ｙ平面において集光され、コリメートレンズ１５のマイクロレンズによって図６のｘ−ｚ平面内において集光される。そして、コリメートされた平行光線がレーザ媒質１７の側面１７ａに垂直入射する。
尚、固体レーザ媒質として、例えば、ネオジウムイオンをイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ3Ａl5Ｏ12）をドープしたＮｄ：ＹＡＧを用いる場合の形状については、図１７に示す板状のものが挙げられる。本例では、固体レーザ媒質１７Ａの長軸方向（発振方向）における端面について、その法線が長軸方向を向いた形態（端面が長軸方向に対して直交する。）とされる。また、図１８に示す例では、固体レーザ媒質１７Ｂの長軸方向における端面が長軸に直交する平面に対して角度「θ」をもって傾いた形態とされ、発振光に関してブリュースター角をもつように加工されている。
これらの固体レーザのサイズについては、例えば、厚み「Ｔ」が１ｍｍ以下、長軸方向の長さ「Ｌ」が１０〜２０ｍｍ程度、横幅「Ｗ」が４〜６ｍｍ程度である。
レーザ媒質がほぼ直方体状をしている場合には加工が容易であり、また、直交する３軸方向の長さを形状パラメータとした矩形の形状設計により、横モードパターンの形状を制御することができる。尚、本発明の適用において、レーザ媒質の断面が矩形状とされるものだけに限定されないので、円形、楕円形等の断面形状を有するレーザ媒質の使用が可能であることは勿論である。
図６に示す反射手段（１８、１９、２０、２３）を用いて構成される共振器内には、ＳＨＧ等による波長変換用に非線形光学結晶（又は非線形光学素子）２１が設けられており、レーザ媒質１７の長軸方向（ｚ軸方向）における両端面からそれぞれ出射されるレーザ発振光の一方がミラー２３に到達して反対方向に反射され、他方の発振光がミラー１８に向けて出力される。
ｚ軸方向に沿ってミラー１８に到達した光は該ミラーで反射され、ミラー１９に向かうように光路変更を受ける。そして、ミラー１９の反射光が非線形光学結晶２１を透過してミラー２０に到達して反射される。
非線形光学結晶を用いたＳＨＧ素子の場合、ミラー１８、１９、２０は、レーザ媒質１７の出力光（基本波）波長に対して高反射率とされ、第二高調波の波長に対して高透過率とされる。そして、ミラー１９、２０から有効出力や後方出力（モニタ光として励起用光源の出力制御に利用される。）に係る光がそれぞれ反対方向に出射される。また、ミラー２３については、レーザ媒質１７の出力光（基本波）波長に対して高反射率とされる。
図８及び図９に示す構成例２４では、半導体レーザ（bar laser）と１つのコリメートレンズを用いてレーザ媒質に励起光を照射するが、上記構成例２２とは下記の点で相違する。
・並列化光源１３からの出射光が、コリメートレンズ１４を透過してレーザ媒質１７に照射されること。
図８は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｚ軸に対して直交するｙ軸方向からみた構成を示し、図９は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｙ軸に対して直交するｚ軸方向からみた構成を示しており（共振器についてはレーザ媒質だけを示す。）、ｚ軸が共振器光軸に沿うように設定されている。
本例では、コリメートレンズ１５を使わないため、ｘ−ｙ平面内においてのみコリメーションが行われる。
尚、共振器構成等については上記構成例２２の場合と同様である。
図１０及び図１１に示す構成例２４Ａでは、半導体レーザ（bar laser）と１つの集光光学系を用いてレーザ媒質に励起光を照射する点において、上記構成例２２と相違する。即ち、並列化光源１３からの出射光が、集光光学系１４Ａを介して集光された上でレーザ媒質１７に照射される。
図１０は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｚ軸に対して直交するｙ軸方向からみた構成を示し、図１１は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｙ軸に対して直交するｚ軸方向からみた構成を示しており（共振器についてはレーザ媒質だけを示す。）、ｚ軸が共振器光軸に沿うように設定されている。
本例では、集光光学系１４Ａが１つの集光レンズを用いて構成され、該集光レンズの作用により、ｘ−ｙ平面内において励起光が集光される。この集光レンズには、例えば、シリンダーレンズ（あるいはシリンドリカルレンズ）を用いることができ、その焦点距離は約1mmであって、開口数NAが0.5を超えるレンズとされる。このとき、シリンダーレンズでおよそ1mmのビーム幅となる。ここで、集光レンズとレーザ媒質１７（Nd：YAG等）との距離をおよそ10mmに配置し、図１１に点「Ｆ」で示すように、レーザ媒質１７のｘ軸方向における励起光出射端面、即ち、励起光入射端とは反対側に位置する端面で焦点を結ぶように配置すると、レーザ媒質への励起光入射端でおよそ250μｍ、 励起光出射端でおよそ50μｍのビーム幅に規定することができる。このビーム幅は、丁度レーザ媒質のy方向ビーム幅250μｍと一致する。
図１２は、レーザ媒質内での励起分布について例示したものであり、横軸にｘ軸方向の位置（励起光入射端位置を「０」とし、励起光入射端とは反対側の端位置を「０．５」とする任意単位で示す。）をとり、縦軸に光量（任意単位で示す。）をとって、ｘ−ｙ面内での吸収分布を例示している。尚、（Ａ）図は上記形態（Ｂ−２−１）、即ち、コリメートを行う場合を示し、（Ｂ）図は、上記形態（Ｂ−２−２）、即ち、集光系の場合を示している。
形態（Ｂ−２−１）において、例えば、コリメートにより、250μｍのビーム幅を得るためには、焦点距離250μｍという、実用的には調整困難な短い焦点距離のレンズが必要となり、問題がある。さらには、レーザ媒質１７として、例えば、1at%Nd添加のNd：YAG結晶を使う場合、吸収係数（α）は、808nmの励起光に対して「α=5cm -1」とされ、その吸収分布は、指数関数を用いて、「exp(−α・ｘ)」で与えられる。
5mm幅のNd：YAG結晶に対しては、図１２の（Ａ）図に示すように、吸収分布に関して横軸方向における不均一性が大きくなる。つまり、本例では、入射端とその反対側の端との間で、およそ「１０：１」と大きな差が生じている。このため、励起密度の不均一性に伴う発振効率の劣化や発振分布の不均一性が問題とされ、また、励起による熱歪みが入射端に集中するといった問題への解決策が必要とされる。
そこで、上記形態（Ｂ−２−２）において、レーザ媒質１７の横励起を行う励起用光源からの励起光を、集光光学系１４Ａによって集光するとともに、その焦点位置を、レーザ媒質の励起光入射端面とは反対側の端面又はその近傍に配置することが望ましい。
例えば、シリンダーレンズを用いて、およそ1mmのビーム幅として、該レンズとレーザ媒質１７の距離をおよそ10mmに配置し、図１１に示したように、レーザ媒質の側面への励起光入射端とは反対側の端面上に焦点を結ぶように配置すると、励起光入射端でおよそ250μｍ、励起光出射端でおよそ50μｍのビーム幅とすることができるから、吸収係数「α=5cm -1」で、5mm幅のNd：:YAG結晶の場合に、吸収分布に関して、図１２の（Ｂ）図に示すように、不均一性を大幅に改善することができる。つまり、本例では、レーザ媒質の入射端とその反対側の端での吸収分布において、およそ両者の比がほぼ「２：１」である。
つまり、集光光学系の焦点位置を、レーザ媒質において、その励起光入射端面とは反対側に配置すると、入射端では吸収分布は高くなるがスポットサイズは相対的に大きくなる。また、励起光入射端とは反対側の端面に近づくにつれて吸収分布は低くなるがスポットサイズは相対的に小さくなる。従って、励起光の光密度を横方向において均一にすることができる。本形態によれば、一次元の線状発振において均一で、かつ高効率な励起を実現することができ、線状ビームを、非線形光学結晶や非線形光学素子に照射することにより均一で良好な線状光を出力することができる。
レーザ媒質にNd：YAG等を用いる構成においては、その横幅を3mm以上とし（あまり狭くすると吸収効率が悪化するため）、集光レンズの焦点距離を約1mm（好ましくは０．９ｍｍ以上）とし、レーザ媒質の励起光出射端での集光スポットのサイズを、励起光入射端でのサイズに対して２分の１以下とすること（例えば、およそ100μｍ）が好ましく、励起光密度の均一性に関して、入射端とその反対側の端での相対比で、3対１程度、さらには上記のように２対１程度にすることが望ましい。
尚、レーザ媒質側面の励起光出射端にミラーや反射膜等を設ける形態も挙げられるが、レーザダイオード（励起光源）への戻り光の問題や、レーザ媒質の寄生発振を誘発する虞が生じること等を考慮すると、上記のように励起光出射端にミラー等を設けない構成が好ましい。
図１３及び図１４は、上記（Ｂ−２）について具体的構成を例示した図である。
図１３に示す（Ｂ−２−１）の構成例２４Ｂにおいて、並列化光源１３の出力するレーザ光は、コリメートレンズ１４を透過した後、反射鏡（赤外反射鏡）「ＲＦ」にて反射された上でレーザ媒質１７（Ｎｄ：ＹＡＧ）に側面から照射される。
共振器は、ミラー（平面鏡）２３、凹面鏡１８Ａ、ミラー（平面鏡）１９Ａを用いて構成され、８０ｍｍの間隔をもって配置されたミラー２３、凹面鏡１８Ａの間の光路上にレーザ媒質１７が配置されている。また、凹面鏡１８Ａとミラー１９Ａとの間の光路上には、非線形光学素子（例えば、後述のＰＰＳＬＴ）２１が所定の距離（２６ｍｍ）をもって配置されている。尚、ミラー２３、凹面鏡１８Ａは、基本波に対して高反射率とされ、ミラー１９Ａは基本波及び高調波に対して高反射率とされる。
レーザ媒質１７の出力する基本波は、曲率半径５０ｍｍの凹面鏡１８Ａに入射角１０°で入射し、その反射光が非線形光学素子２１を透過してミラー１９Ａで反射される。
非線形光学素子２１で発生する高調波は、凹面鏡１８Ａを透過し、該凹面鏡から所定の距離（５．１ｍｍ）をもって位置されたコリメートレンズ（ｆ３０ｍｍ）「ＣＬ」によって平行化されて出力される。
図１４に示す構成例２４Ｃは（Ｂ−２−２）の適用例を示し、並列化光源１３の出力するレーザ光は、集光レンズ１４Ａを透過してレーザ媒質１７（Ｎｄ：ＹＡＧ）に側面から照射される。つまり、並列化光源１３からの励起光をシリンダー集光レンズで集光し、その焦点位置を、図１１と同様に、レーザ媒質１７の入射端面とは反対側の端面上に設定している。
尚、共振器の構成は図１３と同様である。
図１５及び図１６に示す上記（Ｂ−３）の構成例２５では、半導体レーザ（bar laser）だけを用い、該レーザにレーザ媒質を近接させてコリメートレンズや集光レンズを使わずに励起光を照射する。
図１５は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｚ軸に対して直交するｙ軸方向からみた構成を示し、図１６は、紙面に設定される直交座標系のｘ軸及びｙ軸に対して直交するｚ軸方向からみた構成を示しており（共振器についてはレーザ媒質だけを示す。）、ｚ軸が共振器光軸に沿うように設定されている。
本例では、並列化光源１３を用いてレーザ媒質１７を直接励起するため、両者間にレンズ素子が一切不要であり、部品点数を削減できる。また、その光学アライメントが必要ないので作製工数の削減に有効である。
但し、並列化光源１３からレーザ媒質１７への照射光について、ｘ−ｙ平面内で比較的大きな発散角をもってレーザ媒質１７に入射される場合に、この光がレーザ媒質１７を透過して外部に漏れてしまうと効率低下の原因となる。
そこで、レーザ媒質１７に対して光閉じ込め手段を設けることが好ましく、例えば、該手段として下記に示す構成形態が挙げられる。
・全反射利用を利用する形態
・反射膜を形成する形態
・反射部材等を付設する形態。
例えば、レーザ媒質１７への入射光が、その内部で全反射されるように角度設定や研磨等を行う形態では、反射部材等の付加的な手段が不要である。また、レーザ媒質１７の外表面（ｚ軸に直交する端面を除く。）に反射膜を形成したり、反射部材を設ける形態では、レーザ媒質の内部に入射された光を、反射膜や反射部材での反射によって効率良く閉じ込めることができる。
図１６の丸枠の部分を拡大して右上に示す例では、レーザ媒質１７に対して反射手段（金属膜や金属製ミラー等）２６を用いた励起光の閉じ込めによって、高効率での光吸収が実現され、レーザ効率を向上させることができる。尚、共振器構成等については上記構成例２２の場合と同様である。
上記した（Ｂ−１）、（Ｂ−２）、（Ｂ−３）の順にコリメートレンズ等が１つずつ減り、これに従って構成が簡単になるが、（Ｂ−３）では、光閉じ込め手段が必要とされる。
以上のように、形態（Ｂ）によれば、簡易な構成であり、また、ＬＤアレイを使用できるので、高出力化に適する。そして、励起光を分散できるため、排熱（レーザ媒質の放熱対策）が形態（Ａ）よりも容易であり、安定性の向上や長寿命化等に有利である。さらには、１次元マルチモード発振の場合、励起法の工夫によってエンドポンプ並みの効率を得ることが可能である。
上記（Ｂ−１）のように、レンズアレイによるコリメートを行う形態では、平行光での励起により、高効率のサイドポンプを実現することが可能である。発振モードサイズと励起光のサイズを一致させれば、１次元横モード発振においてエンドポンプの場合と同様の高効率発振が可能となる。
また、上記（Ｂ−２）では、例えば、ロッドレンズ（コリメータ）だけを用いて、ｘ−ｙ平面内でのコリメーション（ジャンクション垂直方向のコリメーション）を行い、縦方向（ｚ軸方向）において発振モードサイズと励起光のサイズを一致させることができる。
上記（Ｂ−３）では、レンズを使わないので、部品点数やコストの削減等に有効である。
図１９は、形態（Ｂ−３）に係る構成例２７を概略的に示した斜視図である。
図中に設定した３次元直交座標系については、直方体状をしたレーザ媒質１７のレーザ出力軸方向に延びる軸をｚ軸とし、該レーザ媒質１７の側面部への励起光の照射方向に沿う軸をｘ軸に選定し、ｚ軸及びｘ軸に直交する軸をｙ軸に設定している。
レーザダイオードアレイを用いた光源２８からの側方照射光によって共振器２９内のレーザ媒質１７（Ｎｄ：ＹＡＧ、ＹＶＯ等）の光励起が行われ、レーザ発振光が反射手段３０（平面鏡３０ａと凹面鏡３０ｂ）によって折り返されて線状ビームが非線形光学素子３１に照射される。
本例では、光伝播方向において、レーザ媒質１７や非線形光学素子３１の一端面が反射面とされ、共振器２９を構成する部品は４点である。
線状ビームが非線形光学素子３１を透過することにより、波長変換された線状出力光が得られる。該非線形光学素子３１には、例えば、周期分極反転構造を有する光学デバイスの使用が好ましい。従来の非線形光学結晶に比べて非線形光学定数が大きく、高い変換効率が得られるとともに、ウエハープロセス技術による大量生産が可能であるため、低コスト化に有利である。周期分極反転構造を有する非線形光学デバイス（ＳＨＧ素子等）への適用において、周期分極反転材料として、気相平衡法処理（ＶＴＥ：Vapor Transport Equilibration）された化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）を用いる場合には、光損傷に強く、長期信頼性に優れており、変換効率が高いデバイスが得られるので、数ワット以上の高出力光（ＳＨＧ光等）を安定に得ることができる。また、その横マルチモード方向と、スラブレーザの横マルチモード方向を一致させることで、横方向にパワースケーリングが可能である（１０Ｗを越すパワーが得られる可能性がある。）。
強誘電体材料を用いて気相平衡法処理される基板を加工して作製される光学デバイスについて、以下では、化学量論組成周期分極タンタル酸リチウム（ＬｉＴａ０3）を例にして説明する。
図２０は、製造プロセスの概要を説明するための模式図であり、例えば、下記に示す工程を経て光学デバイスが作製される。
（１）ウエハー投入
（２）ＶＴＥ
（３）単分域化
（４）パターニング（電極形成等）
（５）周期分極反転（電圧印加による分極反転処理）
（６）切断・研磨・コート。
先ず、基板(結晶基板)３２を装置に投入して設定作業を行う。例えば、図２０（Ａ）において、約１０２ｍｍ（４インチ）のフルウエハーが用いられる。
ＶＴＥ工程では、例えば、原料粉末が充填された白金皿等をアルミナ容器に入れて、原料粉末上に基板を配置した後、原料粉末及び基板の周囲を白金るつぼで覆った状態とし、それらをアルミナ容器内に収容して、高温で所定時間加熱する。
そして、ＶＴＥによる高温処理を経た基板３２を取り出した後、所定温度で所定の電圧を印加することで単分域化し、図２０（Ｂ）に示すように、リソグラフィーによるパターンニング工程で所定周期（数μｍ程度）の電極（アルミニウム電極等）を形成する。周期分極反転構造では、例えば、強誘電体の基板において分極周期パターンに一致する櫛状電極や格子状電極等を形成し、図２０（Ｃ）に示すように、対をなす電極間（表裏面の電極対等）に数百ボルトの外部直流電圧を印加する。これによって、図２０（Ｄ）に概念的に示すように、所要の分極反転周期をもったドメイン構造が実現される。
その後、研磨等の処理工程を経て基板上に形成された個々の素子部分が分離され、図２０（Ｅ）に示すような光学デバイス３３が完成する（例えば、光線伝播方向の長さが数ｍｍ程度のＳＨＧ素子等。）。
周期分極反転材料を用いた基板厚は０．５乃至１ｍｍ程度とされ、厚い基板ではＶＴＥの処理時間が長くなる等の問題が生じるため、厚みには一定の限界があるが、基板幅（光線伝播方向及び厚み方向に直交する方向の幅。図２０（Ｅ）の「ｗｄ」参照）に限界はなく、横幅を充分に大きくすることが可能である。このことは、図１９の共振器において、レーザ媒質１７から出力される線状ビームに対して、ｘ軸方向に充分な幅をもった非線形光学素子を配置できることを意味する。つまり、結晶光密度（単位面積当たりの光出力）の限界に対しては、基板の横幅を大きくすることができるので、幅方向へのビーム拡大に関して容易に対応することができ、高出力化に好適である（固体レーザ結晶に係る１次元横マルチモード方向に対して、光学デバイスの基板厚に一定の限界が課せられる場合には、基板の幅方向を拡げることが有効である。）。
このような非線形光学素子を用いたＳＨＧによって緑色又は青色の線状ビームを出力する場合には、図１９において、希土類添加の固体レーザ媒質（１７）を赤外共振器（２９）内に配置する。固体レーザ媒質による高出力の赤外出力光が赤外共振器中の非線形光学素子（３１）に照射され、ＳＨＧにより可視光が得られる。例えば、希土類の発振波長により、光色（緑や青）のもととなる発振光を得ることができ、赤外波長１０６４ｎｍ、９１４ｎｍの場合、ＳＨＧ光の波長は、それぞれ５３２ｎｍ、４５７ｎｍである。
非線形光学素子を含めた固体レーザ共振器の構成としては、下記に示す形態が挙げられる。
（Ｉ）非線形光学素子の一端面に反射面を形成した形態
（ＩＩ）非線形光学素子から所定の距離をおいて反射鏡を配置した形態。
図２１は、形態（Ｉ）に係る共振器の設計例（側面励起方式）を示す側面図であり、レーザ媒質１７としてＮｄ：ＹＡＧ（長さ１５ｍｍ）を用い、非線形光学素子３１としてＰＰＳＬＴ（長さ２乃至４ｍｍ）を用いることによって、基本波（１０６４ｎｍ）からＳＨＧ光（５３２ｎｍ）を出力する。
Ｎｄ：ＹＡＧの端面１７ｂ、１７ｒのうち、その一方１７ｂは、基本波に関してブリュースター角（６１．２°）をもつように加工された傾斜面とされ、また、他方１７ｒはＨＲコートによる反射面であり、基本波に関して高反射率とされる。
Ｎｄ：ＹＡＧからの出射光は、６０ｍｍの光路長をもって反射手段３０（曲率半径５０ｍｍの凹面鏡）に到達して反射された後（反射角度１０°）、２５ｍｍの光路長をもってＰＰＳＬＴに入射される。
ＰＰＳＬＴの端面３１ｂ、３１ｒのうち、その一方３１ｂは、基本波及び第二高調波に関してほぼブリュースター角（６４．９°）をもつように加工された傾斜面とされ、また、他方３１ｒはＨＲコートによる反射面であり、基本波及び高調波に対して高反射率とされる。ＰＰＳＬＴによる高調波は、反射手段３０（出力ミラー）を透過して出力され、図示しないコリメートレンズで集光される。
周期分極反転材料を用いて形成されるＳＨＧ素子においては、非線形光学定数ｄ33（「3」はｚ軸方向を示す。）の位相整合時に効率良くＳＨＧ光が得られる。
このとき、入射基本波光とＳＨＧ光の偏光方向については、いずれも結晶軸のｚ方向(ウエハー垂直方向）となる。
同一偏光の場合、結晶端面においてブリュースター角をもつように研磨すれば、入射基本波光、ＳＨＧ光ともに損失無く光をとり出すことができ、ＡＲコート無しで済むという利点が得られる。しかしながら、ｚ方向(ウエハー垂直方向）へのブリュースター加工はバルク位相整合の場合、従来の厚みの薄いウエハー（１ｍｍ以下）においてはウエハー厚み方向で約６５°(ＰＰＳＬＴの場合）加工が必要であり、実用上有効なアパーチャーをとることが困難であった。
ＣＬＴ（コングルエント組成タンタル酸リチウム）やＣＬＮ（コングルエント組成ニオブ酸リチウム）では、分極反転電圧（あるいはポーリング電圧）が高く、ウエハーの厚みが１ｍｍ又はそれ以上となる場合に可視光を発生するバルク分極反転が困難であったが、ＰＰＳＬＴでは、およそ１００Ｖ／ｍｍの抗電場とされるために、１ｍｍ以上での分極反転が可能である。この程度の厚みがあればスポットサイズ１００μｍのビームに対しても十分なアパーチャーを確保することができる。実験によれば、厚み０．９ｍｍ以上のウエハーにおいて良好なブリュースター研磨を行えることが確認されている。このとき、基本波１０６４ｎｍと第二高調波５３２ｎｍではブリュースター角において３．５°の角度ズレを生じるが５３２ｎｍの反射損は０．７％未満と少なく２波長ともに殆ど損失無く取り出すことができる。
次に、上記（ＩＩ）について図２２を用いて説明する。尚、本図は、共振器の要部（非線形光学素子３１と反射鏡３４）だけを示した側面図である。
共振器内に配置された長さ「Ｌ１」の非線形光学素子３１（ＰＰＳＬＴ）は、その端面が、基本光の入射角及び出射角に関してほぼブリュースター角をもつように研磨加工されている（ｑ１＝６４．８°）。
ＰＰＳＬＴでは、図に「SHG1」(右方向) と「SHG2」（左方向）に示す両方向にＳＨＧ出力を生じる。
このとき、各ＳＨＧ出力は、基本発振光波長（１０６４ｎｍ）の半分であって、波長が短いため屈折率が大きく、基本発振光の進行方向に対してズレ角（「ｄｑ」で示す。）が生じる。実際、ＰＰＳＬＴの屈折率は１０６４ｎｍにおいてｎ１＝２．１３３であり、５３２ｎｍにおいてｎ２＝２．１４１であるから、スネルの法則により、ｄｑ＝３．５°のズレを生じる（尚、このときの反射損失は０．７％未満と少ない。）。
反射鏡３４は、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍの２波長についてほぼ１００％反射する高反射ミラーである。
「SHG1」に示す出力光は、「−ｄｑ」の角度ズレをもって反射鏡３４で反射されるが、この「−ｄｑ」の角度は、ＰＰＳＬＴを再度透過しても保存されるため、「−ｄｑ」の角度をもって図の左方向に進む。一方、SHG2に示す出力光については、「＋ｄｑ」の角度ズレを生じる。
結局、「＋ｄｑ」、「−ｄｑ」の各方向に、「２・ｄｑ」の角度差をもって各ビームが重ならずに発生することになる。両ビーム間で干渉が生じることがなく、反射鏡や結晶による位相差の影響を受けない安定なＳＨＧ出力が得られる。
このように、ｄ33位相整合により発生する２方向の高調波光のうち、SHG1に示す高調波光が、非線形光学素子３１から出射されて反射鏡３４で反射されるとともに、再び非線形光学素子３１に入射された後で該素子における反対側の端面から出射される。他方、SHG2に示す高調波光については、反射鏡３４とは反対側に位置する端面から出射される。両高調波光の間に角度差をもたせることで両者が重ならないように構成すると、位相制御の必要性がなくなる。即ち、基本光波長１０６４ｎｍとＳＨＧ光波長５３２ｎｍでは、ＰＰＳＬＴのブリュースター角端面において波長差に起因する角度差が生じるため、反射鏡３４において２つの分離したビームが得られ、この時、ビームが重ならないことが重要である（ビームの重なり合いが生じる場合には、周知のように位相制御が必要となるため、構成や制御の複雑化に繋がる。）。
上記した１次元光変調素子への照明においては、該変調素子の１次元方向（長軸方向）と横マルチモードの方向とを合わせることで、ラインジェネレータ等によるプロファイル変換を不要にすることができる。即ち、従来の構成では、固体レーザ出力であるガウシアンビームを、トップハット状に変換（プロファイル変換）する必要があったが、上記した構成では、プロファイル変換の必要がなく、部品点数を削減することができる。
プロファイル変換用の特殊な光学系を必要としないので、例えば、回折格子型の１次元空間変調素子（グレーティング・ライト・バルブ素子等）への１次元照明に用いるビーム拡大系について各色共通の構成を用いることができる。つまり、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のビーム毎に異なる構成のビームエキスパンダを用いることは、構成の複雑化等の原因となるため、各色について同じ構成のビームエキスパンダを用いることが好ましく、上記の構成によれば、緑色や青色のビームに対して、赤色ビームの場合と同じ光学的構成を用いて、線状ビームを所定倍率（例えば、ビーム長を数ｍｍとし、変調素子の長手方向の有効長を数十ｍｍとした場合に、十乃至数十倍）で拡大して１次元光変調素子に照射することができる。例えば、４枚の平凸レンズと１枚の円筒レンズ（シリンドリカルレンズ）を用いた既知の光学系が挙げられ、１次元光変調素子の長軸方向及び光軸方向を含む面内において、線状ビームを一旦集光してから、該長軸方向に拡大整形する（最終段の円筒レンズは当該面内でパワーをもたず、１次元光変調素子の短軸方向及び光軸方向を含む面内でのみ集光作用をもつ。）。
１次元横マルチモードレーザ光源を用いた、回折格子型１次元空間変調素子への照明系を有する画像投射装置等への適用を想定した場合に、該素子への照明光に関して、１次元方向（変調素子の長軸方向）では集光特性の空間コヒーレンスに対する要求が厳しくないが、当該方向に直交する方向（変調素子の短軸方向）では所定幅（数十μｍ程度）にビームを絞るために高いコヒーレンスが要求される。上記した構成の照明光学系を採用することによって、そのような要求を満たすべく、変調素子の長軸方向（長手方向）において横マルチモードでの光励起によって１次元方向に拡がったビームを得るとともに、変調素子の短軸方向では、ほぼ回折限界まで絞り込んだ線状ビームを１次元光変調素子に照射することができる。
以下に、コヒーレンス長の適正範囲について説明する。
マルチモードのときのコヒーレンス長（Ｌｃ）は、モード数を「Ｎ」と記し、共振器長を「Ｌ」と記すとき、「Ｌｃ＝２・Ｌ／Ｎ」で表される。
従って、共振器長「Ｌ」を短くして、モード数「Ｎ」を大きくすれば、コヒーレンス長が短くなる。例えば、約１５０ｍｍの共振器長で、Ｎ値が５０を越える程度とされる場合に、コヒーレンス長が５ｍｍ程度である。
共振器長「Ｌ」、波長「λ」を用いて、モード間隔「Δλ」は、下式で与えられる。
Figure 0004636315
Ｎｄ：ＹＡＧの発振波長１０６４ｎｍにおいて、Ｌ＝１５０ｍｍの共振器長では、Δλ≒３．８ｐｍ（ピコ・メートル）である。１０６４ｎｍの発振スペクトル幅は約０．５ｎｍであるため、１３０本程度のモードが発振可能であり、明らかに「モード数＞５０」の条件（スペックルに起因する干渉の影響で照明光プロファイルの均一性が損なわれないための必要条件）を満たしている。
尚、発振可能なモード数Ｎについては、下式で表される。
Figure 0004636315
上式中の「ΔλYAG」は１０６４ｎｍの発振スペクトル幅を示す。
この式を、「Ｌｃ＝２・Ｌ／Ｎ」に代入することで下式が得られる。
Figure 0004636315
「ΔλYAG≒０．５ｎｍ」、「λ＝１０６４ｎｍ」からＬｃ≒２．２ｍｍが得られ、これがコヒーレンス長の下限値を与える。
本発明の適用において、コヒーレンス長が２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であることが実用上好ましい（該範囲以外では、例えば、光学系の大サイズ化等の弊害を伴う。）。特に、レーザ媒質としてＮｄ：ＹＡＧを用いる場合において、コヒーレンス長を２．２ｍｍ以上、１５ｍｍ以下とすることが望ましい。つまり、横マルチモード固体レーザを用いて、集光性能を落とさずに一次元空間変調素子を照明し、スペックルノイズを充分に低減する上で有効である。
図２３は、スペックル低減に有効な光学系を例示したものであり、（Ａ）図が偏光合波による構成を示し、（Ｂ）図がマルチパス構成を示している。
（Ａ）図では、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）３５と、２つのミラー３６、３７を用いた例を示しており、偏光面が４５°傾いたマルチモードレーザ光が右方からＰＢＳ３５に入射されると、Ｓ波が上方に反射され、Ｐ波が透過してさらにミラー３６、３７にてそれぞれ反射される。ミラー３７の反射光はＰＢＳ３５を透過して上方に出力される。
本例では、２本のビームの偏光合波を利用することにより、スペックルコントラストを１／（√２）に低減させることができる。
また、（Ｂ）図では、平行平板状の素子として、半透過ミラー３８と、高反射ミラー３９を用いた例を示している。下方からのマルチモードレーザ光がミラー３８で分岐し、複数本の光が出力される。そして、これらは図示しないレンズを介して集光される。
半透過ミラー３８をＮ本の光が透過する場合において、スペックルコントラストを１／（√Ｎ）に低減させることができる。
コヒーレンス長を、例えば、１０ｍｍ以下とすることにより、光学系における光路長の短縮が可能となり、装置の小型化や光学部品の一体化（例えば、ＰＢＳ３５、ミラー３６、３７を一体構造にする等）に効果的である。尚、実験的には、上記横マルチモードレーザに関して、走査型ＴＧ干渉計での計測結果として７．４ｍｍのコヒーレンス長が得られている。
一般には、１次元照明光の強度分布に関して、均一性を高めるために１次元インテグレータを用いてビームを空間的に重ね合わせる方法が用いられるが、この場合に、横マルチモードに起因する干渉性の低さが有効に作用する。勿論、本発明によれば１次元インテグレータを不要にすることも可能である。
また、上記した照明光学系を複数用いることにより、複数本のビームを１次元的又は２次元的に配列させたマルチビーム構成（あるいはビームスタック構成）の採用は、スペックルノイズの低減等に有効である。
上記に説明した構成によれば、下記に示す利点が得られる。
・楕円状の横モードパターンでの光励起により、高効率の照明が可能であり、スペックルノイズの低減に有効であること
・励起用光源とレーザ媒質との間に集光光学系を配置すること及びその焦点位置をレーザ媒質側面への励起光入射端とは反対側の端面に設定することにより、励起光密度の均一性、発振効率が改善されること及びさらには、励起による熱歪みが緩和され、より高出力が得られること
・ＬＤ端面励起により高効率化が可能であること
・ＬＤ側面励起により高出力化が可能であること
・ＬＤアレイによるレーザ媒質の直接励起を採用する場合に、部品点数や作製工数を削減できること
・矩形状の固体レーザ媒質を用いることにより、加工が容易であること
・レーザ媒質内での励起光の閉じ込めにより、レーザの効率が向上させることができること
・周期分極反転構造を有する非線形光学素子を採用する場合に、高い変換効率が得られ、大量生産が可能であるため、コスト低減に有効であること
・ＶＴＥによるＰＰＳＬＴの場合、光損傷に強く、長期信頼性も優れており、変換効率が高いため、高出力が安定に得られること及び１次元横マルチモード方向に対する周期分極反転の配置を選定して横方向にビームを拡大させることで周期分極反転材料の光密度の限界を超えてパワーアップを実現できること
・共振器内に折り返しミラーを配置して小サイズ化を図り、ＳＨＧ光の迷光を低減できること
・従来のようにガウシアンビームをトップハットに変換（プロファイル変換）する必要がなくなり、１次元横マルチモードでトップハット形状の強度分布が得られること
・希土類添加の固体レーザ媒質を用いて、高出力の赤外光が得られ、緑色光、青色光（ＳＨＧ光）のもとになる発振光が得られること
・１次元光変調素子の照明に要求される特性（１次元方向で横マルチモード、長手方向に直交する方向でほぼ回折限界のビーム）を実現し、簡易な光学系で効率の良い照明を行うことができ、スペックルノイズの低減が可能であること。
本発明に係る１次元照明装置の構成例を示す説明図である。 本発明に係る画像生成装置の構成例について要部を示す説明図である。 図４とともに、本発明に係る１次元照明装置を例示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。 図３とは異なる方向からみた場合の構成の要部を示す図である。 並列化光源としてレーザダイオードアレイを例示した斜視図である。 図７とともに、本発明に係る１次元照明装置の別例を示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。 図６とは異なる方向からみた場合の構成の要部を示す図である。 図９とともに、本発明に係る１次元照明装置の別例を示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。 図８とは異なる方向からみた場合の構成の要部を示す図である。 図１１とともに、本発明に係る１次元照明装置のさらに別例を示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。 図１０とは異なる方向からみた場合の構成の要部を示す図である。 レーザ媒質内における励起光分布を例示したグラフ図である。 装置の具体的構成例を示す図である。 図１３とは別の装置構成例を示す図である。 図１６とともに、本発明に係る１次元照明装置の別例として、並列化光源からの光をレーザ媒質に直接照射する形態を示した図であり、本図は並列化光源を構成するエミッタの配列方向を含む面に対して直交する方向からみた場合の構成を示す図である。 図１５とは異なる方向からみた場合の構成の要部を示す図である。 固体レーザ媒質の形状例を示す斜視図である。 固体レーザ媒質の形状について別例を示す斜視図である。 本発明に係る１次元照明装置の構成形態を例示した斜視図である。 非線形光学デバイスの製造プロセスに関する概略説明図である。 本発明に係る共振器の設計例を示した側面図である。 本発明に係る共振器の別形態について要部を示した側面図である。 スペックル低減用光学系の説明図である。
符号の説明
１…１次元照明装置、２…励起用光源、３…共振器、４…レーザ媒質、５…波長変換用素子、７…１次元光変調素子、７Ｒ、７Ｇ、７Ｂ…光変調手段、８…画像生成装置、１３…並列化光源、１３ａ…エミッタ、１４Ａ…集光光学系、１７、１７Ａ、１７Ｂ…レーザ媒質、１８、１９、３０…反射手段、２１…非線形光学結晶、２９…共振器、３１…非線形光学素子、３４…反射鏡

Claims (15)

  1. １次元横マルチモードレーザを用いた１次元照明装置において、
    励起用光源を構成し複数のレーザエミッタを一次元的に配列させた並列化光源として機能する半導体レーザと、共振器内のレーザ媒質と、上記半導体レーザと上記レーザ媒質との間に配置されたレンズアレイと、非線形光学結晶又は非線形光学素子を用いて構成される波長変換用素子とを備え、
    上記レーザ媒質と上記非線形光学結晶若しくは上記非線形光学素子との間に光路折り返し用の複数の反射手段を配置し、
    上記レーザ媒質に対してレーザ出力軸に直交する側方から励起光を照射し、
    真円を除く楕円状の横モードパターンで上記レーザ媒質を励起して得られる線状ビームを、上記非線形光学結晶又は上記非線形光学素子に照射することにより線状光を出力する
    ことを特徴とする１次元照明装置。
  2. 請求項１に記載した１次元照明装置において、
    上記非線形光学素子が周期分極反転構造を有する
    ことを特徴とする１次元照明装置。
  3. 請求項２に記載した１次元照明装置において、
    上記非線形光学素子の基板作製に用いる材料が、気相平衡法処理を施した化学量論組成周期分極反転タンタル酸リチウムである
    ことを特徴とする１次元照明装置。
  4. 請求項１に記載した１次元照明装置において、
    上記非線形光学結晶又は上記非線形光学素子を用いた第二高調波発生により、緑色又は青色の線状ビームを出力する
    ことを特徴とする１次元照明装置。
  5. 請求項４に記載した１次元照明装置において、
    希土類添加の固体レーザ媒質を赤外共振器内に配置した
    ことを特徴とする１次元照明装置。
  6. 請求項１に記載した１次元照明装置において、
    コヒーレンス長が２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である
    ことを特徴とする１次元照明装置。
  7. 請求項６に記載した１次元照明装置において、
    上記レーザ媒質として、ネオジウムイオンをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネットを用いるとともに、
    コヒーレンス長を２．２ｍｍ以上、１５ｍｍ以下とした
    ことを特徴とする１次元照明装置。
  8. 請求項２に記載した１次元照明装置において、
    上記非線形光学素子の両端面が、基本光の入射角及び出射角に関してほぼブリュースター角をもつように加工されており、該非線形光学素子から離間した位置に反射鏡が設けられ、
    ｄ33位相整合により発生する２方向の高調波光のうち、一方の高調波光が、上記非線形光学素子から出射されてから上記反射鏡にて反射されるとともに、再び該非線形光学素子に入射された後で該素子における反対側の端面から出射され、また、他方の高調波光については上記反射鏡と反対側に位置する該非線形光学素子の端面から出射され、両高調波光の間に角度差をもたせることで両者が重ならないように構成した
    ことを特徴とする１次元照明装置。
  9. 請求項８に記載した１次元照明装置において、
    上記非線形光学素子に用いる基板の抗電場が約１００Ｖ／ｍｍであって、かつ基板厚が０．９ｍｍ以上とされ、高調波発生に係る位相整合のために分極反転周期が１０μｍ以下とされる
    ことを特徴とする１次元照明装置。
  10. 請求項１に記載した１次元照明装置において、
    複数のレーザエミッタを一次元的に配列させた並列化光源を用いて上記レーザ媒質を直接励起する
    ことを特徴とする１次元照明装置。
  11. 請求項１０記載した１次元照明装置において、
    上記レーザ媒質の断面が矩形状とされる
    ことを特徴とする１次元照明装置。
  12. 請求項１０に記載した１次元照明装置において、
    上記レーザ媒質に光閉じ込め手段を設けた
    ことを特徴とする１次元照明装置。
  13. １次元横マルチモードレーザを用いた１次元照明装置において、
    励起用光源を構成し複数のレーザエミッタを一次元的に配列させた並列化光源として機能する半導体レーザと、共振器内のレーザ媒質と、上記半導体レーザと上記レーザ媒質との間に配置された集光光学系と、非線形光学結晶又は非線形光学素子を用いて構成される波長変換用素子とを備え、
    上記レーザ媒質の横励起を行う上記半導体レーザからの励起光を、上記集光光学系によって集光し、その焦点位置を、上記レーザ媒質の側面への励起光入射端面とは反対側の端面に設定し、
    上記レーザ媒質と上記非線形光学結晶若しくは上記非線形光学素子との間に光路折り返し用の複数の反射手段を配置し、
    上記レーザ媒質に対してレーザ出力軸に直交する側方から励起光を照射し、
    真円を除く楕円状の横モードパターンで上記レーザ媒質を励起して得られる線状ビームを、上記非線形光学結晶又は上記非線形光学素子に照射することにより線状光を出力する
    ことを特徴とする１次元照明装置。
  14. １次元横マルチモードレーザを用いた１次元照明光源と、該光源からの光を変調する光変調手段と、該光変調手段からの出力光を走査する光走査手段を備えた画像生成装置において、
    励起用光源を構成し複数のレーザエミッタを一次元的に配列させた並列化光源として機能する半導体レーザと、共振器内のレーザ媒質と、上記半導体レーザと上記レーザ媒質との間に配置されたレンズアレイと、非線形光学結晶又は非線形光学素子を用いて構成される波長変換用素子とを備え、
    上記レーザ媒質と上記非線形光学結晶若しくは上記非線形光学素子との間に光路折り返し用の複数の反射手段を配置し、
    上記レーザ媒質に対してレーザ出力軸に直交する側方から励起光を照射する
    真円を除く楕円状の横モードパターンで上記レーザ媒質を励起して得られる線状ビームを、上記非線形光学結晶又は上記非線形光学素子に照射することにより線状光を出力し、上記光変調手段を構成する１次元光変調素子に照射する
    ことを特徴とする画像生成装置。
  15. 請求項１４に記載した画像生成装置において、
    回折格子型の１次元光変調素子を用いる
    ことを特徴とする画像生成装置。
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