波长转换装置以及图像显示装置.pdf

本发明提供一种波长转换装置，包括：激光共振器；将从上述激光共振器射出的基波转换为高谐波的第一波长转换元件；控制上述第一波长转换元件的温度的第一温度控制元件；将从上述第一波长转换元件射出的基波转换为高谐波的第二波长转换元件；控制上述第二波长转换元件的温度的第二温度控制元件；检测从上述第一波长转换元件射出的高谐波的输出的第一检测部；检测从上述第二波长转换元件射出的高谐波的输出的第二检测部；以及管理由上述第一温度控制元件进行的上述第一波长转换元件的温度控制、由上述第二温度控制元件进行的上述第二波长转换元件的温度控制、以及对上述激光光源施加的驱动电流的电流值控制的控制器。

1.  一种波长转换装置，其特征在于包括：
激光共振器，让从激光光源射出的激励光产生振荡并射出基波；
第一波长转换元件，将从所述激光共振器射出的基波转换为高谐波；
第一温度控制元件，控制所述第一波长转换元件的温度；
第二波长转换元件，将射入所述第一波长转换元件的基波中未被所述第一波长转换元件转换为高谐波但从所述第一波长转换元件射出的基波转换为高谐波；
第二温度控制元件，控制所述第二波长转换元件的温度；
第一检测部，检测从所述第一波长转换元件射出的高谐波的输出；
第二检测部，检测从所述第二波长转换元件射出的高谐波的输出；以及
控制器，管理由所述第一温度控制元件进行的所述第一波长转换元件的温度控制、由所述第二温度控制元件进行的所述第二波长转换元件的温度控制、以及对施加到所述激光光源的驱动电流的电流值控制，其中，
所述控制器，合计基于所述第一检测部的第一检测值和基于所述第二检测部的第二检测值，基于该合计值进行所述第一及第二波长转换元件的温度控制。

2.  根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：所述控制器，在执行基于所述合计值的所述第一及第二波长转换元件的温度控制时，中止在此之前执行的对施加到所述激光光源的驱动电流的电流值控制，让所述驱动电流维持为恒定值来执行所述第一及第二波长转换元件的温度控制。

3.  根据权利要求1或2所述的波长转换装置，其特征在于：所述激光共振器具有包含激光活性物质的双包层单模光纤、形成光纤光栅的光纤和向所述光纤射入激励光的所述激光光源。

4.  根据权利要求1至3中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：
所述第一及第二波长转换元件的保持温度的范围为35℃至80℃；
所述第一及第二温度控制元件为珀尔帖元件；
所述控制器，不让施加到所述珀尔帖元件的电流的极性发生反转，来提高或降低所述第一及第二波长转换元件的温度。

5.  根据权利要求1至3中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：
所述第一及第二波长转换元件的保持温度的范围为80℃至200℃；
所述第一及第二温度控制元件为加热器；
所述控制器，在让所述第一及第二波长转换元件的温度上升时使所述加热器发热，在让所述第一及第二波长转换元件的温度下降时中止所述加热器的发热。

6.  根据权利要求1至5中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：
所述控制器，通过向所述第一及第二温度控制元件提供用于进行所述第一及第二波长转换元件的温度控制的控制电流，来进行所述第一及第二波长转换元件的温度控制；
所述控制电流的波形被进行脉冲宽度调制。

7.  根据权利要求1至6中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：所述控制器，具有在进行所述第一及第二波长转换元件的温度控制时，记录与施加给所述激光光源的驱动电流的电流值相对应的所述第一及第二检测值的存储部。

8.  根据权利要求7所述的波长转换装置，其特征在于还包括：检测所述激光共振器内的温度的温度检测部，其中，
所述存储部，在所述控制器进行所述第一及第二波长转换元件的温度控制时，记录与由所述温度检测部检测到的温度相对应的所述第一及第二检测值。

9.  根据权利要求1至8中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：所述控制器，通过根据所述第一及第二检测值各自的增减进行所述第一及第二波长转换元件的温度控制，来抑制所述第一及第二检测值的合计值的输出变动。

10.  根据权利要求9所述的波长转换装置，其特征在于：所述控制器，在所述第一检测值增加或减少且所述第二检测值的增减方向与所述第一检测值的增减方向不同时，或者所述第一检测值增加或减少且所述第二检测值为恒定时，在基于所述第一波长转换元件的温度控制而使所述第一及第二检测值的合计值发生变化后，判断该变化后的合计值是否恢复到指定值，并根据还未恢复到所述指定值的判断结果，通过基于所述第二波长转换元件的温度控制而使所述第一及第二检测值的合计值进一步发生变化，来抑制所述第一及第二检测值的合计值的输出变动。

11.  根据权利要求9或10所述的波长转换装置，其特征在于：所述控制器，在所述第一及第二检测值增加或减少且所述第一检测值的增减方向与所述第二检测值的增减方向相同时，通过基于所述第一及第二波长转换元件的温度控制而使所述第一及第二检测值个别地发生变化，来抑制所述第一及第二检测值的合计值的输出变动。

12.  根据权利要求9至11中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：所述控制器，在所述第二检测值增加或减少且所述第一检测值为恒定时，通过基于所述第二波长转换元件的温度控制而使所述第一及第二检测值的合计值发生变化，来抑制所述第一及第二检测值的合计值的输出变动。

13.  根据权利要求1至12中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：从所述第一及第二波长转换元件射出的高谐波是510nm至550nm的绿色光。

14.  根据权利要求1至13中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：所述第一及第二波长转换元件为，主要由包含Mg、In、Zn、Sc、Er、Nd中的至少其中之一的LiNbO₃或LiTaO₃构成的非线性光学晶体。

15.  一种图像显示装置，其特征在于包括：
如权利要求1至14中任一项所述的波长转换装置；和
对从所述波长转换装置射出的激光施加图像信号的图像处理部，其中，
所述波长转换装置是产生绿色光的绿色激光光源，还包括产生红色光的红色激光光源和产生蓝色光的蓝色激光光源；
所述图像处理部，通过基于所述红色激光光源、蓝色激光光源以及绿色激光光源中最大输出值为最小的激光光源的最大输出值，来决定其他两个激光光源的输出上限值，从而设定所显示图像的白平衡。

16.  根据权利要求15所述的图像显示装置，其特征在于：所述图像处理部，以所述决定的输出上限值为上限，根据输入的图像信号的亮度信号使所述红色激光光源、蓝色激光光源以及绿色激光光源的各输出值发生变化。

17.  根据权利要求16所述的图像显示装置，其特征在于：所述红色激光光源、蓝色激光光源以及绿色激光光源的各输出值为零的各激光光源的驱动电流的电流值，在所述红色激光光源、蓝色激光光源以及绿色激光光源的各阈值电流以上。

波长转换装置以及图像显示装置
技术领域
本发明涉及一种组合光纤激光器与波长转换元件以取得稳定的可见光高输出激光器的波长转换装置，以及将该波长转换装置作为光源来使用的图像显示装置。
背景技术
单色性强、能够输出W级的高输出的可见光光源，对于实现大型显示器和高亮度显示器等是必要的。对于红、绿、蓝三原色中的红色光源，在DVD刻录机等中使用的红色高输出半导体激光器能够作为生产率高的小型光源来利用。但是，对于绿色或蓝色光源，用半导体激光器等却难以实现，需要生产率高的小型光源。尤其是，获得绿色的输出光本自，由于还缺少能够构成半导体激光器的适当的材料，在实现绿色光源方面难度较大。
作为这样的光源，组合了光纤激光器(fiber laser)和波长转换元件(wavelengthconverting element)的波长转换装置作为低输出的可见光光源得到了实现。将半导体激光器作为激励光纤激光器的激励光的光源来使用、将非线性光学晶体作为波长转换元件来使用的绿色或蓝色的小型光源已广为人知。
然而，为了从这样的波长转换装置中获得W级高输出的绿色或蓝色的输出光，必须解决若干问题。图31表示以往的波长转换装置的概略结构。对用该结构得到例如绿色的输出光的情况进行说明。图31所示的波长转换装置包括输出基波的光纤激光器20和将基波转换为绿色激光的波长转换元件27。
此外，对光纤激光器20的基本的激光器动作进行说明。首先，在图31中来自激励用激光光源21的激励光从光纤的一端入射。入射的激励光被Yb光纤14中包含的激光活性物质吸收后，在光纤14的内部产生基波的种光。该基波的种光在以光纤光栅(fibergrating)22和光纤光栅25作为一对反射镜的激光共振器中多次来回反射。与此同时，种光通过由光纤14中包含的激光活性物质所产生的增益而被放大，光强度增大，并经过波长选择，达到激光振荡。另外，激光光源21通过激励用激光电流源31而被进行电流驱动。
以下，对图31的波长转换装置的基本动作进行说明。如上所述，基波由光纤激光器20输出，基波经由透镜26射入波长转换元件27。来自光纤激光器20的基波通过波长转换元件27的非线性光学效果而被转换为高谐波(harmonic wave)。该转换后的高谐波被分束器(beam splitter)28部分反射，而透过的高谐波成为作为波长转换装置的输出光的绿色激光。
由分束器28部分反射的高谐波，被用于监视波长转换装置的输出光的受光元件29接收后，转换为电信号而加以利用。输出控制器30通过激励用激光电流源31来调整激光光源21的驱动电流，以使该转换后的信号的强度达到能够通过波长转换装置得到期望的输出的强度。这样，来自激光光源21的激励光的强度得到调整，光纤激光器20的基波的输出强度得到调整，其结果是波长转换装置的输出的强度得到调整。由此，波长转换装置的输出强度保持恒定的所谓自动功率控制(automatic power control)(以下简称为“APC”)得以稳定地运作。
如上所述，由于为了使来自激光器的光输出恒定，对来自激光光源的输出进行监视并将其反馈给驱动激光器的电流值的方法、将保持激光器的部分的温度保持为恒定的方法等在光记录领域中是重要的技术，因此，一直以来提出了各种各样的方法，例如在日本专利公开公报特开平1—98282号中提出了根据施加给激光二极管的电流值预测半导体芯片部分的温度上升，来对温度进行调节的方法。除此之外还提出了各种方法，在日本专利公开公报特开平2—253969号中提出了对通过反馈控制来控制光量时所施加的电流值设置上限、来保护激光二极管的方法。
此外，日本专利公开公报特开2004—103954号中提出了将激光二极管在空气冷却状态下使用时，通过监视激光二极管的温度来取代使用光敏二极管进行电流反馈，来确定所施加的电流量的方法。日本专利公开公报特开2004—356579号中提出了在激光二极管的动作开始并开始调节温度的情况下，通过配合检测到激光二极管的温度减小初始驱动电流，来防止激光二极管的破坏的方法。日本专利公开公报特开2005—311133号中提出了通过利用在进行激光器的温度调节时所使用的温度检测器来监视激光二极管的温度，由此确定所施加的电流量的方法。此外，关于组合了激光二极管和波长转换元件时的输出稳定化方法，提出了如日本专利公报特许第3329446号、日本专利公报特许第3334787号和日本专利公报特许第3526282号中所记载的结构。除了在此例举出的专利文献之外，关于激光二极管的温度调节还提出了各种方法。
然而，在上述以往的波长转换装置中，存在对于环境温度的变动，难以稳定地取得绿色光的问题，特别是在将上述以往的波长转换装置配置在投影显示器、液晶显示器的背光等民用设备内部的情况下，由于壳体内的温度逐渐上升、存在绿色输出降低的问题。另一方面，对于这样的问题，虽然一直以来提出了将波长转换元件的温度控制为恒定值的方法、将输出值反馈给LD电流的方法等，但是在控制波长转换元件的温度的方法中，必须以0.01℃为单位控制波长转换元件的温度，在民用设备中由于成本方面等的问题而难以使用，而反馈至LD电流的方法也只能补偿约0.3℃的温度变化，不是有效的改善方法。特别是，在使用由光纤光栅进行波长选择的光纤激光器光源时，由于除了波长转换元件的波长特性随温度变化之外，光纤光栅的波长特性也随温度变化，因此，即使进行了以往的温度恒定值控制，也无法使输出稳定。
此外，为了提高将波长转换前的基波的激光光源转换成作为第二谐波(secondharmonic wave)的绿色光输出的转换效率，还提出了一种波长转换装置，该波长转换装置设有两个波长转换机构，未被第一波长转换机构(第一级)转换的基波由第二波长转换机构(第二级)再次进行波长转换(将这样的结构简称为“二级结构(two-stageconfiguration)”)。该二级结构具有第二级的第二谐波输出也依赖于第一级的第二谐波输出而发生变动的特性，用以往的输出稳定化方法难以控制第一级和第二级的输出的合计值。特别是，在二级结构的大部分情况下，由于第一级高谐波输出和第二级高谐波输出的输出变动具有相反的变化，因此利用对激光二极管的电流值反馈或者通常的元件温度调节进行控制是非常困难的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够稳定取得W级高输出的绿色或蓝色的激光输出光的波长转换装置。
本发明所提供的波长转换装置包括：让从激光光源射出的激励光产生振荡并射出基波的激光共振器；将从上述激光共振器射出的基波转换为高谐波的第一波长转换元件；控制上述第一波长转换元件的温度的第一温度控制元件；将射入上述第一波长转换元件的基波中未被上述第一波长转换元件转换为高谐波但从上述第一波长转换元件射出的基波转换为高谐波的第二波长转换元件；控制上述第二波长转换元件的温度的第二温度控制元件；检测从上述第一波长转换元件射出的高谐波的输出的第一检测部；检测从上述第二波长转换元件射出的高谐波的输出的第二检测部；以及管理由上述第一温度控制元件进行的上述第一波长转换元件的温度控制、由上述第二温度控制元件进行的上述第二波长转换元件的温度控制、以及对施加到上述激光光源的驱动电流的电流值控制的控制器，其中，上述控制器合计上述第一检测部的第一检测值和上述第二检测部的第二检测值，基于该合计值进行上述第一及第二波长转换元件的温度控制。
在上述波长转换装置中，由于根据第一检测部的第一检测值和第二检测部的第二检测值的合计值进行第一及第二波长转换元件的温度控制，因此即使在依赖于来自第一波长转换元件的高谐波的输出变动而产生来自第二波长转换元件的高谐波的输出变动的情况下，也能有效地抑制两个高谐波的合计值的输出变动。
根据本发明，可提供一种能够稳定取得W级高输出的绿色或蓝色的激光输出光的波长转换装置。
附图说明
图1是表示使用本发明第一实施例的波长转换装置的二维图像显示装置的结构的图。
图2是表示绿色激光光源的结构的图。
图3(A)是表示光纤激光器的振荡波长与环境温度的关系的图，图3(B)是表示基波的波长谱(波形线)和波长转换元件的相位匹配波长谱(实线)的关系的图。
图4是表示控制器的结构的图。
图5是表示波长转换元件的启动动作的处理过程的流程图。
图6(A)是表示波长转换元件的温度特性与启动动作后的待机位置的图，图6(B)是表示温度与相位匹配波长的关系的图，图6(C)是表示温度与相位匹配波长的其他关系的图。
图7(A)是表示绿色光输出值的恒定值控制的处理过程的流程图，图7(B)是表示在图7(A)的步骤S204中使用的判断标准的内容的图。
图8是用于说明子程序A的处理的流程图。
图9是用于说明子程序B的处理的流程图。
图10是用于说明子程序C的处理的流程图。
图11是用于说明越峰恢复动作的处理的流程图。
图12是以时间顺序表示绿色光输出降低时的各值的图。
图13是表示本发明的第二实施例的波长转换元件的温度特性与其启动动作后的波长转换元件的温度的待机位置的关系的图。
图14是表示绿色光输出值的恒定值控制的处理过程的流程图。
图15(A)至(C)是表示绿色光的输出强度与珀尔帖电流值的关系的图。
图16(A)是表示红色LD的相对于温度的输出特性的图，图16(B)是表示相对于温度的波长特性的图。
图17(A)是表示红色激光光源的结构的图，图17(B)是用于说明在红色LD的监视动作时的处理的流程图。
图18(A)至(C)是用于说明电流—输出值表的内容的图。
图19是用三维坐标表示能取得白平衡的曲线的示意图。
图20(A)至(C)是表示进行了光控制的情况下各种颜色的输出调整的示意图，图20(A)是表示用红色限制的情况的图，图20(B)是表示用绿色限制的情况的图，图20(C)是表示用蓝色限制的情况的图。
图21是表示本发明的第五实施例中的波长转换装置的结构的图。
图22是表示激励用LD电流与光纤激光器的输出的关系的图。
图23(A)及(B)是用于说明波长谱的劣化的图。
图24(A)是本发明的第五实施例的保持部的示意图，图24(B)是图24(A)的A-A’部的剖视图，图24(C)是图24(A)的B-B’部的剖视图。
图25是用于说明光纤的固定端的位置的图。
图26是表示光纤激光器的输出特性的图。
图27是表示光纤激光器的波长谱的图。
图28是表示基波输入与绿色光输出的关系的图。
图29是本发明的第五实施例的其他保持部的示意图。
图30是表示本发明的第六实施例中的波长转换装置的结构的图。
图31是表示以往的波长转换装置的概略结构的图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施例的波长转换装置及图像显示装置进行说明。另外，附图中标注相同符号的部分有时省略说明。
(第一实施例)
图1是表示使用本发明的第一实施例的波长转换装置的二维图像显示装置的结构的示意图。如图1所示，本实施例涉及的二维图像显示装置10是适用于液晶三板式投影仪的光学引擎的例子。本实施例涉及的二维图像显示装置10包括图像处理部102、激光输出控制器(控制器)103、LD电源104、红色激光光源105R、绿色激光光源105G、蓝色激光光源105B、波束形成棒形透镜106R、106G及106B、中继透镜107R、107G及107B、折射镜108G及108B、二维调制元件109R、109G及109B、偏振光镜110R、110G及110B、合波棱镜111和投影透镜112。
本实施例涉及的波长转换装置在图1中适用于二维图像显示装置10的绿色激光光源105G。图2表示绿色激光光源105G的结构。
绿色激光光源105G在图2中具有光纤激光器201、将从光纤激光器201发出的基波激光的波长变为1/2的波长转换元件205a及205b、控制波长转换元件205a及205b的温度的珀尔帖元件207a及207b、将由波长转换元件205a及205b产生的绿色光和剩余的基波进行分离的分束器208a及208b、用于监视由波长转换元件205a及205b产生的绿色光的光束采样器(beam samplers)209a及209b、以及光敏二极管(photodiode)210a及210b。光纤激光器201包括激励用LD202、光纤光栅(fiber grating)204a及204b、Yb光纤203、保持光纤光栅204b的保持部206，此外，激励用LD202与LD电源104连接，而珀尔帖元件(Peltier element)207a及207b和光敏二极管210a及210b与控制绿色光源105G的输出的控制器103连接。
光纤激光器201利用从激励用LD202发出的激励光(波长915nm)激励Yb光纤203。Yb光纤203的两端配置有光纤光栅204a及204b，在光纤光栅204a及204b之间构成激光共振器。光纤光栅204a的反射中心波长为1070nm、反射带域(reflectance band)为1nm、反射率为98％以上，光纤光栅204b的反射中心波长为1069.9nm、反射带域为0.1nm、反射率为10％。另外，使用掺Yb光纤的光纤激光器与掺Nd光纤等相比，由于动作范围较宽，因此能够产生1030nm至1150nm范围的激光。因此，在作为二维图像显示装置而加以使用时，可以通过确保较大的色彩再现范围来提高画质。
作为光纤激光器201的激光共振器的一个反射面，通过应用窄带域的光纤光栅204b，能够选择任意的反射中心波长，能够任意选择振荡中心波长，此外能够产生波长转换元件205a及205b所需要的波长带域(wavelength band)为0.05nm至0.2nm的基波。
在本实施例中，较为理想的是，将作为偏振保持光纤(polarization-maintaining fiber)而形成的光纤光栅作为光纤光栅204a及204b来使用，Yb光纤203也使用偏振保持双包层光纤(polarization-maintaining double-clad fiber)。在此情况下，能够控制振荡的基波的偏振方向。
此外，在本实施例中，通过设置将光纤激光器210的激光共振器封闭在光纤内的系统，能够防止因来自外部的尘埃或反射面的失准(misalignment)等而增加共振器的损伤，由此，能够抑制激光共振器的输出随时间经过而降低以及输出变动。
下面对本实施例的绿色激光光源105G基本的激光器动作进行说明。在图2中，来自抽头型激励用LD(pigtail-type excitation LD)202的激励光在附属的光纤中传播后，射入构成激光共振器的光纤。入射的激励光一边被Yb光纤203中包含的激光活性物质(Yb：镱)吸收，一边在Yb光纤203中传播。90％以上的激励光在到达光纤光栅204b之前被激光活性物质吸收而消失。这样，本实施例中，在激励光在Yb光纤203中被吸收、放大基波的增益在Yb光纤203内增高的状态下，在Yb光纤203的内部产生基波的种光。该基波的种光，以光纤光栅204a和光纤光栅204b为激光共振器的一组反射面，在该激光共振器中一边被放大并增加强度，一边多次来回反射，从而达到激光振荡。
本实施例的Yb光纤203，例如使用能够传播高输出的激励光的双包层偏振保持光纤。因此，激励光在Yb光纤203的内层(core)和内侧的包层(clad)的比较大的区域中传播，被Yb光纤203中包含的激光活性物质(镱)吸收。此外，由于激励光能够在较大的区域中传播，所以也能够使用高输出的激励光。
以此方式从光纤激光器201输出的基波被引导至波长转换元件205a。
接着，对波长转换元件205a及205b的基本动作进行说明。按照上述方式，基波的激光通过光纤激光器201而被输出，通过聚光透镜等聚光后射入波长转换元件205a。来自光纤激光器201的基波成为入射波，通过波长转换元件205a的非线性光学效果被进行转换，成为波长为基波的1/2的高谐波输出。从波长转换元件205a射出的波束，以未转换的基波和转换后的高谐波输出混合的状态输出。
从波长转换元件205a射出的波束通过一次重新准直透镜(re-collimating lens)，重新恢复为平行波束后，射入分束器208a。由波长转换元件205a转换的高谐波输出，被分束器208a分离而转向光束采样器209a，而未被进行波长转换的基波原样透过分束器208a，在利用聚光透镜聚光后射入波长转换元件205b。
未被波长转换元件205a转换的基波成为入射波，通过波长转换元件205b的非线性光学效果被进行转换，成为波长为基波的1/2的高谐波输出。从波长转换元件205b射出的光束，以未转换的基波和转换后的高谐波输出混合的状态输出。
从波长转换元件205b射出的波束通过一次重新准直透镜，重新恢复为平行光束后，射入分束器208b。由波长转换元件205b转换的高谐波输出，被分束器208b分离而转向光束采样器209b，而未被进行波长转换的基波原样透过分束器208b。透过的基波被吸收体吸收，作为热放出。用于输出光的检测以外的高谐波输出几乎全部作为绿色激光光源105G的输出光而射出。在本实施例中，作为波长转换元件205a及205b，采用具有极化反转结构的掺Mg的LiNbO₃晶体。元件的长度为20mm，其温度分别由珀尔帖元件207a及207b来控制。
图3(A)表示光纤激光器201的振荡波长与环境温度的关系。可以看出，根据光纤激光器201的环境温度，构成共振器的光纤光栅的反射波长发生移动，由此光纤激光器201的振荡波长发生变化。在图3(A)中，变化量为0.007nm/K。也就是说，每当环境温度发生变化，如果不使波长转换元件205a及205b的动作波长(相位匹配波长)发生变化，则无法使高谐波输出(绿色光输出)稳定。这与不管环境温度如何，由激光晶体决定振荡波长的固体激光光源存在很大差异。在本实施例中，较为理想的是，光纤激光器201的振荡波长的变化量为0.002nm/K以下。如上所述，每当环境温度发生变化，必须使波长转换元件205a及205b的相位匹配波长发生变化，但如果光纤激光器201的振荡波长的变化量为0.002nm/K以下，则能够有效地进行后述的波长转换元件205a及205b的相位匹配波长的控制。
图3(B)表示光纤激光器的基波波长与波长转换元件的相位匹配波长的关系。图中的实线表示从光纤激光器发出的基波的带域幅度，图中的虚线表示波长转换元件的相对于入射波长的波长转换特性。如图3(B)所示，可知，改变光纤激光器以及波长转换元件两者的环境温度以使这两者具有相同的波长特性，这对波长转换元件的输出稳定化是必要的。例如，通过用铝构成图2的保持部206，光纤激光器201的相对于温度的振荡波长变化量则为0.03nm/K，能够接近波长转换元件205a及205b的相位匹配波长变化量0.05nm/K。此外，通过用具有5×10^-6/℃的热膨胀系数的物质构成保持部206，能够使波长转换元件205a及205b的温度特性与光纤激光器201的温度特性基本一致，从而能够使输出稳定化控制更加简单。在本实施例中，说明的是光纤光栅204b固定在主要由铝构成的保持部206上的情况，但即使在如以往那样配置在空气中的情况下，也能够取得同样的效果。
图4表示图2的控制器103的具体结构。图4的控制器103包括A/D转换器401、判断电路402、D/A转换器403、PWM信号发生器404、电流—输出值表405、第一寄存器406和第二寄存器407。控制器103利用珀尔帖元件207a及207b来控制波长转换元件205a及205b的温度。另外，除此之外，虽然并非必要，但也可以设置用来测量光纤激光器201的壳体内温度的热敏电阻(thermistor)409。在此，热敏电阻409被设置在光纤光栅204b的保持部206。
在电流—输出值表405中，能够预先以表格形式设定供给激励用LD202的电流值和绿色光的输出值的关系，这些值作为进行控制时的标准值。第一寄存器406被用于暂时存储进行控制时所使用的电流值以及输出值。
绿色激光光源105G应输出的绿色光的输出值根据作为外部信号的光量控制信号来决定。在第二寄存器407中，对绿色激光光源105G的各部件，存储各部件的出厂时设定值。各部件的出厂时设定值是用于补偿各部件在制造上的偏差的值，第二寄存器407接收光量控制信号，将根据光量控制信号及出厂时设定值所设定的绿色光的输出值通知给判断电路402。判断电路402由微计算机等构成，参照电流—输出值表405，将与由第二寄存器通知的输出值对应的电流值，通过D/A转换器403通知给LD电源104。
光敏二极管210a及210b接收由光束采样器209a及209b部分反射的绿色光，将与接收到的绿色光的强度相对应的作为电压信号的输出检测信号输出给A/D转换器401。A/D转换器401将模拟形式的输出检测信号转换为数字形式的输出检测信号后输出给判断电路402。判断电路402根据输出检测信号，利用珀尔帖元件207a及207b来控制波长转换元件205a及205b的温度。
接着，对绿色光源105G的动作进行说明。图5是表示绿色激光光源105G的波长转换元件205a的启动动作(start-upoperation)的处理过程的流程图。另外，波长转换元件205b的启动动作与波长转换元件205a相同，因此在此省略对波长转换元件205b的启动动作的说明。
首先，在图5的步骤S101中，绿色激光光源105G的动作一旦开始，将来自LD电源104的LD电流施加于激励用LD202，使其处于能够进行绿色光输出的状态。在此，LD电流的值为，基波输出时能输出大约500mW、当相位匹配条件吻合，绿色光时能输出大约20mW的电流值。在本实施例的情况下约为1A。其理由是，作为绿色光，通过设为微小的输出，使得在为二维图像显示装置的情况下，启动用的绿色光正在输出的事实不至于引人注目。此时，将波长转换元件205a的相位匹配温度设计在40℃至60℃这样的高于室温的温度是重要的。
接着，在步骤S102中，珀尔帖元件207a通过PWM波形的电流而受到驱动直到绿色光的输出值达到设定值为止，因此判断电路402一边增加向珀尔帖元件207a供应电流的时间以提高元件温度，一边监视绿色光的输出值。具体而言，在步骤S103中，在绿色光的输出值低于设定值的期间，增加向珀尔帖元件207a供应电流的时间。
在绿色光的输出值达到设定值、并超过了设定值的情况下，在步骤S104中，一边减少向珀尔帖元件207a供应电流的时间以降低元件温度，一边监视绿色光的输出值。具体而言，在步骤S105中，在绿色光的输出值高于设定值的期间，减少向珀尔帖元件207a供应电流的时间。另一方面，在绿色光的输出值达到设定值、且低于设定值的情况下，返回步骤S102。
以此方式，进行绿色光输出的峰值搜索。此外，供给珀耳帖元件207a的电流波形(PWM波形)按比例受到控制，使得随着绿色光的输出值接近设定值而增加OFF时间。此外，作为考虑输出稳定化的结果，电流波形的频率约为5MHZ至100MHZ较为理想，如果是这样的频率，则无须对电流波形进行平滑便可使温度稳定。此外，在对电流波形进行了平滑的情况下，存在随着ON时间缩短而使应答速度降低的问题，但通过用PWM波形直接驱动，可以控制温度而不会使应答速度降低。
这样，通过监视绿色光，能够使波长转换元件205a的温度适合相位匹配温度。在绿色光输出稳定后，维持绿色光输出稳定时的PWM波形不变，激励用LD202的电流被切断而处于待机状态。
在本实施例中，作为波长转换元件205a及205b的温度控制元件使用的是珀尔帖元件207a及207b，而将元件温度设为35℃至80℃较为理想。如果设为接近室温(实际使用温度)，则必须让对珀尔帖元件207a及207b施加的电流的极性反转，而通过设为高于室温的35℃至80℃，则无须进行极性反转，控制速度得以提高。此外，室温与元件温度的差越大，越能提高元件冷却时的控制速度，但功耗也随之增大，因此作为保持元件的温度，40至60℃的范围更为理想。
另一方面，通过将元件的保持温度设为80℃至200℃，还能够使用更为廉价的加热器。与使用珀尔帖元件的情况相比保持温度增高是因为，虽然温度上升时的控制速度与珀尔帖元件基本相同，但温度下降时的控制速度低于珀尔帖元件，因此有必要增大气温与元件温度的温度坡度(temperature gradient)。
在本实施例中，如上所述，作为环境温度监视器可以附加热敏电阻409。以下，对在本实施例中附加热敏电阻409的情况进行说明。绿色激光光源105G的动作一旦开始，热敏电阻409检测环境温度，随后，将来自LD电源104的LD电流施加于激励用LD202，使其处于能够进行绿色光输出的状态。在此，LD电流的值是，为基波输出时能够输出大约500mW、当符合相位匹配条件为绿色光时能够输出20mW的程度的电流值。在本实施例的情况下约为1A。其理由是，由于将作为启动用的绿色光设为微小的输出，因此在为二维图像显示装置的情况下，输出光不会引人注目。此时，分为由热敏电阻409检测到的环境温度低于设定值的情况和高于设定值的情况。
在环境温度低于设定值的情况下，向控制波长转换元件205a及205b的温度的珀尔帖元件207a及207b提供电流，用PWM波形的电流驱动珀尔帖元件207a及207b直到绿色光输出值成为设定值为止，因此一边增加向珀尔帖元件207a及207b供应电流的时间以提高元件温度，一边监视绿色光输出。以此方式，进行绿色光输出的峰值搜索。此外，供给珀尔帖元件207a及207b的电流波形(PWM波形)按比例受到控制，使得随着绿色光输出值接近设定值而增加OFF时间。
另一方面，在环境温度高于设定值的情况下，通过反转向珀尔帖元件207a及207b提供的电流的极性，并进行同样的动作，能够完成峰值搜索。在使用热敏电阻409的情况下，由于能够判断元件温度应比环境温度低还是高，因此没有必要预先将波长转换元件205a及205b的相位匹配温度设计在40℃至60℃这样的高于室温的温度。另外，在此情况下，需要用于极性反转的电路，由于该电路结构会引起控制速度的降低。
接着，对基于判断电路402的对波长转换元件205a及205b的温度控制进行说明。图6(A)是表示波长转换元件205a及205b的温度特性与其启动动作(start-up operation)后的波长转换元件205a及205b的温度的待机位置的关系的图。作为待机温度，被控制成为高谐波强度达到峰值时的相位匹配温度的85％至95％且低于相位匹配温度的温度(参照图中(a)所示的位置)。通过在该位置处待机，能够监视动作时的环境温度。也就是说，可知，若输出上升，则环境温度降低，若输出减少，则环境温度上升。因此，能够基于该输出值的变化来控制波长转换元件205a及205b的温度。
图6(B)表示光纤激光器201的振荡波长向长波移动时的相位匹配波长的变化，图6(C)表示光纤激光器201的振荡波长向短波移动时的相位匹配波长的变化。首先在图6(B)中，如上所述将波长转换元件205a及205b的温度控制为待机温度，在从波长转换元件205a及205b输出的绿色光达到峰值输出的85％至95％的待机位置输出绿色光时，来自光纤激光器201的基波波长一旦向长波一侧移动，绿色光的输出则如箭头(1)所示从上述待机位置移动并上升。此时，若使波长转换元件205a及205b的温度上升，则相位匹配波长相对于绿色光输出的特性曲线如箭头(2)所示从实线向虚线变化，向图中的右侧即长波一侧移动。通过该移动，如箭头(3)所示，能够恢复绿色光输出。
此外，在图6(C)中，在上述待机位置输出绿色光时，光纤激光器201的基波波长一旦向短波一侧移动，绿色光输出如箭头(1)所示从上述待机位置移动并下降。此时，若使波长转换元件205a及205b的温度下降，则相位匹配波长相对于绿色光输出的特性曲线如箭头(2)所示从实线向虚线变化，向图中的左侧即短波一侧移动。通过该移动，如箭头(3)所示，能够恢复绿色光输出。
接着，对判断电路402执行的绿色光输出值的恒定值控制进行说明。图7(A)是表示判断电路402执行的绿色光输出值的恒定值控制的处理过程的流程图。在本实施例的绿色激光光源105G中，进行控制使得从各级(波长转换元件205a及205b)射出的高谐波光(绿色光)的强度的合计值成为恒定。也就是说，进行控制使得作为来自第一级(波长转换元件205a)的绿色光输出(以下称为“G1”)和来自第二级(波长转换元件205b)的绿色光输出(以下称为“G2”)之和的G1+G2成为恒定。
具体而言，首先，在步骤S201中，判断电路402取得来自各级的绿色光输出。接着，在步骤S202中，判断电路402确认LD电源104的电流值在指定的可使用范围内，并判断绿色光输出的合计值G1+G2是否发生了变动，如果合计值G1+G2未发生变动，将处理返回至步骤S201。另外，对于轻微的变动，判断电路402通过LD电源104调整激励用LD202的驱动电流，从而调整合计值G1+G2的强度。由此，进行保持合计值G1+G2的强度恒定的APC控制。
另一方面，在脱离了通过APC控制能够应对的范围的情况下，在步骤S203中，从APC控制转至ACC(自动电流控制)控制，适用使合计值G1+G2恒定的控制循环。进行该判断之后，在步骤S204中，基于从各级取得的绿色光输出值对适用的算法(algorithm)(子程序(subroutine))进行判断。
图7(B)表示在步骤S204中使用的判断标准。首先，在G1增加、G2减少的情况下，作为合计值G1+G2的变动的原因，认为是第一级的元件温度下降。相反，在G1减少、G2增加的情况下，认为其变动是因仅第一级的元件温度上升，或者由于吸收光而造成的元件发热所致。在G1增加、G2恒定的情况下，认为是因第一级的元件温度下降，并且第二级的元件温度上升所致。相反，在G1下降、G2恒定的情况下，认为是因第一级的元件温度上升，第二级的元件温度下降所致。在以上的情况下，由于需要将第一级的元件温度与第二级的元件温度向相反方向进行修正，因此执行算法1的子程序A，保持合计值G1+G2恒定。
在G1、G2都上升或下降的情况下，作为合计值G1+G2的变动的原因，认为是环境温度发生了变化，或者光纤激光器201的基波激光的波长发生了变化。在此情况下，由于需要将第一级的元件温度与第二级的元件温度向相同方向进行修正，因此执行算法2的子程序B，保持合计值G1+G2恒定。
在G1为恒定、仅G2发生了变动的情况下，作为合计值G1+G2的变动的原因，认为是第二级的元件温度发生了变动。在此情况下，仅修正第二级的元件温度便可，因此执行算法3的子程序C，保持合计值G1+G2恒定。
以下，对各算法1至3的子程序A至C的处理进行说明。图8是用于说明算法1的子程序A的处理的流程图。算法1的子程序A是第一级的输出值增减与第二级的输出值增减相反地变动的情况的程序。因此，在分别确认第一级与第二级的各输出值G1及G2的同时进行波长转换元件205a及205b的温度调节。
在图8中，首先，根据G1的值是上升还是下降，控制流向波长转换元件205a的珀尔帖元件207a的电流量。具体而言，通过操纵PWM信号发生器404的波形(ON/OFF时间)，使平均电流量增减。也就是说，当G1值上升时(步骤S303)，使流往第一级的珀尔帖元件207a的电流量增加，加热波长转换元件205a。另一方面，当G1值下降时(步骤S301)，使流往珀尔帖元件207a的电流量减少，冷却波长转换元件205a。由于在上述步骤S301及303中的元件温度变动时发生过度(overshoot)，所以在步骤S302及304中，通过将G1输出反馈给流往激励用LD202的电流值，来抑制输出变动。
接着，在步骤S305中，判断合计值G1+G2是否恢复，若恢复则返回图7(A)的主程序，若未恢复则进行第二级的元件温度的控制。
在第二级的元件温度的控制中，根据合计值G1+G2是大于还是小于希望恢复的值，控制流向第二级的珀尔帖元件207b的电流量。在合计值大于希望恢复的值时(步骤S308)，使流往第二级的珀尔帖元件207b的电流量增加，加热波长转换元件205b。另一方面，在合计值小于希望恢复的值时(步骤S306)，使流往珀尔帖元件207b的电流量减少，冷却波长转换元件205b。由于在上述步骤S306及308中的元件温度变动时发生过度，所以在步骤S307及309中，通过将合计值G1+G2反馈给流往激励用LD202的电流值，抑制输出变动。
最后，在步骤S310中，将相对于执行子程序A之后的合计值G1+G2的流往激励用LD202的电流值与绿色激光光源105G的启动时的初始电流值进行比较，若其差在设定范围内则返回主程序，若不在该范围内则再次执行算法1的子程序A。
图9是用于说明算法2的子程序B的处理的流程图。算法2的子程序B是第一级的输出值增减与第二级的输出值增减以相同方向变动的情况的程序。因此，对于第一级与第二级的各输出值G1及G2，以相同方向(温度上升/降低)进行波长转换元件205a及205b的温度调节。
在图9中，首先，根据G1及G2是同时增加还是同时减少，控制流向第一级及第二级的珀尔帖元件207a及207b的电流量。当G1及G2同时上升时，在步骤S405中，使流往第一级的珀尔帖元件207a的电流量增加，加热波长转换元件205a。由于在步骤S405中的元件温度变动时发生过度，所以在步骤S406中，通过将G1输出反馈给流往激励用LD202的电流值，抑制输出变动。
接着，在步骤S407中，使流往第二级的珀尔帖元件207b的电流量增加，加热波长转换元件205b。由于在步骤S407中的元件温度变动时发生过度，所以在步骤S408中，通过将G2输出反馈给流往激励用LD202的电流值，抑制输出变动。
另一方面，当G1及G2同时下降时，在步骤S401中，使流往第一级的珀尔帖元件207a的电流量减少，冷却波长转换元件205a。由于在步骤S401中的元件温度变动时发生过度，所以在步骤S402中，通过将G1输出反馈给流往激励用LD202的电流值，抑制输出变动。
接着，在步骤S403中，使流往第二级的珀尔帖元件207b的电流量减少，冷却波长转换元件205b。由于在步骤S403中的元件温度变动时发生过度，所以在步骤S404中，通过将G2输出反馈给流往激励用LD202的电流值，抑制输出变动。
最后，在步骤S409中，将相对于执行子程序B之后的合计值G1+G2的流往激励用LD202的电流值与绿色激光光源105G的启动时的初始电流值进行比较，若其差在设定范围内则返回主程序，若不在该范围内则再次执行算法2的子程序B。
图10是用于说明算法3的子程序C的处理的流程图。算法3的子程序C是仅修正第二级的温度以对应输出变动时的程序。
在图10中，首先，当G2值上升时，在步骤S503中，使流往第二级的珀尔帖元件207b的电流量增加，加热波长转换元件205b。另一方面，当G2值下降时，在步骤S501中，使流往珀尔帖元件207b的电流量减少，冷却波长转换元件205b。由于在上述步骤S501及503中的元件温度变动时发生过度，所以在步骤S502及504中，通过将G2输出反馈给流往激励用LD202的电流值，抑制输出变动。
接着，在步骤S505中，将相对于执行子程序C之后的合计值G1+G2的流往激励用LD202的电流值与绿色激光光源105G的启动时的初始电流值进行比较，若两者之差在设定范围内则返回主程序，若不在该范围内则再次执行算法3的子程序C。
在上述的各算法1至3的子程序A至C的处理中，作为波长转换元件205a及205b的待机温度，被控制成为高谐波强度达到峰值时的相位匹配温度的85％至95％且低于相位匹配温度的温度(图6(A)的(a)所示的位置)。然而，由于波长转换元件205a及205b急剧的温度变化，会导致波长转换元件205a及205b的温度越过峰值而到达图6(A)的(b)所示的位置，脱离启动动作后的待机位置。在此情况下，在本实施例中执行越峰恢复动作(over-the-peak return operation)。例如，在上述的子程序A至C中的步骤S310、S409及S505中，当相对于合计值G1+G2的流往激励用LD202的电流值与绿色激光光源105G的启动时的初始电流值的差，在以指定的次数N执行了各子程序A至C后仍未落入设定范围内时，可以执行越峰恢复动作。
图11表示用于说明越峰恢复动作的处理的流程图。在越峰恢复动作中，使波长转换元件205a及205b的各珀尔帖电流增加(步骤S601)，为了避免过度(overshoot)，一边使合计值G1+G2反馈至流往激励用LD202的电流值(步骤S602)，一边将相对于合计值G1+G2的流往激励用LD202的电流值与绿色激光光源105G的启动时的初始电流值进行比较(步骤S603)，若较低则通过返回步骤S601而逐渐地进行越峰，在变高的时刻则转向图7(A)的主程序，向待机位置的越峰恢复动作结束。
图12是以时间顺序表示作为用本实施例所示的输出恒定值控制的程序进行控制的一个例子的环境温度上升、绿色光输出下降时的各值的图。图12中，在时刻t1环境温度发生了变化时，与此相伴，由于光纤激光器201的光纤光栅204b的变化，基波波长向长波一侧移动。由于让波长转换元件205a及205b的温度快速地追随该基波波长的变化比较困难，所以在时刻t1暂时使激励用LD202的电流增加，保持绿色光输出恒定。与波长转换元件205a及205b的温度上升相适应，流往激励用LD202的电流值返回至正常值。由于在时刻t2附近会出现波长转换元件205a及205b的温度过度，因此在此情况下也能够通过暂时操纵流往激励用LD202的电流值而保持绿色光输出恒定。
根据本实施例，由于没有必要象以往的结构那样以0.01℃的精度进行元件温度的监视，无须频繁地取得温度，因此能够使控制电路及控制程序简化。此外，通过波长转换元件附近的热设计，能够防止脱离恒定值控制的“热失控(thermal run-away)”。此外，在本实施例中，作为温度的指标，由于利用了绿色光输出，因此能够进行更高精度的温度控制，并且通过相互监视绿色光输出和供给激励用LD的电流，几乎不会发生绿色光的输出变动，从而能够进行绿色光输出的恒定值控制。
尤其是，对于以由光纤光栅决定振荡波长的光纤激光器发出的激光为基波的波长转换装置是有效的。
在本实施例中，对以Yb光纤激光器为基波光源、利用波长转换元件得到的绿色光源进行了描述，但只要是同样由光纤光栅决定基波光源的波长、将具有极化反转结构的MgO:LiNbO₃元件作为波长转换元件来使用的光源，就能以同样的结构使480nm至600nm左右的可见光稳定。
(第二实施例)
接着，对本发明的第二实施例进行说明。本实施例是将包含Mg、In、Zn、Sc中的至少其中任何之一的添加物的LiNbO₃晶体或者LiTaO₃晶体作为波长转换元件来使用，并且产生超过1W的绿色光的情况的例子。
发明人研究的结果是，确认了在将包含Mg、In、Zn、Sc中的至少其中任何之一添加物的LiNbO₃晶体或者LiTaO₃晶体作为波长转换元件来使用，并且产生超过1W的绿色光的情况下，波长转换元件的元件温度与产生的高谐波强度的关系与上述的图6(A)中所示的关系不同。图13是表示本实施例的波长转换元件的温度特性与其启动动作后的波长转换元件的温度的待机位置的关系的图。
如图13所示，在约数mW的低输出波长转换时，相位匹配温度附近的波长转换元件的温度特性L1与上述的图6(A)相同，以相位匹配温度为中心，高温侧与低温侧对称。但是，在将上述的非线性光学晶体作为波长转换元件使用，并且从红外光取得超过1W的绿色光的情况下，则发生由作为红外光和绿色光的和频产生的紫外光造成的绿色光吸收，在波束路径(beam path)内产生发热。因此，波束路径的温度和用于元件的温度控制的珀尔帖元件(加热器)的温度产生温度差，使高谐波强度为最大的珀尔帖元件(加热器)的温度向低温侧移动。此外，产生的绿色光输出越多，向低温侧的移动量越大。因此，例如在将MgO:LiNbO₃作为波长转换元件来使用，设元件长为25mm时，绿色最大输出达到2W的高输出波长转换时的波长转换元件的温度特性L2中，珀尔帖最佳温度的高温侧的坡度与低温侧的坡度相比变得较为平缓。此时，与在珀尔帖最佳温度的低温侧的位置(a)处待机的情况相比，通过在高温侧的位置(b)处待机，能够将相对于温度变化的输出变动减轻约64％。
根据以上所述，在上述的第一实施例中，在将包含Mg、In、Zn、Sc中的至少其中任何之一的添加物的LiNbO₃晶体或者LiTaO₃晶体用于波长转换元件，并且产生超过1W的绿色光的情况下，在珀尔帖最佳温度的高温侧进行上述第一实施例的控制是较为理想的。但是，通过待机位置从相位匹配温度的低温侧的位置(a)变为高温侧的位置(b)，流至珀尔帖元件的电流量的增减变得与上述第一实施例相反，这一点自不待言。
此外，在本实施例中，对于以红外光为基波，向作为第二谐波的绿色光的转换，描述了本发明的效果，但可知，一般而言，被添加了Mg、Zn、Sc、In等的LiNbO₃晶体或者LiTaO₃晶体，通过波长为400nm以下的紫外光来吸收波长为400nm至800nm的可见光。也就是说，在入射波长为800nm至1200nm的基波，产生其第二谐波时，作为基波与第二谐波的和频而产生的第三谐波引起该第二谐波的吸收。此外，在入射波长为400nm至800nm的基波，产生其第二谐波时，第二谐波引起基波的吸收。此外，在入射波长为1200nm至1600nm的基波，产生其第二谐波时，也由于从第二谐波进行了波长转换的第四谐波引起第二谐波的吸收，因此，本发明的效果同样得以发挥。此外，在入射波长为1200nm至2000nm的基波，产生第四谐波时，作为基波与第四谐波的和频而产生的第五谐波引起该第四谐波的吸收，同样，在入射波长为1200nm至2000nm的基波，产生第二谐波和第三谐波这两者时，作为第二谐波与第三谐波的和频而产生的第五谐波引起第三谐波的吸收。因此，在这些情况下，本发明的效果也得以发挥，这一点自不待言。
此外，除了上述的情况之外，如果通过在LiNbO₃晶体中添加Er、Nd而使紫外光的产生减少，则也能够提高绿色光吸收率，从而本发明的效果得以发挥。也就是说，在入射基波并转换为其高谐波时，在高谐波的吸收率超过基波的吸收率的所有情况下，在相位匹配温度的高温侧处的控制是较为理想的。此外，在基波的吸收率超过高谐波的吸收率的情况下，在珀尔帖最佳温度的低温侧进行控制是较为理想的，这一点自不待言。此外，这些在波长转换元件只有一个的具有一级结构的波长转换装置中也是有效的。
(第三实施例)
接着，对本发明的第三实施例进行说明。图14是表示判断电路402执行的绿色光输出值的其他恒定值控制的处理过程的流程图。在本实施例中，与上述的第一实施例相同，使用图4所示的波长转换装置，设相位匹配温度为比室温高的温度。
首先，作为绿色激光光源105G的启动动作，将来自LD电源104的驱动电流和来自PWM信号发生器404的珀尔帖电流量都设为最大。通过珀尔帖电流量的急剧增大，来急剧加热波长转换元件205a及205b。在此，急剧加热波长转换元件205a及205b是为了缩短图1的二维图像显示装置的启动时间。在确认了G1、G2值超过预先设定的阈值后，结束启动动作。在此，阈值输出为所期望的绿色输出的约20％至80％是较为理想的。
结束了启动动作后，作为通常动作执行图14所示的主程序。如图14所示，判断电路402在步骤S701取得各级的绿色光输出，在步骤S702，判断电路402确认LD电源104的电流值处于指定的可使用范围内，并判断绿色光输出的合计值G1+G2是否发生了变动，如果合计值G1+G2未发生变动，对激励用LD202的驱动电流进行APC控制，珀尔帖电流量继续受到恒定值控制。
另一方面，在脱离了通过APC控制能够应对的范围时，在步骤S703中，从APC控制转至ACC控制，进入元件温度恢复程序。在元件温度恢复程序中，按照G1、G2的顺序进行以下动作，进行向相位匹配温度的恢复。
首先，激励用LD202的驱动电流被切换到ACC控制，一边增加珀尔帖电流量，一边基于每个增加电流量△I的输出值变化，在最近三次的输出值，如图15(A)所示为单调增加的情况下，增加珀尔帖电流量直到绿色光输出恢复到允许范围为止，。另一方面，如图15(B)及(C)所示，在此之外的情况下，减少珀尔帖电流量直到绿色光输出恢复到期望值为止。确认通过上述的动作G1及G2的输出值均已达到期望值，返回主程序。
在此，作为返回主程序的判断标准的所期望的绿色光输出，在激励用LD202的驱动电流已从ACC控制返回到APC控制时，激励用LD202的驱动电流至少必须到达允许范围内。
在本实施例中，与上述的第一实施例相比，待机位置的转换效率提高，平均波长转换效率提高。
(第四实施例)
接着，对本发明的第四实施例进行说明。在本实施例中，描述使用上述第一至第三实施例的光输出稳定机构的二维图像显示装置中的R、G、B光源各自的控制方法。本实施例的二维图像显示装置的结构与图1所示的相同。
在本实施例中，红色激光光源105R的温度特性对环境温度变化敏感。图16(A)表示，作为红色激光光源105R的温度特性的一个例子以保持LD的LD保持部的温度为参数的、激光输出相对于施加电流的变化。如图16(A)所示，随着LD保持部的温度上升，阈值电流逐渐上升。然而，虽然到35℃为止能够输出作为额定输出的500mW，但在超过了40℃时则变得无法输出额定输出，在45℃时停止振荡。若使用具有应变量子阱结构(strainedquantum-well structure)、LD保持部的温度为25℃时在635nm至640nm的波长以TM偏振进行振荡的LD，该倾向较为显著。虽然通过使用LD保持部的温度为25℃时在640nm至650nm的波长以TE偏振进行振荡的LD，能够避免该问题，但由于与635nm相比可见度变为约60％，所以存在相应的需要较多的激光输出这一缺点。
图16(B)是表示红色LD的振荡波长与LD保持部的温度的关系的图。可以看出，随着LD保持部的温度发生变化，振荡波长以约3.3nm/K上升。这意味着在将这样的红色LD用于二维图像显示装置时，存在随着红色LD的温度上升，用于获得白色的其他颜色(绿色、蓝色)的比例即白平衡(white balance)发生变化，从而显示的颜色发生变化的问题。以前，是通过以高精度控制LD的温度而解决了该问题。但在该方法中，在温度的调整过程中白平衡会出现偏差，显示的图像会发生劣化。
在本实施例中，采用这样一种结构，即取得红色LD的温度，判断振荡波长和可产生的输出，进行白平衡的计算，向LD电源104发送电流输出的命令。图17(A)表示本实施例中的红色激光光源105R的结构。如图17(A)所示，在本实施例的红色激光光源105R中，设置取得保持红色LD512的LD保持部(珀尔帖元件)513的温度的热敏电阻508。控制器510包括：对由用来监视输出的红色光的光敏二极管515发送的电压信号进行信号转换的A/D转换器501、主要由微计算机构成的判断电路502、用于生成LD电流值信号的D/A转换器503、发送作为对珀尔帖元件513的控制信号的PWM信号的PWM信号发生器504、用于设定供给红色LD512的电流值与输出值的关系的电流—输出值设定表505、在控制时暂时存储电流及输出值的第一寄存器506、以及存储工厂出货时的各设定值的第二寄存器507。必需的光量由作为外部信号的光量控制信号决定。
图17(B)表示用于说明红色LD512的监视动作时的处理的流程图。红色LD512的动作开始后，在步骤S801，开始LD保持部513的温度调节。随后，判断电路502在步骤S802取得LD保持部513的温度。在步骤S803，参照以LD保持部513的温度和存储在控制器510的第一寄存器506中的温度为参数的电流—输出值表505，判断电路502对红色LD512的振荡波长及可能产生的输出进行判断。
在上述的步骤803判断的红色LD512的振荡波长及可能产生的输出，在步骤S804被发送至图1的图像处理部102，进行白平衡的判断，并设定实际由LD发出的作为输出指示的输出值。接着，在步骤S805，该输出值被发送至LD电源511，红色LD512实际发光。
在以往的技术中，即使在LD发光的过程中输出光的强度也因环境温度而时刻发生变化，因此在象以往那样的温度恒定值控制中，存在来不及控制的问题，但在本实施例的情况下，根据每个瞬间的红色LD512的温度计算输出可能值，因此能够避免来不及控制的问题。此外，在红色LD512的温度突发性地增高、红色光的输出值减小的情况下，画面上的明暗变化增大，因此在向通常的亮度恢复时逐渐进行恢复是较为理想的。作为恢复的方法，可以使用后面描述的光控制功能。
图18(A)至(C)表示用于取得白平衡的控制器510的电流—输出值表505的一个例子。图18(A)表示红色LD的情况的一个例子。在电流—输出值表505中存储的内容以各温度下用于取得输出上限值的电流值为多少的形式加以存储。在即使施加了电源电路能够产生的电流值也得不到输出上限值的情况下(图中40℃、45℃的情况)，记录用电流上限值能够得到的最大输出值。即，对每个温度存储图中的涂黑部分的值。这样的表分别做成绿色激光用(图18(B))、蓝色激光用(图18(C))，存储在控制器510的电流—输出值表505中。
此外，在图像处理部102中，存储能够取得白平衡的来自红色激光光源105R、绿色激光光源105G及蓝色激光光源105B的必要输出值，每种颜色无论为什么输出值都能取得白平衡。图19表示相对于各种颜色的输出的能够取得白平衡的比率的曲线。这样，由于白平衡的曲线能够用三维空间中的某条曲线来表示，因此，只要知道任一种颜色的光输出值，便能够唯一地确定剩余的两种颜色的需要光量。此外，在各种颜色的LD发生经年劣化，相对于施加电流值的光输出值变小的情况下，能够增加对LD的施加电流量以进行应对。
在由于LD的经年劣化而不得不增加施加电流量的情况下，通过更新图18(A)至(C)所示的表的电流值来进行应对。在由于LD周围的温度较高或LD的经年劣化等原因，即使施加了能够施加给LD的最大电流值也得不到最大输出值的情况下，配合输出最为不足的光源来取得白平衡。
在按照以上方式取得白平衡的同时，还能够实现配合图像信号的亮度信号来调整来自光源的光量的被称为所谓光控制(light control)或动态光圈(dynamic iris)的光量控制功能。图20(A)至(C)表示本实施例中的将根据某一种颜色的光输出最大值取得白平衡的方法应用于光控制的例子。图20(A)表示在取得白平衡时，用来自红色LD的红色输出最大值限制其他两种颜色的输出的情况。在此，对用8比特进行光控制，并且使电流值线性变化以使光量发生变化的情况进行所明。当红色输出最大值被确定，配合该红色输出降低绿色输出及蓝色输出以取得白平衡。此外，可以将从光量0到能取得白平衡的光量达到最大的点的输出值分为8份，配合图像的亮度信号来调整光量。图20(B)及(C)表示在其他颜色的光源受到光量限制时来自各个激光光源的输出动态。
除了基于线性控制激光光源的光控制之外，在分时控制(time-shared control)点亮时间的PWM控制中也同样能够实现光控制功能。如果是PWM控制，由于只要取得光量的最大值，就可以仅对点亮时间进行时间分割而无须每次计算分割的值，因此大幅地简化了控制器510的计算。
在进行光控制时，光量为0的点的施加电流值在各激光光源的振荡阈值以上是较为理想的。其理由是，在跨越振荡阈值使电流值急剧变动的情况下，会产生较大的浪涌电流(inrush current)，有可能破坏LD。
在上述的第一至第四实施例中，采用了使用透过型液晶元件的空间调制元件，当然也可以采用使用微反射元件(micro-reflecting element)的调制元件或使用检流镜(galvanomirror)、机械微开关(MEMS)的二维调制元件，通过让平面上的导光机构引导光从大型液晶面板的后面进行照明，也可以作为背光来使用。
在上述的第一至第四实施例中，光纤激光器也可以使用从其他的稀土类元素、例如Nd、Er等中选择的至少一种稀土类元素，但使用添加了作为稀土类元素的Yb的光纤的光纤激光器具有因增益较大，1030nm至1150nm的振荡波长范围非常宽，从而能够在各种光源中使用的特征，是非常理想的。此外，也可以根据波长转换装置的波长和输出，改变稀土类元素的添加量，或者添加多种稀土类元素。
在上述的第一至第四实施例中，光纤激光器的激励用LD中使用波长为915nm及波长为976nm的激光器，但只要能够激励光纤激光器，也可以使用这些波长之外的激光光源。
在上述的第一至第四实施例中，波长转换元件使用了周期极化反转MgO:LiNbO₃，但也可以使用其他材料或结构的波长转换元件，例如具有周期性极化反转结构的磷酸钛氧钾(KTiOPO₄:KTP)或Mg:LiTaO₃等。
根据上述的第一至第四实施例中的波长转换装置，对于在具有多个波长转换机构的波长转换装置中所得到的绿色光输出，通过分别对波长转换元件的温度和供给激励用LD的电流进行控制，利用供给激励用LD的电流来补偿在进行波长转换元件的温度调节的期间的输出变动，由此，与将波长转换元件的温度控制为恒定值的所谓“恒定值控制”的情况相比，能够减小绿色光的输出变动。
以前，必须以0.01℃的精度进行元件温度的监视，控制电路及控制程序被复杂化，此外，根据波长转换元件附近的热设计，有时还会发生脱离恒定值控制的“热失控”，但根据上述的第一至第四实施例中的波长转换装置，由于将绿色光输出作为温度的指标来使用，因此能够进行更高精度的温度控制，并且通过与供给激励用LD的电流相互进行监视，几乎不会产生绿色光的输出变动，从而能够使绿色光输出的恒定值控制成为可能。
(第五实施例)
接着，对本发明的第五实施例进行说明。图21是表示本实施例的波长转换装置的结构的图。在图21中，由泵浦用LD1101激励在其内层部分添加了作为稀土类的Yb的双包层偏振保持光纤1103(在本实施例的情况下，光纤长为10m)，在包含一组光栅1102及1104的共振器内使激光产生振荡。由于通过使用添加了Yb的双包层偏振保持光纤1103，操纵光纤光栅1102及1104的特性，能够任意振荡1050～1170nm的光，在显示器应用方面较为理想，因此选择了该激光活性物质。
在本实施例的情况下，作为泵浦用LD1101，使用振荡波长为915nm的单发射激光二极管(3个，最大输出为8W)。光纤光栅1102作为在双包层偏振保持光纤1111的内层部分添加锗，以提高对紫外光的灵敏度而形成光栅的偏振保持光纤而形成，具有中心波长为1070nm、反射波谱半值宽度为1nm、反射率为98％的特性。此外，光纤光栅1104作为在一般的单模偏振保持光纤1112(内层直径为6μm，包层外形为125μm)的内层部分添加了相同的锗的光纤而形成，使用中心波长为1070nm，反射波谱半值宽度为0.09nm，反射率为10％的光纤光栅。虽然通过增大光纤光栅1104的反射率，能够使添加稀土类的双包层偏振保持光纤1103的长度变长，但特性的改善有限，不能说是有效的对策。此外，在波长转换用途中窄带域比较重要，但存在增大反射率会使光纤光栅1104的窄带域化变得困难的问题。偏振器(polarizer)1105用于通过增大一侧的偏振成分的激光共振器内损失而使振荡的光的偏振变为单一偏振(直线偏振)。变为直线偏振的理由是，SHG模块(module)1108a及1108b内的波长转换晶体仅对一个偏振成分进行波长转换。随后，振荡的1064nm附近的光通过传播光的光偏振保持光纤而被导入SHG模块1108a及1108b，通过第二谐波发生器而产生532nm的光。由于在添加Yb的包层泵浦光纤1103与偏振器1105之间，存在添加稀土类的双包层偏振保持光纤1111与一般的单模偏振保持光纤1112的连接部分1110，并会导致光纤劣化，因此设置泵浦光发散吸收机构1109。在本实施例中，关于光纤光栅1102的保持方法，提出新的方案。
另外，本实施例中的波长转换装置与上述的第一至第四实施例相同，具有两个SHG模块1108a及1108b，构成所谓的二级结构。两个SHG模块1108a及1108b与控制器1113连接，对来自两个SHG模块1108a及1108b的输出值的合计值进行恒定值控制。
接着，对本实施例中的光纤光栅1102的保持方法进行说明。在输出超过1W、由光纤光栅决定振荡波长的光纤激光器中，已经明确，由于靠近激励光用激光二极管的双包层光纤光栅本身发热，反射特性发生变化，因此使激光振荡变得不稳定。具体而言，存在引起输出的降低、振荡波长谱发生劣化，在作为波长转换激光光源的基波使用时输出大幅变动的问题。图22是绘制出以激励用LD的电流为横轴时的来自光纤激光器的光输出的所谓I-L曲线，可以看出，在输出超过7.5W之处输出降低。对该输出降低的电流值附近的输出光的波长谱进行了观察，其结果，如图23(A)所示，峰值分裂。此外，可知如图23(B)所示，有时观察到峰值移动、或者在峰值移动的同时峰值分裂。此外，还可知，观察到这些现象的输出值是在来自光纤激光器的光输出为2W以上时观察的。
对该现象进行了分析，其结果表明，由于光纤本身在与环境温度无关而通过较强的激励光被局部加热时膨胀，在光纤光栅部产生的应力成为原因，使反射特性发生变化，从而发生该现象。该现象与环境温度的变动没有关系，因此使用以往的温度补偿装置难以避免。在利用基于温度调节的温度控制的情况下，由于是局部发热，所以难以将温度保持恒定，而在使用珀尔帖元件时，电力消耗大幅增加。
图24(A)是本实施例的双包层光纤中形成的光纤光栅的保持部的示意图，图24(B)是图24(A)的A-A’部的剖视图，图24(C)是图24(A)的B-B’部的剖视图。将形成有光纤光栅1402的双包层光纤1401的一端用粘合剂1405直接固定在保持部件1403上，而另一端经由套筒1404用粘合剂1405加以固定。粘合剂1405使用折射率为1.39的UV硬化树脂。在保持部件1403上设有沟或凹部，使光纤光栅1402与保持部件1403不接触。由于光纤光栅1402与保持部件1403接触，会导致发生如上述的图23(A)及(B)所示的波长谱的异常，因此设置这样的凹部。
通过将光纤1401的一端经由套筒1404加以固定，光纤1401能够自由移动。也就是说，通过使光纤光栅1402的一端为固定端，另一端为自由端，即使在光纤1401因热而发生膨胀的情况下，也由于光纤1401本身能够自由伸展，所以应力不会作用于光纤光栅1402，从而能够避免光纤光栅1402的反射特性异常。
此外，光纤1401采用双包层光纤，这是因为用较强的激励光强度激励激光(强激励)时，成为该问题的现象会显著地出现。当然，使用通常的单包层光纤也能取得效果，但应用双包层光纤能取得更大的效果。
此外，为了使光纤1401自由收缩，较为理想的是使光纤1401的固定端如图25所示为添加Yb的光纤1103侧。
此外，较为理想是光纤光栅1402为无涂敷的光纤(不进行所谓的再次涂敷的状态)。
此外，较为理想的是，安装后，为了防止尘埃附着在光纤光栅1402上，设置覆盖保持部件1403整体的盖部。
在本实施例中，为保持光纤1401的自由端而设置了套筒1404，但不必一定是套筒，重要的是为光纤1401能够自由收缩的结构。
图26表示使用本实施例的光纤光栅保持部件时的光纤激光器的I-L特性。不存在如上述的图22那样的输出降低，取得了良好的特性。此外，在波长谱中，如图27所示，也完全观察不到峰值的分裂。
图28表示将使用了本实施例的光纤光栅保持部件的光纤激光器所发出的光作为基波，进行第二谐波产生的结果。在波长转换元件中，使用了极化反转铌酸锂元件，该波长转换元件由珀尔帖元件进行温度管理。其结果，对于8W的基波输入能够确认3W以上的绿色光产生。如果具有该程度的功率，则能构成1000lm以上的正投影仪(front projector)，从而能够构成实用的显示器。
此外，在本实施例中，使用了板状的保持部件，但如图29所示，使用圆筒状的保持部件1403当然也是可以的。在图29中，为了实现自由端，光纤1401通过套筒1404而固定，但只要使光纤光栅1402与保持部件1403不接触，不使用粘合剂等固定而处于完全自由的状态，也能取得同样的效果。
(第六实施例)
接着，对本发明的第六实施例进行说明。本实施例是将上述的第五实施例的光纤光栅保持部件应用于仅使用一个光纤光栅的波长转换装置中的例子。图30是表示本实施例中的波长转换装置的结构的图。在图30中，本实施例的波长转换装置2021包括光纤激光器2022、将从光纤激光器2022射出的基波2023转换为高谐波输出2024的波长转换元件2025a及2025b。
另外，本实施例中的波长转换装置与上述的第一至第四实施例相同，具有两个波长转换元件2025a及2025b，构成所谓的二级结构。两个波长转换元件2025a及2025b与控制器2037连接，对来自两个波长转换元件2025a及2025b的输出值的合计值进行恒定值控制。
光纤激光器2022包括用图30的虚线包围起来的部件。主要的结构要素为：向光纤2026射入激励光2027的激光光源2028；包括包含激光活性物质、一部分形成光纤光栅2029的光纤2026的激光共振器；以及在波长转换元件2025a及2025b的方向抽取光纤2026射出的基波2023的抽取镜2030。包括光纤2026的激光共振器，以光纤光栅2029和形成在光纤2026的端面的第二反射面2033为一组反射面，对基波2023进行放大后射出。
即，光纤激光器2022包括：输出射入光纤2026的激励光2027的激光光源2028；在内部形成有选择基波的波长并反射基波的光纤光栅2029的光纤2026，以及将作为输出的基波2023导向波长转换元件2025a及2025b的抽取镜2030。抽取镜2030具有让激励光2027透过将激光光源2028与光纤2026结合，并且反射从光纤2026射出的基波2023将其导向波长转换元件2025a及2025b的功能。通过将光纤光栅2029作为光纤激光器2022的激光共振器的一个反射面来应用，能够选择任意的反射中心波长，能够任意选择振荡中心波长，此外能够产生波长转换元件2025a及2025b所需要的波长带域为0.05nm至0.2nm的基波。在使用电介质多层膜的反射镜中，设置该带域较为困难，在使用电介质多层膜这样的带域较宽的反射面的情况下，以光纤的增益高的振荡波长进行振荡(以容易振荡的振荡波长进行振荡)，因此任意选择波长也较为困难，成为振荡波长变得不稳定的原因。
此外，设置将激光共振器封闭在光纤2026内的系统，能够抑制因来自外部的尘埃或反射面的失准等增加共振器的损伤而造成的输出随时间经过而降低和输出变动。
接着，对光纤激光器2022的基本的激光器动作进行说明。在图30中，来自抽头型激光光源2028的激励光2027，在附属于激光光源2028的光纤2031中传播后，以被准直透镜2032a转换为平行光的状态透过抽取镜2030。进而，激励光2027通过聚光透镜2032b而被聚光后，从光纤2026的第二反射面2033射入光纤2026。入射的激励光2027一边被光纤2026中包含的激光活性物质吸收，一边在光纤2026中传播。激励光2027通过光纤光栅2029后，被第一反射面2034反射而在光纤2026中进行返回，一边被激光活性物质吸收一边传播，在到达第二反射面2033之前，经过一次往返几乎全部被激光活性物质吸收而消失。以前，由于激励光在光纤内仅沿一个方向边传播边被吸收，因此放大基波的增益随着激励光沿着传播的方向行进而逐渐减少。，而在本实施例中，由于激励光2027在光纤2026内返回，经过一次往返而被吸收，因此放大基波的增益与以前相比在光纤2026内均匀变高。
本实施例中，在激励光2027在光纤2026中进行一次往返而几乎全部被吸收，放大基波的增益在光纤2026内均匀变高的状态下，在光纤2026的内部产生基波2023的种光。该基波的种光，以光纤2026的第二反射面2033和光纤光栅2029为激光共振器的一组反射面，一边在该激光共振器中得到放大、强度增加，一边多次来回反射从而达到激光振荡。
本实施例所使用的光纤2026采用了例如能够传播高输出的激励光2027的双包层的偏振保持光纤。因此，激励光2027在光纤2026的内层和内侧包层的比较大的区域中传播，被光纤2026中包含的激光活性物质吸收。此外，由于能够在较大的区域中传播，所以也能够利用高输出的激励光2024。
从光纤2026输出的基波2023从第二反射面2033射出后，通过聚光透镜2032b被转换为平行光并到达抽取镜2030。在抽取镜2030的表面上形成有波长选择用的多层膜2035。由于多层膜2035具有让激励光2027的波长的光透过，让基波2023的波长的光反射的结构，因此，基波2023在被抽取镜2030的多层膜2035反射后被导向波长转换元件2025a及2025b。
在本实施例中，抽取镜2030作为窄带域透过滤光器(transmission filter)的结构，相对于激励光2027以例如40度至50度的角度插入是较为理想的。以40度至50度插入是为了使被抽取镜2030反射的激励光2027的一部分不会返回到激光光源2028，并使从光纤激光器2022射出的光与从波长转换元件2025a及2025b射出的光路能够呈直角，从而在模块化的情况下能够更加紧凑。在为了防止激励光2027的一部分返回到激光光源2028或从滤光器的透过特性而加以考虑的情况下，也可以以80度左右的角度插入。此外，也可以与抽取镜2030分开将窄带域透过滤光器插入到抽取镜2030与准直透镜2032a之间。
若采用这样的结构，例如，在光纤2026采用Yb添加光纤的情况下，能够使透过滤光器的透过波长与915nm或976nm的Yb添加光纤的吸收峰值波长相符。并且，只具有以透过波长的915nm或976nm为中心2nm至3nm的窄带域的半值宽度。在激励光2027成为这样的窄带域的光后，透过抽取镜2030并射入光纤2026时，激励光2027的一部分被作为光纤2026的端面的第二反射面2033反射。被反射的激励光2027的一部分在相同的光路上逆向行进而返回到激光光源2028，激光光源2028的振荡波长被作为该返回的激励光2027的一部分的窄带域的光锁定。原本激励用激光光源2028是多模振荡，因此具有比较宽的5nm以上的波长半值宽度，但以此方式使用透过型滤光器等将波长锁定在窄带域的光学部件后，则成为波长半值宽度为2nm至3nm的窄带域的激光光源。由于这样的效果，激励光2027的波长的半值宽度变小，除了激光光源本身的效率提高之外，激励光2027被光纤激光器2022更有效地吸收，从激励光2027到基波2023的光输出的转换能以更高的效率实现。此外，由于吸收效率变高，能够使光纤长度变得更短，因此若在产生1030nm以下的波长时加以使用，则能够制作更高效率的光纤激光器。另外，此时，较为理想的是设激励光2027在作为光纤2026的端面的第二反射面2033的反射率至少约为3％至8％，关于激励用激光光源2028的发射宽度(emitter width)，由于振荡的模式的数目较少时容易进行波长锁定，所以较为理想的是50μm至200μm，更为理想的是大约50μm至100μm。
此外，波长转换元件2025a及2025b固定在温度调节机构(珀尔帖元件和热敏电阻)2038a及2038b上，由控制器2037进行控制。此外，激励用激光光源2028由LD电流源2039进行驱动。
另外，在本实施例的波长转换装置2021中，将光纤2026的长度设为以前的一半左右。当激励光在端面返回，被光纤2026全部吸收时，基波光的振荡输出与上述的第五实施例的情况相比增加10％左右。在本实施例的情况下，激励光2027在第一反射面2034处返回，在光纤2026中进行一次往返的期间全部被吸收。在激励用激光光源2028中使用波长为915nm的激光器，将光输出为9W的激励光2027从光纤2026的端面射入，当产生1064nm的基波时，改变光纤2026的长度，测出1064nm的基波的光输出。
作为测定的结果，可知第五实施例的结构中的光纤最佳长度为17m，而本实施例的光纤最佳长度为7.5m。由此也可知，在本实施例中，与以往的结构相比，光纤的长度为一半以下便可。另外可知，在本实施例的光纤最佳长度的光输出与在第五实施例的结构中的最佳长度的光输出相比，增大20％左右。由此，可以认为振荡的光在光纤中进行一次往返的期间被有效放大，从而使相对于基波的增益变高。关于用输入的激励光强度除以振荡的光强度而计算出的“光—光转换效率”，在第五实施例情况下为41.3％，而仅采用本实施例中提出的振荡光返回结构时则提高到50.2％，再通过设置用于反射激励光的反射面2034可以提高到54.7％。
用该光纤作为一个例子，在使波长转换装置2021动作时，用光输出为9W的激励光激励光纤，基波输出为6.3W时稳定地得到1.5W的G光。此外，认为若增加基波输出则较大地改善绿色光的转换效率。根据以上说明的结构，本实施例的光纤激光器2022能用以前的光纤的一半长度几乎全部吸收激励光，并且，由于基波的增幅区间变长，因此，能够得到用于放大基波的均匀的高增益。此外，由于光纤的长度可以是一半，所以能够使光纤激光器2022紧凑化，从而能够得到高输出的基波并使波长转换装置2021小型化。
此外，本实施例的光纤激光器2022能够用以往的一半长度的光纤构成。因此，由于光纤激光器2022的基波的吸收量也为一半，所以光吸收量较多的短波一侧的吸收量也为一半，从而能够使振荡波长区域扩大为1030nm至1170nm。例如，能够以高输出输出比1064nm的波长更短的1030nm的基波的激光，在应用于显示器时具有能够扩大色彩再现范围的优点。
此外，本实施例的光纤光栅2029必须是双包层光纤，但在此情况下，由于透过较强的激励光，所以会观察到象第五实施例中记载的那样的输出降低和波长谱变动。在本实施例中，作为双包层光纤而形成的光纤光栅2029的一端固定在上述第五实施例的保持部件上。通过采用本实施例的结构，不会产生这样的问题，能够实现电—光转换效率的提高，以及波长更短的光的产生与波长谱和输出的稳定化。
在本实施例中，采用了使用透过型液晶元件的空间调制元件，但当然也可以采用使用微反射元件的调制元件或使用检流镜、机械微开关(MEMS)的二维调制元件，通过让平面上的导光机构引导光从大型液晶面板的后面进行照明，也可以作为背光来使用。
在上述的第五至第六实施例中，光纤激光器也可以使用从其他的稀土类元素、例如Nd、Er等中选择的至少一种稀土类元素，但使用添加了作为稀土类元素的Yb的光纤的光纤激光器具有因增益较大，1030nm至1170nm的振荡波长范围非常宽，从而能够在各种光源中使用的特征，是非常理想的。此外，也可以根据波长转换装置的波长和输出，改变稀土类元素的添加量，或者添加多种稀土类元素。
在上述的第五至第六实施例中，作为添加稀土类光纤的内层直径选择了6μm的内层直径，但现在可知，通过采用8μm以上，能够进一步改善效率。与6μm的情况相比，8μm时效率提高为1.2倍，10μm时效率提高为1.4倍，因此内层直径为8μm以上是较为理想的。若内层直径过大，则振荡的光不满足单模条件，因此内层直径的范围为8μm至12μm的范围是较为理想的。
在上述的第五至第六实施例中，光纤激光器的激励用激光光源中使用波长为915nm及波长为976nm的激光器，但只要能够激励光纤激光器，也可以使用这些波长之外的激光光源。
在上述的第五至第六实施例中，波长转换元件使用了周期极化反转MgO:LiNbO₃，但也可以使用其他材料或结构的波长转换元件，例如具有周期性极化反转结构的磷酸钛氧钾(KTiOPO₄:KTP)或Mg:LiTaO₃等。
在上述的第五至第六实施例中，除了这种结构的图像显示装置之外，也可以采用从屏幕背后投影的方式(背投显示)或从背面向大型液晶面板照射光的背板(back panel)的方式。
在上述的第五至第六实施例中，使用集成超小型镜片的反射型空间调制元件，当然也可以采用使用液晶的调制元件，或者使用检流镜、机械微开关(MEMS)的二维调制元件。
在上述的第五至第六实施例中，在反射型空间调制元件或MEMS、检流镜这样的对于光调制特性偏振成分的影响较少的光调制元件的情况下，传播高谐波的光纤没有必要是PANDA光纤等的偏振保持光纤，但在采用使用了液晶的二维调制装置时，由于调制特性与偏振特性有较大关系，所以使用偏振保持光纤是较为理想的。
从上述的各实施例将本发明归纳如下。即，本发明所提供的波长转换装置包括：让从激光光源射出的激励光产生振荡并射出基波的激光共振器；将从上述激光共振器射出的基波转换为高谐波的第一波长转换元件；控制上述第一波长转换元件的温度的第一温度控制元件；将射入上述第一波长转换元件的基波中未被上述第一波长转换元件转换为高谐波但从上述第一波长转换元件射出的基波转换为高谐波的第二波长转换元件；控制上述第二波长转换元件的温度的第二温度控制元件；检测从上述第一波长转换元件射出的高谐波的输出的第一检测部；检测从上述第二波长转换元件射出的高谐波的输出的第二检测部；管理由上述第一温度控制元件进行的上述第一波长转换元件的温度控制、由上述第二温度控制元件进行的上述第二波长转换元件的温度控制、以及对上述激光光源施加的驱动电流的电流值控制的控制器，其中，上述控制器将上述第一检测部的第一检测值和上述第二检测部的第二检测值进行合计，基于该合计值进行上述第一及第二波长转换元件的温度控制。
在上述波长转换装置中，由于根据第一检测部的第一检测值和第二检测部的第二检测值的合计值进行第一及第二波长转换元件的温度控制，因此，即使在依赖于来自第一波长转换元件的高谐波的输出变动而产生来自第二波长转换元件的高谐波的输出变动的情况下，也能有效地抑制两个高谐波的合计值的输出变动。
较为理想的是，上述控制器在执行基于上述合计值的上述第一及第二波长转换元件的温度控制时，中止在此之前执行的对上述激光光源施加的驱动电流的电流值控制，将上述驱动电流维持为恒定值来执行上述第一及第二波长转换元件的温度控制。
在此情况下，由于中止在此之前执行的驱动电流的电流值控制，使驱动电流为恒定值来控制第一及第二波长转换元件的温度，因此能够以更好的精度执行第一及第二波长转换元件的温度控制，从而能够控制因具有两个波长转换元件而产生的控制电路的失控。
较为理想的是，上述激光共振器具有：包含激光活性物质的双包层单模光纤，形成光纤光栅的光纤，和向上述光纤射入激励光的上述激光光源。
在此情况下，由于能够分别制作形成光纤光栅的光纤和由激励光激励的双包层单模光纤，所以能够实现与分别要求的特性相对应的结构。
较为理想的是，上述第一及第二波长转换元件的保持温度的范围为35℃至80℃，上述第一及第二温度控制元件为珀尔帖元件，上述控制器让上述第一及第二波长转换元件的温度上升或下降，而不让对上述珀尔帖元件施加的电流的极性反转。
在此情况下，由于通过使第一及第二波长转换元件的保持温度为高于室温的35℃至80℃，便可使第一及第二波长转换元件的温度上升或下降，而不用使对珀尔帖元件施加的电流的极性反转，因此能够高速地进行第一及第二波长转换元件的温度控制。
较为理想的是，上述第一及第二波长转换元件的保持温度的范围为80℃至200℃，上述第一及第二温度控制元件为加热器，上述控制器在让上述第一及第二波长转换元件的温度上升时使上述加热器发热，在让上述第一及第二波长转换元件的温度下降时中止上述加热器的发热。
在此情况下，通过使第一及第二波长转换元件的保持温度为80℃至200℃，能够使用廉价的加热器实现第一及第二波长转换元件的温度控制。
较为理想的是，上述控制器通过向上述第一及第二温度控制元件提供用于进行上述第一及第二波长转换元件的温度控制的控制电流，进行上述第一及第二波长转换元件的温度控制，上述控制电流的波形被进行脉冲宽度调制。
在此情况下，通过调整控制电流的波形的脉冲宽度，能够任意地改变向第一及第二温度控制元件提供的控制电流的电流值的平均值。其结果是，能够以较好的精度进行第一及第二波长转换元件的温度控制。
较为理想的是，上述控制器具有在进行上述第一及第二波长转换元件的温度控制时，记录与施加给上述激光光源的驱动电流的电流值相对应的上述第一及第二检测值的存储部。
在此情况下，由于伴随着施加给激光光源的驱动电流的电流值的变化记录第一及第二检测值，因此能够一边参照该记录的信息一边有效地进行第一及第二波长转换元件的温度控制。
上述波长转换装置较为理想的是，还包括检测上述激光共振器内的温度的温度检测部，上述存储部在上述控制器进行上述第一及第二波长转换元件的温度控制时，记录与由上述温度检测部检测到的温度相对应的上述第一及第二检测值。
在此情况下，由于检测激光共振器内的温度，因此能够根据检测到的激光共振器内的温度进行第一及第二波长转换元件的温度控制，从而能够简化第一及第二波长转换元件的温度控制。
较为理想的是，上述控制器通过根据上述第一及第二检测值各自的增减进行上述第一及第二波长转换元件的温度控制，来抑制上述第一及第二检测值的合计值的输出变动。
在此情况下，能够根据第一及第二检测值各自的增减对第一及第二波长转换元件进行适当的温度控制。
较为理想的是，上述控制器在上述第一检测值增加或减少且上述第二检测值的增减方向与上述第一检测值的增减方向不同时，或者上述第一检测值增加或减少且上述第二检测值为恒定时，在基于上述第一波长转换元件的温度控制而使上述第一及第二检测值的合计值发生变化后，判断该变化后的合计值是否恢复到指定值，并根据还未恢复到上述指定值的判断结果，通过基于上述第二波长转换元件的温度控制而使上述第一及第二检测值的合计值进一步发生变化，来抑制上述第一及第二检测值的合计值的输出变动。
在此情况下，由于能够使第一波长转换元件的温度与第二波长转换元件的温度向相反方向变化，因此能够有效地抑制第一及第二检测值的合计值的输出变动。
较为理想的是，上述控制器在上述第一及第二检测值增加或减少且上述第一检测值的增减方向与上述第二检测值的增减方向相同时，通过基于上述第一及第二波长转换元件的温度控制而使上述第一及第二检测值个别地发生变化，来抑制上述第一及第二检测值的合计值的输出变动。
在此情况下，由于能够使第一波长转换元件的温度与第二波长转换元件的温度向相同方向变化，因此能够有效地抑制第一及第二检测值的合计值的输出变动。
较为理想的是，上述控制器在上述第二检测值增加或减少且上述第一检测值为恒定时，通过基于上述第二波长转换元件的温度控制而使上述第一及第二检测值的合计值发生变化，来抑制上述第一及第二检测值的合计值的输出变动。
在此情况下，由于能够仅使第二波长转换元件的温度发生变化，因此能够有效地抑制第一及第二检测值的合计值的输出变动。
较为理想的是，从上述第一及第二波长转换元件射出的高谐波是510nm至550nm的绿色光。
在此情况下，能够得到W级的高输出的绿色光。
较为理想的是，上述第一及第二波长转换元件为，主要由包含Mg、In、Zn、Sc、Er、Nd中的至少其中之一的LiNbO₃或LiTaO₃构成的非线性光学晶体。
在此情况下，第一及第二输出值为相位匹配温度时的输出值的85％至95％，且能够将比相位匹配温度高的高温侧作为待机位置进行温度控制。其结果是，能够减轻第一及第二波长转换元件的相对于温度变化的输出变动，因此能够简化第一及第二波长转换元件的温度控制。
本发明所提供的图像显示装置包括上述的波长转换装置和对从上述波长转换装置射出的激光施加图像信号的图像处理部，上述波长转换装置是产生绿色光的绿色激光光源，还包括产生红色光的红色激光光源和产生蓝色光的蓝色激光光源，上述图像处理部通过基于上述红色激光光源、蓝色激光光源以及绿色激光光源中最大输出值为最小的激光光源的最大输出值，来决定其他两个激光光源的输出上限值，从而设定显示图像的白平衡。
在上述图像显示装置中，由于能够配合最大输出值为最小的激光光源来设定其他两个激光光源的输出值，因此能够实现白平衡的调整的容易化。
较为理想的是，上述图像处理部以上述决定的输出上限值为上限，根据输入的图像信号的亮度信号让上述红色激光光源、蓝色激光光源以及绿色激光光源的各输出值发生变化。
在此情况下，由于以决定的输出上限值为上限让各激光光源的输出值发生变化，因此不必担心导致激光光源的劣化。
较为理想的是，上述红色激光光源、蓝色激光光源以及绿色激光光源的各输出值成为零的各激光光源的驱动电流的电流值在上述红色激光光源、蓝色激光光源以及绿色激光光源的各阈值电流以上。
在此情况下，由于各激光光源的驱动电流的电流值不会跨越阈值而变化，因此防止激光光源中发生较大的浪涌电流，不会使激光光源劣化。
本发明所提供的另一种波长转换装置包括向光纤射入激励光的激光光源、主要由包含激光活性物质的光纤以及固定在光纤光栅固定部件上的两个光纤光栅构成的激光共振器，以及将从上述激光共振器射出的激光的基波转换为高谐波的波长转换元件，上述两个光纤光栅中的至少一个光纤光栅的一端与上述光纤光栅保持部件粘合，另一端为自由端。
较为理想的是，上述两个光纤光栅的至少一个作为双包层光纤而形成，该一个光纤光栅配置在光学上与激励用激光光源接近的位置。
本发明所提供的又一种波长转换装置包括向光纤射入激励光的激光光源，主要由包含激光活性物质的光纤以及固定在光纤光栅固定部件上的一个光纤光栅和电介质膜反射面构成的激光共振器，以及将从上述激光共振器射出的激光的基波转换为高谐波的波长转换元件，上述两个光纤光栅的至少一个光纤光栅的一端与上述光纤光栅保持部件粘合，另一端为自由端。
较为理想的是，上述光纤光栅作为双包层光纤而形成。
较为理想的是，上述光纤光栅的自由端经由套筒保持。
较为理想的是，上述光纤的内层直径为8μm至14μm。
较为理想的是，上述光纤中包含的激光活性物质为镱离子，振荡波长为1050nm至1170nm。
较为理想的是，上述光纤中包含的激光活性物质为镱离子，振荡波长为1030nm至1070nm。
较为理想的是，振荡光的偏振方向为直线偏振，振荡波长的光输出为2W以上。
较为理想的是，上述光纤光栅的固定端设置在包含激光活性物质的光纤侧。
较为理想的是，上述光纤光栅中，光纤光栅部不被再次涂敷。
较为理想的是，上述光纤光栅中，具有对上述光纤光栅部进行防尘的保持部件盖部。
本发明所提供的另一种图像显示装置包括上述的波长转换装置。
产业上的利用可能性
根据本发明，对于组合通过光纤光栅选择波长的光纤激光光源与波长转换元件而得到的波长转换装置、以及使用该装置的图像显示装置的光输出的稳定化是有用的。此外，根据本发明，能够使红色光的光输出稳定，能够使图像显示装置的色调稳定。