(57)【要約】  励起光を発生させる光源と、前記励起光を用いて基本波光を発生させるレーザ媒質と、該レーザ媒質と協働して、前記基本波光に対する共振器を形成する共振器ミラーと、前記基本波光を高調波光に波長変換する波長変換素子と、を備え、該波長変換素子は、前記共振器の光軸に対して直交する面に対して角度θだけ傾斜した第１端面と、該第１端面に対して平行な第２端面と、を含む波長変換装置が開示される。
2012137459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を発生させる光源と、
前記励起光を用いて基本波光を発生させるレーザ媒質と、
該レーザ媒質と協働して、前記基本波光に対する共振器を形成する共振器ミラーと、
前記基本波光を高調波光に波長変換する波長変換素子と、を備え、
該波長変換素子は、前記共振器の光軸に対して直交する面に対して角度θだけ傾斜した第１端面と、該第１端面に対して平行な第２端面と、を含み、
前記角度θは、下記数式１乃至数式５を用いて表される関係を満たすことを特徴とする波長変換装置。
［数式１］
2012137459.tif 000013
また、φ１及びφ２は、数式２で定義される。
［数式２］
2012137459.tif 000014
また、ｎ０は、数式３で定義される。
［数式３］
2012137459.tif 000015
なお、ｎ’は、数式４で定義され、L'は数式５で定義される。
［数式４］
2012137459.tif 000016
［数式５］
2012137459.tif 000017
【請求項２】
励起光を発生させる光源と、
前記励起光を用いて基本波光を発生させるレーザ媒質と、
該レーザ媒質と協働して、前記基本波光に対する共振器を形成する共振器ミラーと、
前記基本波光を高調波光に波長変換する波長変換素子と、を備え、
該波長変換素子は、前記共振器の光軸に対して直交する面に対して角度θだけ傾斜した第１端面と、該第１端面に対して平行な第２端面と、を含み、
前記角度θは、下記数式６乃至数式１０を用いて表される関係を満たすことを特徴とする波長変換装置。
［数式６］
2012137459.tif 000018
また、φ１及びφ２は、数式７で定義される。
［数式７］
2012137459.tif 000019
また、Ｌａ及びｎ０は、数式８で定義される。
［数式８］
2012137459.tif 000020
ｎ’は数式９で定義され、Ｌ’は数式１０で定義される。
［数式９］
2012137459.tif 000021
［数式１０］
2012137459.tif 000022
【請求項３】
前記広がり角は、半値全角の２分の１の値として定義されることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換装置。
【請求項４】
前記広がり角は、０．２度以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記第１端面と前記第２端面との間の平行度は、０．２度以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記第１端面及び前記第２端面上に形成された透過膜を更に備え、
該透過膜は、前記基本波光に対して、９９．７％以上の透過率を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記基本波光は、楕円状のビーム形状を有し、
前記波長変換素子は、前記楕円状のビーム形状の長軸周りに傾斜していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項８】
前記波長変換素子は、分極反転した領域を有し、
前記第１端面は、前記領域の分極反転方向に延びる軸周りに傾斜していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項９】
前記レーザ媒質と前記波長変換素子との間の距離は、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１０】
前記光軸方向における前記共振器の長さは、１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１１】
前記波長変換素子と前記基本波光との間の角度は、ブリュースター角であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１２】
前記基本波光の偏光方向に延びる軸周りの回転及び前記光軸周りの回転が規制されるように、前記波長変換素子は、機械的に固定されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１３】
複数のレーザ光源を有する照明装置と、
該照明装置によって照明され、前記光を用いて映像光を作り出す空間変調素子と、を備え、
前記複数のレーザ光源は、赤の色相のレーザ光を出射する赤色レーザ光源と、緑の色相のレーザ光を出射する緑色レーザ光源と、青の色相のレーザ光を出射する青色レーザ光源と、を含み、
前記緑色レーザ光源は、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の波長変換装置を備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１４】
前記空間変調素子は、長方形であり、
前記波長変換素子は、前記空間変調素子の短軸周りに傾斜していることを特徴とする請求項１３に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基本波光を高調波光に波長変換する波長変換装置及び波長変換装置を備える画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光源として、レーザ光源を用いたプロジェクタや液晶表示装置といった画像表示装置が、研究開発されている。理想的な点光源に近いレーザ光源は、狭い領域に効率よく集光することができる。したがって、レーザ光源は、画像表示装置に組み込まれた光学系の小型化に貢献する。レーザ光源が利用されるならば、画像表示装置は、小型化される。【０００３】
直線偏光のレーザ光が、液晶表示装置のバックライトとして利用されるならば、液晶表示装置は、高い効率で光を利用することができる。したがって、液晶表示装置は、低い消費電力を達成することができる。【０００４】
液晶表示装置は、画像を表示するための液晶パネルを備える。液晶パネルは、直線偏光の光の偏向方向を空間的に変調し、画像を表示する。したがって、直線偏光の光が、液晶パネルに入射される。【０００５】
液晶表示装置の光源として、ランダム偏光の光を照射するランプやＬＥＤが用いられることもある。この場合、液晶表示装置は、ランダム偏光から直線偏光に変換する偏光フィルタを備える。しかしながら、偏光フィルタは、光源からの光の一部を吸収或いは反射する。【０００６】
上述の如く、液晶表示装置の光源として、直線偏光のレーザ光を出射する光源が用いられるならば、液晶表示装置は、偏光フィルタを必要としない。液晶表示装置が偏光フィルタを備えないならば、偏光フィルタに起因する光の損失は生じない。したがって、液晶表示装置は、効率的に光を利用し、低い消費電力を達成することができる。【０００７】
上述の画像表示装置は、典型的には、三原色を用いて、画像を生成する。したがって、画像表示装置は、赤の色相の光を出射する赤色レーザ光源と、緑の色相の光を出射する緑色レーザ光源と、青の色相の光を出射する青色レーザ光源と、を備える。赤色レーザ光源及び青色レーザ光源として、典型的には、半導体レーザが用いられる。半導体レーザを用いて、高出力で、赤色及び青色のレーザ光線が生成される。【０００８】
赤色レーザ光源及び青色レーザ光源と異なり、緑色レーザ光源は、レーザ光を発生させるための材料において困難性を有する。現状において、高出力の緑色レーザ光を生成でき、且つ、半導体レーザに実用的に適用可能な材料組成は見出されていない。【０００９】
緑色のレーザ光を出射する半導体レーザの代わりに、固体レーザ装置と波長変換装置との組み合わせを用いて、高出力の緑色レーザ光を生成する波長変換装置が提案されている。固定レーザ装置は、基本波光を発生させる。波長変換素子は、基本波光を高調波光に波長変換し、高出力の緑色レーザ光を生成する（例えば、特許文献１及び２参照）。波長変換装置に対して、量産化に向けた開発が進められている。尚、固体レーザ装置は、レーザ媒質を用いてレーザ光を作り出すための構造を意味する。固体レーザ装置として、半導体レーザを用いて励起される半導体レーザ励起式の固体レーザ装置が例示される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第４１４４６４２号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２００９／０４７８８８号公報
【発明の概要】
【００１１】
上述の波長変換装置は、緑色レーザ光を生成することができるが、波長の変換効率において課題を有する。
【００１２】
以下の開示は、高い波長変換効率の達成に貢献する。
【００１３】
以下の様々な実施形態に関連して、波長変換装置が開示される。波長変換装置は、励起光を発生させる光源と、前記励起光を用いて基本波光を発生させるレーザ媒質と、該レーザ媒質と協働して、前記基本波光に対する共振器を形成する共振器ミラーと、前記基本波光を高調波光に波長変換する波長変換素子と、を備え、該波長変換素子は、前記共振器の光軸に対して直交する面に対して角度θだけ傾斜した第１端面と、該第１端面に対して平行な第２端面と、を含む。角度θは、以下の実施形態に関連して説明される数式によって規定される特定の範囲に設定される。
【００１４】
上述の波長変換装置は、基本波光を高調波光へ効率的に波長変換することができる。
【００１５】
本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】波長変換効率に関する課題を内包する波長変換装置の概略的な平面図である。
【図２】第１実施形態の波長変換装置の概略的な平面図である。
【図３】共振器の光軸に対して垂直な面に対して傾斜した波長変換素子の概略図である。
【図４】本発明者が用いた試験装置の共振器構造の概略図である。
【図５Ａ】傾斜角度と高調波光の出力との間の予測された関係を表す概略的なグラフである。
【図５Ｂ】傾斜角度と高調波光の出力との間の実際の関係を表す概略的なグラフである。
【図６】本発明者が用いた試験装置の概略図である。
【図７】傾斜角度の変動に伴う基本波光の損失の変化を表す概略的なグラフである。
【図８Ａ】傾斜角度が０度であるときの基本波光の波長の分布を表す概略的なグラフである。
【図８Ｂ】傾斜角度が０度より大きいときの基本波光の波長の分布を表す概略的なグラフである。
【図９】傾斜角度の変動に伴う高調波光の出力の変動を表す概略的なグラフである。
【図１０】図４に示される試験装置の概略図である。
【図１１】高調波光の出力と傾斜角度との関係を表すグラフである。
【図１２】数式によって定義された角度の範囲の演算においてパラメータに代入された例示的な数値を表す表である。
【図１３】図２に示される波長変換装置の共振器構造の概略的な斜視図である。
【図１４】図１３に示される波長変換装置の波長変換素子の製造工程の概略図である。
【図１５】図２に示される波長変換装置の共振器構造の概略的な斜視図である。
【図１６】図２に示される波長変換装置の概略的な斜視図である。
【図１７】図１６に示される波長変換装置のホルダの概略的な斜視図である。
【図１８】図１７に示されるホルダの概略的な斜視図である。
【図１９】第２実施形態の画像表示装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（波長変換装置に関する新たな課題）
本発明者は、波長変換装置に関する新たな課題を見出した。後述される様々な実施形態は、本発明者が見出した課題を適切に解消する。
【００１８】
図１は、波長変換装置９００の概略的な平面図である。図１を用いて、波長変換装置９００が内包する課題が説明される。
【００１９】
波長変換装置９００は、励起光ＰＬを発生させるレーザ光源９１０と、励起光ＰＬを用いて基本波光ＦＬを発生させるレーザ媒質９２０と、を備える。波長変換装置９００は、レーザ光源９１０とレーザ媒質９２０との間に配置された集光レンズ９３０を更に備える。集光レンズ９３０は、励起光ＰＬをレーザ媒質９２０に向けて集光する。この結果、レーザ媒質９２０は、励起光ＰＬを用いて、基本波光ＦＬを効率的に発生させることができる。
【００２０】
波長変換装置９００は、波長変換素子９４０と、凹面ミラー９５０と、を備える。波長変換素子９４０は、凹面ミラー９５０とレーザ媒質９２０との間に配置される。
【００２１】
凹面ミラー９５０は、波長変換素子９４０に対向する凹面９５１と、凹面９５１とは反対側の出射面９５２と、を含む。レーザ媒質９２０は、励起光ＰＬが入射される入射端面９２１と、入射端面９２１とは反対側の出射端面９２２と、を含む。波長変換装置９００は、入射端面９２１に取り付けられた第１共振器ミラー９６１と、凹面９５１に取り付けられた第２共振器ミラー９６２と、を更に備える。
【００２２】
上述の如く、レーザ光源９１０から出射された励起光ＰＬは、集光レンズ９３０によって集光される。集光された励起光ＰＬは、レーザ媒質９２０へ入射する。レーザ媒質９２０は、励起光ＰＬを吸収し、基本波光ＦＬを生成する。基本波光ＦＬは、第１共振器ミラー９６１と第２共振器ミラー９６２との間で往復する。
【００２３】
波長変換素子９４０は、第１共振器ミラー９６１と第２共振器ミラー９６２との間に配置される。波長変換素子９４０は、第１共振器ミラー９６１と第２共振器ミラー９６２との間で往復する基本波光ＦＬを、波長変換素子９４０から凹面ミラー９５０に向かって伝播する第１高調波光ＨＬ１と、波長変換素子９４０からレーザ媒質９２０へ向かって伝播する第２高調波光ＨＬ２と、に波長変換する。
【００２４】
基本波光ＦＬの出力の増大は、第１高調波光ＨＬ１及び第２高調波光ＨＬ２の出力の増大に帰結する。第１共振器ミラー９６１と第２共振器ミラー９６２との間で基本波光ＦＬの損失が低減されるならば、基本波光ＦＬの出力は増大する。
【００２５】
波長変換素子９４０は、レーザ媒質９２０に対向する第１端面９４１と、凹面ミラー９５０に対向する第２端面９４２と、を含む。波長変換装置９００は、レーザ媒質９２０の出射端面９２２に形成された第１透過膜９７１と、波長変換素子９４０の第１端面９４１に形成された第２透過膜９７２と、波長変換素子９４０の第２端面９４２に形成された第３透過膜９７３と、を更に備える。第１透過膜９７１は、レーザ媒質９２０の出射端面９２２での基本波光ＦＬの反射を抑制する。第２透過膜９７２は、波長変換素子９４０の第１端面９４１での基本波光ＦＬの反射を抑制する。第３透過膜９７３は、波長変換素子９４０の第２端面９４２での基本波光ＦＬの反射を抑制する。したがって、第１透過膜９７１、第２透過膜９７２及び第３透過膜９７３は、第１共振器ミラー９６１と第２共振器ミラー９６２との間での基本波光ＦＬの反射に起因する損失の低減に貢献する。
【００２６】
上述の如く、基本波光ＦＬは、第１共振器ミラー９６１と第２共振器ミラー９６２との間で往復する。この結果、第１高調波光ＨＬ１と第２高調波光ＨＬ２が生成される。第１高調波光ＨＬ１は、凹面ミラー９５０を通じて、波長変換装置９００から適切に出射される。第２高調波光ＨＬ２は、レーザ媒質９２０を通過し、第１共振器ミラー９６１と第２共振器ミラー９６２とを用いて形成された共振器から出射される。しかしながら、第２高調波光ＨＬ２の光路上には、集光レンズ９３０及びレーザ光源９１０が存在するので、第２高調波光ＨＬ２は、波長変換装置９００から出射されにくい。
【００２７】
第１共振器ミラー９６１に第２高調波光ＨＬ２を反射させる反射膜が形成されるならば、第２高調波光ＨＬ２は、凹面ミラー９５０に向けて反射される。この結果、第２高調波光ＨＬ２は、波長変換装置９００から適切に出射される。レーザ媒質９２０は、凹面ミラー９５０に向けて伝播する第２高調波光ＨＬ２の一部を吸収する。したがって、レーザ媒質９２０によって吸収された一部の第２高調波光ＨＬ２は、波長変換装置９００から出射されないこととなる。
【００２８】
上述の特許文献１の教示に従い、第１共振器ミラー９６１と第２共振器ミラー９６２との間に配設されたダイクロイックミラー及び折返レンズを用いて、第２高調波光ＨＬ２が波長変換装置９００から出射されてもよい。この結果、第１共振器ミラー９６１と第２共振器ミラー９６２との間でのダイクロイックミラー及び折返レンズの適切な配置の下、第２高調波光ＨＬ２は、集光レンズ９３０及びレーザ光源９１０に妨げられることなく、波長変換装置９００から出射される。
【００２９】
第１共振器ミラー９６１と第２共振器ミラー９６２との間に配設されたダイクロイックミラーは、基本波光ＦＬを吸収及び／又は散乱させる。ダイクロイックミラーに起因する基本波光ＦＬの吸収及び／又は散乱は、第１共振器ミラー９６１と第２共振器ミラー９６２との間で往復する基本波光ＦＬの損失の増大を意味する。したがって、基本波光ＦＬの出力は低下する。上述の如く、基本波光ＦＬの出力が低下するならば、基本波光ＦＬから変換された第１高調波光ＨＬ１及び第２高調波光ＨＬ２の出力も低下する。
【００３０】
ダイクロイックミラー及び折返レンズの追加の結果、波長変換装置９００は、構造的に複雑化する。この結果、波長変換装置９００は、大型化する。また、ダイクロイックミラー及び折返レンズの追加は、波長変換装置９００の部品点数の増加を意味する。したがって、波長変換装置９００の製造コストは増大する。
【００３１】
レーザ媒質９２０の出射端面９２２に、第２高調波光ＨＬ２を反射する反射膜が形成されてもよい。出射端面９２２に形成された反射膜は、第２高調波光ＨＬ２を凹面ミラー９５０に向けて反射する。この結果、第２高調波光ＨＬ２は、波長変換装置９００から適切に出射される。
【００３２】
レーザ媒質９２０の出射端面９２２で反射された第２高調波光ＨＬ２の光路上には、波長変換素子９４０が存在する。第２高調波光ＨＬ２が波長変換素子９４０を通過する間、波長変換素子９４０は、第２高調波光ＨＬ２を基本波光ＦＬに変換（以下、「逆変換」と称される）する。
【００３３】
上述の逆変換プロセスに起因して生じた基本波光（以下、「逆変換光」と称される）とレーザ媒質９２０によって生成された基本波光ＦＬとの干渉は、基本波光ＦＬの出力を低下させる。
【００３４】
上述の特許文献２の教示に従い、波長変換素子９４０が、第１共振器ミラー９６１と第２共振器ミラー９６２との間で往復する基本波光ＦＬの光路に対して傾斜されてもよい。この結果、基本波光ＦＬと第２高調波光ＨＬ２から生成された逆変換光との光路は、適切にずらされる。これらの光路のずれの結果、第２高調波光ＨＬ２から生成された逆変換光と基本波光ＦＬとの干渉は生じにくくなる。この結果、第２高調波光ＨＬ２は、波長変換装置９００から効率的に出射されることとなる。
【００３５】
上述の波長変換素子９４０の傾斜角度は、波長変換素子９４０の傾斜角度、第１高調波光ＨＬ１の出力及び第２高調波光ＨＬ２の出力の間の関係を何ら考慮することなく設定されていた。波長変換素子９４０の傾斜角度の設定に関する既存の背景思想が以下に説明される。
【００３６】
波長変換素子９４０が第１共振器ミラー９６１と第２共振器ミラー９６２との間で規定される光軸に対して傾斜するならば、波長変換素子９４０の波長変換効率は低下する。しかしながら、第１共振器ミラー９６１及び第２共振器ミラー９６２は、基本波光ＦＬを反射するので、基本波光ＦＬの出力は高くなる。上述の背景思想において、第１共振器ミラー９６１と第２共振器ミラー９６２との間に挿入された波長変換素子９４０の傾斜に起因する損失は、小さいと考えられてきた。背景思想において、波長変換素子９４０の傾斜に起因する波長変換効率の低下は、基本波光ＦＬの高い出力の下では、無視できる程度のものであると考えられてきた。
【００３７】
上述の如く、波長変換装置９００は、第１共振器ミラー９６１と第２共振器ミラー９６２とを用いて形成された共振器を備える。共振器内に配置された波長変換素子９４０が基本波光ＦＬを第１高調波光ＨＬ１及び第２高調波光ＨＬ２に効率的に変換するならば、共振器内の基本波光ＦＬの出力は小さくなる。波長変換素子９４０が、共振器の光軸に対して傾斜するならば、波長変換素子９４０の波長変換効率は低減する。低い波長変換効率に起因して、基本波光ＦＬは、第１高調波光ＨＬ１及び第２高調波光ＨＬ２に効率的に変換されないので、共振器内の基本波光ＦＬの出力は高いレベルを維持する。第１高調波光ＨＬ１及び第２高調波光ＨＬ２に変換される基本波光ＦＬの出力が高いレベルで維持されるので、結果として、第１高調波光ＨＬ１及び第２高調波光ＨＬ２の出力も高くなる。
【００３８】
上述の背景思想に従うならば、第１共振器ミラー９６１と第２共振器ミラー９６２とを用いて形成された共振器を備える波長変換装置９００の波長変換素子９４０の傾斜角度に対する適切な設定範囲は、広いこととなる。したがって、波長変換素子９４０は、一般的な機械的手法を用いて固定されてもよいと考えられてきた。
【００３９】
後述される本発明者の調査の結果、本発明者は、波長変換素子９４０と高調波光（第１高調波光ＨＬ１及び第２高調波光ＨＬ２）との間には密接した相関があることを見出した。本発明者の知見によれば、上述の背景思想とは異なり、基本波光ＦＬの出力特性は、波長変換素子９４０の傾斜角度に大きく依存する。即ち、背景思想に基づき想定された出力変動と比べて、波長変換素子９４０の傾斜角度の傾斜は、高調波光の出力を大きく変動させる因子となる。
【００４０】
本発明者は、基本波光ＦＬの出力を変動させる原因を詳細に調査した。この結果、本発明者は、波長変換素子９４０に起因するエタロン効果が、基本波光ＦＬの出力の変動に影響していることを見出した。
【００４１】
エタロン効果は、互いに平行な一対の面を横切る光に対して観察される現象である。一対の面（入射端面及び出射端面）において、光の波長が節を有するならば、当該波長の光の透過損失は低減される。他の波長の光に対しては、透過損失の低減は観察されない。
【００４２】
波長変換素子９４０の第１端面９４１が第２端面９４２に対して平行であるならば、エタロン効果に起因して、波長変換素子９４０を透過する特定の波長の透過損失が低減される。尚、本実施形態において、「平行」との用語は、数学的に完全な平行な状態を意味するものではなく、エタロン効果が得られる程度に一対の面が平行である状態を意味する。
【００４３】
上述の特定の波長以外の波長を有する光は、第１端面９４１及び第２端面９４２によって反射され、第１共振器ミラー９６１又は第２共振器ミラー９６２に向かう。本発明者の知見によれば、後述される様々な数式によって表現される条件下で設定された波長変換素子９４０の傾斜角度の設定によって、特定の波長以外の光は有効に利用される。
【００４４】
（第１実施形態）
図２は、第１実施形態の波長変換装置１００の概略的な平面図である。図１を用いて、波長変換装置１００が説明される。
【００４５】
波長変換装置１００は、励起光ＰＬを発生させるレーザ光源１１０を備える。本実施形態において、レーザ光源１１０として、半導体レーザが用いられる。レーザ光源１１０から出射される励起光ＰＬの波長は、例えば、約８０８ｎｍである。本実施形態において、レーザ光源１１０は、光源として例示される。
【００４６】
波長変換装置１００は、レーザ光源１１０から出射された励起光ＰＬを受ける集光レンズ１３０を更に備える。集光レンズ１３０として、例えば、ボールレンズといった集光能力を有するレンズが利用される。
【００４７】
波長変換装置１００は、集光レンズ１３０によって集光された励起光ＰＬを受けるレーザ媒質１２０を更に備える。集光レンズ１３０は、レーザ媒質１２０に励起光ＰＬを集光する。
【００４８】
レーザ媒質１２０として、Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ（以下、「Ｎｄ」と称される）がドープされたＹｔｔｒｉｕｍ  Ｖａｎａｄａｔｅ（以下、「ＹＶＯ４」と称される）が例示される。以下の説明において、ＮｄがドープされたＹＶＯ４は、「Ｎｄ：ＹＶＯ４」と称される。
【００４９】
レーザ媒質１２０は、８００ｎｍ帯のレーザ光（即ち、励起光ＰＬ）を吸収する。この結果、レーザ媒質１２０は、１０６４ｎｍの波長の光を発生させる。本実施形態において、１０６４ｎｍの波長の光は、基本波光ＦＬとして利用される。
【００５０】
波長変換装置１００は、凹面ミラー１５０を更に備える。凹面ミラー１５０は、レーザ媒質１２０に対向する凹面１５１と、凹面１５１とは反対側の出射面１５２と、を含む。レーザ媒質１２０は、励起光ＰＬが入射する平坦な入射端面１２１と、基本波光ＦＬが出射される平坦な出射端面１２２と、を含む。
【００５１】
波長変換装置１００は、レーザ媒質１２０の入射端面１２１を覆う反射膜１６１と、凹面ミラー１５０の凹面１５１を覆う反射膜１６２と、を更に備える。反射膜１６１及び反射膜１６２は、基本波光ＦＬを反射する。したがって、基本波光ＦＬは、反射膜１６１，１６２の間で往復することとなる。かくして、反射膜１６１，１６２は、レーザ媒質１２０によって発生された基本波光ＦＬに対する共振器として機能する。尚、基本波光ＦＬのビーム径は、入射端面１２１において最も小さくなる。本実施形態において、反射膜１６１，１６２は、共振器ミラーとして例示される。
【００５２】
本実施形態において、反射膜１６１，１６２は、基本波光ＦＬに対して、９５％以上の反射率を有する。この結果、基本波光ＦＬは、反射膜１６１，１６２を用いて形成された共振器内に適切に閉じ込められる。
【００５３】
波長変換装置１００は、出射端面１２２を覆う透過膜１７１を更に備える。透過膜１７１は、基本波光ＦＬに対して、例えば、９５％以上の透過率を有する。この結果、共振器内における基本波光ＦＬの損失は低減される。
【００５４】
波長変換装置１００は、基本波光ＦＬの波長を変換し、高調波光ＨＬを生成する波長変換素子１４０を更に備える。波長変換素子１４０は、レーザ媒質１２０と凹面ミラー１５０との間に挿入される。波長変換素子１４０は、共振器内で往復する基本波光ＦＬを高調波光ＨＬに変換する。本実施形態において、波長変換素子１４０によって生成される高調波光ＨＬの波長は、約５３２ｎｍである。
【００５５】
波長変換素子１４０は、例えば、マグネシウム（以下、「Ｍｇ」と称される）がドープされた強誘電体結晶体を用いて形成される。強誘電体結晶体として、ニオブ酸リチウム（以下、「ＬＮ」と称される）が用いられてもよい。波長変換素子１４０には、分極反転した領域が形成される。基本波光ＦＬが分極反転領域を通過すると、高調波光ＨＬが生成される。
【００５６】
図２には、共振器の光軸ＯＡ及び光軸ＯＡに対して直交する面ＰＳが示されている。波長変換素子１４０は、レーザ媒質１２０に対向する第１端面１４１と、第１端面１４１とは反対側の第２端面１４２と、を含む。第２端面１４２は、凹面ミラー１５０に対向する。第１端面１４１は、面ＰＳに対して、角度θだけ傾斜している。第２端面１４２は、第１端面１４１に対して平行である。尚、本開示において用いられる「平行」との用語は、数学的に完全な平行であることだけを意味するものではない。本開示において用いられる「平行」との用語は、上述のエタロン効果が得られる程度に、第１端面１４１及び第２端面１４２が平行であることをも意味する。第１端面１４１と第２端面１４２との間の平行度は、０．２度以下に設定されてもよい。０．２度以下の平行度で、第１端面１４１及び第２端面１４２が形成されるならば、エタロン効果を利用して、高い変換効率が達成される。尚、角度θは、後述される。
【００５７】
波長変換装置１００は、第１端面１４１を覆う透過膜１７２と、第２端面１４２を覆う透過膜１７３と、を更に備える。透過膜１７２，１７３は、基本波光ＦＬに対して、例えば、９９．７％以上の透過率を有してもよい。この結果、共振器内を往復する基本波光ＦＬの損失は低減される。
【００５８】
反射膜１６１，１６２間で往復する基本波光ＦＬが波長変換素子１４０を通過すると、高調波光ＨＬとして、波長変換素子１４０から凹面ミラー１５０へ向かう第１高調波光ＨＬ１並びに波長変換素子１４０からレーザ媒質１２０へ向かう第２高調波光ＨＬ２が発生する。波長変換装置１００は、透過膜１７２とともに波長変換素子１４０の第１端面１４１を覆う反射膜１８０を更に備える。
【００５９】
反射膜１８０は、波長変換素子１４０が発生させた第２高調波光ＨＬ２を凹面ミラー１５０に向けて反射する。したがって、反射膜１８０は、第２高調波光ＨＬ２がレーザ媒質１２０へ入射することを防止する。レーザ媒質１２０は、高調波光ＨＬを吸収する。本実施形態において、反射膜１８０は、第２高調波光ＨＬ２がレーザ媒質１２０へ入射することを防止するので、第２高調波光ＨＬ２は、波長変換装置１００から効率的に出射される。
【００６０】
上述の如く、第１端面１４１は、面ＰＳに対して、角度θだけ傾斜している。この結果、第２高調波光ＨＬ２の光路は、第１高調波光ＨＬ１の光路からずらされることとなる。
【００６１】
（波長変換素子の傾斜）
図３は、共振器の光軸ＯＡに対して垂直な面ＰＳに対して傾斜した波長変換素子２４０を示す。尚、波長変換素子２４０は、図２に関連して説明された共振器と同様の構造の共振器内に挿入されている。したがって、図３に関連して説明される波長変換素子２４０の有利な効果は、図２に関連して説明された波長変換素子１４０に適用される。
【００６２】
波長変換素子２４０は、レーザ媒質に対向する第１端面２４１と、凹面ミラーに対向する第２端面２４２と、を含む。第１端面２４１は、面ＰＳに対して角度αだけ傾斜している。
【００６３】
レーザ媒質と凹面ミラーとの間を往復する基本波光ＦＬは、波長変換素子２４０を通過する。波長変換素子２４０は、高調波光ＨＬとして、凹面ミラーに向かって伝播する基本波光ＦＬを第１高調波光ＨＬ１に変換する。波長変換素子２４０は、高調波光ＨＬとして、レーザ媒質に向かって伝播する基本波光ＦＬを第２高調波光ＨＬ２に変換する。
【００６４】
図３には、第１端面２４１を覆う反射膜２８０が示されている。レーザ媒質に向かう第２高調波光ＨＬ２は、反射膜２８０によって反射される。この結果、第２高調波光ＨＬ２は、凹面ミラーに向かって伝播する。
【００６５】
波長変換素子２４０が行う波長変換プロセスは、基本波光ＦＬを第１高調波光ＨＬ１及び第２高調波光ＨＬ２に変換する。しかしながら、波長変換素子２４０内で、第１高調波光ＨＬ１及び第２高調波光ＨＬ２の一部が基本波光ＦＬに変換されることもある。高調波光ＨＬから基本波光ＦＬへの波長変換プロセスは、以下の説明において、「逆変換」と称される。
【００６６】
第２高調波光ＨＬ２から逆変換された基本波光（以下、「逆変換光」と称される）の光路が、基本波光ＦＬの光路に重なるならば、逆変換光は、基本波光ＦＬと干渉し、基本波光ＦＬの出力を不安定にする。不安定な基本波光ＦＬの出力は、基本波光ＦＬの出力低下を引き起こす。基本波光ＦＬの出力低下は、高調波光ＨＬの出力低下に帰結する。
【００６７】
波長変換素子２４０の第１端面２４１が面ＰＳから傾斜しているならば、逆変換光の光路は、基本波光ＦＬの光路からずれることとなる。したがって、逆変換光と基本波光ＦＬとの間の干渉はほとんど生じない。加えて、第２高調波光ＨＬ２の光路は、第１高調波光ＨＬ１の光路と分離されるので、第１高調波光ＨＬ１と第２高調波光ＨＬ２との間の干渉も生じにくくなる。
【００６８】
「波長変換装置に関する新たな課題」の項で説明された如く、波長変換素子２４０の傾斜角度が、０度から数度の範囲に設定されるならば、高調波光ＨＬの出力は、波長変換素子２４０の傾斜角度にほとんど依存しないと考えられてきた。
【００６９】
波長変換素子２４０が、周期的な分極反転構造を有するならば、傾斜された波長変換素子２４０を通過する基本波光ＦＬの光路は、分極反転構造に対して斜めになる。この結果、基本波光ＦＬに対する分極反転周期は、見かけ上変動する。この結果、波長変換効率は低下する。
【００７０】
基本波光が１回だけ通過するように配設された波長変換素子を備える波長変換装置と異なり、波長変換素子２４０は共振器内に挿入されるので、基本波光ＦＬは、波長変換素子２４０を複数回通過する。この結果、低減された波長変換効率の下においても、高調波光ＨＬの出力レベルはほとんど変動しない。
【００７１】
基本波光が１回だけ通過するように配設された波長変換素子を備える波長変換装置の高調波光の出力は、波長変換効率の低下に比例して低下する。波長変換素子２４０は、共振器内に挿入されるので、波長変換効率の低下は、共振器内の基本波光ＦＬの損失低下を意味することとなる。即ち、共振器内の基本波光ＦＬの出力は、向上することとなる。基本波光ＦＬの出力の増大は、高調波光ＨＬの出力の増大を意味する。したがって、共振器内に挿入された波長変換素子２４０が用いられるならば、波長変換素子２４０の低減された波長変換効率下においても、一般的な波長変換装置と比べて、高いレベルの高調波光ＨＬの出力が維持される。
【００７２】
上述の如く、基本波光ＦＬに対する波長変換は、基本波光ＦＬの損失の増大を意味する。同様に、共振器内に挿入された波長変換素子２４０の波長変換効率の低下は、共振器内の基本波光ＦＬの損失の低下を意味する。
【００７３】
本発明者は、波長変換素子２４０の傾斜角度、高調波光ＨＬの出力及び基本波光ＦＬの間の関係を詳細に調査した。調査の結果、本発明者は、これらの間の関係に関する新たな事実を見出した。上述の背景思想の下において、高いレベルの出力の高調波光ＨＬを得るための波長変換素子２４０の傾斜の角度αの範囲は広い。しかしながら、本発明者の新たな知見によれば、高いレベルの出力の高調波光ＨＬを得るための設定は、波長変換効率の低下だけでなく、共振器の光軸ＯＡと波長変換素子２４０との間の傾斜の角度αにも依存する。
【００７４】
波長変換素子２４０は、共振器内に挿入される。この場合、基本波光ＦＬに対する共振器の損失が低減されるならば、基本波光ＦＬの出力は向上する。基本波光ＦＬが、波長変換素子２４０の第１端面２４１において反射及び／又は拡散しないならば、損失は低減される。また、波長変換素子２４０内における基本波光ＦＬの吸収の低減も、基本波光ＦＬの出力の向上に帰結する。本発明者は、波長変換素子２４０の第１端面２４１での反射光と共振器の光軸ＯＡとが揃っているならば、反射光に起因する損失が低減されることを見出した。
【００７５】
図４は、上述の知見を得るために用いられた試験装置２００の共振器構造の概略図である。試験装置２００は、図２に関連して説明された波長変換装置１００と同様の構造を有する。また、図３に関連して説明された波長変換素子２４０が試験装置２００に組み込まれている。図４において、図２に関連して説明された波長変換装置１００の要素と同等の要素に対して、同一の符号が付されている。
【００７６】
試験装置２００は、レーザ媒質１２０と凹面ミラー１５０とを備える。試験装置２００は、レーザ媒質１２０と凹面ミラー１５０との間に挿入された波長変換素子２４０を更に備える。
【００７７】
試験装置２００は、レーザ媒質１２０の入射端面１２１を覆う反射膜１６１と、凹面ミラー１５０の凹面１５１を覆う反射膜１６２と、を更に備える。基本波光に対する反射膜１６１，１６２は、共振器として機能する。
【００７８】
図４には、共振器の光軸ＯＡ並びに光軸ＯＡに対して直交する面ＰＳが示されている。面ＰＳは、光軸ＯＡと波長変換素子２４０の第１端面２４１との交点を通過する。第１端面２４１は、面ＰＳから角度αだけ傾斜されている。
【００７９】
本発明者は、角度αを変化させ、高調波光の出力と角度αとの関係を調査した。「波長変換装置に関する新たな課題」の項で説明された背景思想に従うならば、角度αの変動は、高調波光の出力にほとんど影響しないと予測される。
【００８０】
図５Ａは、上述の背景思想に基づき予測される角度αと高調波光の出力との関係を表す概略的なグラフである。図５Ｂは、実際の測定から得られた角度αと高調波光の出力との関係を表す概略的なグラフである。図４乃至図５Ｂを用いて、本発明者の知見が説明される。
【００８１】
図５Ａと図５Ｂとを比較すると、角度αの変動は、予測されたよりも、高調波光の出力を大幅に低下させることが分かる。尚、図５Ａ及び図５Ｂのグラフにおいて、角度αが「０度」に近づくにつれて、高調波光の出力が低下している。このことは、逆変換光とレーザ媒質１２０が発生させた基本波光との干渉が高調波光の出力を低下させていることを意味する。
【００８２】
本発明者は、図５Ａと図５Ｂとの出力特性の差異の原因を更に調査した。追加的な調査の結果、本発明者は、角度αの変化に伴って、基本波光の波長が変化することを見出した。
【００８３】
図６は、追加的な調査に用いられた試験装置２０５の概略図である。図４及び図６を用いて、追加的な調査が説明される。
【００８４】
試験装置２０５は、分極反転構造を有する波長変換素子２４０に代えて、分極反転構造を有さないダミー素子２４５を備える。ダミー素子２４５は、レーザ媒質１２０と凹面ミラー１５０との間に配設されている。ダミー素子２４５の構造、寸法、形状及び組成は、分極反転構造を除いて、波長変換素子２４０と同一である。
【００８５】
ダミー素子２４５は、レーザ媒質１２０に対向する第１端面２４６と、凹面ミラー１５０に対向する第２端面２４７と、を備える。第２端面２４７は、第１端面２４６に対して平行である。尚、ダミー素子２４５は、分極反転構造を有さないので、波長変換プロセスを行わない。
【００８６】
本発明者は、試験装置２０５を用いて、面ＰＳに対する第１端面２４６の傾斜の角度αを変化させ、基本波光の損失の変化と波長との関係を調査した。
【００８７】
図７は、角度αの変動に伴う基本波光の損失の変化を表す概略的なグラフである。図７を用いて、角度αの変動に伴う基本波光の損失の変化が説明される。
【００８８】
図７のグラフから、角度αが「０度」からずれるにつれて、基本波光の損失が大きくなることが分かる。
【００８９】
図８Ａは、角度αが「０度」であるときの基本波光の波長の分布を表す概略的なグラフである。図８Ｂは、角度αが、「０度」よりも大きな「α１」であるとき（図７参照）の基本波光の波長の分布を表す概略的なグラフである。図６乃至図８Ｂを用いて、基本波光の波長の分布が説明される。
【００９０】
基本波光の波長の分布は、レーザ媒質１２０の発振特性に依存する。例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４を用いて形成されたレーザ媒質１２０は、１０６４ｎｍの波長帯の基本波光を生成する。
【００９１】
図７に関連して説明された如く、角度αが０度に近いならば、基本波光の損失は小さい。このとき、基本波光の波長に対する出力のピークは１つである。
【００９２】
図７に示される如く、角度αが「０度」から離れるにつれて、基本波光の損失は大きくなる。角度αが、「０度」よりも十分に大きくなると（即ち、α＝α１）、基本波光の波長に対する出力のピークが複数現れる。このことは、波長の増大又は減少に応じて、基本波光の損失が周期的に変動することを意味する。
【００９３】
本発明者は、出力変動の周期を計算した。また、本発明者は、出力変動の周期は、平行な一対の面を通過する光に現れるエタロン効果の周期と一致することを確認した。
【００９４】
本発明者の知見によれば、平行な一対の面を有する素子が共振器内に挿入されるならば、エタロン効果が現れる。エタロン効果の結果、特定の周期を有する波長の光の反射率はゼロになる。したがって、特定の周期を有する波長の光の透過損失は小さくなる。
【００９５】
反射率がゼロではない波長の光は、平行な一対の面において反射される。角度αがゼロに近いならば、平行な一対の面で反射された波長の光は、レーザ媒質１２０に戻る。レーザ媒質１２０に戻った光は、基本波光として再利用される。角度αが増大されるならば、平行な一対の面で反射された光は、レーザ媒質１２０に戻らない。この結果、平行な一対の面で反射された光は、損失される。
【００９６】
図９は、波長変換素子２４０の角度αの変動に伴う高調波光の出力の変動を表す概略的なグラフである。図９のグラフにおいて、「波長変換装置に関する新たな課題」の項で説明された背景思想に基づき想定された出力変動は、点線で表されている。実験において測定された出力変動は、実線で表されている。図２、図４及び図９を用いて、波長変換素子２４０の角度αの変動に伴う高調波光の出力の変動が説明される。
【００９７】
図９に示される如く、実際の高調波光の出力は、想定よりも、角度αの変化に伴って大きく変動する。したがって、想定された高調波光の出力レベルに到達できる角度αの範囲は、狭い範囲に限定される。
【００９８】
図２に関連して説明された角度θは、図９に示される想定された高調波光の出力レベルに到達できる角度αの範囲内に設定されている。
【００９９】
本発明は、想定された高調波光の出力レベルに到達できる角度αの範囲を調査した。調査の結果、以下の数式に示される範囲内に角度θが設定されるならば、逆変換光に起因する出力低下をほとんど生じないことを見出した。適切な角度θの設定の下、波長変換装置１００は、基本波光ＦＬの損失を低減させ、高出力の高調波光ＨＬを出射することができる。
【０１００】
以下に示される数式１乃至数式５によって定義される角度θの範囲は、本発明者によって見出された適切な角度範囲の条件である。以下の数式に示される様々なパラメータは、図４に示されている。
【０１０１】
[数式１]
2012137459.tif 000003
【０１０２】
また、φ１及びφ２は、数式２で定義される。
【０１０３】
［数式２］
2012137459.tif 000004
【０１０４】
また、ｎ０は、数式３で定義される。
【０１０５】
［数式３］
2012137459.tif 000005
【０１０６】
なお、ｎ’は、数式４で定義され、L'は数式５で定義される。
【０１０７】
［数式４］
2012137459.tif 000006
【０１０８】
［数式５］
2012137459.tif 000007
【０１０９】
上述の数式１乃至５は、少ないパラメータを用いた簡易式である。より詳細には、角度θの範囲は、以下の数式６乃至１０によって定義されてもよい。以下の数式に示される様々なパラメータは、図４に示されている。
【０１１０】
［数式６］
2012137459.tif 000008
【０１１１】
また、φ１及びφ２は、数式７で定義される。
【０１１２】
［数式７］
2012137459.tif 000009
【０１１３】
また、Ｌａ及びｎ０は、数式８で定義される。
【０１１４】
［数式８］
2012137459.tif 000010
【０１１５】
ｎ’は数式９で定義され、Ｌ’は数式１０で定義される。
【０１１６】
［数式９］
2012137459.tif 000011
【０１１７】
［数式１０］
2012137459.tif 000012
【０１１８】
尚、上述の数式１乃至数式５によって演算された角度θの範囲と、上述の数式６乃至数式１０によって演算された角度θの範囲と、の間での数値的な差異は、ほとんど無視できる程度のものである。したがって、数式１乃至数式５によって演算された角度θの範囲で波長変換素子１４０が傾斜されてもよいし、或いは、数式６乃至数式１０によって演算された角度θの範囲で波長変換素子１４０が傾斜されてもよい。
【０１１９】
図１０は、試験装置２００の概略図である。図２及び図１０を用いて、上述の数式の物理的な意味が説明される。
【０１２０】
数式１及び数式６において、角度θは、「高調波光ＨＬの広がり角」より大きく設定される。尚、高調波光ＨＬの広がり角とは、半値全角（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ  Ｗｉｄｔｈ  ａｔ  Ｈａｌｆ  Ｍａｘｉｍｕｍ）の２分の１の値として定義される。
【０１２１】
角度θが、「高調波光ＨＬの広がり角」以下であるならば、第２高調波光ＨＬ２の光路は第１高調波光ＨＬ１の光路に重なるので、第１高調波光ＨＬ１と第２高調波光ＨＬ２との干渉により、波長変換装置１００から出射される高調波光ＨＬの出力は低下される。数式１及び数式２に従うならば、角度θは、第２高調波光ＨＬ２の光路は第１高調波光ＨＬ１の光路に重ならないので、波長変換装置１００は、高い出力の高調波光ＨＬを出射することができる。
【０１２２】
数式１及び数式６において、パラメータ「φ１」が用いられている。数式１に用いられているパラメータ「φ１」は、数式２によって定義されている。数式６に用いられているパラメータ「φ１」は、数式７によって定義されている。
【０１２３】
レーザ媒質１２０及び反射膜１６１，１６２は、協働して基本波光ＦＬを生成する。パラメータ「φ１」は、入射端面１２１を覆う反射膜１６１の表面における基本波光ＦＬの直径を意味する。
【０１２４】
数式１及び数式６において、パラメータ「φ２」が用いられている。数式１に用いられているパラメータ「φ２」は、数式２によって定義されている。数式６に用いられているパラメータ「φ２」は、数式７によって定義されている。
【０１２５】
基本波光ＦＬの一部は、波長変換素子２４０（又は、波長変換素子１４０）の第１端面２４１（又は、第１端面１４１）によって反射され、レーザ媒質１２０へ戻る。図１０において、波長変換素子２４０（又は、波長変換素子１４０）の第１端面２４１（又は、第１端面１４１）によって反射された一部の基本波光は、記号「ＲＦＬ」を用いて表されている。パラメータ「φ２」は、入射端面１２１を覆う反射膜１６１の表面における基本波光ＲＦＬの直径を意味する。
【０１２６】
数式１及び数式６の右側の項で算出されるパラメータ「θ１」よりも波長変換素子２４０の傾斜の角度αが大きいならば、図１０に示される如く、入射端面１２１を覆う反射膜１６１の表面において、基本波光ＲＦＬの断面は、基本波光ＦＬの断面に重ならない。基本波光ＲＦＬの断面が、基本波光ＦＬの断面に重ならないならば、基本波光ＲＦＬのエネルギは、共振器内で往復する基本波光ＦＬとして再度利用されない。この結果、基本波光ＲＦＬの有するエネルギは、基本波光ＦＬの出力損失となる。
【０１２７】
本実施形態において、波長変換素子１４０の傾斜の角度θは、パラメータ「θ１」より小さく設定されるので、入射端面１２１を覆う反射膜１６１の表面において、基本波光ＲＦＬの断面は、基本波光ＦＬの断面に重なることとなる。基本波光ＲＦＬの断面が、基本波光ＦＬの断面に重なるならば、基本波光ＲＦＬのエネルギは、反射膜１６１の表面において、基本波光ＦＬに乗り移る。この結果、基本波光ＲＦＬのエネルギは、基本波光ＦＬとして有効に再利用される。したがって、共振器内での基本波光ＦＬの損失は少なくなる。
【０１２８】
数式７において、パラメータ「Ｌａ」が用いられている。パラメータ「Ｌａ」は、数式８によって定義されている。パラメータ「Ｌａ」は、空間的な距離及び屈折率が考慮された共振器長を意味する。
【０１２９】
上述のパラメータ「φ２」の算出のために、数式２及び数式７において、パラメータ「ｎ０」が用いられている。パラメータ「ｎ０」は、数式３及び数式８を用いて定義されている。パラメータ「ｎ０」は、レーザ媒質１２０及び反射膜１６１，１６２の間の空間の見かけ上の屈折率の平均値を表す。
【０１３０】
上述のパラメータ「ｎ０」の算出のために、数式３及び数式８において、パラメータ「ｎ’」が用いられている。パラメータ「ｎ’」は、数式４及び数式９によって定義されている。パラメータ「ｎ’」は、空間的な距離、屈折率及び波長変換素子１４０の傾きを考慮した共振器長を意味する。
【０１３１】
上述のパラメータ「ｎ０」の算出のために、数式３及び数式８において、パラメータ「Ｌ’」が用いられている。パラメータ「ｎ’」は、数式５及び数式１０によって定義されている。パラメータ「Ｌ’」は、空間的な距離及び波長変換素子１４０の傾きを考慮した共振器長を意味する。
【０１３２】
図１１は、高調波光ＨＬの出力と波長変換素子２４０の傾斜の角度αとの関係を表すグラフである。図２、図１０及び図１１を用いて、数式１又は数式６によって定義される角度θの臨界的意義が説明される。
【０１３３】
図１１に示される「０度」周囲の角度範囲ＲＧ１は、第１高調波光ＨＬ１及び第２高調波光ＨＬ２が重なり合う角度範囲である。図１１に示される角度範囲ＲＧ２，ＲＧ３（傾斜の角度αの絶対値が、約１．７度を超えた角度範囲）において、入射端面１２１を覆う反射膜１６１の表面において、基本波光ＲＦＬの断面は、基本波光ＦＬの断面に重ならない。
【０１３４】
角度範囲ＲＧ１、ＲＧ２、ＲＧ３において、高調波光ＨＬの出力は、顕著に低減する。一方、角度範囲ＲＧ１と角度範囲ＲＧ２との間の角度範囲及び角度範囲ＲＧ１と角度範囲ＲＧ３との間の角度範囲において、高調波光ＨＬの出力は、高いレベルで略一定に維持される。したがって、数式１又は数式６によって定義される角度θの範囲は、臨界的な意義を有する。
【０１３５】
高調波光ＨＬの広がり角は、０．２度以下であることが望ましい。高調波光ＨＬの広がり角が０．２度を超えると、第１高調波光ＨＬ１と第２高調波光ＨＬ２との干渉が生じやすくなる。
【０１３６】
レーザ媒質１２０と波長変換素子１４０との間の距離（数式４及び数式６において、パラメータ「Ｌ２」として定義されている）は、１ｍｍ以下であることが望ましい。波長変換素子１４０の波長変換効率は、基本波光ＦＬの密度に略比例する。レーザ媒質１２０と波長変換素子１４０との間の距離が１ｍｍ以下であるならば、波長変換素子１４０の波長変換効率は、高いレベルで維持される。
【０１３７】
光軸ＯＡ方向における共振器長（数式２において、パラメータ「Ｌ」として定義されている）は、１０ｍｍ以下であることが望ましい。光軸ＯＡ方向における共振器長が１０ｍｍ以下であるならば、波長変換素子１４０によって反射された光は、レーザ媒質１２０に戻りやすくなる。
【０１３８】
図１２は、上述の数式１乃至数式５を用いた、角度θの範囲の演算においてパラメータに代入された例示的な数値を表す表である。図１２を用いて、角度θの演算が説明される。
【０１３９】
図１２に示される数値を用いて算出された角度θの範囲は、０．２度より大きく、且つ、２．１度より小さくなる。
【０１４０】
数式１乃至数式５又は数式６乃至数式１０が用いられるならば、様々な種類の共振器に対して、適切な波長変換素子の傾斜角度が算出される。
【０１４１】
上述の数式による定義は、波長変換装置１００の様々な構造に適用可能である。
【０１４２】
レーザ光源１１０として、８８０ｎｍ帯の励起光ＰＬを発生させる半導体レーザが用いられてもよい。代替的に、レーザ媒質１２０によって吸収される波長の励起光を発生させることができる他のレーザ装置がレーザ光源１１０として用いられてもよい。したがって、レーザ媒質１２０の種類に応じて、レーザ光源１１０として利用されるレーザ装置が選定されてもよい。
【０１４３】
レーザ媒質１２０は、ＮｄがドープされたＧａｄｏｌｉｎｉｕｍ  Ｖａｎａｄａｔｅ（以下、「ＧｄＶＯ４」と称される）であってもよい。以下の説明において、ＮｄがドープされたＧｄＶＯ４は、「Ｎｄ：ＧｄＶＯ４」と称される。Ｎｄ：ＧｄＶＯ４のレーザ結晶体の熱伝導率は高い。したがって、レーザ媒質１２０として、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４のレーザ結晶体が用いられるならば、レーザ媒質１２０の昇温は抑制される。レーザ媒質１２０は低温に維持されるので、レーザ媒質１２０は、励起光ＰＬから基本波光ＦＬを効率的に生成することができる。かくして、波長変換装置１００は、高調波光ＨＬを効率的に出射することができる。
【０１４４】
レーザ媒質１２０は、ＮｄがドープされたＹｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ（以下、「Ｙａｇ」と称される）であってもよい。以下の説明において、ＮｄがドープされたＹａｇは、「Ｎｄ：Ｙａｇ」と称される。Ｎｄ：Ｙａｇは、安価であるので、波長変換装置１００は、低コストで製造される。
【０１４５】
波長変換素子１４０の第１端面１４１を覆う透過膜１７２及び第２端面１４２を覆う透過膜１７３は、必須ではない。しかしながら、９９．７％以上の透過率を有する透過膜１７２，１７３が波長変換素子１４０上に形成されるならば、第１端面１４１及び第２端面１４２での反射は抑制される。この結果、共振器内の基本波光ＦＬの損失は低くなる。かくして、波長変換装置１００は、高調波光ＨＬを高い効率で出射することができる。
【０１４６】
上述の数式で定義される角度θに関する条件が満たされるならば、光軸ＯＡに対して、波長変換素子１４０の第１端面１４１がブリュースター角をなすように、波長変換素子１４０が傾斜されてもよい。この結果、基本波光ＦＬの特定の方向の偏光成分は、波長変換素子１４０によって反射されにくくなる。したがって、共振器内での損失は小さくなる。かくして、波長変換装置１００は、高調波光ＨＬを高い効率で出射することができる。
【０１４７】
（波長変換素子の傾斜方向）
図１３は、波長変換装置１００の共振器構造の概略的な斜視図である。図２、図１１及び図１３を用いて、波長変換素子１４０の傾斜方向が説明される。
【０１４８】
図１３には、波長変換装置１００の共振器構造として、レーザ媒質１２０、波長変換素子１４０及び凹面ミラー１５０が示されている。波長変換装置１００の特性に応じて、共振器内において、基本波光ＦＬのビーム形状は、略楕円形となることもある。尚、「ビーム形状」との用語は、光線の断面形状を意味する。図１３には、基本波光ＦＬの楕円状のビーム形状が波長変換素子１４０の第２端面１４２上に点線で描かれている。
【０１４９】
図１３には、光軸ＯＡに加えて、光軸ＯＡに対して直交し、且つ、基本波光ＦＬの楕円状のビーム形状の長軸に一致する軸ＶＡと、光軸ＯＡ及び軸ＶＡに対して直交する軸ＨＡが示されている。
【０１５０】
波長変換素子１４０の第１端面１４１が、図２を参照して説明された面ＰＳに一致するように波長変換素子１４０が設定された後、軸ＶＡ周りに波長変換素子１４０が回転されてもよい。軸ＶＡ周りの波長変換素子１４０の回転の結果、角度θが上述の数式で定義される範囲内に設定される。
【０１５１】
上述の如く、第１高調波光ＨＬ１と第２高調波光ＨＬ２との光路が重なっているならば、逆変換に起因する干渉によって、波長変換装置１００から出射される高調波光ＨＬの出力は低下される。共振器内で往復する基本波光ＦＬのビーム形状が楕円形となる条件の下、波長変換素子１４０が軸ＶＡ周りに回転されるならば、第１高調波光ＨＬ１及び第２高調波光ＨＬ２の干渉は、波長変換素子１４０の小さな回転量によって防止される。このことは、図１１に関連して説明された角度範囲ＲＧ１の低減を意味する。したがって、波長変換素子１４０の角度設定が容易になる。
【０１５２】
図１４は、波長変換素子１４０の製造工程の概略図である。図２及び図１４を用いて、波長変換素子１４０の製造工程が説明される。
【０１５３】
図１４には、光軸ＯＡ、軸ＶＡ及び軸ＨＡを用いて表された座標が示されている。波長変換素子１４０は、波長変換を行うための分極反転した領域を有する。このため、本実施形態において、波長変換素子１４０として用いられる結晶体からなる結晶板３４０が用意される。結晶板３４０に分極反転構造が形成される。尚、分極反転構造の形成は、既知の形成技術にしたがってもよい。軸ＶＡは、分極反転方向に沿って設定されている。
【０１５４】
分極反転構造の形成の後、結晶板３４０は、軸ＨＡに沿って切断される。この結果、結晶板３４０から複数の結晶ロッド３４５が切り出される。
【０１５５】
光軸ＯＡに略直交する３４５の一対の面３４１，３４２に対して、研磨処理が施与される。研磨処理の結果、得られた光軸ＯＡ方向の寸法は、上述の数式８において用いられたパラメータ「Ｌ３」に相当する。
【０１５６】
研磨処理の後、結晶ロッド３４５は、光軸ＯＡの方向に裁断される。この結果、結晶ロッド３４５は、複数の波長変換素子１４０に分割される。
【０１５７】
結晶板３４０の厚さ（軸ＶＡの方向）は、分極反転構造が形成可能な寸法に制限される。一方、軸ＨＡの方向における結晶ロッド３４５の寸法は、軸ＶＡの方向の寸法よりも大きく設定可能である。したがって、研磨処理における誤差は、軸ＶＡの方向に大きくなりやすい。したがって、軸ＶＡの方向における基本波光ＦＬの位置に応じて、波長変換素子１４０による波長変換効率は変動しやすくなる。
【０１５８】
図１５は、波長変換装置１００の共振器構造の概略的な斜視図である。図２及び図１５を用いて、波長変換素子１４０の傾斜方向が説明される。
【０１５９】
図１５には、波長変換装置１００の共振器構造として、レーザ媒質１２０、波長変換素子１４０及び凹面ミラー１５０が示されている。波長変換素子１４０は、軸ＶＡに沿って、レーザ媒質１２０と凹面ミラー１５０との間に挿入される。軸ＶＡの方向の波長変換素子１４０の位置は、波長変換素子１４０による波長変換の効率が最大化されるように設定されることが望ましい。
【０１６０】
軸ＶＡ周りに波長変換素子１４０が回転され、角度θが、上述の数式によって定められる範囲に設定される。角度θの調整の間、波長変換素子１４０の位置は、軸ＶＡの方向に沿って変動しないので、波長変換素子１４０による波長変換の効率は適切に維持される。
【０１６１】
（波長変換素子の保持構造）
図１６は、波長変換装置１００の概略的な斜視図である。図２、図１５及び図１６を用いて、波長変換装置１００が説明される。
【０１６２】
図１６に示される波長変換装置１００は、台座部ＳＴ上に据え付けられている。図１６において、レーザ光源１１０、集光レンズ１３０、レーザ媒質１２０、波長変換素子１４０及び凹面ミラー１５０が示されている。
【０１６３】
図１６には、光軸ＯＡ、軸ＨＡ及び軸ＶＡからなる座標が示されている。図１５を参照して説明されたように、波長変換素子１４０の分極反転方向は、軸ＶＡの方向に一致している。レーザ媒質１２０と凹面ミラー１５０との間で往復する基本波光ＦＬのビーム形状が楕円形であるならば、レーザ光源１１０、集光レンズ１３０、レーザ媒質１２０や凹面ミラー１５０の設定が調整され、基本波光ＦＬの断面の長軸が軸ＶＡに合わせられてもよい。加えて、レーザ光源１１０、集光レンズ１３０、レーザ媒質１２０や凹面ミラー１５０の設定が調整され、基本波光ＦＬの偏光方向が軸ＨＡに略一致されてもよい。
【０１６４】
波長変換装置１００は、波長変換素子１４０を保持するためのホルダ１９０を更に備える。波長変換素子１４０は、ホルダ１９０を用いて、精度よく位置決めされる。
【０１６５】
図１７は、ホルダ１９０の概略的な斜視図である。図１８は、波長変換素子１４０を保持したホルダ１９０の概略的な斜視図である。図１４、図１６乃至図１８を用いて、ホルダ１９０が説明される。
【０１６６】
ホルダ１９０は、波長変換素子１４０が収容される凹部１９１が形成された保持体１９２と、保持体１９２から下方に突出する３つの脚部１９３と、を備える。
【０１６７】
台座部ＳＴには、脚部１９３が収容される溝部Ｇが形成される。溝部Ｇは、脚部１９３より僅かに大きく形成される。したがって、ホルダ１９０は、軸ＶＡ周りに僅かに回転可能である。ホルダ１９０は、波長変換装置１００に隣接して配設された回転機構（図示せず）によって軸ＶＡ周りに回転される。その一方で、回転機構は、光軸ＯＡの方向及び軸ＨＡの方向に対するホルダ１９０の変位を防止する。したがって、波長変換素子１４０に対して、台座部ＳＴ上において、軸ＶＡ周りの僅かな回転のみが許容される。波長変換素子１４０が軸ＶＡ周りに回転され、上述の角度θの設定がなされる。
【０１６８】
波長変換素子１４０は、高さ（軸ＶＡの方向）において、約１．５ｍｍである。波長変換素子１４０は、幅（軸ＨＡの方向）において、約１ｍｍである。波長変換素子１４０は、厚さ（光軸ＯＡの方向）において、約１．５ｍｍである。図１４に関連して説明された如く、波長変換素子１４０の第１端面１４１及び第２端面１４２は、研磨されるので、高い精度を有する。
【０１６９】
上述の高調波光ＨＬの生成に必要とされる領域は、直径約１ｍｍの大きさである。上述の波長変換素子１４０の寸法は、高調波光ＨＬの生成に十分な大きさである。また、波長変換素子１４０は、不必要に大きく形成されないので、波長変換素子１４０のコストは低減される。
【０１７０】
図１７に示される如く、ホルダ１９０は、透光穴１９４が形成された立設壁１９５と、波長変換素子１４０の第２端面１４２に当接するボス１９６，１９７，１９８と、を更に備える。ボス１９６，１９７，１９８は、立設壁１９５から波長変換素子１４０に向けて突出する。ボス１９６は、他のボス１９７，１９８より上方に配置される。ボス１９７，１９８は、軸ＨＡの方向に整列される。
【０１７１】
波長変換素子１４０の第２端面１４２は、ボス１９６，１９７，１９８に押し当てられる。研磨された第２端面１４２がボス１９６，１９７，１９８に押し当てられることにより、波長変換素子１４０の角度設定に関する精度は向上する。
【０１７２】
上述の数式によって定義される角度θの範囲は、非常に狭い。したがって、波長変換素子１４０の平行度やレーザ媒質１２０の取付精度、台座部ＳＴの寸法精度、ホルダ１９０の垂直度といった様々な誤差因子が考慮されるならば、ボス１９６，１９７，１９８の高さ（光軸ＯＡの方向）の誤差は、３μｍ以上５μｍ以下の範囲である。「波長変換装置に関する新たな課題」の項で説明された背景思想の下において、許容されるボス１９６，１９７，１９８の高さの誤差が２０μｍ以上５０μｍ以下であることを鑑みれば、上述の許容誤差は非常に小さい。このことからも、上述の角度θの範囲が、上述の背景思想の下で想定された角度範囲と比べて、非常に狭い範囲に限定されていることが分かる。
【０１７３】
（第２実施形態）
図１９は、画像表示装置５００の概略図である。図１６及び図１９を用いて、画像表示装置５００が説明される。
【０１７４】
画像表示装置５００は、複数のレーザ光源６１０ｒ，６１０ｇ，６１０ｂを有する照明装置６００を備える。レーザ光源６１０ｒは、赤の色相のレーザ光ＬＢｒを出射する。レーザ光源６１０ｇは、緑の色相のレーザ光ＬＢｇを出射する。レーザ光源６１０ｂは、青の色相のレーザ光ＬＢｂを出射する。本実施形態において、レーザ光源６１０ｒは、赤色レーザ光源として例示される。レーザ光源６１０ｇは、緑色レーザ光源として例示される。レーザ光源６１０ｂは、青色レーザ光源として例示される。
【０１７５】
本実施形態において、レーザ光源６１０ｇには、第１実施形態に関連して説明された波長変換装置１００が組み込まれている。したがって、レーザ光源６１０ｇは、効率的に、レーザ光ＬＢｇを出射することができる。
【０１７６】
照明装置６００は、レーザ光源６１０ｒ，６１０ｇ，６１０ｂに対応して配置されたコリメートレンズ６２０を更に備える。レーザ光源６１０ｒの近くに配置されたコリメートレンズ６２０は、レーザ光ＬＢｒを平行ビームにする。レーザ光源６１０ｇの近くに配置されたコリメートレンズ６２０は、レーザ光ＬＢｇを平行ビームにする。レーザ光源６１０ｂの近くに配置されたコリメートレンズ６２０は、レーザ光ＬＢｂを平行ビームにする。
【０１７７】
照明装置６００は、レーザ光ＬＢｇ，ＬＢｂを受ける第１ダイクロイックミラー６３１を備える。第１ダイクロイックミラー６３１は、レーザ光ＬＢｂと透過する一方で、レーザ光ＬＢｇを反射する。この結果、レーザ光ＬＢｇ，ＬＢｂは適切に合波される。
【０１７８】
照明装置６００は、レーザ光ＬＢｒを受ける第２ダイクロイックミラー６３２を更に備える。第１ダイクロイックミラー６３１は、第２ダイクロイックミラー６３２に向けて、レーザ光ＬＢｇを反射する。第１ダイクロイックミラー６３１を透過したレーザ光ＬＢｂも第２ダイクロイックミラー６３２に向かう。第２ダイクロイックミラー６３２は、レーザ光ＬＢｇ，ＬＢｂを反射する。その一方で、第２ダイクロイックミラー６３２は、レーザ光ＬＢｒを透過する。この結果、レーザ光ＬＢｒ，ＬＢｇ，ＬＢｂは、合波され、合波レーザ光ＬＢとなる。
【０１７９】
画像表示装置５００は、合波レーザ光ＬＢを拡散する拡散板５１０と、フィールドレンズ５２０と、を備える。フィールドレンズ５２０は、拡散板５１０によって拡散された合波レーザ光ＬＢを略平行な照明光ＣＬＢにする。
【０１８０】
画像表示装置５００は、ビームスプリッタ５３０を更に備える。ビームスプリッタ５３０は、偏光方向に応じてビームを分離する。
【０１８１】
画像表示装置５００は、画像信号に応じて、空間的に照明光ＣＬＢを変調する反射型の液晶パネル５４０を更に備える。フィールドレンズ５２０によって生成された照明光ＣＬＢは、ビームスプリッタ５３０によって、液晶パネル５４０に反射される。かくして、液晶パネル５４０は、照明装置６００によって適切に照明される。液晶パネル５４０は、照明光ＣＬＢを空間的に変調し、映像光ＩＬを作り出す。液晶パネル５４０は、略長方形の受光面５４１を含む。フィールドレンズ５２０及びビームスプリッタ５３０を経由して受光面５４１を照明する照明光ＣＬＢは、略長方形のビーム形状を有する。本実施形態において、液晶パネル５４０は、空間変調素子として例示される。
【０１８２】
画像表示装置５００は、投影レンズ５５０を更に備える。ビームスプリッタ５３０は、映像光ＩＬを透過させる。その後、映像光ＩＬは、投影レンズ５５０に至る。画像表示装置５００は、投影レンズ５５０を通じて、画像表示装置５００に対向して配置されたスクリーンといった表示面に投影される。
【０１８３】
液晶パネル５４０によって生成される映像光ＩＬのビーム形状は矩形である。したがって、表示面上の映像は、矩形となる。図１９において、投影された映像の長軸の方向は、Ｘ軸を用いて表されている。図１９において、投影された映像の短軸の方向は、Ｙ軸を用いて表されている。図１９において、映像光ＩＬの伝播方向は、Ｚ軸を用いて表されている。
【０１８４】
Ｘ軸は、図１６を参照して説明された軸ＨＡに対応する。Ｙ軸は、図１６を参照して説明された軸ＶＡに対応する。Ｚ軸は、図１６を参照して説明された光軸ＯＡに対応する。第１実施形態に関連して説明された如く、波長変換素子１４０は、Ｙ軸に対応する軸ＶＡ周りに回転され、角度θが調整される。
【０１８５】
画像表示装置５００から投影される映像の長軸と短軸との間の寸法比は、一般的なプロジェクタや他の表示装置と同様に、４：３或いは１６：９であってもよい。本実施形態において、照明光ＣＬＢは、長方形のビーム形状を有するので、液晶パネル５４０に対する照明ロスは低減される。したがって、画像表示装置５００は、照明光ＣＬＢを効率的に利用し、映像光ＩＬを生成することができる。
【０１８６】
波長変換素子１４０が、Ｙ軸に対応する軸ＶＡ周りに回転されるので、照明光ＣＬＢの長方形のビーム形状は、容易に作り出される。したがって、画像表示装置５００は、照明光ＣＬＢを効率的に利用し、映像光ＩＬを生成することができる。この結果、画像表示装置５００は、少ない電力消費の下、映像を投影することができる。
【０１８７】
上述の一連の実施形態は、波長変換装置及び画像表示装置の一例にすぎない。したがって、上述の説明は、上述の実施形態の原理の適用範囲を限定するものではない。上述の原理の真意及び範囲を逸脱することなしに、当業者は、様々な変形や組み合わせを行うことが可能であることは容易に理解されるべきである。
【０１８８】
上述された実施形態は、以下の構成を主に備える。
【０１８９】
上述の実施形態の一局面に係る波長変換装置は、励起光を発生させる光源と、前記励起光を用いて基本波光を発生させるレーザ媒質と、該レーザ媒質と協働して共振器を形成する共振器ミラーと、前記基本波光を高調波光に波長変換する波長変換素子と、を備え、該波長変換素子は、前記共振器の光軸に対して直交する面に対して角度θだけ傾斜した第１端面と、該第１端面に対して平行な第２端面と、を含み、前記角度θは、上述の実施形態に関連して説明された数式１乃至数式５を用いて表される関係を満たすことを特徴とする。
【０１９０】
上記構成によれば、光源が発生させた励起光は、レーザ媒質へ入射する。レーザ媒質は、励起光を用いて、基本波光を発生させる。レーザ媒質及び共振器ミラーは、基本波光に対する共振器を形成する。波長変換素子は、基本波光を高調波光に波長変換する。波長変換素子は、共振器の光軸に対して直交する面に対して角度θだけ傾斜した第１端面と、第１端面に対して平行な第２端面と、を含む。角度θは、上述の実施形態に関連して説明された数式１乃至数式５を用いて表される関係を満たすので、波長変換素子が高調波光を逆変換して作り出した基本波光は、レーザ媒質が生成した基本波光と干渉しにくくなる。
【０１９１】
波長変換素子の第１端面で反射された基本波光は、レーザ媒質に戻る。この結果、波長変換素子の第１端面での基本波光に反射に起因する損失は少なくなる。したがって、波長変換装置は、高い効率で波長を変換することができる。
【０１９２】
上述の実施形態の他の局面に係る波長変換装置は、励起光を発生させる光源と、前記励起光を用いて基本波光を発生させるレーザ媒質と、該レーザ媒質と協働して、前記基本波光に対する共振器を形成する共振器ミラーと、前記基本波光を高調波光に波長変換する波長変換素子と、を備え、該波長変換素子は、前記共振器の光軸に対して直交する面に対して角度θだけ傾斜した第１端面と、該第１端面に対して平行な第２端面と、を含み、前記角度θは、上述の実施形態に関連して説明された数式６乃至数式１０を用いて表される関係を満たすことを特徴とする。
【０１９３】
上記構成によれば、光源が発生させた励起光は、レーザ媒質へ入射する。レーザ媒質は、励起光を用いて、基本波光を発生させる。レーザ媒質及び共振器ミラーは、基本波光に対する共振器を形成する。波長変換素子は、基本波光を高調波光に波長変換する。波長変換素子は、共振器の光軸に対して直交する面に対して角度θだけ傾斜した第１端面と、第１端面に対して平行な第２端面と、を含む。角度θは、上述の実施形態に関連して説明された数式６乃至数式１０を用いて表される関係を満たすので、波長変換素子が高調波光を逆変換して作り出した基本波光は、レーザ媒質が生成した基本波光と干渉しにくくなる。
【０１９４】
波長変換素子の第１端面で反射された基本波光は、レーザ媒質に戻る。この結果、波長変換素子の第１端面での基本波光に反射に起因する損失は少なくなる。したがって、波長変換装置は、高い効率で波長を変換することができる。
【０１９５】
上記構成において、広がり角は、半値全角の２分の１の値として定義されてもよい。
【０１９６】
上記構成によれば、角度θは、半値全角の２分の１の値として定義された広がり角より大きく設定されるので、波長変換素子が高調波光を逆変換して作り出した基本波光は、レーザ媒質が生成した基本波光と干渉しにくくなる。
【０１９７】
上記構成において、前記広がり角は、０．２度以下であってもよい。
【０１９８】
上記構成によれば、広がり角は、０．２度以下であるので、波長変換素子内での基本波光のビーム径は小さくなる。この結果、波長変換素子内での基本波光の密度は、大きくなる。波長変換素子における波長変換効率は、基本波光の密度に略比例するので、波長変換装置は、高い効率で波長を変換することができる。
【０１９９】
上記構成において、前記第１端面と前記第２端面との間の平行度は、０．２度以下であってもよい。
【０２００】
上記構成によれば、第１端面と第２端面との間の平行度は、０．２度以下であるので、波長変換素子において、有効なエタロン効果が得られる。エタロン効果によって、波長変換素子における透過損失が大幅に低減される。したがって、波長変換素子に取り付けられた透過膜が低い透過率を有していても、波長変換素子は、低い透過損失を達成することができる。したがって、波長変換装置は、高い効率で波長を変換することができる。
【０２０１】
波長変換素子の不存在下における基本波光の軸は、共振器の主軸に略一致する。第１端面と第２端面との間の平行度は、０．２度以下であるので、波長変換素子の存在下における基本波光の軸は、波長変換素子の不存在下における波長変換素子の存在下における基本波光の軸が共振器の主軸から平行移動されたものに略相当する。角度θは、上述の数式で定義される関係を充足するので、波長変換素子の存在下と不存在下との間での基本波光の平行移動量は非常に小さくなる。したがって、レーザ媒質と共振器ミラーは、波長変換素子の不存在下においても、適切な位置に配置可能となる。したがって、波長変換装置は、容易に組み立てられる。
【０２０２】
上記構成において、波長変換装置は、前記第１端面及び前記第２端面上に形成された透過膜を更に備えてもよい。透過膜は、前記基本波光に対して、９９．７％以上の透過率を有してもよい。
【０２０３】
波長変換素子におけるエタロン効果は、第１端面及び／又は第２端面における基本波光の透過率に大きく依存する。上記構成によれば、第１端面及び第２端面上に形成された透過膜は、基本波光に対して、９９．７％以上の透過率を有するので、エタロン効果に起因して低減された透過損失で波長変換素子を透過する波長と、エタロン効果の影響を受けにくい波長との間での透過率の差異が低減される。このことは、角度θだけ傾斜された波長変換素子中で生じたエタロン効果に起因する反射光の影響が低減されることを意味する。波長変換素子の傾斜角度に起因する出力低下は、緩和されるので、波長変換装置は、高い効率で波長を変換することができる。
【０２０４】
上記構成において、前記基本波光は、楕円状のビーム形状を有してもよい。前記波長変換素子は、前記楕円状のビーム形状の長軸周りに傾斜してもよい。
【０２０５】
上記構成によれば、基本波光は、楕円状のビーム形状を有し、且つ、波長変換素子は、楕円状のビーム形状の長軸周りに傾斜しているので、出射方向に伝播する高調波光と、出射方向とは逆の戻り方向に伝播する高調波光との重なりは生じにくくなる。この結果、高調波光から基本波光への逆変換に起因する出力低下は、生じにくくなる。
【０２０６】
高調波光のビーム形状は、励起光のビーム形状や共振器ミラーの位置や傾斜に応じて、楕円状となることもある。波長変換素子が長軸周りに傾斜されるならば、波長変換素子が短軸周りに傾斜されるよりも小さな角度で、出射方向へ伝播する楕円形状の高調波光と戻り方向へ伝播する楕円形状の高調波光との間での光路差が作り出されることとなる。出射方向へ伝播する高調波光と戻り方向へ伝播する高調波光との間での光路差を作り出すための波長変換素子の傾斜角度の設定範囲が拡がるので、波長変換装置の組立コストは低減される。
【０２０７】
上記構成において、前記波長変換素子は、分極反転した領域を有してもよい。前記第１端面は、前記領域の分極反転方向に延びる軸周りに傾斜してもよい。
【０２０８】
上記構成によれば、波長変換素子は、分極反転した領域を有するので、基本波光は、高調波光へ適切に波長変換される。波長変換素子の波長変換効率は、分極反転方向に変動する。第１端面は、分極反転した領域の分極反転方向に延びる軸周りに傾斜するので、波長変換素子内における基本波光の通過領域は、分極反転方向にはほとんど変動しない。したがって、波長変換素子の傾斜は、波長変換効率にほとんど影響しない。かくして、波長変換装置は、波長を高い効率で変換することができる。
【０２０９】
上記構成において、前記レーザ媒質と前記波長変換素子との間の距離は、１ｍｍ以下であってもよい。
【０２１０】
波長変換素子の波長変換効率は、基本波光の密度に略比例する。上記構成によれば、レーザ媒質と波長変換素子との間の距離は、１ｍｍ以下であるので、波長変換素子中の基本波光のビーム径は、小さくなる。波長変換素子中での基本波光の密度が高くなるので、波長変換装置は、高い効率で波長を変換することができる。
【０２１１】
波長変換素子を通過する基本波光のビーム径が小さいので、出射方向へ伝播する高調波光と戻り方向へ伝播する高調波光との間での光路差を作り出すのに必要とされる波長変換素子の傾斜角度は小さくなる。したがって、小さな角度で傾斜された波長変換素子を用いて、レーザ媒質によって作り出された基本波光と、高調波光からの逆変換によって生じた基本波光の干渉は好適に防止される。したがって、波長変換装置は、高い効率で波長を変換することができる。
【０２１２】
上記構成において、前記光軸方向における前記共振器の長さは、１０ｍｍ以下であってもよい。
【０２１３】
上記構成によれば、光軸方向における共振器の長さは、１０ｍｍ以下であるので、波長変換素子によって反射された光は、レーザ媒質に戻りやすくなる。したがって、波長変換装置は、高い効率で波長を変換することができる。
【０２１４】
上記構成において、前記波長変換素子と前記基本波光との間の角度は、ブリュースター角であってもよい。
【０２１５】
上記構成によれば、波長変換素子と基本波光との間の角度は、ブリュースター角であるので、特定の方向に偏光した光の反射率はゼロになる。したがって、基本波光の透過損失は低減される。この結果、波長変換素子に基本波光に対する透過膜が形成されているか否かにかかわらず、共振器内での損失は低減される。したがって、波長変換装置は、高い効率で波長を変換することができる。
【０２１６】
上記構成において、前記基本波光の偏光方向に延びる軸周りの回転及び前記光軸周りの回転が規制されるように、前記波長変換素子は、機械的に固定されてもよい。
【０２１７】
上記構成によれば、波長変換素子は、機械的に固定され、基本波光の偏光方向に延びる軸周りの回転及び前記光軸周りの回転が規制されるので、波長変換素子の第１端面は、角度θに調整されやすくなる。したがって、波長変換装置は、低い製造コストで製造されやすくなる。
【０２１８】
上述の実施形態の他の局面に係る画像表示装置は、複数のレーザ光源を有する照明装置と、該照明装置によって照明され、前記光を用いて映像光を作り出す空間変調素子と、を備え、前記複数のレーザ光源は、赤の色相のレーザ光を出射する赤色レーザ光源と、緑の色相のレーザ光を出射する緑色レーザ光源と、青の色相のレーザ光を出射する青色レーザ光源と、を含み、前記緑色レーザ光源は、上述の波長変換装置を備えることを特徴とする。
【０２１９】
上記構成によれば、複数のレーザ光源を有する照明装置は、空間変調素子を照明する。空間変調素子は、照明装置からの光を用いて映像光を作り出す。複数のレーザ光源は、赤の色相のレーザ光を出射する赤色レーザ光源と、緑の色相のレーザ光を出射する緑色レーザ光源と、青の色相のレーザ光を出射する青色レーザ光源と、を含むので、画像表示装置は、三原色を用いて、カラーの映像を表示することができる。緑色レーザ光源は、上述の波長変換装置を備えるので、緑の色相のレーザ光は、高い効率で生成される。
【０２２０】
上記構成において、前記空間変調素子は、長方形であってもよい。前記波長変換素子は、前記空間変調素子の短軸周りに傾斜していてもよい。
【０２２１】
波長変換素子は、空間変調素子の短軸周りに傾斜しているので、画像表示装置は、高い効率で長方形の映像を表示することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２２２】
上述の一連の実施形態の原理は、高効率且つ高出力の光を作り出すための波長変換装置及び波長変換装置によって生成された光を用いて画像を表示する画像表示装置に好適に適用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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