(57)【要約】  波長変換装置は、２０００ｎｍ以下の波長を有する基本波を出射する赤外光光源（１）と、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、赤外光光源（１）から出射される基本波を高調波に変換する波長変換素子（３）と、波長変換素子（３）を加熱するヒーター（４）とを備える。分極反転構造の周期は、基本波と高調波とが擬似位相整合する温度が４０℃以上になるように設計されており、ヒーター（４）は、擬似位相整合が成立する温度に波長変換素子（３）を加熱し、非線形光学結晶は、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくともいずれかの添加物を有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムを主成分とする。これにより、光損傷を抑圧することができるとともに、紫外光による可視光の吸収を低減することができる。
2009031278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２０００ｎｍ以下の波長を有する基本波を出射する基本波光源と、
周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、前記基本波光源から出射される基本波を高調波に変換する波長変換素子と、
前記波長変換素子を加熱する加熱部とを備え、
前記分極反転構造の周期は、基本波と高調波とが擬似位相整合する温度が４０℃以上になるように設計されており、
前記加熱部は、前記擬似位相整合が成立する温度に前記波長変換素子を加熱し、
前記非線形光学結晶は、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくともいずれかの添加物を有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムを主成分とすることを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記非線形光学結晶は、５．０ｍｏｌ％以上のモル濃度のＭｇＯを添加しているニオブ酸リチウムであり、
前記加熱部は、前記非線形光学結晶を８０℃以上に加熱することを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記非線形光学結晶は、４．８ｍｏｌ％以上５．０ｍｏｌ％未満のモル濃度のＭｇＯを添加しているニオブ酸リチウムであることを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。
【請求項４】
前記非線形光学結晶は、１．２ｍｏｌ％以上のモル濃度のＳｃ２Ｏ３を添加しているニオブ酸リチウムであることを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウムを主成分とし、Ｓｃとともに、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかの添加物をさらに有し、
前記添加物のモル濃度の合計は、５．０ｍｏｌ％未満であることを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記波長変換素子は、
ニオブ酸リチウムからなる第１の波長変換素子と、
ニオブ酸リチウムに添加する物質、添加物のモル濃度、位相整合温度及び素子長の少なくともいずれか一つが前記第１の波長変換素子と異なる第２の波長変換素子とを少なくとも含むことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記波長変換素子は、ニオブ酸リチウムからなる第１の波長変換素子と、前記第１の波長変換素子とは異なる第２の波長変換素子とを少なくとも含み、
前記第１の波長変換素子は、前記基本波と、前記基本波から変換された高調波とを共に前記第２の波長変換素子に出射し、
前記第２の波長変換素子は、前記基本波と前記高調波との和周波を発生することを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項８】
前記波長変換素子内の基本波が通過する部分において分極反転部が素子全体に占める割合が４５％以上５５％以下となることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項９】
前記波長変換素子の断面積は２ｍｍ２以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１０】
前記波長変換素子の少なくとも＋Ｚ面と−Ｚ面とに接触している絶縁性物質をさらに備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１１】
前記絶縁性物質の電気抵抗率は、１×１０８Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１０記載の波長変換装置。
【請求項１２】
前記絶縁性物質においてＤＣドリフトが発生しないことを特徴とする請求項１１記載の波長変換装置。
【請求項１３】
前記絶縁性物質は、ＣＶＤ法により形成された絶縁層であることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１４】
前記加熱部は、待機時における前記波長変換素子の温度を１０℃以上３０℃以下の範囲で一定に保つことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１５】
前記波長変換素子と前記加熱部との周辺部を覆う断熱材と、
前記高調波の出力を計測する計測部と、
前記計測部によって計測される前記高調波の出力が一定となるように、前記基本波光源に入力する電流量を制御する制御部とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１６】
前記基本波光源は、８００ｎｍから１２００ｎｍの波長を有する基本波を出射し、
前記波長変換素子は、前記基本波を第２高調波に変換し、
前記波長変換素子の光入射面に設けられた、前記基本波の反射を防止する第１の反射防止膜と、
前記波長変換素子の光出射面に設けられた、第２高調波と第３高調波との反射を防止する第２の反射防止膜とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１７】
前記基本波光源は、波長４００ｎｍから８００ｎｍの波長を有する基本波を出射し、
前記波長変換素子は、前記基本波を第２高調波に変換し、
前記波長変換素子の光入射面に設けられた、前記基本波の反射を防止する第１の反射防止膜と、
前記波長変換素子の光出射面に設けられた、前記基本波と前記第２高調波との反射を防止する第２の反射防止膜とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１８】
前記基本波光源は、ポンプレーザと、レーザ媒質とを含み、
一対の共振器ミラーをさらに備え、
前記レーザ媒質と前記波長変換素子とは、前記一対の共振器ミラー内部に設置され、
前記レーザ媒質は、前記ポンプレーザによって励起されて前記基本波を発生し、
前記基本波は、前記一対の共振器ミラー内部で前記波長変換素子により波長変換されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１９】
前記波長変換素子内における光強度は、３６０Ｗ／ｍｍ２を超えることを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項２０】
前記基本波光源は、パルス発振した基本波を前記波長変換素子へ出射することを特徴とする請求項１〜１９のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項２１】
前記基本波光源よりパルス発振する基本波のデューティ比は、５０％以下であることを特徴とする請求項２０記載の波長変換装置。
【請求項２２】
前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウムを主成分とし、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれか２種類の添加物を有し、
前記添加物のモル濃度の合計は、５．０ｍｏｌ％未満であり、
前記加熱部は、前記非線形光学結晶を８０℃以下に加熱することを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。
【請求項２３】
前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウムを主成分とし、Ｓｃとともに、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかの添加物をさらに有し、
前記Ｓｃのモル濃度の二倍と、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかのモル濃度との合計は、４．８ｍｏｌ％以上であり、
前記加熱部は、前記非線形光学結晶を８０℃以下に加熱することを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。
【請求項２４】
ニオブ酸リチウム結晶の［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率が０．４８４〜０．５００であることを特徴とする請求項１〜２３のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項２５】
基本波から高調波に変換する請求項１〜２４のいずれかに記載の波長変換装置と、
スクリーンと、
前記波長変換装置によって高調波に変換されたレーザ光を用いて前記スクリーン上に画像を形成する光学系とを備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２６】
液晶表示パネルと、
基本波から高調波に変換し、前記液晶表示パネルを背面側から照明する請求項１〜２４のいずれかに記載の波長変換装置とを備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２７】
前記波長変換装置は、４８８ｎｍから５５０ｎｍの波長を有する３ワット以上の緑色光を生成することを特徴とする請求項２５又は２６記載の画像表示装置。
【請求項２８】
基本波から高調波に変換する請求項１〜２４のいずれかに記載の波長変換装置と、
前記波長変換装置から出力されたレーザ光を加工対象に集光するための加工ヘッドとを備えることを特徴とする加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基本波を高調波に変換する波長変換装置と、当該波長変換装置を備える画像表示装置と、当該波長変換装置を備える加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加工用途あるいはレーザディスプレイなどに使われる光源として数Ｗを超える高出力レーザ光源が注目されている。赤色又は青色領域の光の発生においてはガリウム・ヒ素、窒化ガリウム等を用いた半導体レーザが開発されており、高出力化も検討されている。しかし、緑色領域の光においては、半導体レーザからの直接発生は依然として困難である。そのため、ＹＡＧレーザ等の固体レーザや、Ｙｂ又はＮｄ等の希土類が添加されたファイバを用いたファイバレーザなどから発せられる赤外光を基本波として非線形光学結晶に入射し、波長変換により第２高調波として緑色光を得る方法が一般的である。【０００３】
特に、分極反転技術を用いて形成された擬似位相整合（ＱＰＭ）波長変換素子は、ＬｉＮｂＯ３（以下ＬＮとする）又はＬｉＴａＯ３（以下ＬＴとする）系の非線形光学結晶において高出力の短波長光発生を可能にする構成である。ＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶においては、短波長光の発生時の光損傷が問題になっていた。これは、短波長光によって結晶内部に形成された電界分布により屈折率が変化する現象であり、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ又はＳｃ等をＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶に必要量を添加することで、低減が可能である。一方、これらの添加物を加えないノンドープの結晶においては、結晶を１００℃以上の高温で保持することで、光損傷をある程度は低減できることが公知となっている。【０００４】
すなわち、ＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶は、ノンドープの結晶を高温で使用するまたは添加物を加えることで光損傷による出力変動を低減できることが知られていた。例えば、非特許文献１及び２には、ＭｇＯをモル濃度で５．０ｍｏｌ％以上添加することにより、光損傷を抑圧できることが示されている。【０００５】
これに対して、光損傷の抑圧した結晶においても、数Ｗを越える高出力の短波長光に対して出力の不安定性や、結晶破壊が発生するような現象が見いだされている。例えば、特許文献１に示すように、基本波となる赤外光と変換された緑色光（第２高調波）の和周波として発生する紫外光（第３高調波）により、緑色光の吸収が引き起こされ、高出力波長変換時に緑色光の吸収による結晶破壊が発生する。この場合、数Ｗを超える波長変換が困難になる。【０００６】
医療用、加工用又はレーザディスプレイ用として、必要とされる数Ｗを超える緑色光を生成する光源を提供するため、紫外光によって引き起こされる緑色光の吸収が少なく、光損傷を起こさない非線形光学結晶が強く求められている。【０００７】
従来の構成において、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ又はＳｃなどの添加物を含むＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶においては、光損傷による出力不安定性は解決される。しかしながら、数Ｗを越える高出力の短波長光発生においては、光吸収による熱レンズ効果に起因した出力不安定性及び結晶破壊などの現象は解決されず、添加物を含む非線形光学結晶は高出力化が難しいという課題があった。【０００８】
すなわち、ＭｇＬＮ（Ｍｇを添加したＬＮ系の非線形光学結晶）からなる波長変換素子を用いて数Ｗの高調波を得る場合において、大きな非線形光学定数が原因となり、基本波となる赤外光と変換された緑色光（第２高調波）との和周波である紫外光（第３高調波）が位相整合条件からはずれた場合においても発生する。この発生した紫外光が、緑色光の吸収を引き起こし、熱レンズを発生させる。これにより、緑色光のビーム劣化を引き起こし、更に高出力時において変換効率の低下、及び発熱による結晶の熱破壊を引き起こすという問題があった。【０００９】
素子によっても異なるが緑色光発生の場合２．５Ｗを超える出力を発生する際、結晶破壊が発生し始める。緑色光より短波長の青色光発生の場合では結晶破壊の閾値が低下し、連続光で平均出力２Ｗを超えると結晶破壊が発生し始めることがわかっている。また、尖塔値の高いパルス発振の場合は平均出力０．５Ｗを超えると結晶破壊が発生する。【００１０】
また、従来の構成のノンドープのＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶において、結晶温度を上げて、光損傷を抑圧する方法があった。しかしながら、高温動作による光損傷の低減は、１００℃以上の高温を必要とし、高出力特性を実現するには１４０℃以上の高温を必要とした。さらに、高温に動作させた場合でも完全に光損傷を低減することは難しく。特に短波長光の発生では出力が不安定になるという課題があった。また、１４０℃を越える高温動作においては、温度の均一性を保つのが難しく、消費電力が増大する等の課題があった。さらに、周期状分極反転構造からなる波長変換素子の温度許容度は高温になるに従い狭くなるため、高温では精密な温度制御が必要となり、出力の安定化が難しいという課題があった。
【特許文献１】特開２００６−３０８７３１号公報
【非特許文献１】Ｄ．Ａ．Ｂｒｙａｎ、Ｒｏｂｅｒｔ  Ｇｅｒｓｏｎ、Ｈ．Ｅ．Ｔｏｍａｓｃｈｋｅ、「Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｄａｍａｇｅ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  ｌｉｔｈｉｕｍ  ｎｉｏｂａｔｅ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒｓ、４４（９）、１９８４年、ｐ．８４７−８４９
【非特許文献２】Ｄ．Ｈ．Ｊｕｎｄｔ、Ｇ．Ａ．Ｍａｇｅｌ、Ｍ．Ｍ．Ｆｅｊｅｒ、Ｒ．Ｌ．Ｂｙｅｒ、「Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  ｐｏｌｅｄ  ＬｉＮｂＯ３  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒｓ、５９（２１）、１９９１年、ｐ．２６５７−２６５９
【発明の開示】
【００１１】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、光損傷を抑圧することができるとともに、紫外光による可視光の吸収を低減することができる波長変換装置、画像表示装置及び加工装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
本発明の一局面に係る波長変換装置は、２０００ｎｍ以下の波長を有する基本波を出射する基本波光源と、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、前記基本波光源から出射される基本波を高調波に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子を加熱する加熱部とを備え、前記分極反転構造の周期は、基本波と高調波とが擬似位相整合する温度が４０℃以上になるように設計されており、前記加熱部は、前記擬似位相整合が成立する温度に前記波長変換素子を加熱し、前記非線形光学結晶は、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくともいずれかの添加物を有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムを主成分とする。
【００１３】
本発明によれば、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくともいずれかの添加物を有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムを主成分とする非線形光学結晶において、周期状の分極反転構造が形成され、非線形光学結晶を４０℃以上に加熱した状態で波長変換されるので、光損傷を抑圧することができるとともに、紫外光による可視光の吸収を低減することができる。
【００１４】
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】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る波長変換装置の構成を示す図である。
【図２】光吸収特性を測定するための実験装置の構成を示す図である。
【図３】５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮの結晶温度とＵＶＩＧＡ率の関係を示す図である。
【図４】波長変換素子の波長変換特性を評価するための実験装置の構成を示す図である。
【図５】波長変換時における素子温度と、結晶破壊発生時の緑色光出力との関係を示す図である。
【図６】４．６ｍｏｌ％、４．９ｍｏｌ％、５．０ｍｏｌ％、５．３ｍｏｌ％及び５．６ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮの素子温度とＵＶＩＧＡ率との関係を示す図である。
【図７】６５℃におけるＭｇＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率とＭｇのモル濃度との関係を示す図である
【図８】５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率と素子温度との関係、１．５ｍｏｌ％のＳｃ２Ｏ３を添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率と素子温度との関係、及び７．５ｍｏｌ％のＺｎＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率と素子温度との関係を示す図である。
【図９】長さ２５ｍｍの擬似位相整合波長変換素子の温度と位相整合温度許容幅との関係を示す図である。
【図１０】擬似位相整合波長変換素子における周期的な分極反転構造を示す図である。
【図１１】緑色光の発生量及び紫外光の発生量と、デューティ比との関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態１の変形例に係る波長変換装置の構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態２に係る波長変換装置の構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態３に係る波長変換装置の構成を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態４に係る画像表示装置の構成を示す図である。
【図１６】波長変換装置の波長変換素子周辺部の構成を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態５に係る画像表示装置の構成を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態６に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。【００１７】
（実施の形態１）
本実施の形態は、ＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶において高出力の短波長光発生を可能にする構成である。ＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶においては、短波長光の発生時における光損傷が問題になっていた。これは、短波長光によって結晶の屈折率が変化する現象であり、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｚｎ（亜鉛）又はＳｃ（スカンジウム）等をＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶に必要量を添加することで、光損傷の低減が可能であることが、公知となっている。【００１８】
このため、従来、ノンドープのＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶を用いて可視領域の光を発生させる場合、光損傷を低減するために、非線形光学結晶は、１００℃以上の高温で使用されることが一般的であった。また、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ又はＳｃ等を添加したＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶を用いて可視領域の光を発生させる場合、光損傷が低減できるため、温度を上げて使用する必要はなく、非線形光学結晶は、室温近傍で使用されることが一般的であった。【００１９】
これに対し、我々は、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくとも何れかの添加物を含むＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶の結晶温度を高温にすることで、高出力波長変換時に発生していた紫外光による緑色光吸収を抑制することができることを発見した。この場合、上記のＭｇ、Ｉｎ、Ｚｎ又はＳｃ等を添加した場合の波長変換に比べて、結晶内の光吸収が抑制されるので、熱レンズ効果も軽減され、ビーム劣化の程度も軽減される。また、素子温度を１００℃以下とすることにより、上記のノンドープの場合の波長変換に比べて単位温度あたりの屈折率変化量が減少し、温度許容幅が狭くなる問題も解消される。【００２０】
更に、我々は、ＬＮを主成分とする結晶に添加する添加物の種類や、添加量を変えることで、より低温にて紫外光による緑色光吸収を抑制することができることを発見した。これにより、素子加熱に必要となる消費電力を軽減し、光源の立ち上がり速度を高めることができる。【００２１】
図１は、本発明の実施の形態１に係る波長変換装置の構成を示す図である。図１に示す波長変換装置は、赤外光光源１、第１の集光レンズ２、波長変換素子３、ヒーター４、断熱材５、第２の集光レンズ６及び分離ミラー７を備える。【００２２】
赤外光光源１は、２０００ｎｍ以下の波長を有する基本波を出射する。具体的に、赤外光光源１は、発振波長１０６４ｎｍのＹｂドープファイバレーザで構成される。赤外光光源１は、ビーム径５００μｍの平行な赤外光を出射する。第１の集光レンズ２は、ｆ＝３０ｍｍであり、赤外光光源１から出射した赤外光８を波長変換素子３に集光する。このとき、結晶の分極方向は、入射する赤外光の偏光方向と一致する。【００２３】
波長変換素子３は、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、赤外光光源１から出射される基本波を第２高調波に変換する。波長変換素子３は、Ｓｃ２Ｏ３を１．５ｍｏｌ％添加したＬＮで構成され、ヒーター４により８０℃以上で温度管理されている。更に、波長変換素子３には周期的な分極反転構造が形成されており、その周期は４０℃以上で擬似位相整合するように設計されている。また、ヒーター４の消費電力軽減のため、ヒーター４と波長変換素子３とは、基本波が入射する光入射面１１と、高調波が出射する光出射面１２とを除いて、断熱材５で覆われていることが望ましい。ヒーター４は、擬似位相整合が成立する温度に波長変換素子３を加熱する。【００２４】
第２の集光レンズ６は、波長変換素子３を透過した赤外光と、発生した第２高調波（緑色光）とを平行光に戻す。分離ミラー７は、波長変換素子３を出射したレーザ光を、透過赤外光１０と、第２高調波である緑色光９とに分離する。周期状の分極反転構造は、高温で素子を使用する場合の出力安定化に有効である。【００２５】
ＬＮ又はＬＴなどの結晶温度を上げて使用する場合には、結晶の温度変化により焦電効果が発生して基板内部に電界分布が発生する。ＬＮ結晶又はＬＴ結晶は、電気光学効果を有するため、電界により屈折率分布が発生して位相整合条件が不安定になるといった現象が生じる。これに対して、波長変換素子３に周期状の分極反転構造が形成されている場合、隣接する分極反転部と非分極反転部とで発生する焦電効果の方向が異なる。そのため、隣接する分極反転部と非分極反転部とで電界が相殺し、出力不安定となるのを防止できる。【００２６】
なお、本実施の形態において、赤外光光源１が基本波光源の一例に相当し、ヒーター４が加熱部の一例に相当する。【００２７】
ここで、非線形光学結晶における光吸収特性の測定方法について説明する。図２は、光吸収特性を測定するための実験装置の構成を示す図である。図２に示す実験装置は、測定サンプル１３、緑色光源１４、集光レンズ１５、フォトダイオード１６及びヒーター１７を備える。【００２８】
測定サンプル１３は、非線形光学結晶を、厚さ１ｍｍ、長手方向（ビームパス）の長さ５ｍｍ及び幅１０ｍｍにカットし、両端面（１ｍｍ×１０ｍｍの面）を光学研磨することにより作製される。緑色光源１４は、波長５３２ｎｍの緑色光を出射する。集光レンズ１５は、測定サンプル１３内での緑色光のビーム径が約２００μｍとなるように集光する。フォトダイオード１６は、測定サンプル１３を透過した緑色光の出力を計測する。ヒーター１７は、測定サンプル１３を加熱する。紫外光照射機１８は、波長４００〜３４０ｎｍの紫外光１９を測定サンプル１３の緑色光のビームパスに照射する。【００２９】
実験では、測定サンプル１３、緑色光源１４、集光レンズ１５、フォトダイオード１６及びヒーター１７を固定した状態でヒーター１７を用いて測定サンプル１３の温度を変えて、紫外光照射機１８より出射した紫外光１９を測定サンプル１３の緑色光のビームパスに照射した。【００３０】
紫外光１９の照射前における緑色光出力と、紫外光１９の照射中における緑色光出力とをフォトダイオード１６にてモニターし、紫外光照射による緑色光の吸収率を測定した。以降、この吸収率をＵＶＩＧＡ（ＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｇｒｅｅｎ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）率とする。この測定方法により、紫外光による可視光（ここでは５３２ｎｍの光）の吸収率の増大について測定した。ＵＶＩＧＡ率の値は、結晶破壊に対する結晶の耐性と相関があり、ＵＶＩＧＡ率の低下は、光吸収の低減、即ち高出力耐性の向上を意味する。ＵＶＩＧＡ率と結晶の高出力耐性との相関は実験的に確認しており、ＵＶＩＧＡ率が１０％の場合に、５３２ｎｍの光に対する結晶破壊の耐性は２．５Ｗ程度であった。ＵＶＩＧＡ率が５％程度の場合、結晶破壊の耐性は３Ｗ以上になる。【００３１】
図３は、５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮの結晶温度とＵＶＩＧＡ率との関係を示す図である。測定サンプル１３には、５．０ｍｏｌ％のＭｇＯをドープしたコングルエント組成（［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率０．４６〜０．４８２：一致溶融組成）のＬＮを用いた。そして、測定サンプル１３の温度を２５℃〜２５５℃まで変化させ、ＵＶＩＧＡ率の変化をモニターした。【００３２】
その結果、図３に示すとおり、測定サンプル１３の温度が２５℃から８０℃の範囲では、ＵＶＩＧＡ率は変化せず、８０℃以上に加熱することで、ＵＶＩＧＡ率が低下することがわかった。なお、１４５℃以上ではＵＶＩＧＡ率は１％以下であったため、図３には図示していない。これより、素子温度を８０℃以上にすることで、紫外光照射による緑色光の吸収率が低下するため、数Ｗを越える高出力波長変換が可能となると考えられる。【００３３】
次に、５．０ｍｏｌ％のＭｇＯをドープしたＬＮに対し、特許文献１に示すように、フォトプロセスにより電極を形成し、電界を印加することで分極反転処理を行った。まず、結晶の誘電主軸であるＺ軸方向が基板表面に垂直となるような、両面光学研磨された基板（Ｚ板）上（本実施の形態では厚さ１ｍｍ）に電極材料となる金属膜を蒸着する。続いて、フォトレジストを塗布し、密着露光法により電極パターンをパターニングする。その後、ドライエッチング装置により金属電極を形成する。そして、金属膜の上に誘電体を形成する。電極にパルス電界を引加することにより結晶に分極反転構造を形成した。このときの反転周期は、それぞれ３０℃、６０℃、９０℃及び１２０℃のときに１０６４ｎｍの第２高調波が発生する周期Λ＝６．９５μｍ、６．９０μｍ、６．８５μｍ、６．８０μｍとした。また、素子長は２５ｍｍとした。【００３４】
ＬＮに周期的分極反転構造を形成し、擬似位相整合波長変換素子とすることで高い変換効率での波長変換が可能となる。擬似位相整合波長変換素子は、その周期を変えることで、任意の温度にて波長変換させることが可能となり、本実施の形態として望ましい。【００３５】
このようにして形成した波長変換素子について、実際に波長変換特性を評価した。図４は、波長変換素子の波長変換特性を評価するための実験装置の構成を示す図である。図４に示す実験装置は、赤外光光源２１、第１の集光レンズ２２、波長変換素子２３、ヒーター２４、第２の集光レンズ２５、分離ミラー２６及びパワーメータ２７を備える。【００３６】
赤外光光源２１は、発振波長１０６４ｎｍのＹｂドープファイバレーザで構成される。赤外光光源２１は、ビーム径５００μｍの平行な赤外光を出射する。第１の集光レンズ２２は、ｆ＝３０ｍｍであり、赤外光光源２１から出射した赤外光２８を波長変換素子２３に集光する。波長変換素子２３は、ヒーター２４により温度管理されている。このとき、室温は約２５℃に設定した。第２の集光レンズ２５は、波長変換素子２３を透過した赤外光と、発生した第２高調波（緑色光）とを平行光に戻す。分離ミラー２６は、赤外光２８と第２高調波となる緑色光２９とに分離する。パワーメータ２７は、分離した緑色光２９を測定する。【００３７】
図５は、波長変換時における素子温度と、結晶破壊発生時の緑色光出力との関係を示す図である。素子温度が３０℃及び６０℃である場合、２．２Ｗ付近で結晶破壊が発生し、素子温度が９０℃である場合、２．６Ｗ付近で結晶破壊が発生した。しかし、素子温度が１２０℃である場合、３．４Ｗの緑色光生成時においても結晶が破壊されなかった。【００３８】
以上より、ＵＶＩＧＡ率が低下する８０℃以上にて波長変換を行なうことで、従来実現が困難であった、光損傷の回避と紫外光による可視光吸収の低減との双方の課題を同時に緩和することが可能となっている。【００３９】
更に、ＵＶＩＧＡ率が低下する温度はＬＮに添加するＭｇＯのモル濃度と関係することが、実験によりわかった。【００４０】
図６は、４．６ｍｏｌ％、４．９ｍｏｌ％、５．０ｍｏｌ％、５．３ｍｏｌ％及び５．６ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮの素子温度とＵＶＩＧＡ率との関係を示す図である。図６において、温度変化１０１，１０２，１０３，１０４，１０５は、それぞれ４．６ｍｏｌ％、４．９ｍｏｌ％、５．０ｍｏｌ％、５．３ｍｏｌ％及び５．６ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率の温度変化を示している。本実験では、測定サンプルの温度を２５℃〜２５５℃まで変化させ、ＵＶＩＧＡ率の値をモニターした。【００４１】
素子温度が２５℃である場合、５．３ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率が最も低く８％程度となっている。しかしながら、５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率及び５．６ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率と同様に、５．３ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率は、素子温度を８０℃程度まで上げても変わらず、素子温度を８０℃以上とすることで、低下することがわかった。【００４２】
同様に、素子温度が２５℃である場合、４．６ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプル及び４．９ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率は、それぞれ１１．２％及び９．７％であり、５．０ｍｏｌ％以上のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率より高くなっている。しかしながら、４．６ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプル及び４．９ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率は、温度を上げるほど低下し、４０℃以上では５．０ｍｏｌ％以上のＭｇＯを添加した測定サンプルの半分以下となることがわかった。【００４３】
図７は、６５℃におけるＭｇＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率とＭｇのモル濃度との関係を示す図である。図７に示すように、素子温度が６５℃である場合、４．６ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプル及び４．９ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率は、それぞれ１．０％程度となっている。一方、５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率は、急激に上昇し、９．３％程度となっている。また、５．３ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプル及び５．６ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率は、それぞれ８．０％及び８．２％程度となっている。【００４４】
このように、素子温度が６５℃である場合、ＬＮに４．６ｍｏｌ％のＭｇＯ又は４．９ｍｏｌ％のＭｇＯを添加することで、光吸収を低減することができることがわかった。【００４５】
更に、従来の波長変換素子は、５．０ｍｏｌ％以上のＭｇＯを添加することで、光損傷が回避されることが知られていたが、より詳細には４．８ｍｏｌ％以上のＭｇＯを添加した波長変換素子について光損傷が起きないことがわかった。【００４６】
また、ＬＮにＳｃ２Ｏ３やＺｎＯを添加する場合においても、温度を上げることにより光損傷の回避と紫外光による緑色光吸収の低減との双方の課題を解決できることが分かった。ここで、Ｓｃ２Ｏ３やＺｎＯを添加したＬＮは、ＭｇＯを添加したＬＮと同様にチョクラルスキー法を用いて作製される。【００４７】
図８は、５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率と素子温度との関係、１．５ｍｏｌ％のＳｃ２Ｏ３を添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率と素子温度との関係、及び７．５ｍｏｌ％のＺｎＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率と素子温度との関係を示す図である。図８において、温度変化２０１，２０２，２０３は、それぞれ５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率の温度変化、１．５ｍｏｌ％のＳｃ２Ｏ３を添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率の温度変化、及び７．５ｍｏｌ％のＺｎＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率の温度変化を示している。【００４８】
図８に示すとおり、Ｓｃ２Ｏ３又はＺｎＯを添加した場合についても、高温にてＵＶＩＧＡ率の低下が確認できた。特に、Ｓｃ２Ｏ３を添加した測定サンプルは、３０℃程度の温度においても、従来用いられてきた５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルに比べて、紫外光照射時の緑色光吸収率が３０％程度軽減できている。ＭｇＯと同様に安価なＺｎＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率は、７０℃以上で従来用いられてきた５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率より低くなる。また、１．５ｍｏｌ％以上のＳｃ２Ｏ３を添加したＬＮ及び７．５ｍｏｌ％以上のＺｎＯを添加したＬＮは、光損傷が発生しないこともわかっている。【００４９】
図６〜８の実験結果より、ＵＶＩＧＡ率の温度特性は、８０℃以上の比較的高温で、ＵＶＩＧＡ率が低下し始めるグループと、４０℃程度の低温でもＵＶＩＧＡ率が低下するグループとに分かれることが判明した。ＵＶＩＧＡ率は徐々に変化するのではなく２つのグループのうち何れかの特性を有すると考えられる。この特性は、ＬＮ及びＬＴ結晶における光損傷に対する耐性と類似している。光損傷に対する耐性も徐々に向上するのではなく、耐性のある素子と無い素子とが添加物のある一定の量を境に変化する。ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３の場合は約４．８ｍｏｌ％近傍にその境がある。しかしながら、光損傷に対する耐性とＵＶＩＧＡ率の温度変化とが同時に起こるのではなく、ＭｇドープのＬＮ結晶においては４．８ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％未満の僅かな領域において、光損傷に対する耐性に優れかつＵＶＩＧＡ率が低温でも低下することが明らかになった。この領域においては、４０〜８０℃の低温でＵＶＩＧＡ率を低減でき、かつ光損傷に対する耐性を有する波長変換素子を実現できることが分かった。【００５０】
さらに、ＵＶＩＧＡ率は添加物のモル濃度に依存し、光損傷は（添加物の価数−１）×（モル濃度）に依存する。ここで重要となるのがＳｃである。Ｓｃは３価のイオンであるので光損傷の耐性を実現するのにＭｇの約半分のモル濃度で実現できる。Ｍｇの場合、光損傷の耐性を向上させるには４．８ｍｏｌ％程度以上のＭｇが必要である。しかしながら、Ｓｃの場合、Ｍｇの約半分の２．４ｍｏｌ％程度のドープ量で光損傷に対する耐性の強度を高めることができる。【００５１】
一方、ＵＶＩＧＡ率は添加物のモル濃度に依存するため、ＳｃでもＭｇでも５．０ｍｏｌ％未満の添加量の場合に低温でＵＶＩＧＡ率を低減できる。このため、Ｓｃの場合、光損傷の耐性を向上させるには２．４ｍｏｌ％以上の添加量が必要であり、ＵＶＩＧＡ率を低減させるにはＳｃの添加量を５．０ｍｏｌ％以下に抑える必要がある。光損傷の耐性とＵＶＩＧＡ率の低減とを実現する場合、添加量は、２．４ｍｏｌ％〜５．０ｍｏｌ％の間に制御すればよい。【００５２】
すなわち、非線形光学結晶は、１．２ｍｏｌ％以上のモル濃度のＳｃ２Ｏ３を添加しているニオブ酸リチウムであることが好ましい。【００５３】
この場合、１．２ｍｏｌ％以上のモル濃度のＳｃ２Ｏ３を添加したニオブ酸リチウムにおいて、４０℃以上の温度で位相整合条件を成立させることにより、光損傷の抑圧と光吸収の低減とを同時に実現することができる。また、Ｍｇを添加する場合に比べて、添加量の広い範囲で高出力特性が維持できるので、添加量の制御が容易になり、結晶の製造コストを低減できる。また、Ｓｃを添加した結晶は、低温でも高出力耐性にすぐれるため８０℃以下で使用できる。８０℃以下で位相整合条件を成立させると、１００℃以上で位相整合条件を成立させる場合に比べて、屈折率分散の温度依存性によって位相整合条件が成立する温度許容度を１０％程度拡大できる。このため、温度変動に対してもより安定した特性が実現できる。【００５４】
一方、Ｓｃと、他の添加物、例えばＭｇとを同時に添加する場合には、例えばＳｃのモル濃度をＡｍｏｌ％、Ｍｇのモル濃度をＢｍｏｌ％とすると、２Ａ＋Ｂの値を４．８ｍｏｌ％以上、Ａ＋Ｂの値を５．０ｍｏｌ％より小さくすることで、光損傷の耐性とＵＶＩＧＡ率の低減とを同時に実現することが可能となる。【００５５】
波長変換装置において、波長変換素子の温度が周囲の環境温度に近いほど、素子加熱に必要となる電力を低減することができる。【００５６】
また、我々の調査により、分極反転構造を形成したＬＮ及びＬＴ系材料からなる波長変換素子は、１００℃と２５℃とのヒートサイクルを繰り返すことにより、結晶内での赤外光及び緑色光の線形吸収率が増加し、変換効率が低下する問題が発生することがわかった。このため、例えば、使用中は１００℃に加熱し、不使用時に２５℃程度の室温に下がるような条件で波長変換素子を用いる場合、本実施の形態において紫外光による緑色光の吸収を低減したとしても、熱レンズ効果によるビームの劣化が発生することになる。この問題を回避するため、少なくとも８０℃以下で波長変換素子を使用することが望ましい。もしくは、後述する実施の形態４に示す方法により、結晶内の線形吸収率の増加を抑制する必要がある。【００５７】
また、波長変換素子は温度が変化することで結晶の屈折率差（赤外光の屈折率と緑色光の屈折率との差）が変化し、位相整合条件から外れるため、変換効率の低下が起こる。そのため、温度を最適温度に保つ必要がある。【００５８】
図９は、長さ２５ｍｍの擬似位相整合波長変換素子の温度と位相整合温度許容幅との関係を示す図である。素子温度変化に対する屈折率差の変化は低温ほど小さくなり、より低温で波長変換を行なうことで図９に示すように温度許容幅が広がる。このため、温度変動による出力変動幅が軽減され、出力が安定する。素子温度を８０℃以下とすることで、素子温度を１００℃とした場合に比べて５％以上温度許容幅を拡大することが可能となる。ここで、温度許容幅は素子長に反比例するため、素子長を２５ｍｍとして算出した。しかし、低温化による温度許容幅の拡大率は素子長に依存しないため、素子温度は、素子長に関わらず８０℃以下とすることが望ましい。【００５９】
また、ＬＮ系非線形光学結晶内において、緑色光の光吸収は０．０２５ｃｍ−１から０．０４５ｃｍ−１となる。そのため、紫外光による緑色光吸収を軽減する波長変換装置を用いた場合においても、数Ｗ程度の高出力波長変換時において光の吸収による発熱量が増加する。この発熱による温度分布で熱レンズ効果が発生し、ビームが劣化するため、高品質の高出力レーザへの変換が困難であった。【００６０】
熱レンズ効果の程度は熱伝導率に反比例し、温度に対する屈折率変化率に比例する。素子温度を８０℃以下とすることで、素子温度を１００℃とした場合に比べて、出力時の屈折率変化率は５％以上低下する。更に、ＬＮ及びＬＴ系結晶の熱伝導率は素子温度に反比例することが分かっている。そのため、素子温度を８０℃（３５３Ｋ）以下とすることで、素子温度を１００℃（３７３Ｋ）とした場合に比べて、更に５．６％以上熱伝導率が増加し、両方の効果を合わせると、１１％程度の高出力波長変換が可能となる。【００６１】
以上より、８０℃以下、より望ましくは７０℃以下の低温で波長変化を行うことで、光損傷の回避と紫外光による緑色光吸収の低減との双方の課題解決を実現することが望ましいと言える。【００６２】
また、波長変換素子の温度が環境温度より低い状態では、波長変換素子の光入出射面において結露が発生し、レーザ光を散乱させるため、波長変換素子の温度は４０℃以上とすることが望ましい。【００６３】
このため、ＬＮに添加するＭｇＯのモル濃度は、４．８ｍｏｌ％以上５．０ｍｏｌ％未満とすることが望ましく、または、ＬＮにＳｃ２Ｏ３を添加し、４０℃以上８０℃以下の温度で波長変換素子を使用するが望ましい。【００６４】
Ｍｇの場合、４．８〜５．０ｍｏｌ％のドープ量を正確に制御するのは難しく、結晶の作製歩留まりが低下するという問題が生じる。これを解決する方法としてＳｃを僅かに加える方法がある。Ｓｃを加えた場合、Ｓｃのｍｏｌ濃度はＭｇの半分の量で光損傷の回避が可能となるため、光損傷を低減するのに必要なＳｃとＭｇとのｍｏｌ濃度の合計値をＭｇ単体の場合に比べ小さくでき、添加物のｍｏｌ濃度の許容範囲が広がる。０．３ｍｏｌ％以上のＳｃを添加することにより、光損傷に対する耐性の向上と紫外光による緑色光吸収の低減との両立に必要なＭｇの添加モル濃度は４．２〜４．７ｍｏｌ％となり、Ｍｇ濃度ずれ許容幅は０．５ｍｏｌ％となる。このため、Ｍｇの添加濃度制御が容易となる。【００６５】
また、Ｍｇ濃度ずれ許容幅は１．４ｍｏｌ％以下であれば、最も望ましく、Ｍｇの添加濃度制御の観点からは、それ以上は必要ない。つまり、Ｓｃの添加モル濃度については、１．２ｍｏｌ％以下でよいことになる。Ｓｃの添加モル濃度が低いほど使用するＳｃ量削減によるコスト削減効果が大きい。また、原子番号が大きいＳｃを添加することにより発生する結晶欠陥の発生を軽減し、分極方向の幅広い領域に、微細で均一な分極反転構造を形成することが可能となる。そのため、Ｓｃを添加することは、広い領域において均一で微細な分極反転構造を必要とするバルク型の波長変換素子の作製において、望ましい。【００６６】
結晶欠陥数は、結晶内における赤外光の吸収率を増加させるため、結晶内の赤外光強度が高まる共振器型の波長変換装置の場合に変換効率の低下の原因となる。このため、Ｓｃの添加濃度は、０．９ｍｏｌ％以下がより望ましい。【００６７】
また、不純物のモル濃度が低いほど、熱伝導率は高くなるため、熱レンズ効果の軽減においても効果を発揮する。【００６８】
ＬＮに添加することで、光損傷を抑えることができる、Ｚｎ及びＩｎの酸化物についても、モル濃度を５．０ｍｏｌ％未満とすることで、低温にて光損傷の回避と紫外光による緑色光吸収の低減との双方の課題を克服することができる。【００６９】
また、２価のＭｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかと、３価のＳｃとの両方をＬＮに添加することにより、両添加物の足し合わせたモル濃度が４．８ｍｏｌ％未満の場合に光損傷を抑制することができる。この場合、Ｓｃの酸化物のみを添加する場合に比べて、材料の値段が高いＳｃの添加量を減らすことが可能となり、より安価で両課題を解決することが可能となる。【００７０】
また、本実施の形態では、コングルエント組成（［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率０．４６〜０．４８２：一致溶融組成）のＬＮを主成分とし、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ及びＳｃのうちの少なくともいずれかの酸化物を添加しているが、本発明は特にこれに限定されない。ＬＮをストイキオ組成（［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率０．５００）に近づけることで、添加物の添加量をより軽減することが可能となるため、両課題の解決がより容易となる。【００７１】
［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率が０．４８４〜０．５００のＬＮでは、４．５ｍｏｌ％以上のＭｇを添加することで光損傷を回避することが可能となるため、Ｍｇの添加量を４．５ｍｏｌ％以上５．０ｍｏｌ％未満とすることで、低温での高出力波長変換が可能となる。この場合、Ｍｇの添加量の許容幅が０．５ｍｏｌ％となり結晶育成の歩留が大幅に向上するため望ましい。【００７２】
また、ＬＮはストイキオ組成とすることにより熱伝導率が増加する。ＬＮについては、ストイキオ組成（［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率０．４９６〜０．５００）とすることが望ましく、これにより熱伝導率は２１％増加する。Ｓｃのモル濃度の二倍と、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかとのモル濃度の合計が１．０ｍｏｌ％以上で光損傷が解消されるため、添加物の量を減らし、より低コスト化を測ることができる。【００７３】
また、波長変換装置の構成に加熱部（ヒーター）を加えることで、非線形光学結晶を高温に維持することが可能となり、高出力光の安定化を図ることができる。さらに、周期状の分極反転構造を形成した非線形光学結晶を波長変換素子に使用することにより、任意の温度での位相整合が可能となり、高出力耐性に必要な高温条件において、高効率な位相整合条件を満たすことが可能となり、高効率化を図ることができる。【００７４】
更に、ＬＮと同様に、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ及びＳｃの少なくともいずれかの酸化物を添加することで光損傷を回避することができる非線形光学結晶であり、紫外光による緑色光吸収が発生するＬＴについても、添加物のモル濃度を減らし、結晶温度を高くして擬似位相整合波長変換素子として使用することで、両課題の解決が可能であると考えられる。【００７５】
次に、波長変換素子の構造に改良を加えることにより、更に低温にて光損傷の回避と光吸収の低減との両課題の解決が可能となる構成について説明する。【００７６】
特許文献１に記載されるように擬似位相整合波長変換素子は分極の方向が周期的に反転する。図１０は、擬似位相整合波長変換素子における周期的な分極反転構造を示す図である。【００７７】
図１０に示すように、波長変換素子３０１に赤外光３０２が入射して緑色光を生成する場合、緑色光の発生量は、赤外光が波長変換素子３０１内を通る部分において、分極反転部３０３が全体に占める割合（デューティ比（＝ｂ／ａ）％）に依存することがわかっている。しかし、赤外光と緑色光との和周波として紫外光が発生するとき、その位相整合周期は赤外光から緑色光が生成する位相整合周期の約４分の１となり、素子内で生成する紫外光の発生量もまた、デューティ比に依存することが分かった。【００７８】
図１１は、緑色光の発生量及び紫外光の発生量と、デューティ比との関係を示す図である。紫外光の光強度が高いほど、紫外光による緑色光吸収率が高いことが分かっている。そのため、図１１に示すとおり、緑色光の発生量４０１が多く、紫外光の発生量４０２が少ないデューティ比４５％以上５５％以下の範囲となる波長変換素子に、赤外光を入射し、波長変換を行なうことが望ましい。ここで、赤外光の入力を６Ｗ、デューティ比５０％での緑色光の出力を２Ｗとし、波長変換による赤外光減衰による効率低下（ポンプディプレッション）の影響を考慮した。【００７９】
また、本実施の形態では、基本波である赤外光から第２高調波である緑色光への変換について説明しているが、一般的に、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ及びＩｎの少なくともいずれかを添加したＬＮは、波長４００ｎｍ以下の紫外光により、波長４００ｎｍから８００ｎｍの可視光が吸収されることが分かっている。つまり、８００ｎｍから１２００ｎｍの波長の基本波を波長変換素子に入射し、第２高調波を生成する場合、基本波と第２高調波との和周波として発生する第３高調波が、第２高調波の吸収を引き起こす。【００８０】
また、４００ｎｍから８００ｎｍの波長の基本波を波長変換素子に入射し、第２高調波を生成する場合、第２高調波が基本波の吸収を引き起こす。更に、１２００ｎｍから１６００ｎｍの波長の基本波を波長変換素子に入射し、第２高調波を生成する場合についても、第２高調波から波長変換した第４高調波が第２高調波の吸収を引き起こす。【００８１】
更に、１２００ｎｍから２０００ｎｍの波長の基本波を波長変換素子に入射し、第４高調波を発生させる場合、基本波と第４高調波との和周波として発生する第５高調波が、第４高調波の吸収を引き起こす。同じく、１２００ｎｍから２０００ｎｍの波長の基本波を波長変換素子に入射し、第２高調波と第３高調波との両方を発生させる場合、第２高調波と第３高調波との和周波として発生する第５高調波が第３高調波の吸収を引き起こす。【００８２】
本実施の形態では、紫外光によって引き起こされる可視光吸収率の軽減を可能とするため、これらいずれの波長変換においても、結晶破壊を起こさず高出力化を可能とする。【００８３】
図１において、波長変換素子３の光入射面１１は、少なくとも基本波の反射を防止する反射防止コートを施していることが望ましく、これにより光入射面１１における基本波の透過ロスを軽減し、より高効率の波長変換が可能となる。【００８４】
更に、波長変換素子３の光出射面１２は、少なくとも第２高調波である緑色光及び第３高調波である紫外光の反射を防止する反射防止コートを施していることが望ましく、これにより緑色光の光出射面１２における透過ロスを軽減すると共に、素子内における紫外光及び緑色光の光強度を軽減することが可能となる。【００８５】
このことは、８００ｎｍから１２００ｎｍの基本波を入射し、基本波の第２高調波を生成する場合においても、同様に効果を発揮することは言うまでも無い。また、同様の理由により、４００ｎｍから８００ｎｍの基本波を入射し、その第２高調波を生成する場合、光入射面１１に少なくとも基本波の反射を防止する反射防止コートを施し、光出射面１２に少なくとも基本波と第２高調波との反射を防止する反射防止コートを施すことが望ましい。【００８６】
更に、素子加熱にヒーターを用いた場合、冷却能力がなく、周囲を断熱材で覆うことにより、冷却に要する時間が長くなる。このため、波長変換された緑色出力の一部をフォトダイオードでモニターし、基本波の入射電力を調整することで、緑色出力を安定させるＡＰＣ（オートパワーコントロール）制御を用いることが更に望ましい。【００８７】
図１２は、本発明の実施の形態１の変形例に係る波長変換装置の構成を示す図である。図１２に示す波長変換装置は、赤外光光源１、第１の集光レンズ２、波長変換素子３、ヒーター４、断熱材５、第２の集光レンズ６、分離ミラー７、ビームスプリッタ１２１、フォトダイオード１２２及び制御部１２３を備える。なお、図１２に示す波長変換装置において、図１に示す波長変換装置と同じ構成については同じ符号を付し、説明を省略する。【００８８】
ビームスプリッタ１２１は、分離ミラー７によって分離された緑色光の一部を反射させるとともに、他部を透過させる。フォトダイオード１２２は、ビームスプリッタ１２１によって反射された緑色光を受光し、緑色光の出力を計測する。制御部１２３は、フォトダイオード１２２によって計測される緑色光の出力が一定となるように、赤外光光源１に入力する電流量を制御する。【００８９】
波長変換素子３とヒーター４との周辺部が断熱材５により覆われるので、波長変換素子３を加熱する際の消費電力を抑えることができる。また、フォトダイオード１２２によって、高調波（緑色光）の出力が計測され、制御部１２３によって、計測される高調波の出力が一定となるように、赤外光光源１に入力する電流量が制御される。したがって、高調波の出力を安定させることができる。【００９０】
また、本実施の形態では、加熱部としてヒーター４を用いているが、本発明は特にこれに限定されず、ペルチエ素子を用いてもよい。素子温調に冷却機能のあるペルチエ素子が用いられることにより、より安定した出力の制御が可能となる。素子温調にペルチエ素子を用いた場合は、波長変換素子３にペルチエ素子の表面を設置し、ペルチエ素子の裏面と波長変換素子３の光入出射面１１，１２を除く部分を断熱材５で覆うことが望ましい。【００９１】
また、本実施の形態では、紫外光による緑色光の吸収と光損傷の回避との両課題を解決することができるため、素子内における光強度をより高くすることが可能となる。波長変換素子において、素子内の光強度が高いほど変換効率も増加するため、結晶破壊の閾値となっていた３６０Ｗ／ｍｍ２以上の光強度とすることが望ましい。【００９２】
また、光強度を７２０Ｗ／ｍｍ２以上とすることで、赤外光の入力や素子長にもよるが、変換効率は更に約２倍以上となる。【００９３】
更に、赤外光光源１は、パルス発振した基本波を波長変換素子３へ出射することが好ましい。入射する基本波をパルス発振することにより、基本波から高調波への変換効率を向上させることができる。【００９４】
パルス光入射の場合、赤外光及び緑色光に対して、発生する紫外光量が増加し、紫外光による緑色光吸収が増加する。このため、連続波発振に比べて低出力で結晶破壊が発生していた。しかし、本実施の形態により紫外光による緑色光の吸収を軽減した場合、パルス発振した場合においても高出力波長変換が可能となる。非線形光学結晶を用いた波長変換では、素子内の光強度が高いほど変換効率が増加するため、パルス発振のデューティ比を５０％以下とすることが望ましく、変換効率は約２倍以上となる。更に、デューティ比を３０％以下とすることで変換効率は約３倍となる。【００９５】
（実施の形態２）
次に、図１３に示すように、複数の波長変換素子を用いることで、より高効率の波長変換が可能となる波長変換装置について説明する。本実施の形態の構成は、光損傷を回避すると共に光吸収を低減して高出力な短波長光源を実現する構成である。しかしながら、光吸収の低減によって波長変換素子を透過する基本波及び高調波のビーム品質の大幅な向上が可能となる。この結果、本発明のレーザ光源を利用する構成において特性を大きく改善できることを以下に示す。【００９６】
図１３は、本発明の実施の形態２に係る波長変換装置の構成を示す図である。図１３に示す波長変換装置は、赤外光光源１、第１の集光レンズ２、波長変換素子３、ヒーター４、断熱材５、第２の集光レンズ６、分離ミラー７、第３の集光レンズ３１、波長変換素子３２、ペルチエ素子３３、第４の集光レンズ３４及び分離ミラー３５を備える。なお、図１３に示す波長変換装置において、図１に示す波長変換装置と同じ構成については同じ符号を付し、説明を省略する。【００９７】
波長変換素子３２は、ニオブ酸リチウムに添加する物質、添加物のモル濃度、位相整合温度及び素子長の少なくともいずれか一つが波長変換素子３と異なる。【００９８】
なお、本実施の形態において、波長変換素子３が第１の波長変換素子の一例に相当し、波長変換素子３２が第２の波長変換素子の一例に相当する。【００９９】
光吸収の低減対策を施していない従来のレーザ光源においては、出力が不安定になる数Ｗの高出力時だけでなく１Ｗ程度の出力レベルにおいても、光吸収による熱レンズ効果が発生していた。このため、１Ｗ以上の出力において、波長変換素子を透過する基本波及び高調波の波面が乱れビーム品質が劣化していた。このため、波長変換素子から出力する基本波及び高調波を高いビーム品質で利用することが困難であった。これに対して、本実施の形態の波長変換装置では、光吸収を大幅に低減できるため、ビーム品質の劣化を抑圧でき、ビームの高い利用効率を実現できる。以下に具体例を示す。【０１００】
図１３に示す波長変換装置は、波長変換素子から出力した高調波または基本波の少なくとも何れかを再度、波長変換素子により和周波または高調波に波長変換する構成である。従来の構成では１Ｗ以上の高調波を出力した場合の第一の波長変換素子から出力した高調波及び基本波のビーム品質は大きく劣化しており、第２の波長変換素子により波長変換する場合、理論効率の１／２程度以下に大きく効率が低下していた。これに対して、本実施の形態の構成では第２の波長変換素子により波長変換する場合でも変換効率は理論効率とほぼ一致しており、第一の波長変換素子におけるビーム品質の劣化がほとんど無いことを示している。【０１０１】
本実施の形態における波長変換装置では、分離ミラー７を透過した透過赤外光１０を再び第３の集光レンズ３１で波長変換素子３２内に集光する。このとき、結晶の分極方向と入射する透過赤外光１０の偏光方向とを一致させる。ただし、二段目の波長変換素子３２は、４．８ｍｏｌ％以上５．２ｍｏｌ％以下のＭｇＯを添加したＬＮからなる擬似位相整合波長変換素子であり、擬似位相整合温度を４０℃程度とする。【０１０２】
一段目の波長変換素子３に入射する赤外光の出力を１０Ｗとし、波長変換素子３，３２の素子長を共に２５ｍｍとすると、一段目の波長変換素子３より出射する緑色光９の出力は約４Ｗとなり、二段目の波長変換素子３２に入射する透過赤外光１０の出力は約６Ｗとなる。よって、二段目の波長変換素子３２内で生成される緑色光３６は約２Ｗ程度となる。波長変換素子３２は、通常よく用いられる５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮを素子温度３０℃程度で用いることが望ましい。【０１０３】
これにより、二段目の波長変換素子３２はＳｃ２Ｏ３に比べて安価なＭｇＯやＺｎＯを添加したＬＮを用いることで一段目の波長変換素子３に比べて安価となる。更に、ＭｇＯを添加する場合、添加物のモル濃度を４．８ｍｏｌ％以上５．０ｍｏｌ％未満の範囲内にする場合に比べて、５．０ｍｏｌ％を中心として４．８ｍｏｌ％以上５．２ｍｏｌ％以下程度とモル濃度の許容範囲を大きくすることにより、結晶引き上げの歩留まりが向上し、更に安価な波長変換素子となる。また、波長変換素子３２は、擬似位相整合温度が４０℃程度になるように設計することで、素子加熱のための電力も軽減することができる。【０１０４】
二段目の波長変換素子３２は、室温に近いため冷却機能のあるペルチエ素子３３を用いた温調が望ましく、出射した緑色光と赤外光とを第４の集光レンズ３４に通し、分離ミラー３５にて緑色光３６を取り出す。本実施の形態の波長変換装置では、１０Ｗの赤外光より、約６Ｗの緑色光が得られる。また、同様にして、三つ以上の波長変換素子を用いた波長変換装置においても、生成する緑色光出力に応じて、波長変換素子の材質及び位相整合温度の設計を変えることで、高出力及び高効率で安価な波長変換装置となる。【０１０５】
また、波長変換素子３２に比べて波長変換素子３の素子長を短くすることにより、一段目の波長変換素子３から生成する緑色光９の出力と二段目の波長変換素子３２から生成する緑色光３６の出力とを同程度とすることが可能となり、波長変換装置をディスプレイ用の光源として用いた場合において、より簡単な構成で面内の光均一性を確保することができる。【０１０６】
なお、本実施の形態では、波長変換素子３２に赤外光のみが入射されるが、本発明は特にこれに限定されず、波長変換素子３は、基本波である赤外光と、基本波から変換された高調波である緑色光とを共に波長変換素子３２に出射してもよく、波長変換素子３２は、基本波と高調波との和周波を発生させてもよい。この場合、波長変換装置は、図１３の波長変換装置から分離ミラー７を取り除いた構成となる。【０１０７】
本波長変換装置では紫外光による緑色光吸収を軽減しているが、結晶内の紫外光及び緑色光の光強度が低いことが望ましい。波長変換素子３の光出射面１２は、少なくとも基本波である赤外光と、第２高調波である緑色光と、第３高調波である紫外光との反射を防止する反射防止コートを施していることが望ましい。これにより、赤外光及び緑色光の光出射面１２における透過ロスを軽減すると共に、波長変換素子３内における紫外光及び緑色光の光強度を軽減することが可能となる。【０１０８】
また、本波長変換装置では、波長変換素子３，３２の光入射面１１，３８は、少なくとも基本波である赤外光の反射を防止する反射防止コートを施していることが望ましい。これにより、光入射面１１，３８における基本波の透過ロスを軽減し、より高効率の波長変換が可能となる。【０１０９】
更に、波長変換素子３２の光出射面３９は、少なくとも第２高調波である緑色光と、第３高調波である紫外光との反射を防止する反射防止コートを施していることが望ましい。これにより、緑色光の光出射面３９における透過ロスを軽減すると共に、波長変換素子３２内における紫外光及び緑色光の光強度を軽減することが可能となる。【０１１０】
なお、本実施の形態の波長変換装置では、複数の波長変換素子により、高調波または基本波を繰り返し波長変換しているが、その他、波長変換装置が光を導くファイバを備え、波長変換素子から出力した基本波または高調波をファイバに入力してもよい。本実施の形態における波長変換素子から出射される光は、出力ビームの品質劣化が少ないため、ファイバレーザとの高効率結合を達成することができる。【０１１１】
（実施の形態３）
実施の形態１の波長変換装置では、波長変換素子３により、基本波を高調波に波長変換しているが、内部共振器型の波長変換装置として利用する場合にも有効である。実施の形態３では、実施の形態１に示す波長変換素子を用いた共振器型波長変換装置について説明する。【０１１２】
図１４は、本発明の実施の形態３に係る波長変換装置の構成を示す図である。図１４に示す波長変換装置は、半導体レーザチップ４１、固体レーザ４２、波長変換素子４３、ヒーター４４及び凹面ミラー４５を備える。【０１１３】
半導体レーザチップ４１は、８０８ｎｍの波長を有するレーザ光４９を生成し、生成したレーザ光４９を固体レーザ４２へ出射する。固体レーザ４２は、Ｎｄ：ＹＶＯ４などからなり、レーザ光４９により励起され、１０６４ｎｍの波長を有するレーザ光５０を発生させる。【０１１４】
固体レーザ４２の入射面４６と凹面ミラー４５の内側の面４８とには、１０６４ｎｍのＨＲコートが施され、レーザ光を共振させる。更に、凹面ミラー４５と固体レーザ４２との間に、波長変換素子４３が設置されており、波長変換素子４３は５３２ｎｍの波長を有するレーザ光５１を出射する。このとき、固体レーザ４２の出射面４７と、波長変換素子４３の光入射面５２及び光出射面５３とには１０６４ｎｍのＡＲコートが施されており、固体レーザ４２の出射面４７には５３２ｎｍのＨＲコートが施されおり、固体レーザ４２の入射面４６には８０８ｎｍのＡＲコートが施されている。また、凹面ミラー４５の両端面には５３２ｎｍに対するＡＲコートが施されている。【０１１５】
波長変換素子４３は、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくとも何れかを含むＬＮ又はＬＴの何れかの非線形光学結晶からなる。非線形光学結晶は、周期状の分極反転構造を含む。ヒーター４４は、波長変換素子４３を４０℃以上に加熱する。【０１１６】
従来の内部共振器型の波長変換装置においては、波長変換素子を透過する基本波及び高調波のビーム品質の劣化により共振器内部の光損失が増大し、変換効率が低下していた。これに対し、本実施の形態３の構成を用いれば、非線形光学結晶の光吸収を大幅に低減することが可能となる。この結果、共振器内部でのビーム品質劣化を抑圧することが可能となり、高出力時においても高効率な変換特性を実現することができる。【０１１７】
なお、本実施の形態において、半導体レーザチップ４１がポンプレーザの一例に相当し、固体レーザ４２がレーザ媒質の一例に相当し、凹面ミラー４５及び固体レーザ４２の入射面４６が一対の共振器ミラーの一例に相当する。【０１１８】
本実施の形態３の波長変換装置では、波長変換素子４３の素子長を３ｍｍ以下と短くした場合にも、高い変換効率を得ることができる。この場合、±４℃以上の広い温度許容幅を確保することが可能となるため、装置内温度の変化が激しく厳しい温度制御が必要とされる画像表示装置内部において、波長変換装置を利用する場合に特に望ましい構成となる。【０１１９】
また、素子長を１ｍｍ以下とした場合、±１２℃以上の広い温度許容幅を得ることが可能となり、さらに望ましい。また、本実施の形態３の波長変換装置は光源サイズの小型化が可能であり、携帯型の画像表示装置に好適である。【０１２０】
なお、本実施の形態３では、波長変換素子４３内における１０６４ｎｍの赤外光の光強度が高く、ＵＶＩＧＡ率の低減がより重要となる。本実施の形態３の波長変換装置を用いて、画像表示装置に必要とされる０．５Ｗ以上の緑色光出力を得るためには、ＵＶＩＧＡ率を７％以下にする必要がある。ＵＶＩＧＡ率が７％以上である場合、波長変換素子４３内の発熱による熱暴走が発生するため温度制御が困難となる。ＵＶＩＧＡ率が５％以下である場合、１Ｗ以上の緑色光の生成が可能となるため、より望ましい。【０１２１】
（実施の形態４）
実施の形態４では、図１の波長変換装置より得られた緑色光を用いた走査型の画像表示装置を示す。図１５は、本発明の実施の形態４に係る画像表示装置の構成を示す図である。図１５に示す画像表示装置は、赤色レーザ光源６１、青色レーザ光源６２、緑色レーザ光源６３、ダイクロイックミラー６４，６５及び二次元走査ミラー６６を備える。【０１２２】
図１５に示すように、赤色レーザ光源６１、青色レーザ光源６２及び緑色レーザ光源６３を光源としている。ここで、緑色レーザ光源６３には図１に示すレーザ波長変換装置を用いた。赤、青及び緑のレーザ光は、ダイクロイックミラー６４，６５によって合成される。二次元走査ミラー６６は、スクリーン６７上にレーザ光を走査し、画像を表示する。【０１２３】
画像表示装置には、正確なレーザ光の位置と、小さいビーム径が必須である。本実施の形態では紫外光による緑色光吸収を軽減し、これによって従来発生していた熱レンズ効果の発生を防ぐことができる。このため、ビーム径が安定し、上述のように小さいビーム径を必要とする画像表示装置にも適している。更に、医療用などの用途に使用し、出射光をファイバに入射する場合、出射緑色光の熱レンズによるビーム劣化を軽減することができることから、ファイバに入射する効率を高めることも可能となる。【０１２４】
また、画像表示装置には１〜２秒程度の早い立ち上がりが求められる。つまり、波長変換装置を用いた緑色レーザ光源６３において、素子温度を１〜２秒程度で最適温度（位相整合温度）に加熱し、安定させる必要がある。そのため、図１６に示すように波長変換素子７１を細く加工し、ヒーター７３とビームパスとの距離をできる限り近づけることが望ましい。例えば、ヒーター７３の加熱電力を４Ｗとすると、長さ２５ｍｍの波長変換素子の場合、ビームパスに対して垂直な断面積を２ｍｍ２以下とすることで、２０℃から８０℃まで加熱する場合の立ち上がり時間は２秒程度となる。さらに、断面積を１ｍｍ２以下とすることで１秒程度の立ち上がり速度が可能となる。【０１２５】
また、本実施の形態では、立ち上がり時に波長変換素子の急激な温度上昇が必要となる。我々の独自の調査により、分極反転構造を形成した非線形光学結晶は、温度変化の影響により結晶内の赤外光及び緑色光の線形吸収率が増加することがわかっており、下記のような、対策を施すことが望ましい。【０１２６】
すなわち、図１６に示すとおり、波長変換素子７１の光入射面及び光出射面を除く波長変換素子７１の側面を絶縁性物質７２で覆うことが望ましく、少なくとも、分極方向と成す角が９０°±１０となる面（＋Ｚ面及び−Ｚ面を含む）を絶縁性物質７２で覆うことが望ましい。これによって、温度変化があっても波長変換素子７１内における光吸収率の増加を抑制することが可能となる。【０１２７】
また、絶縁性物質７２の電気抵抗率は１×１０８Ω・ｃｍ以上であることが望ましい。これによって、頻繁に波長変換素子７１の温度を変化させるディスプレイ用途に使用する場合にも、光吸収率の増加を抑制することが可能となる。【０１２８】
また、スパッタ成膜で堆積した薄膜は成膜中に不純物が混入しているため、ＤＣ電界が印加されると膜内を電荷が移動するＤＣドリフトが発生し、光吸収抑制効果が十分でない。このため、絶縁性物質７２においてＤＣドリフトが発生しないことが好ましい。絶縁層の形成はスパッタ成膜ではなく、ＤＣドリフトが発生しないＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などでの絶縁層の形成が望ましい。また、絶縁層の形成は、より作製が容易な絶縁シートの貼り付けであってもよい。【０１２９】
また、例えば、ディスプレイ用として、波長変換素子７１を備えた可視光光源を用いる場合、波長変換素子７１の温度変化を軽減することが更に望ましい。使用中の波長変換素子の温度が５０℃の場合は、待機中であっても５０℃とすることが望ましく、この場合、待機中の電力を軽減するために、波長変換素子７１、絶縁性物質７２及びヒーター７３をまとめて断熱材７４で覆うことが望ましい。【０１３０】
また、使用時間より待機時間の方が長い場合、使用中の波長変換素子７１の温度を常温に近づけることが望ましい。つまり、室温が平均２５℃付近の室内で使用される装置であれば、待機中の温度は２５℃に調節し、使用中に装置内が５０℃となる装置であっても２５℃に冷却して使用する。これにより、使用中の消費電力は増加するが、待機中の消費電力を削減することが可能となる。【０１３１】
この場合、ヒーター７３は、待機中の波長変換素子７１の温度を、室内温度に近い、１０℃以上３０℃以下の範囲で一定に保つことが望ましい。これにより、待機中の消費電力を削減することが可能となる。【０１３２】
また、ディスプレイ用として用いる場合、待機中と使用中との温度差を５０℃以下とすることが望ましい。これにより、１０００回以上のＯＮ／ＯＦＦに耐えることが可能と考えられる。更に、待機中と使用中との温度差を３０℃以下とすることが望ましい。これにより、１００００回以上のＯＮ／ＯＦＦに耐えることが可能と考えられる。【０１３３】
なお、波長変換装置は、スクリーンに画像を投影する画像表示装置に使用されるほか、スクリーンの背後から画像を投影する画像表示装置（リアプロジェクションディスプレイ）や、一般的な液晶表示素子のバックライト等に使用することも可能である。これらの画像表示装置においても同様に色再現性を向上することが可能となる。【０１３４】
本実施の形態の波長変換素子７１は、緑色光を生成する場合に発生する熱レンズによる、ビーム劣化を軽減しており、走査型のレーザプロジェクタに必要となる高品質なレーザを生成することが可能となる。また、本実施の形態の波長変換素子７１では、光吸収による出力の不安定を軽減しており、ディスプレイ用に求められる出力が安定した光を生成することが可能となる。【０１３５】
更に、本実施の形態の波長変換素子７１は、光吸収による結晶破壊を軽減することが可能であり、結晶に最も大きな負荷がかかる立ち上がり時に発生する結晶破壊を抑制することが可能となり、ＯＮ／ＯＦＦの切り換え頻度が高いディスプレイ用に適した波長変換素子と言える。【０１３６】
２次元画像表示として使用する緑色光の波長範囲としては、４８８ｎｍ〜５５０ｎｍが望ましく、より望ましくは、５００ｎｍ〜５４０ｎｍの範囲内であることが適当である。また、リアプロジェクションディスプレイの光源として用いる場合や液晶表示素子のバックライトとして用いる場合、視野角を大きくするためには、光源出力を大きくする必要がある。この場合、それぞれ２．５Ｗ以上望ましくは３Ｗ以上の赤、青及び緑のレーザ光源が必要となる。【０１３７】
また、波長変換素子は、周期１０μｍ以下の周期的分極反転構造を形成することが望ましい。これにより、レーザ光源を用いたディスプレイに必要となる可視光を効率よく得ることが可能となる。【０１３８】
（実施の形態５）
図１７は、実施の形態１〜３で示した波長変換装置を含むバックライト照明装置を適用した実施の形態５に係る画像表示装置の構成を示す図である。図１７は、このような画像表示装置の一例として液晶表示装置８０の模式的な構成図を示している。【０１３９】
図１７に示す液晶表示装置８０は、液晶表示パネル８６と、液晶表示パネル８６を背面側から照明するバックライト照明装置８１とを備えて構成されている。そして、バックライト照明装置８１は、複数のレーザ光源８２を含んで構成され、複数のレーザ光源８２は少なくとも赤色、緑色及び青色をそれぞれ出射する光源を備える。すなわち、複数のレーザ光源８２は、赤色のレーザ光を出射する赤色レーザ光源８２ａ、緑色のレーザ光を出射する緑色レーザ光源８２ｂ及び青色のレーザ光を出射する青色レーザ光源８２ｃで構成される。【０１４０】
赤色レーザ光源８２ａには波長６４０ｎｍの赤色光を出射するＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ装置が用いられ、青色レーザ光源８２ｃには波長４５０ｎｍの青色光を出射するＧａＮ系材料からなる半導体レーザ装置が用いられる。また、緑色レーザ光源８２ｂは、赤外光を緑色光に変換する波長変換装置８２２を含み、波長５３０ｎｍの緑色光を出射する。なお、波長変換装置８２２は、上記の実施の形態１〜３で示した波長変換装置を用いて構成される。【０１４１】
次に、本実施の形態５の液晶表示装置８０の構成についてさらに説明する。液晶表示パネル８６は、バックライト照明装置８１から出射される赤色光、緑色光及び青色光の各レーザ光を利用して画像表示を行う偏光板８７と、液晶板８８とで構成される。図１６に示す本実施の形態５のバックライト照明装置８１は、複数のレーザ光源８２と、複数のレーザ光源８２からの赤色光、緑色光及び青色光のレーザ光をまとめて導光部８４を介して導光板８５に導く光ファイバ８３と、導光部８４から導入した赤色光、緑色光及び青色光で均一に満たされた主面（図示せず）からレーザ光を出射する導光板８５とから構成されている。【０１４２】
このように、本実施の形態５の液晶表示装置８０において、バックライト照明装置８１のレーザ光源部に本発明の実施の形態１〜３で示した波長変換装置を用いることにより、光損傷を抑圧することができるとともに、紫外光による可視光の吸収を低減することができる。【０１４３】
（実施の形態６）
上記の実施の形態１〜３の波長変換素子は、レーザ光を照射することで対象物を加工する加工装置に用いられることでより大きな効果を発揮する。図１８は、本発明の実施の形態６に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。図１８に示すレーザ加工装置９０は、レーザ光源９１、集光レンズ９２、光ファイバ９３及び加工ヘッド９４を備える。【０１４４】
レーザ光源９１は、上記の実施の形態１〜３で示した波長変換装置を用いて構成される。集光レンズ９２は、レーザ光源９１から出射したレーザ光をフレキシブルな光ファイバ９３の入射面に集光する。光ファイバ９３は、コア径の大きなマルチモード光ファイバであり、レーザ光を加工対象９５の近傍に伝搬する。なお、光ファイバ９３のコア径は、レーザ光源９１から出力されるレーザ光のビーム品質に合わせて設定する。加工ヘッド９４は、複数の光学レンズを有し、レーザ光を加工対象９５の上に小さな円形スポットとして集光する。【０１４５】
このように、本実施の形態６のレーザ加工装置９０において、レーザ光源に本発明の実施の形態１〜３で示した波長変換装置を用いることにより、光損傷を抑圧することができるとともに、紫外光による可視光の吸収を低減することができる。【０１４６】
加工用途では、パルス発振のデューティ比が２％以下であり、ピーク光強度が１ｋＷを超える高ピーク強度の赤外光が入射される。そのため、発生する緑色光の光強度も高く、紫外光の発生量が増大するので、紫外光による緑色光吸収も特に大きくなる。このため、波長変換時に発生する熱レンズ効果と、熱レンズ効果に伴うビーム劣化とは、連続波発振の場合より大きくなる。【０１４７】
また、加工用途に用いられるようなパルス幅が１００ｎｓ以下の狭パルスレーザを波長変換する場合、発生する熱レンズ効果のレンズパワーがパルス立ち上りから立ち下りにかけて徐々に増大する。これは、パルスレーザの前半から後半にかけて、集光位置が徐々に変化すること意味する。【０１４８】
加工用途では、加工対象面上において、ビームを小さく集光することが求められるため、パルスレーザの前半と後半で集光位置が変わることが、加工性能上致命的な問題となる。本実施の形態では、光強度の増大に伴って吸収量が増大する、紫外光による緑色光吸収を抑制するため、加工用途に用いられることにより、加工性能の高いレーザ光源を実現することが可能となる。【０１４９】
なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。【０１５０】
本発明の一局面に係る波長変換装置は、２０００ｎｍ以下の波長を有する基本波を出射する基本波光源と、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、前記基本波光源から出射される基本波を高調波に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子を加熱する加熱部とを備え、前記分極反転構造の周期は、基本波と高調波とが擬似位相整合する温度が４０℃以上になるように設計されており、前記加熱部は、前記擬似位相整合が成立する温度に前記波長変換素子を加熱し、前記非線形光学結晶は、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくともいずれかの添加物を有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムを主成分とする。【０１５１】
この構成によれば、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくともいずれかの添加物を有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムを主成分とする非線形光学結晶において、周期状の分極反転構造が形成され、非線形光学結晶を４０℃以上に加熱した状態で波長変換されるので、光損傷を抑圧することができるとともに、紫外光による可視光の吸収を低減することができる。【０１５２】
また、上記の波長変換装置において、前記非線形光学結晶は、５．０ｍｏｌ％以上のモル濃度のＭｇＯを添加しているニオブ酸リチウムであり、前記加熱部は、前記非線形光学結晶を８０℃以上に加熱することが好ましい。【０１５３】
この構成によれば、５．０ｍｏｌ％以上のモル濃度のＭｇＯを添加しているニオブ酸リチウムに対して８０℃以上の高温で位相整合条件を成立させて波長変換することで、紫外光による可視光の吸収を低減することができ、高出力な短波長光を安定して出力することができる。【０１５４】
また、上記の波長変換装置において、前記非線形光学結晶は、４．８ｍｏｌ％以上５．０ｍｏｌ％未満のモル濃度のＭｇＯを添加しているニオブ酸リチウムであることが好ましい。【０１５５】
この構成によれば、Ｍｇの添加量を僅かに低下させ、４．８ｍｏｌ％以上５．０ｍｏｌ％未満のモル濃度のＭｇＯを添加することで、光吸収を低減する結晶温度が急激に低下し、４０℃程度から耐性が向上することが明らかになった。４．８ｍｏｌ％未満になると光損傷により出力が不安定になるので、高出力で安定して利用するためには、４．８ｍｏｌ％以上５．０ｍｏｌ％未満のＭｇＯを添加し、４０℃以上の温度で位相整合条件を成立させることにより、高出力の短波長光を安定して出力することができる。【０１５６】
また、上記の波長変換装置において、前記非線形光学結晶は、１．２ｍｏｌ％以上のモル濃度のＳｃ２Ｏ３を添加しているニオブ酸リチウムであることが好ましい。【０１５７】
この構成によれば、１．２ｍｏｌ％以上のモル濃度のＳｃ２Ｏ３を添加したニオブ酸リチウムにおいて、４０℃以上の温度で位相整合条件を成立させることにより、光損傷の抑圧と光吸収の低減とを同時に実現することができる。また、Ｍｇを添加する場合に比べて、添加量の広い範囲で高出力特性が維持できるので、添加量の制御が容易になり、結晶の製造コストを低減できる。また、Ｓｃを添加した結晶は、低温でも高出力耐性にすぐれるため８０℃以下で使用できる。８０℃以下で位相整合条件を成立させると、１００℃以上で位相整合条件を成立させる場合に比べて、屈折率分散の温度依存性によって位相整合条件が成立する温度許容度を１０％程度拡大できる。このため、温度変動に対してもより安定した特性が実現できる。【０１５８】
また、上記の波長変換装置において、前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウムを主成分とし、Ｓｃとともに、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかの添加物をさらに有し、前記添加物のモル濃度の合計は、５．０ｍｏｌ％未満であることが好ましい。【０１５９】
この構成によれば、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムにおいてＳｃ、Ｍｇ、Ｚｎ又はＩｎを添加する場合に、光損傷の抑圧に必要な添加物のモル濃度の境界と光吸収を生じる添加物のモル濃度の境界とが、５．０ｍｏｌ％程度の領域に存在することが実験より推測された。【０１６０】
即ち、光損傷の耐性向上に必要な添加物の量は５．０ｍｏｌ％近傍より多くする必要があり、光吸収の低減を低温で実現するためには添加物の量を５．０ｍｏｌ％程度より少なくする必要がある。Ｍｇの場合、両条件を満足する領域が４．８〜５．０ｍｏｌ％の間に存在した。一方、Ｓｃは３価のイオンであり、他の添加物の約半分の量で光損傷の低減が可能となる。そのため、Ｓｃの場合、光損傷の抑圧と光吸収の低減とを満足する領域は２．４〜５．０ｍｏｌ％の間に存在する。このため、Ｓｃと、Ｍｇ、Ｚｎ及びＩｎの少なくともいずれかの添加物とを混合することで、光損傷を低減する添加物のモル濃度の合計を５．０ｍｏｌ％以下にすることが可能となり、光吸収の低減を容易に実現することができる。【０１６１】
また、Ｓｃは高価なため、他の添加物と混合して用いることで結晶コストを低減することができる。また、Ｍｇ等の添加物に僅かにＳｃを混ぜることでＭｇのモル濃度を低減できるため、結晶に含まれる添加物の量を低減でき、結晶性の向上を図ることができる。【０１６２】
また、上記の波長変換装置において、前記波長変換素子は、ニオブ酸リチウムからなる第１の波長変換素子と、ニオブ酸リチウムに添加する物質、添加物のモル濃度、位相整合温度及び素子長の少なくともいずれか一つが前記第１の波長変換素子と異なる第２の波長変換素子とを含むことが好ましい。【０１６３】
この構成によれば、ニオブ酸リチウムからなる第１の波長変換素子から出射した基本波が、ニオブ酸リチウムに添加する物質、添加物のモル濃度、位相整合温度及び素子長の少なくともいずれか一つが第１の波長変換素子と異なる第２の波長変換素子に入射する。そして、第１の波長変換素子によって変換された高調波と、第２の波長変換素子によって変換された高調波とが出力される。【０１６４】
したがって、第２の波長変換素子により波長変換する場合でも変換効率を理論効率とほぼ一致させることができ、ビーム品質の劣化を抑え、高出力の短波長光を安定して出力することができる。【０１６５】
また、上記の波長変換装置において、前記波長変換素子は、ニオブ酸リチウムからなる第１の波長変換素子と、前記第１の波長変換素子とは異なる第２の波長変換素子とを少なくとも含み、前記第１の波長変換素子は、前記基本波と、前記基本波から変換された高調波とを共に前記第２の波長変換素子に出射し、前記第２の波長変換素子は、前記基本波と前記高調波との和周波を発生することが好ましい。【０１６６】
この構成によれば、第１の波長変換素子を透過した基本波と、第１の波長変換素子によって変換された高調波とが共に第２の波長変換素子に入射する。そして、第２の波長変換素子によって、基本波と高調波との和周波が発生する。したがって、第１の波長変換素子から入射した基本波と高調波との和周波を生成することができる。【０１６７】
また、上記の波長変換装置において、前記波長変換素子内の基本波が通過する部分において分極反転部が素子全体に占める割合が４５％以上５５％以下となることが好ましい。【０１６８】
この構成によれば、波長変換素子内の基本波が通過する部分において、分極反転部が素子全体に占める割合が４５％以上５５％以下となるように、波長変換素子を設計することにより、基本波と高調波との和周波の発生を抑えることができる。【０１６９】
また、上記の波長変換装置において、前記波長変換素子の断面積は２ｍｍ２以下であることが好ましい。この構成によれば、波長変換素子の断面積を２ｍｍ２以下に設計することにより、立ち上がり時において波長変換素子の温度を急激に上昇させることができる。【０１７０】
また、上記の波長変換装置において、前記波長変換素子の少なくとも＋Ｚ面と−Ｚ面とに接触している絶縁性物質をさらに備えることが好ましい。この構成によれば、絶縁性物質が波長変換素子の少なくとも＋Ｚ面と−Ｚ面とに接触しているので、温度変化があっても波長変換素子内における光吸収率の増加を抑制することができる。【０１７１】
また、上記の波長変換装置において、前記絶縁性物質の電気抵抗率は、１×１０８Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。この構成によれば、絶縁性物質の電気抵抗率を１×１０８Ω・ｃｍ以上とすることで、頻繁に波長変換素子の温度を変化させるディスプレイ用途に波長変換装置が使用される場合にも、光吸収率の増加を抑制することができる。【０１７２】
また、上記の波長変換装置において、前記絶縁性物質においてＤＣドリフトが発生しないことが好ましい。この構成によれば、絶縁性物質においてＤＣドリフトが発生しないので、光吸収率の増加を抑制することができる。【０１７３】
また、上記の波長変換装置において、前記絶縁性物質は、ＣＶＤ法により形成された絶縁層であることが好ましい。この構成によれば、ＣＶＤ法により形成された絶縁層で絶縁性物質を構成することにより、ＤＣドリフトの発生を抑えることができる。【０１７４】
また、上記の波長変換装置において、前記加熱部は、待機時における前記波長変換素子の温度を１０℃以上３０℃以下の範囲で一定に保つことが好ましい。この構成によれば、待機時における波長変換素子の温度が、室内温度に近い１０℃以上３０℃以下の範囲で一定に保たれるので、待機中の消費電力を抑えることができる。【０１７５】
また、上記の波長変換装置において、前記波長変換素子と前記加熱部との周辺部を覆う断熱材と、前記高調波の出力を計測する計測部と、前記計測部によって計測される前記高調波の出力が一定となるように、前記基本波光源に入力する電流量を制御する制御部とをさらに備えることが好ましい。【０１７６】
この構成によれば、波長変換素子と加熱部との周辺部が断熱材により覆われるので、波長変換素子を加熱する際の消費電力を抑えることができる。また、計測部によって、高調波の出力が計測され、制御部によって、計測される高調波の出力が一定となるように、基本波光源に入力する電流量が制御される。したがって、高調波の出力を安定させることができる。【０１７７】
また、上記の波長変換装置において、前記基本波光源は、８００ｎｍから１２００ｎｍの波長を有する基本波を出射し、前記波長変換素子は、前記基本波を第２高調波に変換し、前記波長変換素子の光入射面に設けられた、前記基本波の反射を防止する第１の反射防止膜と、前記波長変換素子の光出射面に設けられた、第２高調波と第３高調波との反射を防止する第２の反射防止膜とをさらに備えることが好ましい。【０１７８】
この構成によれば、基本波光源によって、８００ｎｍから１２００ｎｍの波長を有する基本波が出射され、波長変換素子によって、基本波が第２高調波に変換される。そして、波長変換素子の光入射面に設けられた第１の反射防止膜によって、基本波の反射が防止され、波長変換素子の光出射面に設けられた第２の反射防止膜によって、第２高調波と第３高調波との反射が防止される。【０１７９】
また、上記の波長変換装置において、前記基本波光源は、波長４００ｎｍから８００ｎｍの波長を有する基本波を出射し、前記波長変換素子は、前記基本波を第２高調波に変換し、前記波長変換素子の光入射面に設けられた、前記基本波の反射を防止する第１の反射防止膜と、前記波長変換素子の光出射面に設けられた、前記基本波と前記第２高調波との反射を防止する第２の反射防止膜とをさらに備えることが好ましい。【０１８０】
この構成によれば、基本波光源によって、４００ｎｍから８００ｎｍの波長を有する基本波が出射され、波長変換素子によって、基本波が第２高調波に変換される。そして、波長変換素子の光入射面に設けられた第１の反射防止膜によって、基本波の反射が防止され、波長変換素子の光出射面に設けられた第２の反射防止膜によって、基本波と第２高調波との反射が防止される。【０１８１】
したがって、波長変換素子の光入射面における基本波の透過ロスを軽減し、より高効率の波長変換が可能となる。また、波長変換素子の光出射面における第２高調波の透過ロスを軽減すると共に、素子内における基本波及び第２高調波の光強度を軽減することが可能となる。【０１８２】
したがって、波長変換素子の光入射面における基本波の透過ロスを軽減し、より高効率の波長変換が可能となる。また、波長変換素子の光出射面における第２高調波の透過ロスを軽減すると共に、素子内における第２高調波及び第３高調波の光強度を軽減することが可能となる。【０１８３】
また、上記の波長変換装置において、前記基本波光源は、ポンプレーザと、レーザ媒質とを含み、一対の共振器ミラーをさらに備え、前記レーザ媒質と前記波長変換素子とは、前記一対の共振器ミラー内部に設置され、前記レーザ媒質は、前記ポンプレーザによって励起されて前記基本波を発生し、前記基本波は、前記一対の共振器ミラー内部で前記波長変換素子により波長変換されることが好ましい。【０１８４】
この構成によれば、一対の共振器ミラーによりレーザ光が共振されるので、基本波から高調波への変換効率を向上させることができ、波長変換素子の長さを短くすることができ、装置の小型化を実現することができる。【０１８５】
また、上記の波長変換装置において、前記波長変換素子内における光強度は、３６０Ｗ／ｍｍ２を超えることが好ましい。この構成によれば、波長変換素子内における光強度を３６０Ｗ／ｍｍ２より大きくすることで、基本波から高調波への変換効率を向上させることができる。【０１８６】
また、上記の波長変換装置において、前記基本波光源は、パルス発振した基本波を前記波長変換素子へ出射することが好ましい。この構成によれば、パルス発振した基本波が波長変換素子へ出射されるので、素子内の光強度を高めることができ、基本波から高調波への変換効率を向上させることができる。【０１８７】
また、上記の波長変換装置において、前記基本波光源よりパルス発振する基本波のデューティ比は、５０％以下であることが好ましい。この構成によれば、パルス発振する基本波のデューティ比を５０％以下とすることにより、基本波から高調波への変換効率を向上させることができる。【０１８８】
また、上記の波長変換装置において、前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウムを主成分とし、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれか２種類の添加物を有し、前記添加物のモル濃度の合計は、５．０ｍｏｌ％未満であり、前記加熱部は、前記非線形光学結晶を８０℃以下に加熱することが好ましい。【０１８９】
この構成によれば、ニオブ酸リチウムを主成分とする非線形光学結晶は、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれか２種類の添加物を有している。そして、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれか２種類の添加物のモル濃度の合計が５．０ｍｏｌ％未満となるように非線形光学結晶が設計され、この非線形光学結晶が８０℃以下に加熱される。この場合、光損傷を抑圧するとともに、光吸収を低減することができる。【０１９０】
また、上記の波長変換装置において、前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウムを主成分とし、Ｓｃとともに、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかの添加物をさらに有し、前記Ｓｃのモル濃度の二倍と、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかのモル濃度との合計は、４．８ｍｏｌ％以上であり、前記加熱部は、前記非線形光学結晶を８０℃以下に加熱することが好ましい。【０１９１】
この構成によれば、ニオブ酸リチウムを主成分とする非線形光学結晶は、Ｓｃとともに、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかの添加物をさらに有している。そして、Ｓｃのモル濃度の二倍と、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかのモル濃度との合計が４．８ｍｏｌ％以上となるように非線形光学結晶が設計され、この非線形光学結晶が８０℃以下に加熱される。この場合、光損傷を抑圧するとともに、光吸収を低減することができる。【０１９２】
また、上記の波長変換装置において、ニオブ酸リチウム結晶の［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率が０．４８４〜０．５００であることが好ましい。この構成によれば、［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率が０．４８４〜０．５００のニオブ酸リチウム結晶では、例えば４．５ｍｏｌ％以上のＭｇの添加で光損傷を軽減することが可能となるため、低温での波長変換が可能となる。【０１９３】
本発明の他の局面に係る画像表示装置は、基本波から高調波に変換する上記に記載の波長変換装置と、スクリーンと、前記波長変換装置によって高調波に変換されたレーザ光を用いて前記スクリーン上に画像を形成する光学系とを備える。【０１９４】
この構成によれば、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくともいずれかの添加物を有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムを主成分とする非線形光学結晶において、周期状の分極反転構造が形成され、非線形光学結晶を４０℃以上に加熱した状態で波長変換されるので、光損傷を抑圧することができるとともに、紫外光による可視光の吸収を低減することができる画像表示装置を提供することができる。【０１９５】
本発明の他の局面に係る画像表示装置は、液晶表示パネルと、基本波から高調波に変換し、前記液晶表示パネルを背面側から照明する上記の波長変換装置とを備える。【０１９６】
この構成によれば、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくともいずれかの添加物を有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムを主成分とする非線形光学結晶において、周期状の分極反転構造が形成され、非線形光学結晶を４０℃以上に加熱した状態で波長変換されるので、光損傷を抑圧することができるとともに、紫外光による可視光の吸収を低減することができる画像表示装置を提供することができる。【０１９７】
本発明の他の局面に係る加工装置は、基本波から高調波に変換する上記の波長変換装置と、前記波長変換装置から出力されたレーザ光を加工対象に集光するための加工ヘッドとを備える。【０１９８】
この構成によれば、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくともいずれかの添加物を有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムを主成分とする非線形光学結晶において、周期状の分極反転構造が形成され、非線形光学結晶を４０℃以上に加熱した状態で波長変換されるので、光損傷を抑圧することができるとともに、紫外光による可視光の吸収を低減することができる加工装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１９９】
本発明に係る波長変換装置、画像表示装置及び加工装置は、分極反転構造を有する非線形光学結晶から、高出力で高効率な高調波を得ることが可能である。また、第２高調波として緑色光を出力する場合、緑色光源の小型化が可能となり、光源がコンパクトで高出力が必要な、液晶テレビのバックライト、プロジェクションテレビ及びプロジェクタなどに有用である。
【図１】
2009031278.tif 000003
【図２】
2009031278.tif 000004
【図３】
2009031278.tif 000005
【図４】
2009031278.tif 000006
【図５】
2009031278.tif 000007
【図６】
2009031278.tif 000008
【図７】
2009031278.tif 000009
【図８】
2009031278.tif 000010
【図９】
2009031278.tif 000011
【図１０】
2009031278.tif 000012
【図１１】
2009031278.tif 000013
【図１２】
2009031278.tif 000014
【図１３】
2009031278.tif 000015
【図１４】
2009031278.tif 000016
【図１５】
2009031278.tif 000017
【図１６】
2009031278.tif 000018
【図１７】
2009031278.tif 000019
【図１８】
2009031278.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成21年4月2日(2009.4.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２０００ｎｍ以下の波長を有する基本波を出射する基本波光源と、
周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、前記基本波光源から出射される基本波を高調波に変換する波長変換素子と、
前記波長変換素子を加熱する加熱部とを備え、
前記分極反転構造の周期は、基本波と高調波とが擬似位相整合する温度が４０℃以上８０℃以下になるように設計されており、
前記加熱部は、前記擬似位相整合が成立する温度に前記波長変換素子を加熱し、
前記非線形光学結晶は、４．２ｍｏｌ％以上４．７ｍｏｌ％以下のモル濃度のＭｇＯと、０．３ｍｏｌ％以上０．９ｍｏｌ％以下のモル濃度のＳｃ２Ｏ３とを有するニオブ酸リチウムであることを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウムを主成分とし、Ｓｃとともに、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかの添加物をさらに有し、
前記添加物のモル濃度の合計は、５．０ｍｏｌ％未満であることを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記波長変換素子は、
ニオブ酸リチウムからなる第１の波長変換素子と、
ニオブ酸リチウムに添加する物質、添加物のモル濃度、位相整合温度及び素子長の少なくともいずれか一つが前記第１の波長変換素子と異なる第２の波長変換素子とを少なくとも含むことを特徴とする請求項１又は５に記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記波長変換素子は、ニオブ酸リチウムからなる第１の波長変換素子と、前記第１の波長変換素子とは異なる第２の波長変換素子とを少なくとも含み、
前記第１の波長変換素子は、前記基本波と、前記基本波から変換された高調波とを共に前記第２の波長変換素子に出射し、
前記第２の波長変換素子は、前記基本波と前記高調波との和周波を発生することを特徴とする請求項１又は５に記載の波長変換装置。
【請求項８】
前記波長変換素子内の基本波が通過する部分において分極反転部が素子全体に占める割合が４５％以上５５％以下となることを特徴とする請求項１，５〜７のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項９】
前記波長変換素子の断面積は２ｍｍ２以下であることを特徴とする請求項１，５〜８のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１０】
前記波長変換素子の少なくとも＋Ｚ面と−Ｚ面とに接触している絶縁性物質をさらに備えることを特徴とする請求項１，５〜９のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１１】
前記絶縁性物質の電気抵抗率は、１×１０８Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１０記載の波長変換装置。
【請求項１２】
前記絶縁性物質においてＤＣドリフトが発生しないことを特徴とする請求項１１記載の波長変換装置。
【請求項１３】
前記絶縁性物質は、ＣＶＤ法により形成された絶縁層であることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１４】
前記加熱部は、待機時における前記波長変換素子の温度を１０℃以上３０℃以下の範囲で一定に保つことを特徴とする請求項１，５〜１３のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１５】
前記波長変換素子と前記加熱部との周辺部を覆う断熱材と、
前記高調波の出力を計測する計測部と、
前記計測部によって計測される前記高調波の出力が一定となるように、前記基本波光源に入力する電流量を制御する制御部とをさらに備えることを特徴とする請求項１，５〜１４のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１６】
前記基本波光源は、８００ｎｍから１２００ｎｍの波長を有する基本波を出射し、
前記波長変換素子は、前記基本波を第２高調波に変換し、
前記波長変換素子の光入射面に設けられた、前記基本波の反射を防止する第１の反射防止膜と、
前記波長変換素子の光出射面に設けられた、第２高調波と第３高調波との反射を防止する第２の反射防止膜とをさらに備えることを特徴とする請求項１，５〜１５のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１７】
前記基本波光源は、波長４００ｎｍから８００ｎｍの波長を有する基本波を出射し、
前記波長変換素子は、前記基本波を第２高調波に変換し、
前記波長変換素子の光入射面に設けられた、前記基本波の反射を防止する第１の反射防止膜と、
前記波長変換素子の光出射面に設けられた、前記基本波と前記第２高調波との反射を防止する第２の反射防止膜とをさらに備えることを特徴とする請求項１，５〜１５のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１８】
前記基本波光源は、ポンプレーザと、レーザ媒質とを含み、
一対の共振器ミラーをさらに備え、
前記レーザ媒質と前記波長変換素子とは、前記一対の共振器ミラー内部に設置され、
前記レーザ媒質は、前記ポンプレーザによって励起されて前記基本波を発生し、
前記基本波は、前記一対の共振器ミラー内部で前記波長変換素子により波長変換されることを特徴とする請求項１，５〜１５のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１９】
前記波長変換素子内における光強度は、３６０Ｗ／ｍｍ２を超えることを特徴とする請求項１，５〜１８のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項２０】
前記基本波光源は、パルス発振した基本波を前記波長変換素子へ出射することを特徴とする請求項１，５〜１９のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項２１】
前記基本波光源よりパルス発振する基本波のデューティ比は、５０％以下であることを特徴とする請求項２０記載の波長変換装置。
【請求項２２】
（削除）
【請求項２３】
（削除）
【請求項２４】
ニオブ酸リチウム結晶の［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率が０．４８４〜０．５００であることを特徴とする請求項１，５〜２１のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項２５】
基本波から高調波に変換する請求項１，５〜２１，２４のいずれかに記載の波長変換装置と、
スクリーンと、
前記波長変換装置によって高調波に変換されたレーザ光を用いて前記スクリーン上に画像を形成する光学系とを備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２６】
液晶表示パネルと、
基本波から高調波に変換し、前記液晶表示パネルを背面側から照明する請求項１，５〜２１，２４のいずれかに記載の波長変換装置とを備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２７】
前記波長変換装置は、４８８ｎｍから５５０ｎｍの波長を有する３ワット以上の緑色光を生成することを特徴とする請求項２５又は２６記載の画像表示装置。
【請求項２８】
基本波から高調波に変換する請求項１，５〜２１，２４のいずれかに記載の波長変換装置と、
前記波長変換装置から出力されたレーザ光を加工対象に集光するための加工ヘッドとを備えることを特徴とする加工装置。
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月24日(2009.12.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２０００ｎｍ以下の波長を有する基本波を出射する基本波光源と、
周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、前記基本波光源から出射される基本波を高調波に変換する波長変換素子と、
前記波長変換素子を加熱する加熱部とを備え、
前記分極反転構造の周期は、基本波と高調波とが擬似位相整合する温度が４０℃以上８０℃以下になるように設計されており、
前記加熱部は、前記擬似位相整合が成立する温度に前記波長変換素子を加熱し、
前記非線形光学結晶は、４．２ｍｏｌ％以上４．７ｍｏｌ％以下のモル濃度のＭｇＯと、０．３ｍｏｌ％以上０．９ｍｏｌ％以下のモル濃度のＳｃ２Ｏ３とを有するニオブ酸リチウムであることを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウムを主成分とし、Ｓｃとともに、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかの添加物をさらに有し、
前記添加物のモル濃度の合計は、５．０ｍｏｌ％未満であることを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記波長変換素子は、
ニオブ酸リチウムからなる第１の波長変換素子と、
ニオブ酸リチウムに添加する物質、添加物のモル濃度、位相整合温度及び素子長の少なくともいずれか一つが前記第１の波長変換素子と異なる第２の波長変換素子とを少なくとも含む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】
前記波長変換素子は、ニオブ酸リチウムからなる第１の波長変換素子と、前記第１の波長変換素子とは異なる第２の波長変換素子とを少なくとも含み、
前記第１の波長変換素子は、前記基本波と、前記基本波から変換された高調波とを共に前記第２の波長変換素子に出射し、
前記第２の波長変換素子は、前記基本波と前記高調波との和周波を発生す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５】
前記波長変換素子内の基本波が通過する部分において分極反転部が素子全体に占める割合が４５％以上５５％以下となることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記波長変換素子の断面積は２ｍｍ２以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記波長変換素子の少なくとも＋Ｚ面と−Ｚ面とに接触している絶縁性物質をさらに備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項８】
前記絶縁性物質の電気抵抗率は、１×１０８Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする請求項７記載の波長変換装置。
【請求項９】
前記絶縁性物質においてＤＣドリフトが発生しないことを特徴とする請求項８記載の波長変換装置。
【請求項１０】
前記絶縁性物質は、ＣＶＤ法により形成された絶縁層であることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１１】
前記加熱部は、待機時における前記波長変換素子の温度を１０℃以上３０℃以下の範囲で一定に保つことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１２】
前記波長変換素子と前記加熱部との周辺部を覆う断熱材と、
前記高調波の出力を計測する計測部と、
前記計測部によって計測される前記高調波の出力が一定となるように、前記基本波光源に入力する電流量を制御する制御部とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１３】
前記基本波光源は、８００ｎｍから１２００ｎｍの波長を有する基本波を出射し、
前記波長変換素子は、前記基本波を第２高調波に変換し、
前記波長変換素子の光入射面に設けられた、前記基本波の反射を防止する第１の反射防止膜と、
前記波長変換素子の光出射面に設けられた、第２高調波と第３高調波との反射を防止する第２の反射防止膜とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１４】
前記基本波光源は、波長４００ｎｍから８００ｎｍの波長を有する基本波を出射し、
前記波長変換素子は、前記基本波を第２高調波に変換し、
前記波長変換素子の光入射面に設けられた、前記基本波の反射を防止する第１の反射防止膜と、
前記波長変換素子の光出射面に設けられた、前記基本波と前記第２高調波との反射を防止する第２の反射防止膜とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１５】
前記基本波光源は、ポンプレーザと、レーザ媒質とを含み、
一対の共振器ミラーをさらに備え、
前記レーザ媒質と前記波長変換素子とは、前記一対の共振器ミラー内部に設置され、
前記レーザ媒質は、前記ポンプレーザによって励起されて前記基本波を発生し、
前記基本波は、前記一対の共振器ミラー内部で前記波長変換素子により波長変換されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１６】
前記波長変換素子内における光強度は、３６０Ｗ／ｍｍ２を超えることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１７】
前記基本波光源は、パルス発振した基本波を前記波長変換素子へ出射することを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項１８】
前記基本波光源よりパルス発振する基本波のデューティ比は、５０％以下であることを特徴とする請求項１７記載の波長変換装置。
【請求項１９】
ニオブ酸リチウム結晶の［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率が０．４８４〜０．５００であることを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の波長変換装置。
【請求項２０】
基本波から高調波に変換する請求項１〜１９のいずれかに記載の波長変換装置と、
スクリーンと、
前記波長変換装置によって高調波に変換されたレーザ光を用いて前記スクリーン上に画像を形成する光学系とを備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２１】
液晶表示パネルと、
基本波から高調波に変換し、前記液晶表示パネルを背面側から照明する請求項１〜１９のいずれかに記載の波長変換装置とを備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２２】
前記波長変換装置は、４８８ｎｍから５５０ｎｍの波長を有する３ワット以上の緑色光を生成することを特徴とする請求項２０又は２１記載の画像表示装置。
【請求項２３】
基本波から高調波に変換する請求項１〜１９のいずれかに記載の波長変換装置と、
前記波長変換装置から出力されたレーザ光を加工対象に集光するための加工ヘッドとを備えることを特徴とする加工装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基本波を高調波に変換する波長変換装置と、当該波長変換装置を備える画像表示装置と、当該波長変換装置を備える加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加工用途あるいはレーザディスプレイなどに使われる光源として数Ｗを超える高出力レーザ光源が注目されている。赤色又は青色領域の光の発生においてはガリウム・ヒ素、窒化ガリウム等を用いた半導体レーザが開発されており、高出力化も検討されている。しかし、緑色領域の光においては、半導体レーザからの直接発生は依然として困難である。そのため、ＹＡＧレーザ等の固体レーザや、Ｙｂ又はＮｄ等の希土類が添加されたファイバを用いたファイバレーザなどから発せられる赤外光を基本波として非線形光学結晶に入射し、波長変換により第２高調波として緑色光を得る方法が一般的である。
【０００３】
特に、分極反転技術を用いて形成された擬似位相整合（ＱＰＭ）波長変換素子は、ＬｉＮｂＯ３（以下ＬＮとする）又はＬｉＴａＯ３（以下ＬＴとする）系の非線形光学結晶において高出力の短波長光発生を可能にする構成である。ＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶においては、短波長光の発生時の光損傷が問題になっていた。これは、短波長光によって結晶内部に形成された電界分布により屈折率が変化する現象であり、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ又はＳｃ等をＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶に必要量を添加することで、低減が可能である。一方、これらの添加物を加えないノンドープの結晶においては、結晶を１００℃以上の高温で保持することで、光損傷をある程度は低減できることが公知となっている。
【０００４】
すなわち、ＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶は、ノンドープの結晶を高温で使用するまたは添加物を加えることで光損傷による出力変動を低減できることが知られていた。例えば、非特許文献１及び２には、ＭｇＯをモル濃度で５．０ｍｏｌ％以上添加することにより、光損傷を抑圧できることが示されている。
【０００５】
これに対して、光損傷の抑圧した結晶においても、数Ｗを越える高出力の短波長光に対して出力の不安定性や、結晶破壊が発生するような現象が見いだされている。例えば、特許文献１に示すように、基本波となる赤外光と変換された緑色光（第２高調波）の和周波として発生する紫外光（第３高調波）により、緑色光の吸収が引き起こされ、高出力波長変換時に緑色光の吸収による結晶破壊が発生する。この場合、数Ｗを超える波長変換が困難になる。
【０００６】
医療用、加工用又はレーザディスプレイ用として、必要とされる数Ｗを超える緑色光を生成する光源を提供するため、紫外光によって引き起こされる緑色光の吸収が少なく、光損傷を起こさない非線形光学結晶が強く求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３０８７３１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｄ．Ａ．Ｂｒｙａｎ、Ｒｏｂｅｒｔ  Ｇｅｒｓｏｎ、Ｈ．Ｅ．Ｔｏｍａｓｃｈｋｅ、「Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｄａｍａｇｅ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  ｌｉｔｈｉｕｍ  ｎｉｏｂａｔｅ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒｓ、４４（９）、１９８４年、ｐ．８４７−８４９
【非特許文献２】Ｄ．Ｈ．Ｊｕｎｄｔ、Ｇ．Ａ．Ｍａｇｅｌ、Ｍ．Ｍ．Ｆｅｊｅｒ、Ｒ．Ｌ．Ｂｙｅｒ、「Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  ｐｏｌｅｄ  ＬｉＮｂＯ３  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒｓ、５９（２１）、１９９１年、ｐ．２６５７−２６５９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の構成において、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ又はＳｃなどの添加物を含むＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶においては、光損傷による出力不安定性は解決される。しかしながら、数Ｗを越える高出力の短波長光発生においては、光吸収による熱レンズ効果に起因した出力不安定性及び結晶破壊などの現象は解決されず、添加物を含む非線形光学結晶は高出力化が難しいという課題があった。
【００１０】
すなわち、ＭｇＬＮ（Ｍｇを添加したＬＮ系の非線形光学結晶）からなる波長変換素子を用いて数Ｗの高調波を得る場合において、大きな非線形光学定数が原因となり、基本波となる赤外光と変換された緑色光（第２高調波）との和周波である紫外光（第３高調波）が位相整合条件からはずれた場合においても発生する。この発生した紫外光が、緑色光の吸収を引き起こし、熱レンズを発生させる。これにより、緑色光のビーム劣化を引き起こし、更に高出力時において変換効率の低下、及び発熱による結晶の熱破壊を引き起こすという問題があった。
【００１１】
素子によっても異なるが緑色光発生の場合２．５Ｗを超える出力を発生する際、結晶破壊が発生し始める。緑色光より短波長の青色光発生の場合では結晶破壊の閾値が低下し、連続光で平均出力２Ｗを超えると結晶破壊が発生し始めることがわかっている。また、尖塔値の高いパルス発振の場合は平均出力０．５Ｗを超えると結晶破壊が発生する。
【００１２】
また、従来の構成のノンドープのＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶において、結晶温度を上げて、光損傷を抑圧する方法があった。しかしながら、高温動作による光損傷の低減は、１００℃以上の高温を必要とし、高出力特性を実現するには１４０℃以上の高温を必要とした。さらに、高温に動作させた場合でも完全に光損傷を低減することは難しく。特に短波長光の発生では出力が不安定になるという課題があった。また、１４０℃を越える高温動作においては、温度の均一性を保つのが難しく、消費電力が増大する等の課題があった。さらに、周期状分極反転構造からなる波長変換素子の温度許容度は高温になるに従い狭くなるため、高温では精密な温度制御が必要となり、出力の安定化が難しいという課題があった。
【００１３】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、光損傷を抑圧することができるとともに、紫外光による可視光の吸収を低減することができる波長変換装置、画像表示装置及び加工装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一局面に係る波長変換装置は、２０００ｎｍ以下の波長を有する基本波を出射する基本波光源と、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、前記基本波光源から出射される基本波を高調波に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子を加熱する加熱部とを備え、前記分極反転構造の周期は、基本波と高調波とが擬似位相整合する温度が４０℃以上になるように設計されており、前記加熱部は、前記擬似位相整合が成立する温度に前記波長変換素子を加熱し、前記非線形光学結晶は、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくともいずれかの添加物を有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムを主成分とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくともいずれかの添加物を有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムを主成分とする非線形光学結晶において、周期状の分極反転構造が形成され、非線形光学結晶を４０℃以上に加熱した状態で波長変換されるので、光損傷を抑圧することができるとともに、紫外光による可視光の吸収を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る波長変換装置の構成を示す図である。
【図２】光吸収特性を測定するための実験装置の構成を示す図である。
【図３】５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮの結晶温度とＵＶＩＧＡ率の関係を示す図である。
【図４】波長変換素子の波長変換特性を評価するための実験装置の構成を示す図である。
【図５】波長変換時における素子温度と、結晶破壊発生時の緑色光出力との関係を示す図である。
【図６】４．６ｍｏｌ％、４．９ｍｏｌ％、５．０ｍｏｌ％、５．３ｍｏｌ％及び５．６ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮの素子温度とＵＶＩＧＡ率との関係を示す図である。
【図７】６５℃におけるＭｇＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率とＭｇのモル濃度との関係を示す図である。
【図８】５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率と素子温度との関係、１．５ｍｏｌ％のＳｃ２Ｏ３を添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率と素子温度との関係、及び７．５ｍｏｌ％のＺｎＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率と素子温度との関係を示す図である。
【図９】長さ２５ｍｍの擬似位相整合波長変換素子の温度と位相整合温度許容幅との関係を示す図である。
【図１０】擬似位相整合波長変換素子における周期的な分極反転構造を示す図である。
【図１１】緑色光の発生量及び紫外光の発生量と、デューティ比との関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態１の変形例に係る波長変換装置の構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態２に係る波長変換装置の構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態３に係る波長変換装置の構成を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態４に係る画像表示装置の構成を示す図である。
【図１６】波長変換装置の波長変換素子周辺部の構成を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態５に係る画像表示装置の構成を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態６に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
【００１８】
（実施の形態１）
本実施の形態は、ＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶において高出力の短波長光発生を可能にする構成である。ＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶においては、短波長光の発生時における光損傷が問題になっていた。これは、短波長光によって結晶の屈折率が変化する現象であり、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｚｎ（亜鉛）又はＳｃ（スカンジウム）等をＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶に必要量を添加することで、光損傷の低減が可能であることが、公知となっている。
【００１９】
このため、従来、ノンドープのＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶を用いて可視領域の光を発生させる場合、光損傷を低減するために、非線形光学結晶は、１００℃以上の高温で使用されることが一般的であった。また、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ又はＳｃ等を添加したＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶を用いて可視領域の光を発生させる場合、光損傷が低減できるため、温度を上げて使用する必要はなく、非線形光学結晶は、室温近傍で使用されることが一般的であった。
【００２０】
これに対し、我々は、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくとも何れかの添加物を含むＬＮ又はＬＴ系の非線形光学結晶の結晶温度を高温にすることで、高出力波長変換時に発生していた紫外光による緑色光吸収を抑制することができることを発見した。この場合、上記のＭｇ、Ｉｎ、Ｚｎ又はＳｃ等を添加した場合の波長変換に比べて、結晶内の光吸収が抑制されるので、熱レンズ効果も軽減され、ビーム劣化の程度も軽減される。また、素子温度を１００℃以下とすることにより、上記のノンドープの場合の波長変換に比べて単位温度あたりの屈折率変化量が減少し、温度許容幅が狭くなる問題も解消される。
【００２１】
更に、我々は、ＬＮを主成分とする結晶に添加する添加物の種類や、添加量を変えることで、より低温にて紫外光による緑色光吸収を抑制することができることを発見した。これにより、素子加熱に必要となる消費電力を軽減し、光源の立ち上がり速度を高めることができる。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態１に係る波長変換装置の構成を示す図である。図１に示す波長変換装置は、赤外光光源１、第１の集光レンズ２、波長変換素子３、ヒーター４、断熱材５、第２の集光レンズ６及び分離ミラー７を備える。
【００２３】
赤外光光源１は、２０００ｎｍ以下の波長を有する基本波を出射する。具体的に、赤外光光源１は、発振波長１０６４ｎｍのＹｂドープファイバレーザで構成される。赤外光光源１は、ビーム径５００μｍの平行な赤外光を出射する。第１の集光レンズ２は、ｆ＝３０ｍｍであり、赤外光光源１から出射した赤外光８を波長変換素子３に集光する。このとき、結晶の分極方向は、入射する赤外光の偏光方向と一致する。
【００２４】
波長変換素子３は、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、赤外光光源１から出射される基本波を第２高調波に変換する。波長変換素子３は、Ｓｃ２Ｏ３を１．５ｍｏｌ％添加したＬＮで構成され、ヒーター４により８０℃以上で温度管理されている。更に、波長変換素子３には周期的な分極反転構造が形成されており、その周期は４０℃以上で擬似位相整合するように設計されている。また、ヒーター４の消費電力軽減のため、ヒーター４と波長変換素子３とは、基本波が入射する光入射面１１と、高調波が出射する光出射面１２とを除いて、断熱材５で覆われていることが望ましい。ヒーター４は、擬似位相整合が成立する温度に波長変換素子３を加熱する。
【００２５】
第２の集光レンズ６は、波長変換素子３を透過した赤外光と、発生した第２高調波（緑色光）とを平行光に戻す。分離ミラー７は、波長変換素子３を出射したレーザ光を、透過赤外光１０と、第２高調波である緑色光９とに分離する。周期状の分極反転構造は、高温で素子を使用する場合の出力安定化に有効である。
【００２６】
ＬＮ又はＬＴなどの結晶温度を上げて使用する場合には、結晶の温度変化により焦電効果が発生して基板内部に電界分布が発生する。ＬＮ結晶又はＬＴ結晶は、電気光学効果を有するため、電界により屈折率分布が発生して位相整合条件が不安定になるといった現象が生じる。これに対して、波長変換素子３に周期状の分極反転構造が形成されている場合、隣接する分極反転部と非分極反転部とで発生する焦電効果の方向が異なる。そのため、隣接する分極反転部と非分極反転部とで電界が相殺し、出力不安定となるのを防止できる。
【００２７】
なお、本実施の形態において、赤外光光源１が基本波光源の一例に相当し、ヒーター４が加熱部の一例に相当する。
【００２８】
ここで、非線形光学結晶における光吸収特性の測定方法について説明する。図２は、光吸収特性を測定するための実験装置の構成を示す図である。図２に示す実験装置は、測定サンプル１３、緑色光源１４、集光レンズ１５、フォトダイオード１６及びヒーター１７を備える。
【００２９】
測定サンプル１３は、非線形光学結晶を、厚さ１ｍｍ、長手方向（ビームパス）の長さ５ｍｍ及び幅１０ｍｍにカットし、両端面（１ｍｍ×１０ｍｍの面）を光学研磨することにより作製される。緑色光源１４は、波長５３２ｎｍの緑色光を出射する。集光レンズ１５は、測定サンプル１３内での緑色光のビーム径が約２００μｍとなるように集光する。フォトダイオード１６は、測定サンプル１３を透過した緑色光の出力を計測する。ヒーター１７は、測定サンプル１３を加熱する。紫外光照射機１８は、波長４００〜３４０ｎｍの紫外光１９を測定サンプル１３の緑色光のビームパスに照射する。
【００３０】
実験では、測定サンプル１３、緑色光源１４、集光レンズ１５、フォトダイオード１６及びヒーター１７を固定した状態でヒーター１７を用いて測定サンプル１３の温度を変えて、紫外光照射機１８より出射した紫外光１９を測定サンプル１３の緑色光のビームパスに照射した。
【００３１】
紫外光１９の照射前における緑色光出力と、紫外光１９の照射中における緑色光出力とをフォトダイオード１６にてモニターし、紫外光照射による緑色光の吸収率を測定した。以降、この吸収率をＵＶＩＧＡ（ＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｇｒｅｅｎ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）率とする。この測定方法により、紫外光による可視光（ここでは５３２ｎｍの光）の吸収率の増大について測定した。ＵＶＩＧＡ率の値は、結晶破壊に対する結晶の耐性と相関があり、ＵＶＩＧＡ率の低下は、光吸収の低減、即ち高出力耐性の向上を意味する。ＵＶＩＧＡ率と結晶の高出力耐性との相関は実験的に確認しており、ＵＶＩＧＡ率が１０％の場合に、５３２ｎｍの光に対する結晶破壊の耐性は２．５Ｗ程度であった。ＵＶＩＧＡ率が５％程度の場合、結晶破壊の耐性は３Ｗ以上になる。
【００３２】
図３は、５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮの結晶温度とＵＶＩＧＡ率との関係を示す図である。測定サンプル１３には、５．０ｍｏｌ％のＭｇＯをドープしたコングルエント組成（［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率０．４６〜０．４８２：一致溶融組成）のＬＮを用いた。そして、測定サンプル１３の温度を２５℃〜２５５℃まで変化させ、ＵＶＩＧＡ率の変化をモニターした。
【００３３】
その結果、図３に示すとおり、測定サンプル１３の温度が２５℃から８０℃の範囲では、ＵＶＩＧＡ率は変化せず、８０℃以上に加熱することで、ＵＶＩＧＡ率が低下することがわかった。なお、１４５℃以上ではＵＶＩＧＡ率は１％以下であったため、図３には図示していない。これより、素子温度を８０℃以上にすることで、紫外光照射による緑色光の吸収率が低下するため、数Ｗを越える高出力波長変換が可能となると考えられる。
【００３４】
次に、５．０ｍｏｌ％のＭｇＯをドープしたＬＮに対し、特許文献１に示すように、フォトプロセスにより電極を形成し、電界を印加することで分極反転処理を行った。まず、結晶の誘電主軸であるＺ軸方向が基板表面に垂直となるような、両面光学研磨された基板（Ｚ板）上（本実施の形態では厚さ１ｍｍ）に電極材料となる金属膜を蒸着する。続いて、フォトレジストを塗布し、密着露光法により電極パターンをパターニングする。その後、ドライエッチング装置により金属電極を形成する。そして、金属膜の上に誘電体を形成する。電極にパルス電界を引加することにより結晶に分極反転構造を形成した。このときの反転周期は、それぞれ３０℃、６０℃、９０℃及び１２０℃のときに１０６４ｎｍの第２高調波が発生する周期Λ＝６．９５μｍ、６．９０μｍ、６．８５μｍ、６．８０μｍとした。また、素子長は２５ｍｍとした。
【００３５】
ＬＮに周期的分極反転構造を形成し、擬似位相整合波長変換素子とすることで高い変換効率での波長変換が可能となる。擬似位相整合波長変換素子は、その周期を変えることで、任意の温度にて波長変換させることが可能となり、本実施の形態として望ましい。
【００３６】
このようにして形成した波長変換素子について、実際に波長変換特性を評価した。図４は、波長変換素子の波長変換特性を評価するための実験装置の構成を示す図である。図４に示す実験装置は、赤外光光源２１、第１の集光レンズ２２、波長変換素子２３、ヒーター２４、第２の集光レンズ２５、分離ミラー２６及びパワーメータ２７を備える。
【００３７】
赤外光光源２１は、発振波長１０６４ｎｍのＹｂドープファイバレーザで構成される。赤外光光源２１は、ビーム径５００μｍの平行な赤外光を出射する。第１の集光レンズ２２は、ｆ＝３０ｍｍであり、赤外光光源２１から出射した赤外光２８を波長変換素子２３に集光する。波長変換素子２３は、ヒーター２４により温度管理されている。このとき、室温は約２５℃に設定した。第２の集光レンズ２５は、波長変換素子２３を透過した赤外光と、発生した第２高調波（緑色光）とを平行光に戻す。分離ミラー２６は、赤外光２８と第２高調波となる緑色光２９とに分離する。パワーメータ２７は、分離した緑色光２９を測定する。
【００３８】
図５は、波長変換時における素子温度と、結晶破壊発生時の緑色光出力との関係を示す図である。素子温度が３０℃及び６０℃である場合、２．２Ｗ付近で結晶破壊が発生し、素子温度が９０℃である場合、２．６Ｗ付近で結晶破壊が発生した。しかし、素子温度が１２０℃である場合、３．４Ｗの緑色光生成時においても結晶が破壊されなかった。
【００３９】
以上より、ＵＶＩＧＡ率が低下する８０℃以上にて波長変換を行なうことで、従来実現が困難であった、光損傷の回避と紫外光による可視光吸収の低減との双方の課題を同時に緩和することが可能となっている。
【００４０】
更に、ＵＶＩＧＡ率が低下する温度はＬＮに添加するＭｇＯのモル濃度と関係することが、実験によりわかった。
【００４１】
図６は、４．６ｍｏｌ％、４．９ｍｏｌ％、５．０ｍｏｌ％、５．３ｍｏｌ％及び５．６ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮの素子温度とＵＶＩＧＡ率との関係を示す図である。図６において、温度変化１０１，１０２，１０３，１０４，１０５は、それぞれ４．６ｍｏｌ％、４．９ｍｏｌ％、５．０ｍｏｌ％、５．３ｍｏｌ％及び５．６ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率の温度変化を示している。本実験では、測定サンプルの温度を２５℃〜２５５℃まで変化させ、ＵＶＩＧＡ率の値をモニターした。
【００４２】
素子温度が２５℃である場合、５．３ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率が最も低く８％程度となっている。しかしながら、５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率及び５．６ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率と同様に、５．３ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率は、素子温度を８０℃程度まで上げても変わらず、素子温度を８０℃以上とすることで、低下することがわかった。
【００４３】
同様に、素子温度が２５℃である場合、４．６ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプル及び４．９ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率は、それぞれ１１．２％及び９．７％であり、５．０ｍｏｌ％以上のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率より高くなっている。しかしながら、４．６ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプル及び４．９ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率は、温度を上げるほど低下し、４０℃以上では５．０ｍｏｌ％以上のＭｇＯを添加した測定サンプルの半分以下となることがわかった。
【００４４】
図７は、６５℃におけるＭｇＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率とＭｇのモル濃度との関係を示す図である。図７に示すように、素子温度が６５℃である場合、４．６ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプル及び４．９ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率は、それぞれ１．０％程度となっている。一方、５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率は、急激に上昇し、９．３％程度となっている。また、５．３ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプル及び５．６ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率は、それぞれ８．０％及び８．２％程度となっている。
【００４５】
このように、素子温度が６５℃である場合、ＬＮに４．６ｍｏｌ％のＭｇＯ又は４．９ｍｏｌ％のＭｇＯを添加することで、光吸収を低減することができることがわかった。
【００４６】
更に、従来の波長変換素子は、５．０ｍｏｌ％以上のＭｇＯを添加することで、光損傷が回避されることが知られていたが、より詳細には４．８ｍｏｌ％以上のＭｇＯを添加した波長変換素子について光損傷が起きないことがわかった。
【００４７】
また、ＬＮにＳｃ２Ｏ３やＺｎＯを添加する場合においても、温度を上げることにより光損傷の回避と紫外光による緑色光吸収の低減との双方の課題を解決できることが分かった。ここで、Ｓｃ２Ｏ３やＺｎＯを添加したＬＮは、ＭｇＯを添加したＬＮと同様にチョクラルスキー法を用いて作製される。
【００４８】
図８は、５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率と素子温度との関係、１．５ｍｏｌ％のＳｃ２Ｏ３を添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率と素子温度との関係、及び７．５ｍｏｌ％のＺｎＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率と素子温度との関係を示す図である。図８において、温度変化２０１，２０２，２０３は、それぞれ５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率の温度変化、１．５ｍｏｌ％のＳｃ２Ｏ３を添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率の温度変化、及び７．５ｍｏｌ％のＺｎＯを添加したＬＮのＵＶＩＧＡ率の温度変化を示している。
【００４９】
図８に示すとおり、Ｓｃ２Ｏ３又はＺｎＯを添加した場合についても、高温にてＵＶＩＧＡ率の低下が確認できた。特に、Ｓｃ２Ｏ３を添加した測定サンプルは、３０℃程度の温度においても、従来用いられてきた５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルに比べて、紫外光照射時の緑色光吸収率が３０％程度軽減できている。ＭｇＯと同様に安価なＺｎＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率は、７０℃以上で従来用いられてきた５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加した測定サンプルのＵＶＩＧＡ率より低くなる。また、１．５ｍｏｌ％以上のＳｃ２Ｏ３を添加したＬＮ及び７．５ｍｏｌ％以上のＺｎＯを添加したＬＮは、光損傷が発生しないこともわかっている。
【００５０】
図６〜８の実験結果より、ＵＶＩＧＡ率の温度特性は、８０℃以上の比較的高温で、ＵＶＩＧＡ率が低下し始めるグループと、４０℃程度の低温でもＵＶＩＧＡ率が低下するグループとに分かれることが判明した。ＵＶＩＧＡ率は徐々に変化するのではなく２つのグループのうち何れかの特性を有すると考えられる。この特性は、ＬＮ及びＬＴ結晶における光損傷に対する耐性と類似している。光損傷に対する耐性も徐々に向上するのではなく、耐性のある素子と無い素子とが添加物のある一定の量を境に変化する。ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３の場合は約４．８ｍｏｌ％近傍にその境がある。しかしながら、光損傷に対する耐性とＵＶＩＧＡ率の温度変化とが同時に起こるのではなく、ＭｇドープのＬＮ結晶においては４．８ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％未満の僅かな領域において、光損傷に対する耐性に優れかつＵＶＩＧＡ率が低温でも低下することが明らかになった。この領域においては、４０〜８０℃の低温でＵＶＩＧＡ率を低減でき、かつ光損傷に対する耐性を有する波長変換素子を実現できることが分かった。
【００５１】
さらに、ＵＶＩＧＡ率は添加物のモル濃度に依存し、光損傷は（添加物の価数−１）×（モル濃度）に依存する。ここで重要となるのがＳｃである。Ｓｃは３価のイオンであるので光損傷の耐性を実現するのにＭｇの約半分のモル濃度で実現できる。Ｍｇの場合、光損傷の耐性を向上させるには４．８ｍｏｌ％程度以上のＭｇが必要である。しかしながら、Ｓｃの場合、Ｍｇの約半分の２．４ｍｏｌ％程度のドープ量で光損傷に対する耐性の強度を高めることができる。
【００５２】
一方、ＵＶＩＧＡ率は添加物のモル濃度に依存するため、ＳｃでもＭｇでも５．０ｍｏｌ％未満の添加量の場合に低温でＵＶＩＧＡ率を低減できる。このため、Ｓｃの場合、光損傷の耐性を向上させるには２．４ｍｏｌ％以上の添加量が必要であり、ＵＶＩＧＡ率を低減させるにはＳｃの添加量を５．０ｍｏｌ％以下に抑える必要がある。光損傷の耐性とＵＶＩＧＡ率の低減とを実現する場合、添加量は、２．４ｍｏｌ％〜５．０ｍｏｌ％の間に制御すればよい。
【００５３】
すなわち、非線形光学結晶は、１．２ｍｏｌ％以上のモル濃度のＳｃ２Ｏ３を添加しているニオブ酸リチウムであることが好ましい。
【００５４】
この場合、１．２ｍｏｌ％以上のモル濃度のＳｃ２Ｏ３を添加したニオブ酸リチウムにおいて、４０℃以上の温度で位相整合条件を成立させることにより、光損傷の抑圧と光吸収の低減とを同時に実現することができる。また、Ｍｇを添加する場合に比べて、添加量の広い範囲で高出力特性が維持できるので、添加量の制御が容易になり、結晶の製造コストを低減できる。また、Ｓｃを添加した結晶は、低温でも高出力耐性にすぐれるため８０℃以下で使用できる。８０℃以下で位相整合条件を成立させると、１００℃以上で位相整合条件を成立させる場合に比べて、屈折率分散の温度依存性によって位相整合条件が成立する温度許容度を１０％程度拡大できる。このため、温度変動に対してもより安定した特性が実現できる。
【００５５】
一方、Ｓｃと、他の添加物、例えばＭｇとを同時に添加する場合には、例えばＳｃのモル濃度をＡｍｏｌ％、Ｍｇのモル濃度をＢｍｏｌ％とすると、２Ａ＋Ｂの値を４．８ｍｏｌ％以上、Ａ＋Ｂの値を５．０ｍｏｌ％より小さくすることで、光損傷の耐性とＵＶＩＧＡ率の低減とを同時に実現することが可能となる。
【００５６】
波長変換装置において、波長変換素子の温度が周囲の環境温度に近いほど、素子加熱に必要となる電力を低減することができる。
【００５７】
また、我々の調査により、分極反転構造を形成したＬＮ及びＬＴ系材料からなる波長変換素子は、１００℃と２５℃とのヒートサイクルを繰り返すことにより、結晶内での赤外光及び緑色光の線形吸収率が増加し、変換効率が低下する問題が発生することがわかった。このため、例えば、使用中は１００℃に加熱し、不使用時に２５℃程度の室温に下がるような条件で波長変換素子を用いる場合、本実施の形態において紫外光による緑色光の吸収を低減したとしても、熱レンズ効果によるビームの劣化が発生することになる。この問題を回避するため、少なくとも８０℃以下で波長変換素子を使用することが望ましい。もしくは、後述する実施の形態４に示す方法により、結晶内の線形吸収率の増加を抑制する必要がある。
【００５８】
また、波長変換素子は温度が変化することで結晶の屈折率差（赤外光の屈折率と緑色光の屈折率との差）が変化し、位相整合条件から外れるため、変換効率の低下が起こる。そのため、温度を最適温度に保つ必要がある。
【００５９】
図９は、長さ２５ｍｍの擬似位相整合波長変換素子の温度と位相整合温度許容幅との関係を示す図である。素子温度変化に対する屈折率差の変化は低温ほど小さくなり、より低温で波長変換を行なうことで図９に示すように温度許容幅が広がる。このため、温度変動による出力変動幅が軽減され、出力が安定する。素子温度を８０℃以下とすることで、素子温度を１００℃とした場合に比べて５％以上温度許容幅を拡大することが可能となる。ここで、温度許容幅は素子長に反比例するため、素子長を２５ｍｍとして算出した。しかし、低温化による温度許容幅の拡大率は素子長に依存しないため、素子温度は、素子長に関わらず８０℃以下とすることが望ましい。
【００６０】
また、ＬＮ系非線形光学結晶内において、緑色光の光吸収は０．０２５ｃｍ−１から０．０４５ｃｍ−１となる。そのため、紫外光による緑色光吸収を軽減する波長変換装置を用いた場合においても、数Ｗ程度の高出力波長変換時において光の吸収による発熱量が増加する。この発熱による温度分布で熱レンズ効果が発生し、ビームが劣化するため、高品質の高出力レーザへの変換が困難であった。
【００６１】
熱レンズ効果の程度は熱伝導率に反比例し、温度に対する屈折率変化率に比例する。素子温度を８０℃以下とすることで、素子温度を１００℃とした場合に比べて、出力時の屈折率変化率は５％以上低下する。更に、ＬＮ及びＬＴ系結晶の熱伝導率は素子温度に反比例することが分かっている。そのため、素子温度を８０℃（３５３Ｋ）以下とすることで、素子温度を１００℃（３７３Ｋ）とした場合に比べて、更に５．６％以上熱伝導率が増加し、両方の効果を合わせると、１１％程度の高出力波長変換が可能となる。
【００６２】
以上より、８０℃以下、より望ましくは７０℃以下の低温で波長変化を行うことで、光損傷の回避と紫外光による緑色光吸収の低減との双方の課題解決を実現することが望ましいと言える。
【００６３】
また、波長変換素子の温度が環境温度より低い状態では、波長変換素子の光入出射面において結露が発生し、レーザ光を散乱させるため、波長変換素子の温度は４０℃以上とすることが望ましい。
【００６４】
このため、ＬＮに添加するＭｇＯのモル濃度は、４．８ｍｏｌ％以上５．０ｍｏｌ％未満とすることが望ましく、または、ＬＮにＳｃ２Ｏ３を添加し、４０℃以上８０℃以下の温度で波長変換素子を使用するが望ましい。
【００６５】
Ｍｇの場合、４．８〜５．０ｍｏｌ％のドープ量を正確に制御するのは難しく、結晶の作製歩留まりが低下するという問題が生じる。これを解決する方法としてＳｃを僅かに加える方法がある。Ｓｃを加えた場合、Ｓｃのｍｏｌ濃度はＭｇの半分の量で光損傷の回避が可能となるため、光損傷を低減するのに必要なＳｃとＭｇとのｍｏｌ濃度の合計値をＭｇ単体の場合に比べ小さくでき、添加物のｍｏｌ濃度の許容範囲が広がる。０．３ｍｏｌ％以上のＳｃを添加することにより、光損傷に対する耐性の向上と紫外光による緑色光吸収の低減との両立に必要なＭｇの添加モル濃度は４．２〜４．７ｍｏｌ％となり、Ｍｇ濃度ずれ許容幅は０．５ｍｏｌ％となる。このため、Ｍｇの添加濃度制御が容易となる。
【００６６】
また、Ｍｇ濃度ずれ許容幅は１．４ｍｏｌ％以下であれば、最も望ましく、Ｍｇの添加濃度制御の観点からは、それ以上は必要ない。つまり、Ｓｃの添加モル濃度については、１．２ｍｏｌ％以下でよいことになる。Ｓｃの添加モル濃度が低いほど使用するＳｃ量削減によるコスト削減効果が大きい。また、原子番号が大きいＳｃを添加することにより発生する結晶欠陥の発生を軽減し、分極方向の幅広い領域に、微細で均一な分極反転構造を形成することが可能となる。そのため、Ｓｃを添加することは、広い領域において均一で微細な分極反転構造を必要とするバルク型の波長変換素子の作製において、望ましい。
【００６７】
結晶欠陥数は、結晶内における赤外光の吸収率を増加させるため、結晶内の赤外光強度が高まる共振器型の波長変換装置の場合に変換効率の低下の原因となる。このため、Ｓｃの添加濃度は、０．９ｍｏｌ％以下がより望ましい。
【００６８】
また、不純物のモル濃度が低いほど、熱伝導率は高くなるため、熱レンズ効果の軽減においても効果を発揮する。
【００６９】
ＬＮに添加することで、光損傷を抑えることができる、Ｚｎ及びＩｎの酸化物についても、モル濃度を５．０ｍｏｌ％未満とすることで、低温にて光損傷の回避と紫外光による緑色光吸収の低減との双方の課題を克服することができる。
【００７０】
また、２価のＭｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかと、３価のＳｃとの両方をＬＮに添加することにより、両添加物の足し合わせたモル濃度が４．８ｍｏｌ％未満の場合に光損傷を抑制することができる。この場合、Ｓｃの酸化物のみを添加する場合に比べて、材料の値段が高いＳｃの添加量を減らすことが可能となり、より安価で両課題を解決することが可能となる。
【００７１】
また、本実施の形態では、コングルエント組成（［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率０．４６〜０．４８２：一致溶融組成）のＬＮを主成分とし、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ及びＳｃのうちの少なくともいずれかの酸化物を添加しているが、本発明は特にこれに限定されない。ＬＮをストイキオ組成（［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率０．５００）に近づけることで、添加物の添加量をより軽減することが可能となるため、両課題の解決がより容易となる。
【００７２】
［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率が０．４８４〜０．５００のＬＮでは、４．５ｍｏｌ％以上のＭｇを添加することで光損傷を回避することが可能となるため、Ｍｇの添加量を４．５ｍｏｌ％以上５．０ｍｏｌ％未満とすることで、低温での高出力波長変換が可能となる。この場合、Ｍｇの添加量の許容幅が０．５ｍｏｌ％となり結晶育成の歩留が大幅に向上するため望ましい。
【００７３】
また、ＬＮはストイキオ組成とすることにより熱伝導率が増加する。ＬＮについては、ストイキオ組成（［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率０．４９６〜０．５００）とすることが望ましく、これにより熱伝導率は２１％増加する。Ｓｃのモル濃度の二倍と、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかとのモル濃度の合計が１．０ｍｏｌ％以上で光損傷が解消されるため、添加物の量を減らし、より低コスト化を測ることができる。
【００７４】
また、波長変換装置の構成に加熱部（ヒーター）を加えることで、非線形光学結晶を高温に維持することが可能となり、高出力光の安定化を図ることができる。さらに、周期状の分極反転構造を形成した非線形光学結晶を波長変換素子に使用することにより、任意の温度での位相整合が可能となり、高出力耐性に必要な高温条件において、高効率な位相整合条件を満たすことが可能となり、高効率化を図ることができる。
【００７５】
更に、ＬＮと同様に、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ及びＳｃの少なくともいずれかの酸化物を添加することで光損傷を回避することができる非線形光学結晶であり、紫外光による緑色光吸収が発生するＬＴについても、添加物のモル濃度を減らし、結晶温度を高くして擬似位相整合波長変換素子として使用することで、両課題の解決が可能であると考えられる。
【００７６】
次に、波長変換素子の構造に改良を加えることにより、更に低温にて光損傷の回避と光吸収の低減との両課題の解決が可能となる構成について説明する。
【００７７】
特許文献１に記載されるように擬似位相整合波長変換素子は分極の方向が周期的に反転する。図１０は、擬似位相整合波長変換素子における周期的な分極反転構造を示す図である。
【００７８】
図１０に示すように、波長変換素子３０１に赤外光３０２が入射して緑色光を生成する場合、緑色光の発生量は、赤外光が波長変換素子３０１内を通る部分において、分極反転部３０３が全体に占める割合（デューティ比（＝ｂ／ａ）％）に依存することがわかっている。しかし、赤外光と緑色光との和周波として紫外光が発生するとき、その位相整合周期は赤外光から緑色光が生成する位相整合周期の約４分の１となり、素子内で生成する紫外光の発生量もまた、デューティ比に依存することが分かった。
【００７９】
図１１は、緑色光の発生量及び紫外光の発生量と、デューティ比との関係を示す図である。紫外光の光強度が高いほど、紫外光による緑色光吸収率が高いことが分かっている。そのため、図１１に示すとおり、緑色光の発生量４０１が多く、紫外光の発生量４０２が少ないデューティ比４５％以上５５％以下の範囲となる波長変換素子に、赤外光を入射し、波長変換を行なうことが望ましい。ここで、赤外光の入力を６Ｗ、デューティ比５０％での緑色光の出力を２Ｗとし、波長変換による赤外光減衰による効率低下（ポンプディプレッション）の影響を考慮した。
【００８０】
また、本実施の形態では、基本波である赤外光から第２高調波である緑色光への変換について説明しているが、一般的に、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ及びＩｎの少なくともいずれかを添加したＬＮは、波長４００ｎｍ以下の紫外光により、波長４００ｎｍから８００ｎｍの可視光が吸収されることが分かっている。つまり、８００ｎｍから１２００ｎｍの波長の基本波を波長変換素子に入射し、第２高調波を生成する場合、基本波と第２高調波との和周波として発生する第３高調波が、第２高調波の吸収を引き起こす。
【００８１】
また、４００ｎｍから８００ｎｍの波長の基本波を波長変換素子に入射し、第２高調波を生成する場合、第２高調波が基本波の吸収を引き起こす。更に、１２００ｎｍから１６００ｎｍの波長の基本波を波長変換素子に入射し、第２高調波を生成する場合についても、第２高調波から波長変換した第４高調波が第２高調波の吸収を引き起こす。
【００８２】
更に、１２００ｎｍから２０００ｎｍの波長の基本波を波長変換素子に入射し、第４高調波を発生させる場合、基本波と第４高調波との和周波として発生する第５高調波が、第４高調波の吸収を引き起こす。同じく、１２００ｎｍから２０００ｎｍの波長の基本波を波長変換素子に入射し、第２高調波と第３高調波との両方を発生させる場合、第２高調波と第３高調波との和周波として発生する第５高調波が第３高調波の吸収を引き起こす。
【００８３】
本実施の形態では、紫外光によって引き起こされる可視光吸収率の軽減を可能とするため、これらいずれの波長変換においても、結晶破壊を起こさず高出力化を可能とする。
【００８４】
図１において、波長変換素子３の光入射面１１は、少なくとも基本波の反射を防止する反射防止コートを施していることが望ましく、これにより光入射面１１における基本波の透過ロスを軽減し、より高効率の波長変換が可能となる。
【００８５】
更に、波長変換素子３の光出射面１２は、少なくとも第２高調波である緑色光及び第３高調波である紫外光の反射を防止する反射防止コートを施していることが望ましく、これにより緑色光の光出射面１２における透過ロスを軽減すると共に、素子内における紫外光及び緑色光の光強度を軽減することが可能となる。
【００８６】
このことは、８００ｎｍから１２００ｎｍの基本波を入射し、基本波の第２高調波を生成する場合においても、同様に効果を発揮することは言うまでも無い。また、同様の理由により、４００ｎｍから８００ｎｍの基本波を入射し、その第２高調波を生成する場合、光入射面１１に少なくとも基本波の反射を防止する反射防止コートを施し、光出射面１２に少なくとも基本波と第２高調波との反射を防止する反射防止コートを施すことが望ましい。
【００８７】
更に、素子加熱にヒーターを用いた場合、冷却能力がなく、周囲を断熱材で覆うことにより、冷却に要する時間が長くなる。このため、波長変換された緑色出力の一部をフォトダイオードでモニターし、基本波の入射電力を調整することで、緑色出力を安定させるＡＰＣ（オートパワーコントロール）制御を用いることが更に望ましい。
【００８８】
図１２は、本発明の実施の形態１の変形例に係る波長変換装置の構成を示す図である。図１２に示す波長変換装置は、赤外光光源１、第１の集光レンズ２、波長変換素子３、ヒーター４、断熱材５、第２の集光レンズ６、分離ミラー７、ビームスプリッタ１２１、フォトダイオード１２２及び制御部１２３を備える。なお、図１２に示す波長変換装置において、図１に示す波長変換装置と同じ構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００８９】
ビームスプリッタ１２１は、分離ミラー７によって分離された緑色光の一部を反射させるとともに、他部を透過させる。フォトダイオード１２２は、ビームスプリッタ１２１によって反射された緑色光を受光し、緑色光の出力を計測する。制御部１２３は、フォトダイオード１２２によって計測される緑色光の出力が一定となるように、赤外光光源１に入力する電流量を制御する。
【００９０】
波長変換素子３とヒーター４との周辺部が断熱材５により覆われるので、波長変換素子３を加熱する際の消費電力を抑えることができる。また、フォトダイオード１２２によって、高調波（緑色光）の出力が計測され、制御部１２３によって、計測される高調波の出力が一定となるように、赤外光光源１に入力する電流量が制御される。したがって、高調波の出力を安定させることができる。
【００９１】
また、本実施の形態では、加熱部としてヒーター４を用いているが、本発明は特にこれに限定されず、ペルチエ素子を用いてもよい。素子温調に冷却機能のあるペルチエ素子が用いられることにより、より安定した出力の制御が可能となる。素子温調にペルチエ素子を用いた場合は、波長変換素子３にペルチエ素子の表面を設置し、ペルチエ素子の裏面と波長変換素子３の光入出射面１１，１２を除く部分を断熱材５で覆うことが望ましい。
【００９２】
また、本実施の形態では、紫外光による緑色光の吸収と光損傷の回避との両課題を解決することができるため、素子内における光強度をより高くすることが可能となる。波長変換素子において、素子内の光強度が高いほど変換効率も増加するため、結晶破壊の閾値となっていた３６０Ｗ／ｍｍ２以上の光強度とすることが望ましい。
【００９３】
また、光強度を７２０Ｗ／ｍｍ２以上とすることで、赤外光の入力や素子長にもよるが、変換効率は更に約２倍以上となる。
【００９４】
更に、赤外光光源１は、パルス発振した基本波を波長変換素子３へ出射することが好ましい。入射する基本波をパルス発振することにより、基本波から高調波への変換効率を向上させることができる。
【００９５】
パルス光入射の場合、赤外光及び緑色光に対して、発生する紫外光量が増加し、紫外光による緑色光吸収が増加する。このため、連続波発振に比べて低出力で結晶破壊が発生していた。しかし、本実施の形態により紫外光による緑色光の吸収を軽減した場合、パルス発振した場合においても高出力波長変換が可能となる。非線形光学結晶を用いた波長変換では、素子内の光強度が高いほど変換効率が増加するため、パルス発振のデューティ比を５０％以下とすることが望ましく、変換効率は約２倍以上となる。更に、デューティ比を３０％以下とすることで変換効率は約３倍となる。
【００９６】
（実施の形態２）
次に、図１３に示すように、複数の波長変換素子を用いることで、より高効率の波長変換が可能となる波長変換装置について説明する。本実施の形態の構成は、光損傷を回避すると共に光吸収を低減して高出力な短波長光源を実現する構成である。しかしながら、光吸収の低減によって波長変換素子を透過する基本波及び高調波のビーム品質の大幅な向上が可能となる。この結果、本発明のレーザ光源を利用する構成において特性を大きく改善できることを以下に示す。
【００９７】
図１３は、本発明の実施の形態２に係る波長変換装置の構成を示す図である。図１３に示す波長変換装置は、赤外光光源１、第１の集光レンズ２、波長変換素子３、ヒーター４、断熱材５、第２の集光レンズ６、分離ミラー７、第３の集光レンズ３１、波長変換素子３２、ペルチエ素子３３、第４の集光レンズ３４及び分離ミラー３５を備える。なお、図１３に示す波長変換装置において、図１に示す波長変換装置と同じ構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００９８】
波長変換素子３２は、ニオブ酸リチウムに添加する物質、添加物のモル濃度、位相整合温度及び素子長の少なくともいずれか一つが波長変換素子３と異なる。
【００９９】
なお、本実施の形態において、波長変換素子３が第１の波長変換素子の一例に相当し、波長変換素子３２が第２の波長変換素子の一例に相当する。
【０１００】
光吸収の低減対策を施していない従来のレーザ光源においては、出力が不安定になる数Ｗの高出力時だけでなく１Ｗ程度の出力レベルにおいても、光吸収による熱レンズ効果が発生していた。このため、１Ｗ以上の出力において、波長変換素子を透過する基本波及び高調波の波面が乱れビーム品質が劣化していた。このため、波長変換素子から出力する基本波及び高調波を高いビーム品質で利用することが困難であった。これに対して、本実施の形態の波長変換装置では、光吸収を大幅に低減できるため、ビーム品質の劣化を抑圧でき、ビームの高い利用効率を実現できる。以下に具体例を示す。
【０１０１】
図１３に示す波長変換装置は、波長変換素子から出力した高調波または基本波の少なくとも何れかを再度、波長変換素子により和周波または高調波に波長変換する構成である。従来の構成では１Ｗ以上の高調波を出力した場合の第一の波長変換素子から出力した高調波及び基本波のビーム品質は大きく劣化しており、第２の波長変換素子により波長変換する場合、理論効率の１／２程度以下に大きく効率が低下していた。これに対して、本実施の形態の構成では第２の波長変換素子により波長変換する場合でも変換効率は理論効率とほぼ一致しており、第一の波長変換素子におけるビーム品質の劣化がほとんど無いことを示している。
【０１０２】
本実施の形態における波長変換装置では、分離ミラー７を透過した透過赤外光１０を再び第３の集光レンズ３１で波長変換素子３２内に集光する。このとき、結晶の分極方向と入射する透過赤外光１０の偏光方向とを一致させる。ただし、二段目の波長変換素子３２は、４．８ｍｏｌ％以上５．２ｍｏｌ％以下のＭｇＯを添加したＬＮからなる擬似位相整合波長変換素子であり、擬似位相整合温度を４０℃程度とする。
【０１０３】
一段目の波長変換素子３に入射する赤外光の出力を１０Ｗとし、波長変換素子３，３２の素子長を共に２５ｍｍとすると、一段目の波長変換素子３より出射する緑色光９の出力は約４Ｗとなり、二段目の波長変換素子３２に入射する透過赤外光１０の出力は約６Ｗとなる。よって、二段目の波長変換素子３２内で生成される緑色光３６は約２Ｗ程度となる。波長変換素子３２は、通常よく用いられる５．０ｍｏｌ％のＭｇＯを添加したＬＮを素子温度３０℃程度で用いることが望ましい。
【０１０４】
これにより、二段目の波長変換素子３２はＳｃ２Ｏ３に比べて安価なＭｇＯやＺｎＯを添加したＬＮを用いることで一段目の波長変換素子３に比べて安価となる。更に、ＭｇＯを添加する場合、添加物のモル濃度を４．８ｍｏｌ％以上５．０ｍｏｌ％未満の範囲内にする場合に比べて、５．０ｍｏｌ％を中心として４．８ｍｏｌ％以上５．２ｍｏｌ％以下程度とモル濃度の許容範囲を大きくすることにより、結晶引き上げの歩留まりが向上し、更に安価な波長変換素子となる。また、波長変換素子３２は、擬似位相整合温度が４０℃程度になるように設計することで、素子加熱のための電力も軽減することができる。
【０１０５】
二段目の波長変換素子３２は、室温に近いため冷却機能のあるペルチエ素子３３を用いた温調が望ましく、出射した緑色光と赤外光とを第４の集光レンズ３４に通し、分離ミラー３５にて緑色光３６を取り出す。本実施の形態の波長変換装置では、１０Ｗの赤外光より、約６Ｗの緑色光が得られる。また、同様にして、三つ以上の波長変換素子を用いた波長変換装置においても、生成する緑色光出力に応じて、波長変換素子の材質及び位相整合温度の設計を変えることで、高出力及び高効率で安価な波長変換装置となる。
【０１０６】
また、波長変換素子３２に比べて波長変換素子３の素子長を短くすることにより、一段目の波長変換素子３から生成する緑色光９の出力と二段目の波長変換素子３２から生成する緑色光３６の出力とを同程度とすることが可能となり、波長変換装置をディスプレイ用の光源として用いた場合において、より簡単な構成で面内の光均一性を確保することができる。
【０１０７】
なお、本実施の形態では、波長変換素子３２に赤外光のみが入射されるが、本発明は特にこれに限定されず、波長変換素子３は、基本波である赤外光と、基本波から変換された高調波である緑色光とを共に波長変換素子３２に出射してもよく、波長変換素子３２は、基本波と高調波との和周波を発生させてもよい。この場合、波長変換装置は、図１３の波長変換装置から分離ミラー７を取り除いた構成となる。
【０１０８】
本波長変換装置では紫外光による緑色光吸収を軽減しているが、結晶内の紫外光及び緑色光の光強度が低いことが望ましい。波長変換素子３の光出射面１２は、少なくとも基本波である赤外光と、第２高調波である緑色光と、第３高調波である紫外光との反射を防止する反射防止コートを施していることが望ましい。これにより、赤外光及び緑色光の光出射面１２における透過ロスを軽減すると共に、波長変換素子３内における紫外光及び緑色光の光強度を軽減することが可能となる。
【０１０９】
また、本波長変換装置では、波長変換素子３，３２の光入射面１１，３８は、少なくとも基本波である赤外光の反射を防止する反射防止コートを施していることが望ましい。これにより、光入射面１１，３８における基本波の透過ロスを軽減し、より高効率の波長変換が可能となる。
【０１１０】
更に、波長変換素子３２の光出射面３９は、少なくとも第２高調波である緑色光と、第３高調波である紫外光との反射を防止する反射防止コートを施していることが望ましい。これにより、緑色光の光出射面３９における透過ロスを軽減すると共に、波長変換素子３２内における紫外光及び緑色光の光強度を軽減することが可能となる。
【０１１１】
なお、本実施の形態の波長変換装置では、複数の波長変換素子により、高調波または基本波を繰り返し波長変換しているが、その他、波長変換装置が光を導くファイバを備え、波長変換素子から出力した基本波または高調波をファイバに入力してもよい。本実施の形態における波長変換素子から出射される光は、出力ビームの品質劣化が少ないため、ファイバレーザとの高効率結合を達成することができる。
【０１１２】
（実施の形態３）
実施の形態１の波長変換装置では、波長変換素子３により、基本波を高調波に波長変換しているが、内部共振器型の波長変換装置として利用する場合にも有効である。実施の形態３では、実施の形態１に示す波長変換素子を用いた共振器型波長変換装置について説明する。
【０１１３】
図１４は、本発明の実施の形態３に係る波長変換装置の構成を示す図である。図１４に示す波長変換装置は、半導体レーザチップ４１、固体レーザ４２、波長変換素子４３、ヒーター４４及び凹面ミラー４５を備える。
【０１１４】
半導体レーザチップ４１は、８０８ｎｍの波長を有するレーザ光４９を生成し、生成したレーザ光４９を固体レーザ４２へ出射する。固体レーザ４２は、Ｎｄ：ＹＶＯ４などからなり、レーザ光４９により励起され、１０６４ｎｍの波長を有するレーザ光５０を発生させる。
【０１１５】
固体レーザ４２の入射面４６と凹面ミラー４５の内側の面４８とには、１０６４ｎｍのＨＲコートが施され、レーザ光を共振させる。更に、凹面ミラー４５と固体レーザ４２との間に、波長変換素子４３が設置されており、波長変換素子４３は５３２ｎｍの波長を有するレーザ光５１を出射する。このとき、固体レーザ４２の出射面４７と、波長変換素子４３の光入射面５２及び光出射面５３とには１０６４ｎｍのＡＲコートが施されており、固体レーザ４２の出射面４７には５３２ｎｍのＨＲコートが施されおり、固体レーザ４２の入射面４６には８０８ｎｍのＡＲコートが施されている。また、凹面ミラー４５の両端面には５３２ｎｍに対するＡＲコートが施されている。
【０１１６】
波長変換素子４３は、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくとも何れかを含むＬＮ又はＬＴの何れかの非線形光学結晶からなる。非線形光学結晶は、周期状の分極反転構造を含む。ヒーター４４は、波長変換素子４３を４０℃以上に加熱する。
【０１１７】
従来の内部共振器型の波長変換装置においては、波長変換素子を透過する基本波及び高調波のビーム品質の劣化により共振器内部の光損失が増大し、変換効率が低下していた。これに対し、本実施の形態３の構成を用いれば、非線形光学結晶の光吸収を大幅に低減することが可能となる。この結果、共振器内部でのビーム品質劣化を抑圧することが可能となり、高出力時においても高効率な変換特性を実現することができる。
【０１１８】
なお、本実施の形態において、半導体レーザチップ４１がポンプレーザの一例に相当し、固体レーザ４２がレーザ媒質の一例に相当し、凹面ミラー４５及び固体レーザ４２の入射面４６が一対の共振器ミラーの一例に相当する。
【０１１９】
本実施の形態３の波長変換装置では、波長変換素子４３の素子長を３ｍｍ以下と短くした場合にも、高い変換効率を得ることができる。この場合、±４℃以上の広い温度許容幅を確保することが可能となるため、装置内温度の変化が激しく厳しい温度制御が必要とされる画像表示装置内部において、波長変換装置を利用する場合に特に望ましい構成となる。
【０１２０】
また、素子長を１ｍｍ以下とした場合、±１２℃以上の広い温度許容幅を得ることが可能となり、さらに望ましい。また、本実施の形態３の波長変換装置は光源サイズの小型化が可能であり、携帯型の画像表示装置に好適である。
【０１２１】
なお、本実施の形態３では、波長変換素子４３内における１０６４ｎｍの赤外光の光強度が高く、ＵＶＩＧＡ率の低減がより重要となる。本実施の形態３の波長変換装置を用いて、画像表示装置に必要とされる０．５Ｗ以上の緑色光出力を得るためには、ＵＶＩＧＡ率を７％以下にする必要がある。ＵＶＩＧＡ率が７％以上である場合、波長変換素子４３内の発熱による熱暴走が発生するため温度制御が困難となる。ＵＶＩＧＡ率が５％以下である場合、１Ｗ以上の緑色光の生成が可能となるため、より望ましい。
【０１２２】
（実施の形態４）
実施の形態４では、図１の波長変換装置より得られた緑色光を用いた走査型の画像表示装置を示す。図１５は、本発明の実施の形態４に係る画像表示装置の構成を示す図である。図１５に示す画像表示装置は、赤色レーザ光源６１、青色レーザ光源６２、緑色レーザ光源６３、ダイクロイックミラー６４，６５及び二次元走査ミラー６６を備える。
【０１２３】
図１５に示すように、赤色レーザ光源６１、青色レーザ光源６２及び緑色レーザ光源６３を光源としている。ここで、緑色レーザ光源６３には図１に示すレーザ波長変換装置を用いた。赤、青及び緑のレーザ光は、ダイクロイックミラー６４，６５によって合成される。二次元走査ミラー６６は、スクリーン６７上にレーザ光を走査し、画像を表示する。
【０１２４】
画像表示装置には、正確なレーザ光の位置と、小さいビーム径が必須である。本実施の形態では紫外光による緑色光吸収を軽減し、これによって従来発生していた熱レンズ効果の発生を防ぐことができる。このため、ビーム径が安定し、上述のように小さいビーム径を必要とする画像表示装置にも適している。更に、医療用などの用途に使用し、出射光をファイバに入射する場合、出射緑色光の熱レンズによるビーム劣化を軽減することができることから、ファイバに入射する効率を高めることも可能となる。
【０１２５】
また、画像表示装置には１〜２秒程度の早い立ち上がりが求められる。つまり、波長変換装置を用いた緑色レーザ光源６３において、素子温度を１〜２秒程度で最適温度（位相整合温度）に加熱し、安定させる必要がある。そのため、図１６に示すように波長変換素子７１を細く加工し、ヒーター７３とビームパスとの距離をできる限り近づけることが望ましい。例えば、ヒーター７３の加熱電力を４Ｗとすると、長さ２５ｍｍの波長変換素子の場合、ビームパスに対して垂直な断面積を２ｍｍ２以下とすることで、２０℃から８０℃まで加熱する場合の立ち上がり時間は２秒程度となる。さらに、断面積を１ｍｍ２以下とすることで１秒程度の立ち上がり速度が可能となる。
【０１２６】
また、本実施の形態では、立ち上がり時に波長変換素子の急激な温度上昇が必要となる。我々の独自の調査により、分極反転構造を形成した非線形光学結晶は、温度変化の影響により結晶内の赤外光及び緑色光の線形吸収率が増加することがわかっており、下記のような、対策を施すことが望ましい。
【０１２７】
すなわち、図１６に示すとおり、波長変換素子７１の光入射面及び光出射面を除く波長変換素子７１の側面を絶縁性物質７２で覆うことが望ましく、少なくとも、分極方向と成す角が９０°±１０となる面（＋Ｚ面及び−Ｚ面を含む）を絶縁性物質７２で覆うことが望ましい。これによって、温度変化があっても波長変換素子７１内における光吸収率の増加を抑制することが可能となる。
【０１２８】
また、絶縁性物質７２の電気抵抗率は１×１０８Ω・ｃｍ以上であることが望ましい。これによって、頻繁に波長変換素子７１の温度を変化させるディスプレイ用途に使用する場合にも、光吸収率の増加を抑制することが可能となる。
【０１２９】
また、スパッタ成膜で堆積した薄膜は成膜中に不純物が混入しているため、ＤＣ電界が印加されると膜内を電荷が移動するＤＣドリフトが発生し、光吸収抑制効果が十分でない。このため、絶縁性物質７２においてＤＣドリフトが発生しないことが好ましい。絶縁層の形成はスパッタ成膜ではなく、ＤＣドリフトが発生しないＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などでの絶縁層の形成が望ましい。また、絶縁層の形成は、より作製が容易な絶縁シートの貼り付けであってもよい。
【０１３０】
また、例えば、ディスプレイ用として、波長変換素子７１を備えた可視光光源を用いる場合、波長変換素子７１の温度変化を軽減することが更に望ましい。使用中の波長変換素子の温度が５０℃の場合は、待機中であっても５０℃とすることが望ましく、この場合、待機中の電力を軽減するために、波長変換素子７１、絶縁性物質７２及びヒーター７３をまとめて断熱材７４で覆うことが望ましい。
【０１３１】
また、使用時間より待機時間の方が長い場合、使用中の波長変換素子７１の温度を常温に近づけることが望ましい。つまり、室温が平均２５℃付近の室内で使用される装置であれば、待機中の温度は２５℃に調節し、使用中に装置内が５０℃となる装置であっても２５℃に冷却して使用する。これにより、使用中の消費電力は増加するが、待機中の消費電力を削減することが可能となる。
【０１３２】
この場合、ヒーター７３は、待機中の波長変換素子７１の温度を、室内温度に近い、１０℃以上３０℃以下の範囲で一定に保つことが望ましい。これにより、待機中の消費電力を削減することが可能となる。
【０１３３】
また、ディスプレイ用として用いる場合、待機中と使用中との温度差を５０℃以下とすることが望ましい。これにより、１０００回以上のＯＮ／ＯＦＦに耐えることが可能と考えられる。更に、待機中と使用中との温度差を３０℃以下とすることが望ましい。これにより、１００００回以上のＯＮ／ＯＦＦに耐えることが可能と考えられる。
【０１３４】
なお、波長変換装置は、スクリーンに画像を投影する画像表示装置に使用されるほか、スクリーンの背後から画像を投影する画像表示装置（リアプロジェクションディスプレイ）や、一般的な液晶表示素子のバックライト等に使用することも可能である。これらの画像表示装置においても同様に色再現性を向上することが可能となる。
【０１３５】
本実施の形態の波長変換素子７１は、緑色光を生成する場合に発生する熱レンズによる、ビーム劣化を軽減しており、走査型のレーザプロジェクタに必要となる高品質なレーザを生成することが可能となる。また、本実施の形態の波長変換素子７１では、光吸収による出力の不安定を軽減しており、ディスプレイ用に求められる出力が安定した光を生成することが可能となる。
【０１３６】
更に、本実施の形態の波長変換素子７１は、光吸収による結晶破壊を軽減することが可能であり、結晶に最も大きな負荷がかかる立ち上がり時に発生する結晶破壊を抑制することが可能となり、ＯＮ／ＯＦＦの切り換え頻度が高いディスプレイ用に適した波長変換素子と言える。
【０１３７】
２次元画像表示として使用する緑色光の波長範囲としては、４８８ｎｍ〜５５０ｎｍが望ましく、より望ましくは、５００ｎｍ〜５４０ｎｍの範囲内であることが適当である。また、リアプロジェクションディスプレイの光源として用いる場合や液晶表示素子のバックライトとして用いる場合、視野角を大きくするためには、光源出力を大きくする必要がある。この場合、それぞれ２．５Ｗ以上望ましくは３Ｗ以上の赤、青及び緑のレーザ光源が必要となる。
【０１３８】
また、波長変換素子は、周期１０μｍ以下の周期的分極反転構造を形成することが望ましい。これにより、レーザ光源を用いたディスプレイに必要となる可視光を効率よく得ることが可能となる。
【０１３９】
（実施の形態５）
図１７は、実施の形態１〜３で示した波長変換装置を含むバックライト照明装置を適用した実施の形態５に係る画像表示装置の構成を示す図である。図１７は、このような画像表示装置の一例として液晶表示装置８０の模式的な構成図を示している。
【０１４０】
図１７に示す液晶表示装置８０は、液晶表示パネル８６と、液晶表示パネル８６を背面側から照明するバックライト照明装置８１とを備えて構成されている。そして、バックライト照明装置８１は、複数のレーザ光源８２を含んで構成され、複数のレーザ光源８２は少なくとも赤色、緑色及び青色をそれぞれ出射する光源を備える。すなわち、複数のレーザ光源８２は、赤色のレーザ光を出射する赤色レーザ光源８２ａ、緑色のレーザ光を出射する緑色レーザ光源８２ｂ及び青色のレーザ光を出射する青色レーザ光源８２ｃで構成される。
【０１４１】
赤色レーザ光源８２ａには波長６４０ｎｍの赤色光を出射するＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ装置が用いられ、青色レーザ光源８２ｃには波長４５０ｎｍの青色光を出射するＧａＮ系材料からなる半導体レーザ装置が用いられる。また、緑色レーザ光源８２ｂは、赤外光を緑色光に変換する波長変換装置８２２を含み、波長５３０ｎｍの緑色光を出射する。なお、波長変換装置８２２は、上記の実施の形態１〜３で示した波長変換装置を用いて構成される。
【０１４２】
次に、本実施の形態５の液晶表示装置８０の構成についてさらに説明する。液晶表示パネル８６は、バックライト照明装置８１から出射される赤色光、緑色光及び青色光の各レーザ光を利用して画像表示を行う偏光板８７と、液晶板８８とで構成される。図１６に示す本実施の形態５のバックライト照明装置８１は、複数のレーザ光源８２と、複数のレーザ光源８２からの赤色光、緑色光及び青色光のレーザ光をまとめて導光部８４を介して導光板８５に導く光ファイバ８３と、導光部８４から導入した赤色光、緑色光及び青色光で均一に満たされた主面（図示せず）からレーザ光を出射する導光板８５とから構成されている。
【０１４３】
このように、本実施の形態５の液晶表示装置８０において、バックライト照明装置８１のレーザ光源部に本発明の実施の形態１〜３で示した波長変換装置を用いることにより、光損傷を抑圧することができるとともに、紫外光による可視光の吸収を低減することができる。
【０１４４】
（実施の形態６）
上記の実施の形態１〜３の波長変換素子は、レーザ光を照射することで対象物を加工する加工装置に用いられることでより大きな効果を発揮する。図１８は、本発明の実施の形態６に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。図１８に示すレーザ加工装置９０は、レーザ光源９１、集光レンズ９２、光ファイバ９３及び加工ヘッド９４を備える。
【０１４５】
レーザ光源９１は、上記の実施の形態１〜３で示した波長変換装置を用いて構成される。集光レンズ９２は、レーザ光源９１から出射したレーザ光をフレキシブルな光ファイバ９３の入射面に集光する。光ファイバ９３は、コア径の大きなマルチモード光ファイバであり、レーザ光を加工対象９５の近傍に伝搬する。なお、光ファイバ９３のコア径は、レーザ光源９１から出力されるレーザ光のビーム品質に合わせて設定する。加工ヘッド９４は、複数の光学レンズを有し、レーザ光を加工対象９５の上に小さな円形スポットとして集光する。
【０１４６】
このように、本実施の形態６のレーザ加工装置９０において、レーザ光源に本発明の実施の形態１〜３で示した波長変換装置を用いることにより、光損傷を抑圧することができるとともに、紫外光による可視光の吸収を低減することができる。
【０１４７】
加工用途では、パルス発振のデューティ比が２％以下であり、ピーク光強度が１ｋＷを超える高ピーク強度の赤外光が入射される。そのため、発生する緑色光の光強度も高く、紫外光の発生量が増大するので、紫外光による緑色光吸収も特に大きくなる。このため、波長変換時に発生する熱レンズ効果と、熱レンズ効果に伴うビーム劣化とは、連続波発振の場合より大きくなる。
【０１４８】
また、加工用途に用いられるようなパルス幅が１００ｎｓ以下の狭パルスレーザを波長変換する場合、発生する熱レンズ効果のレンズパワーがパルス立ち上りから立ち下りにかけて徐々に増大する。これは、パルスレーザの前半から後半にかけて、集光位置が徐々に変化すること意味する。
【０１４９】
加工用途では、加工対象面上において、ビームを小さく集光することが求められるため、パルスレーザの前半と後半で集光位置が変わることが、加工性能上致命的な問題となる。本実施の形態では、光強度の増大に伴って吸収量が増大する、紫外光による緑色光吸収を抑制するため、加工用途に用いられることにより、加工性能の高いレーザ光源を実現することが可能となる。
【０１５０】
なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。
【０１５１】
本発明の一局面に係る波長変換装置は、２０００ｎｍ以下の波長を有する基本波を出射する基本波光源と、周期状の分極反転構造を有する非線形光学結晶からなり、前記基本波光源から出射される基本波を高調波に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子を加熱する加熱部とを備え、前記分極反転構造の周期は、基本波と高調波とが擬似位相整合する温度が４０℃以上になるように設計されており、前記加熱部は、前記擬似位相整合が成立する温度に前記波長変換素子を加熱し、前記非線形光学結晶は、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくともいずれかの添加物を有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムを主成分とする。
【０１５２】
この構成によれば、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくともいずれかの添加物を有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムを主成分とする非線形光学結晶において、周期状の分極反転構造が形成され、非線形光学結晶を４０℃以上に加熱した状態で波長変換されるので、光損傷を抑圧することができるとともに、紫外光による可視光の吸収を低減することができる。
【０１５３】
また、上記の波長変換装置において、前記非線形光学結晶は、５．０ｍｏｌ％以上のモル濃度のＭｇＯを添加しているニオブ酸リチウムであり、前記加熱部は、前記非線形光学結晶を８０℃以上に加熱することが好ましい。
【０１５４】
この構成によれば、５．０ｍｏｌ％以上のモル濃度のＭｇＯを添加しているニオブ酸リチウムに対して８０℃以上の高温で位相整合条件を成立させて波長変換することで、紫外光による可視光の吸収を低減することができ、高出力な短波長光を安定して出力することができる。
【０１５５】
また、上記の波長変換装置において、前記非線形光学結晶は、４．８ｍｏｌ％以上５．０ｍｏｌ％未満のモル濃度のＭｇＯを添加しているニオブ酸リチウムであることが好ましい。
【０１５６】
この構成によれば、Ｍｇの添加量を僅かに低下させ、４．８ｍｏｌ％以上５．０ｍｏｌ％未満のモル濃度のＭｇＯを添加することで、光吸収を低減する結晶温度が急激に低下し、４０℃程度から耐性が向上することが明らかになった。４．８ｍｏｌ％未満になると光損傷により出力が不安定になるので、高出力で安定して利用するためには、４．８ｍｏｌ％以上５．０ｍｏｌ％未満のＭｇＯを添加し、４０℃以上の温度で位相整合条件を成立させることにより、高出力の短波長光を安定して出力することができる。
【０１５７】
また、上記の波長変換装置において、前記非線形光学結晶は、１．２ｍｏｌ％以上のモル濃度のＳｃ２Ｏ３を添加しているニオブ酸リチウムであることが好ましい。
【０１５８】
この構成によれば、１．２ｍｏｌ％以上のモル濃度のＳｃ２Ｏ３を添加したニオブ酸リチウムにおいて、４０℃以上の温度で位相整合条件を成立させることにより、光損傷の抑圧と光吸収の低減とを同時に実現することができる。また、Ｍｇを添加する場合に比べて、添加量の広い範囲で高出力特性が維持できるので、添加量の制御が容易になり、結晶の製造コストを低減できる。また、Ｓｃを添加した結晶は、低温でも高出力耐性にすぐれるため８０℃以下で使用できる。８０℃以下で位相整合条件を成立させると、１００℃以上で位相整合条件を成立させる場合に比べて、屈折率分散の温度依存性によって位相整合条件が成立する温度許容度を１０％程度拡大できる。このため、温度変動に対してもより安定した特性が実現できる。
【０１５９】
また、上記の波長変換装置において、前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウムを主成分とし、Ｓｃとともに、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかの添加物をさらに有し、前記添加物のモル濃度の合計は、５．０ｍｏｌ％未満であることが好ましい。
【０１６０】
この構成によれば、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムにおいてＳｃ、Ｍｇ、Ｚｎ又はＩｎを添加する場合に、光損傷の抑圧に必要な添加物のモル濃度の境界と光吸収を生じる添加物のモル濃度の境界とが、５．０ｍｏｌ％程度の領域に存在することが実験より推測された。
【０１６１】
即ち、光損傷の耐性向上に必要な添加物の量は５．０ｍｏｌ％近傍より多くする必要があり、光吸収の低減を低温で実現するためには添加物の量を５．０ｍｏｌ％程度より少なくする必要がある。Ｍｇの場合、両条件を満足する領域が４．８〜５．０ｍｏｌ％の間に存在した。一方、Ｓｃは３価のイオンであり、他の添加物の約半分の量で光損傷の低減が可能となる。そのため、Ｓｃの場合、光損傷の抑圧と光吸収の低減とを満足する領域は２．４〜５．０ｍｏｌ％の間に存在する。このため、Ｓｃと、Ｍｇ、Ｚｎ及びＩｎの少なくともいずれかの添加物とを混合することで、光損傷を低減する添加物のモル濃度の合計を５．０ｍｏｌ％以下にすることが可能となり、光吸収の低減を容易に実現することができる。
【０１６２】
また、Ｓｃは高価なため、他の添加物と混合して用いることで結晶コストを低減することができる。また、Ｍｇ等の添加物に僅かにＳｃを混ぜることでＭｇのモル濃度を低減できるため、結晶に含まれる添加物の量を低減でき、結晶性の向上を図ることができる。
【０１６３】
また、上記の波長変換装置において、前記波長変換素子は、ニオブ酸リチウムからなる第１の波長変換素子と、ニオブ酸リチウムに添加する物質、添加物のモル濃度、位相整合温度及び素子長の少なくともいずれか一つが前記第１の波長変換素子と異なる第２の波長変換素子とを含むことが好ましい。
【０１６４】
この構成によれば、ニオブ酸リチウムからなる第１の波長変換素子から出射した基本波が、ニオブ酸リチウムに添加する物質、添加物のモル濃度、位相整合温度及び素子長の少なくともいずれか一つが第１の波長変換素子と異なる第２の波長変換素子に入射する。そして、第１の波長変換素子によって変換された高調波と、第２の波長変換素子によって変換された高調波とが出力される。
【０１６５】
したがって、第２の波長変換素子により波長変換する場合でも変換効率を理論効率とほぼ一致させることができ、ビーム品質の劣化を抑え、高出力の短波長光を安定して出力することができる。
【０１６６】
また、上記の波長変換装置において、前記波長変換素子は、ニオブ酸リチウムからなる第１の波長変換素子と、前記第１の波長変換素子とは異なる第２の波長変換素子とを少なくとも含み、前記第１の波長変換素子は、前記基本波と、前記基本波から変換された高調波とを共に前記第２の波長変換素子に出射し、前記第２の波長変換素子は、前記基本波と前記高調波との和周波を発生することが好ましい。
【０１６７】
この構成によれば、第１の波長変換素子を透過した基本波と、第１の波長変換素子によって変換された高調波とが共に第２の波長変換素子に入射する。そして、第２の波長変換素子によって、基本波と高調波との和周波が発生する。したがって、第１の波長変換素子から入射した基本波と高調波との和周波を生成することができる。
【０１６８】
また、上記の波長変換装置において、前記波長変換素子内の基本波が通過する部分において分極反転部が素子全体に占める割合が４５％以上５５％以下となることが好ましい。
【０１６９】
この構成によれば、波長変換素子内の基本波が通過する部分において、分極反転部が素子全体に占める割合が４５％以上５５％以下となるように、波長変換素子を設計することにより、基本波と高調波との和周波の発生を抑えることができる。
【０１７０】
また、上記の波長変換装置において、前記波長変換素子の断面積は２ｍｍ２以下であることが好ましい。この構成によれば、波長変換素子の断面積を２ｍｍ２以下に設計することにより、立ち上がり時において波長変換素子の温度を急激に上昇させることができる。
【０１７１】
また、上記の波長変換装置において、前記波長変換素子の少なくとも＋Ｚ面と−Ｚ面とに接触している絶縁性物質をさらに備えることが好ましい。この構成によれば、絶縁性物質が波長変換素子の少なくとも＋Ｚ面と−Ｚ面とに接触しているので、温度変化があっても波長変換素子内における光吸収率の増加を抑制することができる。
【０１７２】
また、上記の波長変換装置において、前記絶縁性物質の電気抵抗率は、１×１０８Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。この構成によれば、絶縁性物質の電気抵抗率を１×１０８Ω・ｃｍ以上とすることで、頻繁に波長変換素子の温度を変化させるディスプレイ用途に波長変換装置が使用される場合にも、光吸収率の増加を抑制することができる。
【０１７３】
また、上記の波長変換装置において、前記絶縁性物質においてＤＣドリフトが発生しないことが好ましい。この構成によれば、絶縁性物質においてＤＣドリフトが発生しないので、光吸収率の増加を抑制することができる。
【０１７４】
また、上記の波長変換装置において、前記絶縁性物質は、ＣＶＤ法により形成された絶縁層であることが好ましい。この構成によれば、ＣＶＤ法により形成された絶縁層で絶縁性物質を構成することにより、ＤＣドリフトの発生を抑えることができる。
【０１７５】
また、上記の波長変換装置において、前記加熱部は、待機時における前記波長変換素子の温度を１０℃以上３０℃以下の範囲で一定に保つことが好ましい。この構成によれば、待機時における波長変換素子の温度が、室内温度に近い１０℃以上３０℃以下の範囲で一定に保たれるので、待機中の消費電力を抑えることができる。
【０１７６】
また、上記の波長変換装置において、前記波長変換素子と前記加熱部との周辺部を覆う断熱材と、前記高調波の出力を計測する計測部と、前記計測部によって計測される前記高調波の出力が一定となるように、前記基本波光源に入力する電流量を制御する制御部とをさらに備えることが好ましい。
【０１７７】
この構成によれば、波長変換素子と加熱部との周辺部が断熱材により覆われるので、波長変換素子を加熱する際の消費電力を抑えることができる。また、計測部によって、高調波の出力が計測され、制御部によって、計測される高調波の出力が一定となるように、基本波光源に入力する電流量が制御される。したがって、高調波の出力を安定させることができる。
【０１７８】
また、上記の波長変換装置において、前記基本波光源は、８００ｎｍから１２００ｎｍの波長を有する基本波を出射し、前記波長変換素子は、前記基本波を第２高調波に変換し、前記波長変換素子の光入射面に設けられた、前記基本波の反射を防止する第１の反射防止膜と、前記波長変換素子の光出射面に設けられた、第２高調波と第３高調波との反射を防止する第２の反射防止膜とをさらに備えることが好ましい。
【０１７９】
この構成によれば、基本波光源によって、８００ｎｍから１２００ｎｍの波長を有する基本波が出射され、波長変換素子によって、基本波が第２高調波に変換される。そして、波長変換素子の光入射面に設けられた第１の反射防止膜によって、基本波の反射が防止され、波長変換素子の光出射面に設けられた第２の反射防止膜によって、第２高調波と第３高調波との反射が防止される。
【０１８０】
また、上記の波長変換装置において、前記基本波光源は、波長４００ｎｍから８００ｎｍの波長を有する基本波を出射し、前記波長変換素子は、前記基本波を第２高調波に変換し、前記波長変換素子の光入射面に設けられた、前記基本波の反射を防止する第１の反射防止膜と、前記波長変換素子の光出射面に設けられた、前記基本波と前記第２高調波との反射を防止する第２の反射防止膜とをさらに備えることが好ましい。
【０１８１】
この構成によれば、基本波光源によって、４００ｎｍから８００ｎｍの波長を有する基本波が出射され、波長変換素子によって、基本波が第２高調波に変換される。そして、波長変換素子の光入射面に設けられた第１の反射防止膜によって、基本波の反射が防止され、波長変換素子の光出射面に設けられた第２の反射防止膜によって、基本波と第２高調波との反射が防止される。
【０１８２】
したがって、波長変換素子の光入射面における基本波の透過ロスを軽減し、より高効率の波長変換が可能となる。また、波長変換素子の光出射面における第２高調波の透過ロスを軽減すると共に、素子内における基本波及び第２高調波の光強度を軽減することが可能となる。
【０１８３】
したがって、波長変換素子の光入射面における基本波の透過ロスを軽減し、より高効率の波長変換が可能となる。また、波長変換素子の光出射面における第２高調波の透過ロスを軽減すると共に、素子内における第２高調波及び第３高調波の光強度を軽減することが可能となる。
【０１８４】
また、上記の波長変換装置において、前記基本波光源は、ポンプレーザと、レーザ媒質とを含み、一対の共振器ミラーをさらに備え、前記レーザ媒質と前記波長変換素子とは、前記一対の共振器ミラー内部に設置され、前記レーザ媒質は、前記ポンプレーザによって励起されて前記基本波を発生し、前記基本波は、前記一対の共振器ミラー内部で前記波長変換素子により波長変換されることが好ましい。
【０１８５】
この構成によれば、一対の共振器ミラーによりレーザ光が共振されるので、基本波から高調波への変換効率を向上させることができ、波長変換素子の長さを短くすることができ、装置の小型化を実現することができる。
【０１８６】
また、上記の波長変換装置において、前記波長変換素子内における光強度は、３６０Ｗ／ｍｍ２を超えることが好ましい。この構成によれば、波長変換素子内における光強度を３６０Ｗ／ｍｍ２より大きくすることで、基本波から高調波への変換効率を向上させることができる。
【０１８７】
また、上記の波長変換装置において、前記基本波光源は、パルス発振した基本波を前記波長変換素子へ出射することが好ましい。この構成によれば、パルス発振した基本波が波長変換素子へ出射されるので、素子内の光強度を高めることができ、基本波から高調波への変換効率を向上させることができる。
【０１８８】
また、上記の波長変換装置において、前記基本波光源よりパルス発振する基本波のデューティ比は、５０％以下であることが好ましい。この構成によれば、パルス発振する基本波のデューティ比を５０％以下とすることにより、基本波から高調波への変換効率を向上させることができる。
【０１８９】
また、上記の波長変換装置において、前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウムを主成分とし、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれか２種類の添加物を有し、前記添加物のモル濃度の合計は、５．０ｍｏｌ％未満であり、前記加熱部は、前記非線形光学結晶を８０℃以下に加熱することが好ましい。
【０１９０】
この構成によれば、ニオブ酸リチウムを主成分とする非線形光学結晶は、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれか２種類の添加物を有している。そして、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれか２種類の添加物のモル濃度の合計が５．０ｍｏｌ％未満となるように非線形光学結晶が設計され、この非線形光学結晶が８０℃以下に加熱される。この場合、光損傷を抑圧するとともに、光吸収を低減することができる。
【０１９１】
また、上記の波長変換装置において、前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウムを主成分とし、Ｓｃとともに、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかの添加物をさらに有し、前記Ｓｃのモル濃度の二倍と、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかのモル濃度との合計は、４．８ｍｏｌ％以上であり、前記加熱部は、前記非線形光学結晶を８０℃以下に加熱することが好ましい。
【０１９２】
この構成によれば、ニオブ酸リチウムを主成分とする非線形光学結晶は、Ｓｃとともに、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかの添加物をさらに有している。そして、Ｓｃのモル濃度の二倍と、Ｍｇ、Ｉｎ及びＺｎの少なくともいずれかのモル濃度との合計が４．８ｍｏｌ％以上となるように非線形光学結晶が設計され、この非線形光学結晶が８０℃以下に加熱される。この場合、光損傷を抑圧するとともに、光吸収を低減することができる。
【０１９３】
また、上記の波長変換装置において、ニオブ酸リチウム結晶の［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率が０．４８４〜０．５００であることが好ましい。この構成によれば、［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率が０．４８４〜０．５００のニオブ酸リチウム結晶では、例えば４．５ｍｏｌ％以上のＭｇの添加で光損傷を軽減することが可能となるため、低温での波長変換が可能となる。
【０１９４】
本発明の他の局面に係る画像表示装置は、基本波から高調波に変換する上記に記載の波長変換装置と、スクリーンと、前記波長変換装置によって高調波に変換されたレーザ光を用いて前記スクリーン上に画像を形成する光学系とを備える。
【０１９５】
この構成によれば、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくともいずれかの添加物を有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムを主成分とする非線形光学結晶において、周期状の分極反転構造が形成され、非線形光学結晶を４０℃以上に加熱した状態で波長変換されるので、光損傷を抑圧することができるとともに、紫外光による可視光の吸収を低減することができる画像表示装置を提供することができる。
【０１９６】
本発明の他の局面に係る画像表示装置は、液晶表示パネルと、基本波から高調波に変換し、前記液晶表示パネルを背面側から照明する上記の波長変換装置とを備える。
【０１９７】
この構成によれば、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくともいずれかの添加物を有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムを主成分とする非線形光学結晶において、周期状の分極反転構造が形成され、非線形光学結晶を４０℃以上に加熱した状態で波長変換されるので、光損傷を抑圧することができるとともに、紫外光による可視光の吸収を低減することができる画像表示装置を提供することができる。
【０１９８】
本発明の他の局面に係る加工装置は、基本波から高調波に変換する上記の波長変換装置と、前記波長変換装置から出力されたレーザ光を加工対象に集光するための加工ヘッドとを備える。
【０１９９】
この構成によれば、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＳｃの少なくともいずれかの添加物を有するニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムを主成分とする非線形光学結晶において、周期状の分極反転構造が形成され、非線形光学結晶を４０℃以上に加熱した状態で波長変換されるので、光損傷を抑圧することができるとともに、紫外光による可視光の吸収を低減することができる加工装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２００】
本発明に係る波長変換装置、画像表示装置及び加工装置は、分極反転構造を有する非線形光学結晶から、高出力で高効率な高調波を得ることが可能である。また、第２高調波として緑色光を出力する場合、緑色光源の小型化が可能となり、光源がコンパクトで高出力が必要な、液晶テレビのバックライト、プロジェクションテレビ及びプロジェクタなどに有用である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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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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【国際調査報告】
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2009031278.tif 000040
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