(57)【要約】  赤外光を波長変換素子に入射し、波長変換光である緑色光を得る際、前記波長変換素子中で前記赤外光と前記緑色光との和周波である紫外光が発生することにより前記緑色光の吸収が起こり、その際に発生した熱によって前記波長変換素子を構成する結晶の破壊が起こる。本発明のレーザ波長変換装置では、波長変換素子中に赤外光を集光する位置を、前記発生した熱の影響を無視した場合に最適とされている位置から外す構成を採り入れることにより、前記結晶の破壊の抑制と高効率の波長変換とを可能とし、従来の波長変換素子において得ることが困難である、数Ｗを超える大出力の波長変換光を得ることを達成した。
2008114512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光を波長変換するための波長変換素子とを備え、
前記波長変換素子は、前記レーザ光に対して変換効率が最大となる最適集光条件を有し、
前記レーザ光は、前記最適集光条件よりも変換効率が低下する低下集光条件となるように、前記波長変換素子に入射することを特徴とするレーザ波長変換装置。
【請求項２】
前記レーザ光を集光するための集光部材をさらに備え、
前記集光部材は、前記レーザ光の光軸方向と平行する前記波長変換素子の長さ方向において、前記変換効率が最大となる最適位置と異なる位置に前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項３】
前記波長変換素子の少なくとも一部には、前記レーザ光に位相整合するように形成された分極反転構造が形成され、
前記集光部材は、前記分極反転構造の前記長さ方向の中央位置よりも前記レーザ光源寄りに前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項４】
前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端部からの距離が、前記分極反転構造の前記長さ方向の寸法の４０％以下となる前記分極反転構造の内側位置に前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項５】
前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端部からの距離が、前記分極反転構造の前記長さ方向の寸法の２５％以下となる前記分極反転構造の内側位置に前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項４に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項６】
前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端面近傍に前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項７】
前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端面よりも前記レーザ光源寄りに前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項８】
前記集光部材は、前記最適集光条件を満たすためのＮＡの１．５倍以上のＮＡを有することを特徴とする請求項２〜７の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項９】
前記集光部材は、前記レーザ光を略楕円型の範囲に集光するように構成され、
前記略楕円型の長軸の長さは、短軸の長さの１．１倍以上に設定されていることを特徴とする請求項２〜８の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１０】
前記集光部材は、非点隔差をもって前記レーザ光を集光させることを特徴とする請求項２〜９の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１１】
前記レーザ光源は、ビーム断面内における最大光強度が、同出力の最適集光条件となるガウシアンビームの光強度の０．９倍以下に設定されたレーザ光を出射するように構成されていることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１２】
前記波長変換素子は、バルク型波長変換素子からなることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１３】
前記レーザ光のＭ２は、１．２より大きいことを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１４】
前記波長変換素子を複数個有し、
前記各波長変換素子の少なくとも１つにおいて、前記レーザ光の集光条件が前記低下集光条件に設定されていることを特徴とする請求項１〜１３の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１５】
前記波長変換素子には、前記レーザ光の光路が複数設定され、
前記各光路の少なくとも１つにおいて、前記レーザ光の集光条件が前記低下集光条件に設定されていることを特徴とする請求項１〜１４の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１６】
前記波長変換素子を挟んで配置された２枚の反射鏡をさらに備え、
前記複数の光路は、各反射鏡の間に設定され、
前記反射鏡のうちの少なくとも１枚は、前記レーザ光を集光しつつ反射するように構成されていることを特徴とする請求項１〜１５の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１７】
レーザ光源は、前記レーザ光を放射光として前記波長変換素子に入射することを特徴とする請求項１に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１８】
前記レーザ光源と前記波長変換素子とを直接接合したことを特徴とする請求項１７に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１９】
前記レーザ光の低下集光条件は、前記レーザ光の集光位置よりも先の範囲において、前記レーザ光の光強度が複数個所に分布するように設定されていることを特徴とする請求項１〜１８の何れか1項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２０】
前記レーザ光源と前記波長変換素子との間に設けられているとともに、前記レーザ光の光強度をドーナツ型に分布させるための分布部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１９に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２１】
前記波長変換素子は、前記レーザ光源に向けて円錐型に突出する入射部を有し、
前記入射部は、前記入射部を介して前記波長変換素子に入射する前記レーザ光の光強度をドーナツ型に分布させるとともに、前記レーザ光を前記波長変換素子内で集光させることを特徴とする請求項１９に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２２】
前記レーザ光源を複数個備え、
前記各レーザ光源は、共通の波長を有するレーザ光をそれぞれ出射可能で、かつ、それぞれのレーザ光の光路が互いに前記波長変換素子内で交差するように配置されていることを特徴とする請求項１９に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２３】
前記レーザ光源から出射したレーザ光を複数に分岐する分岐部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１９に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２４】
前記波長変換素子の少なくとも一部には、前記レーザ光を波長変換するための分極反転構造が形成され、
前記レーザ光の低下集光位置は、前記レーザ光の入射側の端面から前記高調波の出射側の端面までの前記波長変換素子の長さ方向において、前記分極反転構造の中央位置よりもレーザ光源寄りに設定されていることを特徴とする請求項１９〜２３の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２５】
前記レーザ光の集光位置付近の範囲と前記集光位置よりも先の範囲とで個別に前記波長変換素子の温度を調整可能な温度調整部材をさらに備えていることを特徴とする請求項２４に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２６】
前記分極反転構造は、前記レーザ光の集光位置付近の範囲よりも前記集光位置の先の範囲の方が分極反転周期が短く設定されていることを特徴とする請求項２４又は２５に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２７】
前記レーザ光源は、前記レーザ光をパルス発振することを特徴とする請求項１〜２６の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２８】
複数のレーザ光源と、
前記複数のレーザ光源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、
前記複数のレーザ光源は、少なくとも赤色の光ビームを出射する赤色レーザ光源、緑色の光ビームを出射する緑色レーザ光源及び青色の光ビームを出射する青色レーザ光源を含み、
前記各レーザ光源のうちの少なくとも緑色レーザ光源は、請求項１〜２７の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置を有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項２９】
液晶表示パネルと、
前記液晶表示パネルを背面側から照明するバックライト照明装置とを備え、
前記バックライト照明装置は、少なくとも赤色の光ビームを出射する赤色レーザ光源、緑色の光ビームを出射する緑色レーザ光源及び青色の光ビームを出射する青色レーザ光源を含み、
前記各レーザ光源のうちの少なくとも緑色レーザ光源は、請求項１〜２７の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置を有することを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形光学単結晶からなる波長変換素子を用いたレーザ波長変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工、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、青色領域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、緑色のレーザ光を半導体から直接発生させることは、依然として困難である。【０００３】
そのため、赤外光等を基本波として波長変換することにより、第２高調波として緑色光を得る方法が一般的に行われている。具体的に、ＹＡＧレーザ等の固体レーザや、Ｙｂ、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非線形光学結晶に入射させ、前記非線形光学結晶による波長変換によって緑色光を得ることが行われている。【０００４】
特に、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムに分極反転技術を用いて擬似位相整合（ＱＰＭ）構造が形成された波長変換素子は、大きな非線形光学定数を有し、高い変換効率で赤外光から緑色光を得ることができるものであることが知られている。更に、波長変換素子に酸化マグネシウムをドープすることにより、非特許文献１、２に示すように、結晶劣化の一つである光による屈折率変化（フォトリフラクティブ）を抑制することができ、常温にて安定な波長変換が可能となった。【０００５】
酸化マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムからなる波長変換素子において、基本波として赤外光を入射し第２高調波として緑色光を発生する場合、素子によっても異なるが２Ｗを超える出力を発生する際、ビームパス後半で結晶破壊が発生し始めることが問題となる。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。【０００６】
また、タンタル酸リチウムからなる波長変換素子においても、同様に、高出力時に発生する結晶破壊が問題となる。【０００７】
ここで、例えば、５Ｗという高出力の高調波を得るために、特許文献１に示すように複数の波長変換素子を用いることや、特許文献２に示すように複数の光路を一つの波長変換素子内に形成することが考えられるが、何れの構成を採用しても、結晶破壊の発生を考慮すると、一本の光路より生成可能な緑色出力が最大２Ｗとなるため、波長変換素子又は光路が三つ必要となる。
【特許文献１】特開平１１−２７１８２３号公報
【特許文献２】特開２００４−１２５９４３号公報
【非特許文献１】AppliedPhysics letters, 44, 9, 847-849 （1984）
【非特許文献２】AppliedPhysics letters, 59, 21, 2657-2659 （1991）
【発明の開示】
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、波長変換素子の結晶破壊を抑制しつつ、高調波を得ることができるレーザ波長変換装置及び画像表示装置を提供することを目的としている。
【０００９】
本発明の一局面に係るレーザ波長変換装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を波長変換するための波長変換素子とを備え、前記波長変換素子は、前記レーザ光に対して変換効率が最大となる最適集光条件を有し、前記レーザ光は、前記最適集光条件よりも変換効率が低下する低下集光条件となるように、前記波長変換素子に入射するものである。
【００１０】
本発明の別の局面に係る画像表示装置は、複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源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、前記複数のレーザ光源は、少なくとも赤色の光ビームを出射する赤色レーザ光源、緑色の光ビームを出射する緑色レーザ光源及び青色の光ビームを出射する青色レーザ光源を含み、前記各レーザ光源のうちの少なくとも緑色レーザ光源は、前記レーザ波長変換装置を有する。
【００１１】
さらに、本発明の別の局面に係る画像表示装置は、液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルを背面側から照明するバックライト照明装置とを備え、前記バックライト照明装置は、少なくとも赤色の光ビームを出射する赤色レーザ光源、緑色の光ビームを出射する緑色レーザ光源及び青色の光ビームを出射する青色レーザ光源を含み、前記各レーザ光源のうちの少なくとも緑色レーザ光源は、前記レーザ波長変換装置を有する。
【００１２】
本発明によれば、波長変換素子の結晶破壊を抑制しつつ、高調波を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一般的なレーザ波長変換装置を示す模式図である。
【図２】波長変換効率とＭ２との関係を示す図である。
【図３】集光位置と波長変換効率との関係を示す図である。
【図４】図１に示す波長変換素子内における赤外光と緑色光の出力変化を示す図である。
【図５】図１に示す波長変換素子内における赤外光の光強度と入射面からの距離との関係を示す図である。
【図６】図１に示す波長変換素子内における緑色光の光強度と入射面からの距離との関係を示す図である。
【図７】図１に示す波長変換素子内における紫外光の光強度と入射面からの距離との関係を示す図である。
【図８】図１に示す波長変換素子内における緑色光の吸収量と入射面からの距離との関係を示す図である。
【図９】本発明の実施形態１に係る波長変換装置を示す模式図である。
【図１０】図９に示す波長変換素子内における赤外光と緑色光の出力変化を示す図である。
【図１１】図９に示す波長変換素子内における赤外光の光強度と入射面からの距離との関係を示す図である。
【図１２】図９に示す波長変換素子内における緑色光の光強度と入射面からの距離との関係を示す図である。
【図１３】図９に示す波長変換素子内における紫外光の光強度と入射面からの距離との関係を示す図である。
【図１４】図９に示す波長変換素子内における緑色光の吸収量と入射面からの距離との関係を示す図である。
【図１５】図９に示す波長変換素子についての赤外光の入力と緑色光の出力との関係を示す図である。
【図１６】集光位置と結晶破壊を引き起こす閾値となる緑色光の出力との関係を示す図である。
【図１７】波長変換素子の温度と緑色光の出力との関係を示す図であり、低出力波長変換時の例である。
【図１８】波長変換素子の温度と緑色光の出力との関係を示す図であり、高出力波長変換時の例である。
【図１９】集光位置と低温側の半値温度幅との関係を示す図である。
【図２０】実施形態１に係る波長変換装置の変形例を示す図である。
【図２１】集光位置におけるビーム半径と発熱量のピーク値の関係を示す図である。
【図２２】素子平均とビームパス部分との温度差と、波長変換素子内の位置との関係を示す図である。
【図２３】本発明の実施形態２に係る波長変換装置の模式図である。
【図２４】本発明の実施形態３に係る波長変換装置の模式図である。
【図２５】本発明の実施形態４に係る波長変換装置の模式図である。
【図２６】図１に示す波長変換装置における赤外光及び緑色光の光強度分布をそれぞれ示す図である。
【図２７】図１に示す波長変換素子内における緑色光の吸収率と紫外光の強度との関係を示す図である。
【図２８】本発明の実施形態５に係る波長変換装置の模式図である。
【図２９】図２８における円錐レンズ間のビーム光路を拡大して示す図である。
【図３０】図２８に示す円錐レンズを通過したビームの光強度分布（Ｒ’＝１．５Ｒ）を示す図である。
【図３１】図２８に示す波長変換素子付近を拡大して示す図である。
【図３２】図２８の波長変換素子を透過した後の赤外光の光強度分布の計測結果を示す図である。
【図３３】図２８に示す波長変換素子より生成した緑色光の光強度分布の計測結果を示す図である。
【図３４】図２８に示す波長変換装置を用いた場合における波長変換効率と素子温度との関係を示す図である。
【図３５】本発明の実施形態６に係る波長変換装置を示す概略図である。
【図３６】本発明の実施形態７に係る波長変換装置を示す概略図である。
【図３７】本発明の実施形態８に係る画像表示装置の模式的な構成の一例を示す図である。
【図３８】本発明の実施形態９に係る画像表示装置の模式的な構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係るレーザ波長変換装置の模式図である。まず、図１を参照して、レーザ波長変換装置における最適集光条件について説明する。【００１６】
レザー波長変換装置は、基本波としてのレーザ光（例えば、赤外光）を出射するレーザ光源１と、このレーザ光源１からのレーザ光２を集光するための集光レンズ３と、集光レンズ３により集光されたレーザ光２を第２高調波（例えば、緑色光）５に変換するための波長変換素子４とを備えている。【００１７】
波長変換素子４内に平面波のレーザ光２を入射させた場合、レーザ光２から第２高調波５に波長変換される効率は、数式１で与えられる。【００１８】
[数式１]
2008114512.tif 000003
【００１９】
ここで、μ０は真空の透磁率、ε０は真空の誘電率、ｄは有効非線形定数、ｎは素子の屈折率、Ｌは素子長、λは基本波の波長、Ｐωは基本波の入射パワー、Ａはビーム断面積、Δｋは基本波の波数と第２高調波の波数との差（ｋ２ω−２ｋω）である。【００２０】
数式１から分かるように、位相整合条件Δｋ＝０が達成されると、前記波長変換素子内におけるレーザ光２のビームを極力長距離にわたり極力小さく絞ることで、高い波長変換効率が得られる。【００２１】
このため、前記波長変換素子４として、小さなビーム径で長距離伝搬が可能となる光導波路型波長変換素子が広く用いられている。しかし、光導波路型波長変換素子では、結晶内での光強度が大きくなりすぎるため、高出力の第２高調波を得るための波長変換には適さない。そこで、高出力の第２高調波を得るためには、波長変換素子としてバルク型波長変換装置が用いられることが多い。【００２２】
そして、前記集光レンズ３により集光されたレーザ光２のビーム径は、集光位置より遠ざかるほど大きくなるため、赤外光の集光位置６の最適位置は、波長変換素子４（又はそれに形成された分極反転構造）の中心部分となる。また、ビーム断面積（ビームウエスト径）を小さくするためにＮＡを大きしすぎると、光の回折により発散角が拡大し、長く絞ることができずに、かえって変換効率の低下を引き起こす。このため、素子の長さに対して、それぞれ最適な集光状態が存在し、ｒ０をビームウエスト径とした場合に、数式２で与えられるConfocal Parameter bがＬ／ｂ＝２．８４となるとき、最適集光条件となる（Applied Physics letters, 39, 8, 3597-3639 （1968）参照）。【００２３】
[数式２]
2008114512.tif 000004
【００２４】
前述の通り、極力長距離にわたり極力細くビームを集光することが望ましい。最適集光条件を満たすためのレーザ光２は、Ｍ２＝１の理想的なガウシアンビームとなる。例えば、レーザ光２を楕円ビームとした場合、その楕円度が大きい（短軸に対する長軸の比が大きい）ほど、変換効率は、低下する。更に、レーザ光２の集光点が非点隔差を有する場合には、前記非点隔差が大きいほど、変換効率は低下する。【００２５】
以下、Ｍ２、又は波長変換素子４内での集光位置に対する変換効率の依存性の例を示す。【００２６】
図１に示した波長変換装置において、波長変換素子４の素子長を２６ｍｍとし、ビームウエスト径を６０μｍ（集光位置は素子の中心）とした場合、Ｍ２に対する変換効率は、図２に示すようになり、Ｍ２＝１のときが最適となる。【００２７】
また、波長変換素子４内に集光位置が存在する場合、波長変換素子４の入射面７からレーザ光２の集光位置までの距離と、波長変換効率との関係は、図３に示すとおりとなる。つまり、集光位置６が波長変換素子４の長さ方向（レーザ光２の光軸方向）の中央位置（入射面から１３ｍｍ）となる場合に、波長変換素子４内の光強度が最も高くなり、波長変換効率が最大となる。【００２８】
以下、波長変換素子４の結晶破壊のメカニズムについて説明する。【００２９】
波長変換素子４としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル産リチウムからなるものが用いられる。このような波長変換素子４は、高調波（例えば、緑色光）を高出力で得ようとすると、破壊することが知られている。波長変換素子4の破壊は、高調波が基本波（レーザ光２）を吸収することによる熱の発生が原因と考えられていた。このため、波長変換素子４の破壊を抑制するには、基本波のパワー密度を低減するために基本波のビームの断面積を大きくするのが有効であると考えられてきた。【００３０】
しかしながら、基本波のビームの断面積を大きくすると、波長変換素子の変換効率が大幅に低下してしまい、高い効率での変換が難しいという問題があった。本件発明者は、高出力の高調波を得る際における熱発生の要因が、基本波の吸収ではなく、基本波と高調波の和周波（例えば、紫外光）により高調波が吸収される現象であることを見いだした。更に、和周波の光強度が高いほど、可視光の吸収率が高まることが実験により確認された。【００３１】
以上の事実に基づいて、図１に示す波長変換装置において、高出力の高調波を得る際に発生する結晶破壊の要因は、以下のように考えられる。以下、図１に示す波長変換装置の構成を利用して、前記ニオブ酸リチウムを用いた波長変換素子（素子長２６ｍｍとする）４に６Ｗの赤外光を入射し、緑色光に波長変換する場合を例に挙げて説明する。【００３２】
赤外光は、波長変換素子４内において徐々に緑色光に変換されるため、波長変換素子４内の緑色光の出力は、図４の８で示すように増加する一方、赤外光の出力は、図４の９で示すように減少する。図１に示す波長変換装置では、赤外光の集光位置が波長変換素子４の中央位置付近に設定されているため、図５に示すように、波長変換素子４の中央位置よりも手前側の位置において赤外光の光強度が最大となり、図６に示すように、波長変換素子４の中央位置よりも先において緑色光の光強度が最大となる。更に、このとき、赤外光の光強度と緑色光の光強度の積に比例して発生する紫外光の光強度は、図７に示すようになる。【００３３】
紫外光の光強度と緑色光の出力とに基づいて、波長変換素子４内における紫外光による緑色光の吸収量は、図８のように分布する。そして、図８において緑色光の吸収量が最大となる波長変換素子４の中心位置より少し後方の部分において、前記波長変換素子４の結晶破壊が発生していると考えられる。また、図８において緑色光の吸収量が最大となる部分は、実験において発生した結晶破壊の位置とほぼ一致する。【００３４】
以上より、本件発明者は、前記波長変換素子４の結晶破壊を起こさず、高出力の波長変換を実現するためには、紫外光の発生を低減すること、又は紫外光の光強度が高まる箇所と緑色光の光強度が高まる箇所をずらすことの２点が重要であることを見出した。これら２点の少なくとも１点を満たすことにより、紫外光と緑色光との重なり合いを軽減して、波長変換素子４の局所的な発熱を抑制することができる。【００３５】
また、実験では、図１の波長変換装置を用いて１Ｗを超える高調波を出力させる際、前記紫外光による緑色光の吸収量が最大となる位置において波長変換素子４が局所的に発熱することにより、局所的に波長変換素子４の屈折率が変化し、ビーム劣化や波長変換効率の低下が発生することが分かった。そして、この波長変換効率の低下に応じて波長変換素子４の発熱量が低下することになるが、この発熱量の低下に応じて再び波長変換効率が回復することになるため、波長変換効率の増減は繰り返し、ビーム劣化も繰り返すことが判明している。したがって、波長変換素子４の局所的な温度上昇を軽減することができれば、ビーム劣化や波長変換効率の周期的な変動も抑制することが可能となる。【００３６】
そこで、前記各条件を満足することにより高い変換効率を実現するための構成として、以下の構成を提案する。【００３７】
（実施形態１）
図９は、本実施形態のレーザ波長変換装置を示す概略図である。【００３８】
図９に示す波長変換装置は、レーザ光源１０と、このレーザ光源１０からの赤外光（コヒーレント光）１１を集光するための集光レンズ１２と、集光レンズ１２により集光された赤外光１１を緑色光１４に変換するための波長変換素子１３とを備えている。【００３９】
前記波長変換装置は、レーザ光源１２より出射した赤外光１１を、集光レンズ１２を用いて集光し、波長変換素子１３に入射する。波長変換素子１３は、入射した基本波（赤外光）の一部を波長変換し、緑色光１４を生成する。【００４０】
ここで、前記波長変換装置は、図１に示すものと異なり、赤外光の集光位置１５が波長変換素子１３の入射面１６付近に設定されている。具体的には、波長変換素子１３からレーザ光源１０までの距離が図１に示したものよりも大きく設定されている。【００４１】
レーザ光源１０は、ビーム径５００μｍに設定された波長１０６４ｎｍを有する赤外光１１を平行光として出射する固体レーザからなる。前記レーザ光源１０から出射する赤外光１１は、直線偏向のガウシアンビームである。【００４２】
集光レンズ１２は、ｆ３０の球面レンズからなる。【００４３】
波長変換素子１３は、ニオブ酸リチウムの分極方向を６．９７μｍ周期で反転させたものであり、擬似位相整合されたものである。また、波長変換素子１３は、レーザ光１２の光軸と平行する方向である長さ方向の寸法が２６ｍｍとされている。さらに、波長変換素子１３は、その分極方向に偏向方向が一致した状態で赤外光１１が入射した場合に、２０度以上５０度以下の温度範囲内で、緑色光１４の変換効率が最大となるように設計されている。【００４４】
前記波長変換装置を用いて８．２Ｗの赤外光１１から緑色光１４に波長変換を行う場合、図１に示す波長変換装置と同様に、波長変換素子１３内において赤外光は、徐々に緑色光に変換される。したがって、波長変換素子１３内の緑色光１４の出力は、図１０の符号１７に示すように増加し、緑色光１４の出力は、波長変換素子１３の出射面付近で２Ｗとなる。また、赤外光１１の出力は、図１０の符号１８に示すように、徐々に減少する。【００４５】
ここで、本実施形態の波長変換装置においては、赤外光１１の集光位置が波長変換素子１３の入射面１６付近に設定されているため、図１１に示すように、赤外光は、波長変換素子１３の入射面１６付近において光強度が最大となる。これに応じて、緑色光１４についても、図１に示す波長変換装置（図６参照）に比べて、波長変換素子１３の入射面１６寄りの位置において光強度が最大となる。このため、赤外光１１の光強度と緑色光１４の光強度との積に比例して発生する紫外光の光強度は、図１３に示すように分布する。つまり、緑色光１４の出力が大きくなって結晶破壊が起こり易い波長変換素子１３の後半（赤外光１１の集光位置の先の範囲）における紫外光の光強度は、図１に示す波長変換装置における紫外光の光強度の２０％以下と大幅に低減できる。【００４６】
その結果、波長変換素子１３内で発生する紫外光による緑色光１４の吸収量は、図１４のように分布する。つまり、ピークの吸収量は、図１に示す波長変換装置のピークの吸収量の２０％程度まで軽減することができる。したがって、本実施形態の波長変換装置によれば、波長変換素子１３の結晶破壊を抑制しつつ、高出力の波長変換を行うことができる。また、波長変換素子１３の発熱を抑制することもできるので、波長変換素子１３の屈折率変化も軽減し、赤外光１１及び緑色光１４のビーム劣化や変換効率の変動も軽減できる。【００４７】
また、前記波長変換装置では、波長変換素子１３の後半における緑色光１４のビーム径を図１の波長変換装置の緑色光５のビーム径の約１．６倍とすることができるため、緑色光１４の光強度を低減することができる。これにより、紫外光による緑色光１４の吸収による熱勾配のピーク値を更に３２％低下することができ、結晶破壊を起こさず波長変換可能な緑色出力を更に大きくすることができる。【００４８】
図１５は、実施の形態１に係る波長変換装置における赤外光の入力と緑色光の出力との関係示すグラフである。図１５に示すように、赤外光を１４．４Ｗ入射した場合に、波長変換素子１３の結晶破壊を起こさず、４．３Ｗの緑色光出力が得られることが、本発明者の実験にて確認されている。【００４９】
図１６は、実施の形態１に係る波長変換装置における波長変換素子の入射面から赤外光の集光位置までの距離と、結晶破壊を引き起こす緑色光の最大出力との関係を示すグラフである。図１６に示すように、赤外光１１の集光位置が波長変換素子１３の中心位置から遠く、かつ、波長変換素子１３の入射面１６に近いほど、結晶破壊を起こす緑色光１４の出力の値は、高くなることが分かる（入射面１６において赤外光１１を集光した場合については、緑色光１４の出力が４．３Ｗとなっても、波長変換素子１３の結晶破壊は発生していない）。また、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の外側、つまり、波長変換素子１３の入射面１６の手前に移すことにより、結晶破壊を起こさずに出力可能な緑色光１４の最大出力を更に増大することができる。【００５０】
ただし、図３に示すように、赤外光１１の集光位置が波長変換素子１３の中心位置に近いほど、波長変換効率は高いため、必要となる緑色光１４の出力にあわせて、赤外光１１の集光位置を最適なものに調整することが望ましい。【００５１】
例えば、波長変換素子１３の入射面１６において赤外光１１を集光した場合、約１０Ｗの赤外光１１から約２．３Ｗの緑色光１４を出力することができる（図９参照）。これに対し、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６から約２ｍｍの波長変換素子１３の内側に設定した場合、約１０Ｗの赤外光１１から約３Ｗの緑色光１４を得ることができる（波長変換効率３０％）ため、赤外光１１の集光位置を入射面１６に設定した場合と比較して波長変換効率を約３０％高くすることができる。しかし、赤外光１１の集光位置をさらに波長変換素子１４の中心位置に近づけた場合には、結晶破壊が発生するため、１０Ｗの赤外光１１の入力時に最も効率よく波長変換を行なえる赤外光１１の集光位置は、波長変換素子１４の入射面１６から約２ｍｍ内側の位置となる。【００５２】
例えば、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６から５ｍｍ内側の位置に設定した場合、最大約２．５Ｗの緑色光１４を出力することができ、このときの波長変換効率は、３６％となる。これに対し、図１に示す波長変換装置では、緑色光５の出力の増加に伴い波長変換素子４の内部に温度分布が発生するため、波長変換効率の低下が発生していた。そのため、図１に示す波長変換装置を用いて２Ｗの緑色光５を出力するためには、実験において約７Ｗの赤外光２の入力を要し、そのときの波長変換効率は、約２９％であった。この比較から、本実施形態に係る波長変換装置のように赤外光１１の集光位置を調整することにより、波長変換効率を向上することができることが分かる。また、赤外光１１の集光位置が波長変換素子１３の入射面１６の内側約１０ｍｍの位置に設定した場合、約７Ｗの赤外光１１を入射することにより、約２．２Ｗの緑色光が得られた。このときの波長変換効率は、３１％となる。【００５３】
また、本実施形態に係る波長変換装置では、波長変換時に発生する波長変換素子１３の発熱を軽減することができ、発熱による波長変換素子１３の屈折率の変化を抑制することができるので、屈折率変化による変換効率の低下を防ぐことが可能となる。つまり、本実施形態に係る波長変換装置の波長変換効率は、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の中心位置の近くにするほど、図３の変換効率よりも低下し、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６に近づけるほど、図３に近い変換効率となる。したがって、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の中心位置付近に設定する場合と、波長変換素子１３の入射面１６側に設定する場合とにおいて、変換効率の逆転が生じる。つまり、高出力の緑色光１４を得る場合には、本実施形態に係る波長変換装置を採用することにより、図１に示す波長変換装置よりも高い変換効率を得ることが可能となる。特に、波長変換素子１３の入射面１６と赤外光１１の集光位置との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の４０％以下となる波長変換素子１３の内側位置に、赤外光１１の集光位置を設定すれば、波長変換素子１３の中央位置で集光する場合と比べて、緑色光１４の最大出力を１０％以上増加することができるとともに、そのときの変換効率も向上することができる。更に、波長変換素子１３の入射面１６と赤外光１１の集光位置との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の２５％以下となる波長変換素子１３の内側位置に、赤外光１１の集光位置を設定すれば、緑色光１４の最大出力を約３０％以上増加させることができる。【００５４】
なお、前記実施形態では、波長変換素子１３の長さ寸法が２６ｍｍの場合について説明したが、長さ寸法にかかわらず、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６側に移動させることにより、同様の効果が得られることは言うまでもない。具体的に、波長変換素子１３の長さ寸法が５ｍｍ以上７０ｍｍ以下の場合、前記実施形態と同様に、赤外光１１の集光位置と波長変換素子１３の入射面１６との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の４０％以下とすることにより、約１０％以上の出力の向上が可能である。また、赤外光１１の集光位置と波長変換素子１３の入射面１６との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の２５％以下とすることにより、約３０％以上の出力の向上が可能となる。波長変換素子１３の長さ寸法が５ｍｍ未満、もしくは、７０ｍｍより長い場合についても、集光位置と同時に集光径も最適化することにより、同様の効果を得ることができる。なお、波長変換のための赤外光１１の光路を確保する観点から、波長変換素子１３の長さ寸法は、１０ｍｍ以上とするのが好ましい。【００５５】
ところで、本実施形態に係る波長変換装置により、高出力の緑色光１４を得る際に、緑色光１４の出力が不安定になるという問題も改善可能であることが分かった。図１７は、低出力の緑色光１４を得る際の波長変換素子１３の温度と緑色光１４の出力との関係を示すグラフである。図１８は、高出力の緑色光１４を得る際の波長変換素子１３の温度と緑色光１４の出力との関係を示すグラフである。【００５６】
図１７に示すように、数ｍＷ程度（図１７では１０ｍＷ程度の例を示す）の低出力の緑色光１４を得るための波長変換を行う場合、緑色光１４の出力は、最適温度Ｔ０を中心として、高温側、低温側に対称な温度特性を示す。しかし、図１８に示すように、１Ｗを超える高出力の緑色光１４を得るための波長変換を行う場合には、赤外光１１の光路上において波長変換素子１３の発熱量が増加し、赤外光１１の光路とその周囲との間に大きな温度差が発生するため、緑色光１４の出力は、最適温度Ｔ０に対して高温側と低温側とが非対称となる特性を示す。図１７及び図１８において、緑色光１４の出力が半分となる低温側の温度Ｔ１と最適温度Ｔ０との差が低温側の半値幅となるが、図１７に示す低出力時よりも図１８に示す高出力時の方が半値幅が狭まっていることが分かる。このように、高出力時において半値幅が低温側と高温側とで異なっていることにより、緑色光１４の出力が不安定となっていた。【００５７】
図１９に示すように、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６に近づける場合、低温側の半値幅は、赤外光１１の集光位置を入射面１６に近づけるほど大きくなる。例えば、赤外光１１の集光位置と波長変換素子１３の入射面１６との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の４０％以下となるとき、赤外光１１を波長変換素子１３の中央位置で集光する場合と比べて、低温側の半値幅を２０％以上広げることができる。特に、波長変換素子１３の入射面１６と赤外光１１の集光位置との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の２５％以下となるとき、低温側の半値幅が０．５℃を超えるため、波長変換素子１３の温度制御がより容易となり、安価な制御部品を用いた制御が可能となる。【００５８】
なお、前記実施形態では、波長変換素子１３の長さ寸法が２６ｍｍの場合について説明したが、長さ寸法にかかわらず、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６側に移動させることにより、同様の効果が得られることは言うまでもない。具体的に、波長変換素子１３の長さ寸法が５ｍｍ以上７０ｍｍ以下の場合、前記実施形態と同様に、赤外光１１の集光位置と波長変換素子１３の入射面１６との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の４０％以下とすることにより、低温側の半値幅を２０％以上広げることができる。また、赤外光１１の集光位置と波長変換素子１３の入射面１６との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の２５％以下とすることにより、低温側の半値幅が０．５℃を超えることとなる。波長変換素子１３の長さ寸法が５ｍｍ未満、もしくは、７０ｍｍより長い場合についても、集光位置と同時に集光径も最適化することにより、同様の効果を得ることができる。なお、波長変換のための赤外光１１の光路を確保する観点から、波長変換素子１３の長さ寸法は、１０ｍｍ以上とするのが好ましい。【００５９】
再び図１８を参照して、高出力の高調波を得る場合において、波長変換素子１３を加熱する過程と、冷却する過程とは、温度特性を示す曲線が一致しない。つまり、図１８に示す温度特性には、波長変換素子の冷却過程又は過熱過程に応じたヒステリシスが存在するため、波長変換素子１３による緑色光１４の出力を一定に制御するのが困難であるという問題が生じていた。これに対し、赤外光１１の集光位置と波長変換素子１３の入射面１６との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の１５％以下となるように、赤外光１１の集光位置を設定することにより、前記ヒステリシスが制御可能な程度に緩和されることが実験上確認されている。【００６０】
上述したように、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６に近づけるほど、高出力の緑色光１４を得る際の波長変換効率が高いものとなる。しかし、一般的には、結晶の入射面付近は、レーザダメージを受け易いため、紫外光による緑色光の吸収の影響が少ない場合であっても、入射面において結晶破壊が発生することが考えられる。このようなレーザダメージを回避すべく、例えば、図２０のような波長変換素子を採用することができる。図２０は、実施の形態１の変形例を示す概略図である。【００６１】
図２０を参照して、波長変換素子は、分極反転構造を有する分極反転部２０と、この分極反転部２０からレーザ光源１０側に延びるとともに分極反転構造を有しない非分極反転部１９とを備えている。図２０に示す波長変換装置では赤外光１１の集光位置２１が分極反転部２０の入射側の端部の付近に設定されているため、上述した効果を奏することができる。【００６２】
なお、前記非分極反転部１９は、緑色光への波長変換が行われないように位相整合周期が設定されたものであれば、周期的分極反転構造を有していてもよい。この場合、前記非分極反転部１９における分極反転構造の平均周期を、前記分極反転部２０における分極反転構造の平均周期に対して０．０１μｍ以上異なったものとすれば、分極反転周期が形成されていない場合と同様に、非分極反転部１９においてほとんど波長変換が行われない構成とすることができる。【００６３】
また、分極反転部２０と、非分極反転部１９とを備える場合、分極反転部２０の入射側の端部と集光位置２１との距離を計測することが難しい。そこで、以下の方法により、赤外光１１の集光位置と分極反転部２０との相対位置を特定することができる。まず、赤外光１１の集光位置を波長変換素子内に適当に設定した上で、波長変換素子を赤外光１１の光軸方向に前後させることにより、最も変換効率が高くなる位置を特定する。これにより、変換効率が最も高くなるはずである分極反転部２０の中央位置に赤外光１１の集光位置が配置されていることになる。したがって、この特定された位置から赤外光１１の集光位置を赤外光１１の光軸方向に非分極反転部１９側へ平行移動させることにより、上述したような位置に赤外光１１の集光位置を調節することができる。【００６４】
本実施形態の波長変換装置において、赤外光１１のＭ２を低下させることにより、波長変換素子の結晶破壊を引き起こす緑色光１４の出力を更に高くすることができる。具体的に、赤外光１１のＭ２を低下させると、波長変換素子の後半におけるビーム径、及び赤外光１１についてＮＡが大きくなる。赤外光１１についてのＮＡを拡大すると、変換効率をほとんど低下させることなく、波長変換素子の後半において発生する紫外光の強度を大幅に低下させることができる。【００６５】
ここで、ＮＡを調整する方法としては、集光レンズ１２を変更することが考えられる。具体的に、集光レンズ１２を上述したｆ３０の球面レンズからｆ２０の球面レンズに変更することにより、ＮＡを０．０１２５（最適集光条件の約１．５倍）にすることができる。これにより、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６から約０．９２ｍｍの内側位置に設定した場合を例に挙げると、波長変換素子１３の後半における紫外光の発生強度を約４５％低下しつつ、同程度の緑色光１４の出力を得ることができる。これに伴い、更に高出力の緑色光１４を得ることが可能になると考えられる。【００６６】
本実施形態では、２６ｍｍの長さ寸法を有する波長変換素子を例示したが、ＮＡの拡大による高出力化の効果は、波長変換素子の長さ寸法が短いほど、大きくなる。例えば、１３ｍｍの長さ寸法を有する波長変換素子を用いた場合、ｆ１０の集光レンズを利用することによりＮＡを最適集光条件の約１．５倍（０．０２５）とすることができる。これにより、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６から０．５ｍｍの内側位置に設定した場合を例に挙げると、波長変換素子１３の後半における紫外光の発生強度を約７５％程度低下しつつ、同程度の緑色光１４の出力を得ることができる。【００６７】
上述した構成を利用することにより、波長変換素子の結晶破壊を起こさずに４．３Ｗの緑色光１４の出力を得ることができたが、更に高出力の波長変換を行なうために、以下の手段を講じることもできる。【００６８】
つまり、上述のように赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の中心位置より入射面１６側にずらした場合においても、紫外光による緑色光１４の吸収を完全に防止できるわけではない。これは、緑色光１４の吸収により発生する熱レンズ効果により、波長変換素子１３の後半において赤外光１１、緑色光１４が集光し、これに応じて紫外光の光強度が増加することが原因であると考えられる。【００６９】
したがって、上記熱レンズ効果を緩和させて高出力の緑色光１４を得るためには、入射する赤外光１１の縦方向と横方向（伝搬方向に対して垂直な二軸方向）でＮＡを変えて楕円ビームとすることが更に望ましい。これにより、縦方向、横方向のうち、ＮＡが大きい方の方向について発生する波長変換素子１３の温度勾配は、ＮＡが小さいほうの方向について発生する波長変換素子１３の温度勾配より小さくなる。その結果、熱レンズ効果による自己収束の効果を小さくすることができるため、縦方向と横方向で赤外光１１、緑色光１４が収束する位置をずらすことができる。したがって、楕円ビームを用いることにより、赤外光１１及び緑色光１４が一箇所に集光するのを抑制することができるので、緑色光１４、赤外光１１及び、紫外光のピーク光強度を低下して、波長変換素子１３の結晶破壊を生じさせ難くすることができる。【００７０】
また、上記実施形態においては、波長変換素子１３（分極反転部２０）を透過する赤外光１１のビーム断面積を拡大することにより、緑色光１４の出力の向上を図ことができる。一般的に、波長変換素子１３は、幅方向には１０ｍｍ以上の大きさにできるが、厚み方向には数ｍｍ程度の大きさに制限される。したがって、波長変換素子１３を透過する赤外光１１のビーム断面積も厚み方向に制限される。ここで、楕円ビームを用いると、幅方向に大きく、かつ、厚み方向に小さな面積のビームとしながら、波長変換素子１３を透過するビーム断面積を大きくとれるため、高出力の緑色光１４を得ることができる。具体的に、例えば、波長変換素子１３の幅方向に楕円の長軸が向き、かつ、波長変換装置１３の厚み方向に楕円の短軸が向くような楕円ビームを用いることができる。そして、楕円の長軸を短軸の１．１倍の長さにすると、断面積も１．１倍となるため、これらに比例して、円形ビームを用いる場合と同等の最大光強度を得ることができるため、緑色光１４の最大出力も１．１倍程度増加することが可能であると考えられる。【００７１】
更に、縦方向と横方向とで集光位置が異なるように非点隔差をもって赤外光１１を集光させることにより、焦点における赤外光１１のパワー密度を低減することができる。そのため、波長変換素子１３の後半において熱レンズ効果により赤外光１１及び緑色光１４の集光が発生した場合においても、縦方向と横方向とで集光位置が異なることにより、一箇所に光強度が集中することを抑制して前記熱レンズ効果を緩和することができる。したがって、波長変換素子１３の結晶破壊を起こす閾値となる緑色光１４の出力を高くすることができる。また、赤外光１１の径方向で非点隔差をもたせた場合についても、一箇所に光強度が集中することを避けることができ、同様の効果が得られる。【００７２】
また、楕円ビームまたは、縦横方向又は径方向で非点隔差をもたせたビームは、集光位置にかかわらず、光強度が一箇所に集まることを軽減することができる。したがって、例えば、集光位置が素子中心付近の場合であっても、楕円ビーム又は縦横方向又は径方向で非点隔差をもったビームを用いることにより、高出力の緑色光１４を得ることができる。【００７３】
また、赤外光１１としては、ビーム断面内の中心において局所的に光強度が高まるガウシアンビームを用いることができるものの、フラットビーム、ドーナツビームや高次の横モードを含んだビームを用いることがさらに望ましい。つまり、これらのビームを基本波として波長変換素子１３に入射することにより、ビーム断面内における発熱箇所を分散させることができるため、さらに波長変換素子１３の結晶破壊を有効に抑制しながら、高出力の緑色光１４を得ることができる。集光位置のビーム断面内における最大光強度が、同出力の最適集光条件を満たすガウシアンビームの０．９倍以下となるような赤外光１１を採用することにより、少なくとも１０％以上、緑色光１４の出力を向上することが可能となる。【００７４】
また、赤外光１１のビーム径が最小となる集光位置では、光強度が増大して紫外光が発生し易くなる。そのため、赤外光１１の集光位置におけるビーム径を拡大することにより、紫外光の発生を軽減し、紫外光による緑色光１４の吸収を軽減することが望ましい。【００７５】
図２１は、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の中心部分に設定した場合におけるビーム半径と発熱量のピーク値との関係を示すグラフである。なお、前記ビーム半径は、赤外光１１の集光位置におけるビーム半径であり、発熱量のピーク値は、２Ｗの緑色光１４を出力した場合における発熱量のピーク値である。図２１から分かるように、集光位置における赤外光１１のビーム半径が大きいほど、波長変換素子の発熱量が小さくなる。したがって、集光位置における赤外光１１のビーム半径が大きいほど、緑色光１４をの出力を向上することができる。更に、集光位置における赤外光１１のビーム径を拡大するほど、発熱量を軽減して波長変換素子内の温度分布を軽減することができるため、温度分布に伴う波長変換効率の低下を防ぐ効果も得ることができる。【００７６】
具体的に、集光位置における赤外光１１のビーム径を拡大する方法として様々なものが考えられる。例えば、Ｍ２を一定とし、集光位置のビーム径を拡大することが考えられる。しかし、この場合には、ＮＡが低下するため、結晶破壊が発生し易い波長変換素子１３の後半における赤外光１１のビーム径があまり変わらず、緑色光１４の出力を向上する効果は僅かとなる。これに対し、Ｍ２を増加させる場合、ＮＡを維持しながら赤外光１１のビーム径を拡大することができるので、緑色光１４の出力を向上する効果を有効に得ることができる。したがって、赤外光１１のビーム径を拡大する方法としては、Ｍ２の増加が望ましい。【００７７】
また、単にビーム径を拡大する場合、波長変換素子１３内全体において光強度が激しく低下するため、変換効率の低下が激しい。上述のように、波長変換素子１３の結晶破壊は、波長変換素子内で発生する光（緑色光）のうち和周波（紫外光）により吸収されるものの光強度の増加に起因するものである。したがって、和周波による吸収の小さい波長変換素子１３の入斜面１６側において赤外光１１のビーム断面を小さくして緑色光１４の変換効率を有効に確保する一方、和周波による吸収が大きくなる波長変換素子１３の後半における赤外光１１のビーム径を拡大することにより和周波による緑色光１４の吸収を抑制して、高効率の波長変換が可能となり、緑色光の出力を向上することができる。【００７８】
さらに、前記実施形態において、前記レーザ光源１０から赤外光１１をパルス発振した場合、前記波長変換素子内の電界強度を高めることができるので、電界強度に比例する波長変換効率も向上することが可能となる。さらに、赤外光１１をパルス発振した場合には、波長変換素子１３の後半における赤外光１１の出力を低く抑えることが可能となり、赤外光強度に比例して紫外光の発生を軽減することができ、結晶破壊を引き起こす閾値となる緑色光１４の出力を大きくすることができる。【００７９】
また、パルス発振された赤外光１１を用いて波長変換を行う場合、赤外光１１の平均出力が低くてもピーク光強度を高くできるため、緑色光１４への変換効率だけでなく、紫外光への変換効率も高くなる。したがって、紫外光による緑色光１４の吸収を軽減する方法を採用した前記実施形態においては、赤外光１１を連続光として発振する場合よりも緑色光１４の吸収による波長変換効率の低下をより有効に抑制することができ、緑色光１４の出力をより大きくすることができる。【００８０】
前記実施形態では、赤外光を基本波として緑色光である第２高調波を得る構成を例示した。ここで、７００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の波長を有する基本波を波長変換素子に入射し、第２高調波を発生させる場合においても、基本波と第２高調波の和周波として発生する第３高調波が、その第２高調波の吸収を引き起こすことが分かっている。このような波長変換を行う場合においても、前記実施形態に係る波長変換装置を利用すれば、波長変換素子の結晶破壊を抑制しつつ高出力の第２高調波を得ることができる。【００８１】
また、４５０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長を有する基本波を波長変換素子に入射し、その第２高調波を発生させる場合においても、第２高調波が基本波を吸収することが分かっている。図９に示す波長変換装置は、図１に示す波長変換装置と比べて、波長変換素子１３の後半における第２高調波のピーク光強度を半分以下（図６、図１２参照）にすることができるので、前記のような波長変換を行う場合においても波長変換素子の結晶破壊を抑制しつつ高出力の第２高調波を得ることができる。１２００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下の波長を有する基本波を波長変換素子に入射し、その第２高調波を発生させる場合についても、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ことになるが、同様に図９に示す波長変換装置を有効に活用することができる。【００８２】
更に、１２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長を有する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高調波の和周波として発生する第５高調波が、その第４高調波の吸収を引き起こすことが知られている。また、１２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長を有する基本波を波長変換素子に入射し、第２高調波と第３高調波の両方を発生させる場合、第２高調波と第３高調波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ことが知られている。そのため、これらの場合についても、図９に示す波長変換素子を有効に活用することができる。【００８３】
更に、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの非線形光学結晶からなる波長変換素子は、結晶の組成比、添加物の種類、添加物の添加量、又は入射させる基本波の波長が異なることに応じて、波長変換素子内で発生する現象が異なるという特性を有する。具体的に、波長変換素子内においては、高調波の吸収や２光子吸収などが生じる場合があり、このような場合にも図９に示す波長変換素子を有効に活用することができる。【００８４】
つまり、図６及び図１２から分かるように、図９に示す波長変換装置では、図１に示す構成と比較して、第２高調波の光強度を軽減することが可能となる。波長変換素子１３に用いられる材料の組成や波長変換する光の波長によって様々な光の吸収があるが、図９に示す波長変換装置によれば、入射する基本波の第２高調波である光の光強度が低下することで光吸収量が減少するすべての場合に、波長変換素子１３の発熱を軽減するとともに、高出力の緑色光１４を得ることができる。ここで、第２高調波の光強度を低下させることで光吸収量が減少する光吸収としては、例えば、第２高調波の２光子吸収が挙げられる。つまり、第２高調波となる光に対して２光子吸収が発生するような波長変換材料を用いた場合、図９に示す波長変換装置によって、高出力化することが可能となる。【００８５】
また、図６、図１２から分かるように、図９に示す波長変換装置では、第３高調波の光強度を軽減することも可能となる。波長変換素子１３に用いられる材料の組成や波長変換する光の波長によって様々な光の吸収があるが、図９に示す波長変換装置によれば、基本波と第２高調波との和周波として生じる第３高調波である光の光強度が低下することで光吸収量が減少するすべての場合に、波長変換素子１３の発熱を軽減し、高出力の緑色光１４を得ることができる。ここで、第３高調波の光強度を低下させることで光吸収量が減少する光吸収としては、例えば、第３高調波の２光子吸収が発生するような波長変換材料を用いた場合、図９に示す波長変換装置によって、高出力化することが可能となる。【００８６】
図２２は、波長変換素子の平均温度とビームパス部分との温度差と、波長変換素子の位置との関係を示している。例えば、第２高調波の２光子吸収が波長変換素子の結晶破壊に大きく寄与する場合、平均温度とビームパス部分との温度差は、図２２のように分布する。図２２において、赤外光１１が波長変換素子１３の中心において最適なビーム径で集光した場合の温度差を符号２２で示す。また、赤外光１１の集光位置と波長変換素子１３の入射面１６との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の３５％となるときの温度差を符合２３で示す。さらに、赤外光１１の集光位置と波長変換素子１３の入射面１６との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の２０％となるときの温度差を符号２４で示す。【００８７】
図２２を参照して、温度差２３は、温度差２２に比べて約２０％低くなるため、図９の波長変換装置は、図１の波長変換装置に比べて約１０％以上緑色光１４の出力を向上することが可能となる。また、温度差２４は、温度差２２に比べて約６０％低くなるため、図９の波長変換装置は、図１の波長変換装置と比べて約３０％以上緑色光１４の出力を向上することが可能となる。【００８８】
前記実施形態に係る波長変換素子としては、バルク型波長変換素子やスラブ導波路型波長変換素子を用いることができる。前記実施形態では、バルク型波長変換素子について示したが、スラブ導波路型波長変換素子を用いる場合について以下説明する。【００８９】
スラブ導波路型波長変換素子には、赤外光の光軸と直交する一の方向（以下、長手方向と称す）に長く、この長手方向と直交する他の方向（以下、短手方向と称す）の短い断面を有する導波路が形成されている。このスラブ導波路型波長変換素子を用いる場合、前記短手方向については、波長変換素子の入射面に赤外光を集光する。一方、前記長手方向について、従来では、スラブ導波路型波長変換素子の入射面に赤外光をあまり集光せずにほぼ平行光として入射していた。そして、前記実施形態では、上述のように、赤外光１１を波長変換素子の中央位置よりも入射面側で集光することとしているため、従来に比べて高出力な波長変換が可能となる。特に、スラブ導波型波長変換素子では、バルク型波長変換素子に比べて光強度が高まり易いため、前記長手方向について、赤外光の集光位置を波長変換素子の入射面寄りの位置として赤外光を入射することにより、数Ｗを超える波長変換が可能となる。また、スラブ導波路型波長変換素子を用いる場合、発熱箇所が前記長手方向に広がるため、放熱にも適している。【００９０】
また、従来では、スラブ型波長変換素子を用いるに当たり、前記長手方向のビーム径を拡大し、波長変換素子内の光強度を低下させて局所的な発熱を軽減することにより、緑色光の出力の向上を図っていた。しかし、バルク型波長変換素子と同様に、単にビーム径を拡大する場合、波長変換素子内全体において光強度が激しく低下するため、変換効率の低下が激しい。一方、前記実施形態のように、波長変換素子の結晶破壊は、波長変換素子内で発生する光（緑色光）のうち和周波（紫外光）により吸収されるものの光強度の増加に起因するものである。したがって、和周波による吸収の小さい波長変換素子の入斜面側において赤外光のビーム断面を小さくして緑色光の変換光率を有効に確保する一方、和周波による吸収が大きくなる波長変換素子の後半における赤外光のビーム径を拡大することにより和周波による緑色光の吸収を抑制して、高効率の波長変換が可能となり、緑色光の出力を向上することができる。【００９１】
（実施形態２）
図２３は、本発明の実施形態２に係る波長変換装置を示す概略図である。実施形態２に係る波長変換素子は、複数の波長変換素子を使用する。これにより、波長変換せずに一つ目の波長変換素子から出射する基本波ついて、二つ目の波長変換素子により再び波長変換を行うことができる。したがって、波長変換素子を一つだけ用いた波長変換装置に比べて波長変換の効率を向上することが可能となる。【００９２】
具体的に、図２３には、二つの波長変換素子を用いた波長変換装置を示す。この波長変換素子は、レーザ光源２５と、このレーザ光源２５からの赤外光２６を集光するための集光レンズ２７と、集光レンズ２７により集光された赤外光２６を緑色光３１に変換するための波長変換素子２８と、波長変換素子２８から出射された光を平行光にするためのコリメートレンズ２９と、緑色光３１を反射するとともに赤外光２６を透過させる分離ミラー３０と、分離ミラー３０からの赤外光２６を集光する集光レンズ３２と、集光レンズ３２により集光された赤外光２６を緑色光に変換するための波長変換素子３３とを備えている。なお、レーザ光源２５、集光レンズ２７は、実施形態１（図９）に示した、レーザ光源１０、集光レンズ１２と同一の構成である。【００９３】
レーザ光源２５から出射した赤外光２６は、集光レンズ２７により集光されるとともに、波長変換素子２８に入射する。波長変換素子２８から出射された緑色光及び赤外光は、コリメートレンズ２９によって平行光に変換される。そして、緑色光は、分離ミラー３０において反射する一方、赤外光は、分離ミラー透過する。分離ミラー３０を透過した赤外光は、集光レンズ３２により集光されて、波長変換素子３３に入射して、再度、波長変換される。【００９４】
具体的に、レーザ光源１０は、１０Ｗの赤外光２６を出射する。【００９５】
波長変換素子２７は、実施形態１と同様に、ニオブ酸リチウムからなり、２６ｍｍの長さとされている。そして、赤外光２６の集光位置は、波長変換素子２７の入射面から約２ｍｍ内側に設定されている。その結果、波長変換素子２７からは、約３Ｗの緑色光と約７Ｗの赤外光とが出射する。【００９６】
分離ミラー３０により緑色光が分離されて残った約７Ｗの赤外光は、二つ目の波長変換素子３３に入射する。波長変換素子３３は、波長変換素子２７と同様に、ニオブ酸リチウムからなり、２６ｍｍの長さとされている。そして、赤外光の集光位置は、波長変換素子３３の長さ方向の中央位置から約４ｍｍ入射面側の位置であり、かつ、波長変換素子３３の入射面から約９ｍｍの位置である。その結果、波長変換素子３３からは、約２．５Ｗの緑色光が出射する。そして、二つの波長変換装置２７、３３から出射する緑色光の出力は、あわせて５．５Ｗとなる。【００９７】
本実施形態では、二つの波長変換素子２７、３３を有するとともに、一つ目の波長変換素子２７及び二つ目の波長変換素子３３に入射する赤外光の出力がそれぞれ異なり、このように異なる赤外光の出力にあわせて、赤外光の集光位置を波長変換素子２７、３３ごとに異なるものとしたことを特徴としている。その結果、波長変換装置全体としての波長変換の効率を高くすることが可能となる。【００９８】
ただし、三つ以上の波長変換素子を用いた場合であっても、同様に、波長変換素子ごとに、入射する赤外光の集光位置を変えることにより、波長変換装置全体としての波長変換の効率化を図ることが可能であることは言うまでもない。【００９９】
また、一つの波長変換素子内に複数の光路を設けた波長変換装置においても、光路ごとに集光状態を変えることで、本実施形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。【０１００】
（実施形態３）
図２４は、本発明の実施形態３に係る波長変換装置を示す概略図である。本実施形態の波長変換装置では、レーザ光源３４から出射された赤外光３５を、レンズを通さずに波長変換素子３６に入射して、緑色光３７に変換するように構成されている。本実施形態に係る波長変換装置では、レーザ光源３４から赤外光３５が放射光として出射するため、波長変換素子３６の入射面において赤外光３５が最も集光した状態となり、上述した実施形態と同様の効果を奏することができる。【０１０１】
そして、本実施形態では、赤外光３５を集光するための部材を省略することにより、部品点数を減らすことができるので、より低コストで小型の装置を構成することができる。また、本実施形態では、赤外光の光学的な距離を短縮できるため、波長変換装置の小型化が可能となる。更に、レーザ光源３４と波長変換素子３６とを直接接合することにより、レーザ光源３４と波長変換素子３６とを他の構成を介して接続する場合と比較して、緑色光の出力を安定性が大幅に向上する。【０１０２】
なお、更に望ましくは、レーザ光源３４と波長変換素子３６との間にＧＲＩＮレンズを設置することができる。このようにすれば、ＧＲＩＮレンズの端面に赤外光３６を集光することができるので、波長変換素子３６の端面とＧＲＩＮレンズの端面とを突き合わせることにより、赤外光３６の集光位置を波長変換素子３６の端面に正確に位置決めすることができ、緑色光を安定して得ることができる。【０１０３】
レーザ光源３４としては、赤外光３５の発振効率が高い、ＹＡＧレーザ等の固体レーザや、Ｙｂ、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を用いることができる。【０１０４】
（実施形態４）
図２５は、本発明の実施形態４に係る波長変換装置を示す概略図である。本実施形態の波長変換装置は、レーザ光源１０と、レーザ光源１０からの赤外光１１を集光するための集光レンズ１２と、集光レンズ１２により集光された赤外光１１を緑色光に変換するための波長変換素子４０と、この波長変換素子４０を挟んで配置された一対の凹面ミラー３８、３９とを備えている。【０１０５】
本実施形態に係る波長変換装置において、レーザ光源１０から出射した赤外光１１は、集光レンズ１３に入射し、凹面ミラー３８、３９からなる反射鏡間に設置された波長変換素子４０に入射する。【０１０６】
凹面ミラー３８には、赤外光及び緑色光をともに反射するためのコーティングが施されている。また、凹面ミラー１７２には、赤外光を反射し、緑色光を透過するためのコーティングが施されている。【０１０７】
前記レーザ光源１０から出射された赤外光１１のうちの一部は、波長変換素子４０において緑色光に変換され、変換されずに残った赤外光は、凹面ミラー３８、３９間を複数回往復する。つまり、各凹面ミラー３８、３９の間には、波長変換素子４０を通過する赤外光１１の光路が複数設定されている。【０１０８】
具体的に、赤外光１１の集光位置４１は、波長変換素子４０の中央位置よりも入射端寄りとなるように設定されている。したがって、レーザ光源１０から凹面ミラー３９までの第一の光路においては、１Ｗ以上の高い出力の緑色光を得る場合であっても、波長変換素子４０の結晶破壊の発生を抑制することができる。これにより、凹面ミラー３９よりも後の光路における波長変換効率が低下することを防ぐことが可能となる。赤外光１１の集光位置４１を波長変換素子４０の入射面付近に設定するための方法としては、１Ｗ程度の赤外光を波長変換素子４０に入射し、第一の光路の緑色光の出力が最大となるように赤外光１１の集光位置及び波長変換素子４０の温度を最適化する。その後、波長変換素子４０を出射端側にずらすことで、赤外光１１の集光位置を容易に波長変換素子４０の入射側に設定することが可能となる。【０１０９】
次に、凹面ミラー３９により反射した赤外光が凹面ミラー３８から再び凹面ミラー３９に向かう第二の光路について検討する。レーザ光源１０からの赤外光１１の出力が高く、前記第二の光路において生じる緑色光が１Ｗを超える場合は、第二の光路の集光位置４３を波長変換素子４０の入射面寄りに設定することが好ましい。これにより、第二の光路に対応する箇所においても、波長変換素子４０の結晶破壊を抑制することができ、その結果、高出力の緑色光を得ることができる。【０１１０】
さらに、第二の光路から凹面ミラー３９により反射した赤外光が凹面ミラー３８により反射して凹面ミラー３９に向かう第三の光路について検討する。第三の光路についても、第一の光路及び第二の光路と同様に、第三の光路において生じる緑色光が１Ｗを超える場合は、集光位置４２を波長変換素子４０の入射面寄りに設定することが好ましい。その結果、高出力の緑色光を得ることができる。【０１１１】
ただし、第一の光路において１Ｗを超える緑色光を発生させるとともに、第二、第三の光路で１Ｗを超える緑色光を発生させない場合には、集光位置４１を波長変換素子入射面寄りに設定し、集光位置４２、４３を波長変換素子４０の中央付近に設定することができる。これにより、波長変換素子４０の結晶破壊を有効に阻止しながら、波長変換効率を高めることが可能となる。【０１１２】
また、第二の光路以降における変換効率の低下を防ぐため、第一の光路において生成される緑色光出力を１Ｗ以下に抑えることが更に望ましい。例えば、図２５に符号４４で示す波長変換素子４０の一部を、分極反転部を形成しない部分とすることにより、第一の光路における波長変換効率を低下させることができる。これによって、第一の光路における緑色光の出力を減らすことができる。【０１１３】
本実施形態では、第一の光路におて波長変換されずに残った赤外光を、第二及び第三の光路において複数回波長変換することができるため、第一の光路における変換効率を低下させても、最終的な変換効率の低下は少ない。そして、本実施形態では、波長変換素子４０に設定された複数の光路においてそれぞれ波長変換を行うことができるので、波長変換素子４０に設定された光路が一本の場合よりはるかに高効率な波長変換が可能となる。【０１１４】
本発明では、高効率かつ高出力の波長変換が可能となる。更に、ビーム径方向について波長変換素子の温度上昇を軽減することにより、基本波や波長変換により生成した光のビーム劣化を防ぐことが可能となる。【０１１５】
また、本発明では、基本波の伝搬方向に発生する温度分布を軽減し、出力変動が少なく、安定した波長変換が可能となる。【０１１６】
ところで、高効率を目指した図１に示す構成では、波長変換素子４内における赤外光２及び緑色光５のビームパスが一致している。そのため、図２６に示すように、赤外光２の光強度１８、２０及び緑色光５の光強度１９は、それぞれビーム中心で最大となる。そのため、赤外光２、緑色光５の光強度に比例して発生量が増加する紫外光は、特に、ビーム中心において増大する。このように、緑色光の光強度増加とともに紫外光の発生量が増加するため、前記紫外光による緑色光５の吸収が発生の程度が大きくなり、結晶破壊を引き起こす。また、図２７に示すように、紫外光の光強度増加に伴い緑色光５の吸収率が増加することが実験にて確認された。したがって、波長変換素子４に入射した赤外光２と波長変換素子４内で発生した緑色光５との重なりを軽減することにより、前記結晶破壊が抑制されると考えられる。なお、図２において、符号１８は、波長変換素子４に入射前の赤外光の光強度であり、符号１９は、波長変換素子４内で生成した緑色光５の光強度であり、符号２０は、波長変換素子４を通過した後の赤外光２の光強度である。【０１１７】
（実施形態５）
図２８は、本発明の実施形態５に係る波長変換装置を示す概略図である。実施形態５に係る波長変換装置は、レーザ光源４８と、レーザ光源４８からの赤外光４９をドーナツ型のビームに変換するための円錐レンズ５１と、円錐レンズ５１からの赤外光４９を平行光にするための円錐レンズ５２と、円錐レンズ５２からの赤外光４９を集光する凸レンズ５３と、凸レンズ５３により集光された赤外光４９を緑色光５６に変換するための波長変換素子５０と、波長変換素子５０から出射された光を平行光に変換するための凸レンズ５４とを備えている。【０１１８】
レーザ光源４８から出射した赤外光４９は、向かい合った二枚の円錐レンズ５１、５２に入射されることにより、光強度の高い部分がビーム中心からビーム周辺に移されたドーナツ型（円環型）のビームに変換される。つまり、赤外光４９は、ビーム断面の光強度分布が周縁部に偏ったビームに変換される。このドーナツ型のビームは、凸レンズ５３により集光し、波長変換素子５０に入射する。波長変換素子５０から出射した赤外光４９及び緑色光１５は、凸レンズ５４によって平行光に変換される。【０１１９】
図２９は、円錐レンズ５１、５２による赤外光の光強度分布の変換について説明するための概略図である。円錐レンズ５１、５２は、それぞれ円錐面の傾斜角がθ、屈折率がｎに設定されたものであり、両レンズ５１、５２間の距離は、ｄとされている。円錐レンズ５１の出射角（内角）θ１は、円錐面の傾斜角θとなることから、円錐レンズ５１の出射角（外角）θ２は、ｓｉｎ−１（ｎ×ｓｉｎθ）となり、円錐レンズ２２に到達する赤外光４９のビーム径Ｒ’は、ｄ×ｔａｎ（ｓｉｎ−１（ｎ×ｓｉｎθ）−θ）となる。よって、レンズ間距離ｄを変えることで任意のＲ’が得られる。また、Ｒ’を調節することでドーナツ部分の内径と外径の比も任意に調整することが可能である。例えばＲ’が１．５Ｒとなるようにｄを設定したとき、球面レンズに入射する基本波の光強度分布は、図３０のようになる。このようにドーナツ形状の光強度分布をもつ赤外光レーザ（ドーナツビーム）５５は、凸レンズ５３により集光され、前記波長変換素子５０に入射する。【０１２０】
次に、図３１を用いて、波長変換素子５０内における赤外光と緑色光との関係について説明する。本実施形態では、波長変換素子５０の前部の領域５７においてドーナツビーム５５を集光する。ドーナツビーム５５は、集光位置において、ビーム中心に高いピーク強度を有することが知られている。そして、波長変換素子５０内では、前記ドーナツビーム５５の高いピーク強度を有するビーム中心において、ビーム中心にピーク強度を持つ緑色光５６が生成される。赤外光よりも波長が短い緑色光は、赤外光より広がり角が小さく、波長変換素子５０の後半の領域２８において赤外光の内側を伝播することになる。このため、本実施形態では、緑色光と赤外光との重なりを軽減し、紫外光による緑色光の吸収を防ぐことが可能となる。領域２８において生成された緑色光は、赤外光に近い広がり角を持つが、ガウシアンビームに比べ、同出力でのピーク光強度が低い。具体的に、例えば、Ｒ’＝１．５Ｒの場合、同出力のガウシアンビームに比べてピーク光強度は、０．１８倍となるため、１０Ｗ程度の緑色出力時においても、結晶破壊を起こさず波長変換が可能であると考えられる。【０１２１】
つまり、波長変換素子５０の前部２７の領域では、ピーク光強度が高いため、素子後部２８に比べて波長変換効率が高いが、光強度が集中するビーム中心部分での結晶破壊が低出力波長変換時においても起こり易い。一方、波長変換素子５０の後部２８の領域では、高出力時でも結晶破壊が起こりにくいが、光強度が低いため波長変換効率が低い。このため、必要となる緑色光の出力に応じて、素子前部２７と素子後部２８の割合を最適化することが望ましい。【０１２２】
本実施形態では、円錐部を有する二枚のレンズを使用する方法を用いたが、これは、ガウシアンビームをドーナツビームに変換する方法の一つであり、他のドーナツビーム生成方法を用いることが可能であることは言うまでもない。しかし、向かい合った二つの円錐部によるドーナツビーム生成方法は、円錐部の距離を調整することにより、図３１においてＬで示した部分の長さを任意に調節することが可能となる。つまり、素子前部２７と素子後部２８の割合を最適化することが可能となる。このため、円錐レンズの距離を調整することにより、任意の緑色出力に対し、変換効率の最適化が可能となる。【０１２３】
また、分極反転周期構造を備えた波長変換素子を用いて、擬似位相整合を行う場合において、素子後部２８では、赤外光の光強度が高い部分において、分極反転周期に対して波面が傾くため、位相整合周期が短くなる。よって、素子前部２７と素子後部２８で素子温度を独立に調節することが好ましい。具体的には、素子前部２７と素子後部２８とにそれぞれヒータを設け、これらヒータを用いて温度調整を行うことができる。また、図３１にも示すように、前記位相整合周期の相違に応じて、素子後部２７の分極反転周期を、素子前部２７よりも短く設定しておくことも可能である。【０１２４】
また、レーザ光源１１から赤外光４９をパルス発振することが好ましい。このようにすれば、波長変換素子５０内における電界強度が高めることができる。ここで、非線形光学結晶を用いた波長変換効率は、基本波の電界強度に比例するため、赤外光４９をパルス発振することにより、前記波長変換素子５０による波長変換の最大出力だけでなく、波長変換の効率の向上も可能となる。【０１２５】
更に、電界印加により分極反転構造を形成した波長変換素子を用いる場合、分極反転構造の形成範囲が制限されるため、均一な波長変換効率を得るために赤外光４９を照射しなければならない領域の幅は、わずか２００μｍ程度である。よって、ビーム径が２００μｍを超えるドーナツビームを用いる場合、波長変換時の効率が低下する。これを回避するため、ビーム径が２００μｍを超えるドーナツビームを入射させる場合には、円柱レンズを用いてビームを楕円形状に変換することが望ましい。【０１２６】
さらに、本実施形態における波長変換素子５０として、酸化マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムまたは、タンタル酸リチウムを用いることにより、高効率で波長変換が可能となる。【０１２７】
次に、本実施形態に係る波長変換装置を用いた実験結果を説明する。波長変換素子５０は、酸化マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムからなり、素子長２６ｍｍを有するとともに、周期７μｍの分極反転構造が形成されたものである。レーザ光源１０は、１０６４ｎｍの赤外光を出射し、緑色光５６の出力が最大となるように波長変換素子５０の温度を調節した。図３２は、波長変換素子５０から出射した赤外光の光強度分布を示すグラフである。図３３は、波長変換素子５０内で生成された緑色光５６の光強度分布を示すグラフである。図３２及び図３３に示すように、ビーム周縁部において高い光強度をもつドーナツビーム５５を波長変換素子５０に入射することにより、ビーム中心の光強度の高い緑色光５６が得られることが確認された。以上のように、前記実施形態に係る波長変換装置では、高出力の緑色光を得る際において、赤外光と緑色光との重なりを低減することにより、紫外光による緑色光の吸収を軽減することができるので、結晶破壊を起こさず高出力の緑色光を得ることが可能と考えられる。【０１２８】
なお、図１に示す波長変換装置においては、波長変換素子４の長さが２６ｍｍの場合、波長変換素子４の温度が±０．３度変化することにより、波長変換効率が８割以下に低下してしまう問題があった。しかし、本実施形態に係る波長変換装置では、前記結晶破壊の回避と同時に、波長変換効率の温度安定性も向上することが分かった。【０１２９】
図３４は、波長変換効率と素子温度の関係を示すグラフである。図１に示す波長変換装置における波長変換効率と素子温度との関係をライン２９で示す。一方、本実施形態に係る波長変換装置における波長変換効率と素子温度との関係をライン３０で示す。波長変換効率が最適温度時の８割を超える温度幅は、ライン２９について０．６℃程度であるのに対し、ライン３０については２℃程度に拡大したことが分かる。【０１３０】
（実施形態６）
図３５は、本実施形態に係る波長変換装置を示す概略図である。本実施形態に係る波長変換素子は、前記実施形態５に示す円錐レンズ５１、５２に代えて、波長変換素子６５の両端面に円錐部が形成されている。【０１３１】
具体的に、波長変換素子は、レーザ光源６１と、レーザ光源６１からの赤外光６２を緑色光６４に変換するための波長変換素子６５とを備えている。【０１３２】
レーザ光源６１は、ガウシアンビームで平行光の赤外光１２を出射する。【０１３３】
波長変換素子６５は、入射面と出射面に円錐部を有する。入射側の円錐部は、レーザ光源６１からの赤外光６２をドーナツ型のビームに変換するとともに、このビームを集光させるように構成されている。一方、出射側の円錐部は、波長変換素子６５から出射するドーナツ型の赤外光６２を平行光に変換するように構成されている。そのため、入射面の円錐部の頂点がビーム中心上に位置するよう赤外光を入射させ、出射面に入射面と同様の円錐部を設けることにより、波長変換素子内における赤外光の光強度の分布は、実施形態５と同等となり、同様の効果が得られる。【０１３４】
本実施形態では、実施形態５に比べて使用するレンズが少なくすることができるので、よりコストを低減することができるという利点を有する。【０１３５】
（実施形態７）
図３６は、本実施形態に係る波長変換素子を示す概略図である。本実施形態に係る波長変換装置は、共通の波長を有するレーザ光をそれぞれ出射可能な一対のレーザ光源６６、６６と、これらレーザ光源６６、６６からの赤外光６７を緑色光６９に変換するための波長変換素子６８とを備えている。【０１３６】
本実施形態に係る波長変換装置は、各赤外光光源６６からの赤外光６７を波長変換素子６８内で交差させるように構成されている。各赤外光６７、６７の交差部分において生成された緑色光６９は、二つの赤外光６７、６７の間を伝搬する。そのため、素子後半における赤外光６７、６７と緑色光６９との重なりを低減することができるので、波長変換素子６８内において赤外光６７、６７と緑色光６９との和周波である紫外光が生成されるのを抑制することができる。したがって、実施形態５、６と同様に、結晶破壊を起こさず生成可能な緑色光の出力を増大させることができる。【０１３７】
本実施形態に係る波長変換装置では、二つの赤外光６７、６７の重なる位置よりも後方にそれぞれのビームウエストが来るよう集光することにより、数Ｗ程度の緑色光を得る場合において、高い変換効率を実現する。【０１３８】
また、本実施形態と同様に、三つ以上のレーザ光源を用いた場合について、同様の効果を得られることができる。【０１３９】
さらに、一つのレーザ光源から出射された赤外光をプリズム等を用いて、複数の光路に向かう赤外光レーザに分岐させて、これらの光路を波長変換素子内で交差させるようにすることもできる。このようにすれば、同様の効果を得ることができる。【０１４０】
（実施の形態８）
図３７は、実施の形態１〜７で示した波長変換装置を適用した実施の形態８に係る画像表示装置の模式的な構成の一例を示す図である。光源には赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の３色のレーザ光源７１ａ，７１ｂ，７１ｃを用いている。赤色レーザ光源（Ｒ光源）７１ａには波長６４０ｎｍの光ビームを出射するＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ装置が用いられる。青色レーザ光源（Ｂ光源）７１ｃには波長４５０ｎｍの光ビームを出射する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（Ｇ光源）７１ｂには赤外レーザ光の波長を１／２にする波長変換素子を具備した波長５３０ｎｍの光ビームを出射する波長変換装置が用いられる。【０１４１】
図３７に示すように、本実施の形態８の画像表示装置７０は、複数のレーザ光源７１ａ，７１ｂ，７１ｃと、レーザ光源７１ａ，７１ｂ，７１ｃから出射された光ビームを走査する反射型２次元ビーム走査部７２ａ，７２ｂ，７２ｃとを備えている。レーザ光源７１ａ，７１ｂ，７１ｃは、少なくとも赤色光（Ｒ光）、緑色光（Ｇ光）及び青色光（Ｂ光）をそれぞれ出射する。これらのレーザ光源７１ａ，７１ｂ，７１ｃのうち、少なくとも緑色光を出射するレーザ光源７１ｂは、上記で説明した実施の形態１〜７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８の画像表示装置７０のレーザ光源を用いて画像を形成する光学系の構成について説明する。画像表示装置７０のＲ、Ｇ及びＢの各レーザ光源７１ａ，７１ｂ，７１ｃから出射されたレーザビームは、集光レンズ７９ａ，７９ｂ，７９ｃにより集光された後、反射型２次元ビーム走査部７２ａ，７２ｂ，７２ｃにより拡散板７３ａ，７３ｂ，７３ｃ上に走査される。【０１４３】
拡散板７３ａ，７３ｂ，７３ｃによって拡散されたレーザビームは、フィールドレンズ７４ａ，７４ｂ，７４ｃによって絞られ、空間変調素子７５ａ，７５ｂ，７５ｃに入射する。画像データはＲ、Ｇ及びＢそれぞれのデータに分割されており、各データは空間変調素子７５ａ，７５ｂ，７５ｃに入力される。空間変調素子７５ａ，７５ｂ，７５ｃによって変調されたレーザビームは、ダイクロイックプリズム７６で合波され、カラー画像が形成される。このように合波したカラー画像は、投射レンズ７７によりスクリーン７８に投影される。ただし、Ｇ光源７１ｂから空間光変調素子７５ｂに入射する光路中には、空間変調素子７５ｂでのＧ光のスポットサイズをＲ光やＢ光と同じにするための凹レンズ７９が挿入されている。【０１４４】
このように、本実施の形態８の画像表示装置７０において、レーザ光源部に本発明の実施の形態１〜７で示した波長変換装置を用いることにより、通常の半導体レーザ装置を用いた場合に比べて、高出力の緑色光を得る場合においても、波長変換素子の結晶破壊を抑制することが可能となる。【０１４５】
（実施の形態９）
図３８は、実施の形態１〜７で示した半導体レーザ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９に係る画像表示装置の模式的な構成の一例を示す図である。図３８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。【０１４６】
図３８に示すように液晶表示装置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（Ｒ光源）８２ａ、緑色のレーザ光を出射する緑色レーザ光源（Ｇ光源）８２ｂ及び青色のレーザ光を出射する青色レーザ光源（Ｂ光源）８２ｃで構成される。複数のレーザ光源８２のうち、少なくともＧ光源８２ｂは、上記で説明した実施の形態１〜７で示した波長変換装置を用いて構成される。【０１４７】
ここでは、Ｒ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、Ｂ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、Ｇ光源８２ｂには赤外レーザ光の波長を１／２にする波長変換素子を具備した波長５３０ｎｍの光ビームを出射する波長変換装置が用いられる。【０１４８】
次に、本実施の形態９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Ｒ光、Ｇ光及びＢ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３８に示す本実施の形態９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Ｒ光、Ｇ光及びＢ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Ｒ光、Ｇ光及びＢ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。【０１４９】
このように、本実施の形態９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１〜９で示した波長変換装置を用いることにより、通常の半導体レーザ装置を用いた場合に比べて高出力の緑色光を得る場合であっても、波長変換素子の結晶破壊を抑制することができる。【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レーザ波長変換装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を波長変換するための波長変換素子とを備え、前記波長変換素子は、前記レーザ光に対して変換効率が最大となる最適集光条件を有し、前記レーザ光は、前記最適集光条件よりも変換効率が低下する低下集光条件となるように、前記波長変換素子に入射するものである。【０１５２】
本発明によれば、基本波としてのレーザ光を波長変換素子に入射させて高調波を得るに当たり、レーザ光の低下集光条件が最適集光条件よりも変換効率が低いものとされているため、基本波と高調波との和周波の発生を抑制することができ、これによって波長変換素子の破壊が生じるのを抑制することができる。【０１５３】
つまり、波長変換素子内において基本波と高調波との和周波が生じた場合、この和周波によって高調波が吸収され、この吸収箇所において波長変換素子が発熱して破壊する現象が確認されている。そして、本発明では、レーザ光の集光条件を最適集光条件から外すことにより、波長変換素子による変換効率を低下させることができるので、前記和周波の発生効率を低下させて波長変換素子の発熱を抑制することができる。【０１５４】
また、波長変換素子の破壊の要因として、高調波からの２光子吸収による波長変換素子の発熱が考えられるが、本発明では、レーザ光の集光条件が最適集光条件と異なるものに設定されているため、高調波の光強度を低減して波長変換素子の発熱も抑えることができる。【０１５５】
したがって、本発明によれば、波長変換素子の破壊を抑制しつつ、高出力の高調波を得ることができる。【０１５６】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光を集光するための集光部材をさらに備え、前記集光部材は、前記レーザ光の光軸方向と平行する前記波長変換素子の長さ方向において、前記変換効率が最大となる最適位置と異なる位置に前記レーザ光を集光させるように構成されていることが好ましい。【０１５７】
この構成によれば、レーザ光の集光位置を当該レーザ光の光軸方向に調整することにより、最適集光条件を満たさなくすることができる。【０１５８】
具体的に、前記波長変換素子の少なくとも一部には、前記レーザ光に位相整合するように形成された分極反転構造が形成され、前記集光部材は、前記分極反転構造の前記長さ方向の中央位置よりも前記レーザ光源寄りに前記レーザ光を集光させるように構成されていることが好ましい。【０１５９】
この構成によれば、波長変換素子内のレーザ光の光路のうち、集光位置の手前の光路よりも先の光路を長くすることができるので、波長変換素子内で発生する和周波に吸収される高調波を少なくすることができ、その結果、波長変換素子の発熱をより効果的に抑制することができる。【０１６０】
つまり、前記集光位置よりも若干先の範囲で前記和周波の光強度が最も大きくなる一方、レーザ光の単位面積当たりの光強度は、前記集光位置から遠ざかるに従い小さくなる。そして、前記構成では、分極反転構造の中央位置よりも手前側に集光位置が設定されているので、レーザ光の集光位置を前記分極反転構造の中央位置に設定した場合と比較して、集光位置よりも先の範囲におけるレーザ光の光強度を大幅に小さくすることができる結果、和周波と高調波との重なり合いをより確実に抑制することができ、和周波による高調波の吸収を大幅に低減することができる。【０１６１】
前記レーザ波長変換装置において、前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端部からの距離が、前記分極反転構造の前記長さ方向の寸法の４０％以下となる前記分極反転構造の内側位置に前記レーザ光を集光させるように構成されていることが好ましい。【０１６２】
この構成によれば、レーザ光の集光位置を分極反転構造の中央位置に設定する場合と比較して、高調波の出力を１０％以上向上させることができる。【０１６３】
前記レーザ波長変換装置において、前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端部からの距離が、前記分極反転構造の前記長さ方向の寸法の２５％以下となる前記分極反転構造の内側位置に前記レーザ光を集光させるように構成されていることが好ましい。【０１６４】
この構成によれば、レーザ光の集光位置を分極反転構造の中央位置に設定する場合と比較して、高調波の出力を３０％以上向上させることができる。【０１６５】
前記レーザ波長変換装置において、前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端面近傍に前記レーザ光を集光させるように構成されていることが好ましい。【０１６６】
この構成によれば、分極反転構造の端面付近においてレーザ光の単位面積当たりの光強度が最大となり、分極反転構造内においては出射側へ向かうに従い光強度が小さくなる一方であるため、和周波と高調波との重なり合いをより確実に抑制することができる。【０１６７】
前記レーザ波長変換装置において、前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端面よりも前記レーザ光源寄りに前記レーザ光を集光させるように構成されていることが好ましい。【０１６８】
この構成においても、分極反転構造内におけるレーザ光の単位面積当たりの光強度は、出射側へ向かうに従い小さく一方であるため、和周波と高調波との重なり合いをより確実に抑制することができる。【０１６９】
例えば、前記分極反転構造の入射側の端面からレーザ光源側に延びる突出部分を波長変換素子に形成し、前記突出部分に分極反転構造を形成しない構成とすれば、突出部分内にレーザ光の集光位置を設定することができる。【０１７０】
前記レーザ波長変換装置において、集光部材は、前記最適集光条件を満たすためのＮＡの１．５倍以上のＮＡを有することが好ましい。【０１７１】
この構成によれば、レーザ光の集光位置よりも先の範囲において発生する和周波の光強度を大幅に低減することができる。具体的に、赤外光を基本波として緑色光を得る場合に、最適集光条件におけるＮＡの１．５倍のＮＡを採用した場合には、和周波として発生する紫外光の光強度を約４５％低減することができる。【０１７２】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光は、前記集光部材は、前記レーザ光を略楕円型の範囲に集光するように構成され、前記略楕円型の長軸の長さは、短軸の長さの１．１倍以上に設定されていることが好ましい。【０１７３】
この構成によれば、幅寸法が比較的大きく、厚み寸法が小さく制限される波長変換素子においても、前記楕円型の長軸を幅寸法に沿わせるとともに短軸を厚み方向に沿わせることにより、限られた波長偏光素子内のスペースを有効に活用して高調波の高出力化を図ることができる。具体的に、長軸の長さを短軸の長さの１．１倍とすることにより、短軸の長さの半径を有する円と比較して断面積も約１．１倍にすることができるので、高調波の出力も約１．１倍増加させることができる。【０１７４】
前記レーザ波長変換装置において、前記集光部材は、非点隔差をもって前記レーザ光を集光させることが好ましい。【０１７５】
この構成によれば、レーザ光の強度が一箇所に集中するのを抑制することができるので、波長変換素子内において発生する和周波及び高調波の光強度を小さくすることができ、これにより、波長変換素子の破壊を抑制することができる。【０１７６】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光源は、ビーム断面内における最大光強度が、同出力の最適集光条件となるガウシアンビームの光強度の０．９倍以下に設定されたレーザ光を出射するように構成されていることが好ましい。【０１７７】
この構成によれば、レーザ光のビーム断面における最大光強度を低減することにより、波長変換素子内において発生する和周波及び高調波の光強度を小さくすることができ、これにより、波長変換素子の破壊を抑制しつつ高調波の高出力化を図ることができる。【０１７８】
具体的に、前記構成では、ガウシアンビームの０．９倍の光強度に設定されているため、ガウシアンビームを波長変換素子に入射した場合と比較して、波長変換素子を破壊させる閾値となる高調波の光強度を約１０％高くすることができる。【０１７９】
波長変換素子の構造を限定する趣旨ではないが、前記波長変換素子として、バルク型波長変換素子を採用することができる。【０１８０】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光のＭ２は、１．２より大きいことが好ましい。【０１８１】
この構成によれば、Ｍ２が最適集光条件を満たすための１．０ではなく１．２に設定されているので、ＮＡを維持しながら、集光位置におけるレーザ光のビーム径を大きくすることができる。そして、前記和周波による高調波の吸収量は、レーザ光の集光位置におけるビーム径が大きくなるに従い少なくなるため、前記構成とすることにより、波長変換素子の破壊をより有効に抑えることができる。【０１８２】
前記レーザ波長変換装置において、前記波長変換素子を複数個有し、前記各波長変換素子の少なくとも１つにおいて、前記レーザ光の集光条件が前記低下集光条件に設定されていることが好ましい。【０１８３】
この構成によれば、少なくとも１つの波長変換素子の破壊を抑制しながら、複数の波長変換素子を利用して高出力の高調波を得ることができる。例えば、前記構成では、二個の波長変換素子を用いて５Ｗを超える緑色光を、高効率で生成することができる。【０１８４】
前記レーザ波長変換装置において、前記波長変換素子には、前記レーザ光の光路が複数設定され、前記各光路の少なくとも１つにおいて、前記レーザ光の集光条件が前記低下集光条件に設定されていることが好ましい。【０１８５】
この構成によれば、共通の波長変換素子に設定された複数の光路のうちの少なくとも１つの光路において波長変換素子の発熱を抑制しながら、複数の光路を利用して高出力の高調波を得ることができる。例えば、前記構成では、二本の光路を用いて５Ｗを超える緑色光を、高効率で生成することができる。【０１８６】
前記レーザ波長変換装置において、前記波長変換素子を挟んで配置された２枚の反射鏡をさらに備え、前記複数の光路は、各反射鏡の間に設定され、前記反射鏡のうちの少なくとも１枚は、前記レーザ光を集光しつつ反射するように構成されていることが好ましい。【０１８７】
この構成によれば、２枚の反射鏡の間を繰り返しレーザ光が反射することにより、波長変換素子による波長変換を複数回行うことができる。しかも、各反射鏡の少なくとも１枚がレーザ光を集光するように構成されているので、この反射鏡による集光条件を前記最適集光条件と異なる条件に設定することにより、波長変換素子の破壊を抑制することができる。【０１８８】
前記レーザ波長変換装置において、レーザ光源は、前記レーザ光を放射光として前記波長変換素子に入射することが好ましい。【０１８９】
この構成によれば、基本波としてレーザ光を波長変換素子に入射させて高調波を得るに当たり、集光するための部材を介さずにレーザ光を波長変換素子に直接入射することとしているため、基本波と高調波との和周波の発生を抑制することができ、これによって波長変換素子の破壊が生じるのを抑制することができる。【０１９０】
つまり、波長変換素子内において基本波と高調波との和周波が生じた場合、この和周波によって高調波が吸収され、この吸収箇所において波長変換素子が発熱して破壊する現象が確認されている。そして、本発明では、レーザ光が発散光として波長変換素子に入射しているため、基本波の光強度は、波長変換素子に入射した箇所で最も大きく、この箇所の付近における和周波の光強度が最も大きくなる。一方、発散光であるレーザ光の光強度は、波長変換素子を伝播するに従い小さくなるため、前記和周波と高調波との重なり合いを抑制することができ、和周波による基本波の吸収を大幅に低減することができる。【０１９１】
したがって、本発明によれば、波長変換素子の破壊を抑制しつつ、高出力の高調波を得ることができる。【０１９２】
具体的に、前記レーザ光源と前記波長変換素子とを直接接合することができる。【０１９３】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光の低下集光条件は、前記レーザ光の集光位置よりも先の範囲において、前記レーザ光の光強度が複数個所に分布するように設定されていることが好ましい。【０１９４】
この構成によれば、集光位置よりも先の範囲におけるレーザ光の光強度を複数個所に分布させることができるので、集光位置付近で最も光強度が高くなる和周波に対して基本波であるレーザ光が重なり合うのを抑制することができる。したがって、和周波に高調波が吸収されることによる波長変換素子の発熱を抑制することができ、波長変換素子の破壊を効果的に抑制することができる。【０１９５】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光源と前記波長変換素子との間に設けられているとともに、前記レーザ光の光強度をドーナツ型に分布させるための分布部材をさらに備えていることが好ましい。【０１９６】
この構成によれば、レーザ光をドーナツ型にすることにより、集光位置よりも先の範囲において和周波とレーザ光との重なり合いを抑制することができる。【０１９７】
前記レーザ波長変換装置において、前記波長変換素子は、前記レーザ光源に向けて円錐型に突出する入射部を有し、前記入射部を、前記入射部を介して前記波長変換素子に入射する前記レーザ光の光強度をドーナツ型に分布させるとともに、前記レーザ光を前記波長変換素子内で集光させるように構成することもできる。このようにすれば、集光部材を設けることなくレーザ光を集光することができ、かつ、ドーナツ型に分布させることができるので、コストの低減を図ることができる。【０１９８】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光源を複数個備え、前記各レーザ光源は、共通の波長を有するレーザ光をそれぞれ出射可能で、かつ、それぞれのレーザ光の光路が互いに前記波長変換素子内で交差するように配置されている構成とすることもできる。【０１９９】
この構成によれば、複数のレーザ光源から出射したレーザ光を波長変換素子内で集光させることができ、それぞれのレーザ光の光路は、互いの交差位置（集光位置）から先の範囲でそれぞれ別の方向に向くため、波長変換素子内で生じた和周波とレーザ光との重なり合いを抑制することができる。【０２００】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光源から出射したレーザ光を複数に分岐する分岐部材をさらに備えていることが好ましい。【０２０１】
この構成によれば、例えば、分岐部材により１つのレーザ光源から出射したレーザ光を複数の光路に分岐し、各レーザ光の光路が波長変換素子内で交差するように前記各光路を調整する光学系を設けることにより、波長変換素子内にレーザ光を集光することができ、それぞれのレーザ光の光路は、互いの交差位置（集光位置）から先の範囲でそれぞれ別の方向に向くため、波長変換素子内で生じた和周波とレーザ光との重なり合いを抑制することができる。【０２０２】
前記レーザ波長変換装置において、前記波長変換素子の少なくとも一部には、前記レーザ光を波長変換するための分極反転構造が形成され、前記レーザ光の低下集光位置は、前記レーザ光の入射側の端面から前記高調波の出射側の端面までの前記波長変換素子の長さ方向において、前記分極反転構造の中央位置よりもレーザ光源寄りに設定されていることが好ましい。【０２０３】
この構成によれば、波長変換素子内のレーザ光の光路の集光位置の手前の光路よりも先の光路を長くすることができるので、波長変換素子内で発生する和周波に吸収されるレーザ光の光量を少なくすることができ、その結果、波長変換素子の発熱量をより効果的に抑制することができる。【０２０４】
つまり、前記集光位置よりも若干先の範囲で前記和周波の光強度が最も大きくなる一方、レーザ光の単位面積当たりの光強度は、前記集光位置から遠ざかるに従い小さくなる。そして、前記構成では、分極反転構造の中央位置よりも手前側に集光位置が設定されているので、レーザ光の集光位置を前記分極反転構造の中央位置に設定した場合と比較して、集光位置よりも先の範囲におけるレーザ光の光強度を大幅に小さくすることができる結果、和周波とレーザ光との重なり合いをより確実に抑制することができ、和周波による高調波の吸収を大幅に低減することができる。【０２０５】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光の集光位置付近の範囲と前記集光位置よりも先の範囲とで個別に前記波長変換素子の温度を調整可能な温度調整部材をさらに備えていることが好ましい。【０２０６】
前記構成によれば、集光位置付近の範囲と集光位置よりも先の範囲とで波長変換素子を個別に温度調整することができるので、波長変換効率をより向上することができる。【０２０７】
つまり、集光位置よりも先の範囲において和周波に高調波が吸収されると、波長変換素子が発熱し、この発熱の影響により分極反転構造の位相整合条件が乱されることがあるが、前記構成では、集光位置よりも先の範囲について波長変換素子の温度調整を行うことができるため、位相整合条件を適切なものに維持することができる。一方、集光位置付近の範囲については、基本波の光強度が最も高くなるため、波長変換に適した温度となるように波長変換素子の温度を適宜調整することができる。【０２０８】
前記レーザ波長変換装置において、前記分極反転構造は、前記レーザ光の集光位置付近の範囲よりも前記集光位置の先の範囲の方が分極反転周期が短く設定されていることが好ましい。【０２０９】
この構成によれば、レーザ光の集光位置よりも先の範囲について、分極反転構造の周期を波長変換に適した周期とすることができるので、波長変換の効率を向上することができる。つまり、前記集光位置よりも先の範囲においては、分極反転構造に対してレーザ光の波面が傾くことに起因して位相整合周期が短くなるが、前記構成では、集光位置よりも先の範囲について分極斑点周期が短くされているので、波長変換を効率的に行うことができる。【０２１０】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光源は、前記レーザ光をパルス発振することが好ましい。【０２１１】
この構成によれば、レーザ光源から連続波としてレーザ光を発信する場合と比較して、平均出力が低い場合でもピーク光強度を高くすることができるので、高調波の変換効率を高くすることができる。したがって、この構成によれば、レーザ光の集光条件を最適集光条件と異なるものとすることにより、波長変換素子の破壊を抑制しつつ、パルスレーザを発振することにより高調波の出力を向上することができる。【０２１２】
前記レーザ波長変換装置において、前記波長変換素子の長さ寸法を３０ｍｍとした場合にレーザ光の集光位置におけるビーム半径を３０μｍとし、波長変換素子の長さ寸法を２６ｍｍとした場合にレーザ光の集光位置におけるビーム半径を２５μｍとすることができる。【０２１３】
前記レーザ波長変換装置において、前記波長変換素子として、酸化マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウム、または、タンタル酸リチウムに対して、擬似位相整合のための周期的分極反転構造を形成した波長変換素子を採用することができる。【０２１４】
前記レーザ波長変換装置において、高調波を平均出力２Ｗ以上生成するように構成することができる。【０２１５】
前記レーザ波長変換装置において、４５０ｎｍから２０００ｎｍの波長を有するレーザ光を前記波長変換素子に入射して短波長化を行うように構成することができる。【０２１６】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光源として、ＹＡＧレーザ等の固体レーザ、または、Ｙｂ、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を用いることができる。【０２１７】
また、本発明の別の局面に係る画像表示装置は、複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源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、前記複数のレーザ光源は、少なくとも赤色の光ビームを出射する赤色レーザ光源、緑色の光ビームを出射する緑色レーザ光源及び青色の光ビームを出射する青色レーザ光源を含み、前記各レーザ光源のうちの少なくとも緑色レーザ光源は、前記レーザ波長変換装置を有する。【０２１８】
さらに、本発明の別の局面に係る画像表示装置は、液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルを背面側から照明するバックライト照明装置とを備え、前記バックライト照明装置は、少なくとも赤色の光ビームを出射する赤色レーザ光源、緑色の光ビームを出射する緑色レーザ光源及び青色の光ビームを出射する青色レーザ光源を含み、前記各レーザ光源のうちの少なくとも緑色レーザ光源は、前記レーザ波長変換装置を有する。
【産業上の利用可能性】
【０２１９】
本発明に係る構成を用いることにより、分極反転構造をもつ非線形結晶から、高出力の第２高調波を高い効率で得ることが可能である。また、緑色の第２高調波を出力する場合、コンパクトな緑色レーザ光源を実現可能となるため、コンパクトで、かつ、高出力の光源が要求される、液晶テレビのバックライト、プロジェクションテレビ、プロジェクタなどに有用である。
【図１】
2008114512.tif 000005
【図２】
2008114512.tif 000006
【図３】
2008114512.tif 000007
【図４】
2008114512.tif 000008
【図５】
2008114512.tif 000009
【図６】
2008114512.tif 000010
【図７】
2008114512.tif 000011
【図８】
2008114512.tif 000012
【図９】
2008114512.tif 000013
【図１０】
2008114512.tif 000014
【図１１】
2008114512.tif 000015
【図１２】
2008114512.tif 000016
【図１３】
2008114512.tif 000017
【図１４】
2008114512.tif 000018
【図１５】
2008114512.tif 000019
【図１６】
2008114512.tif 000020
【図１７】
2008114512.tif 000021
【図１８】
2008114512.tif 000022
【図１９】
2008114512.tif 000023
【図２０】
2008114512.tif 000024
【図２１】
2008114512.tif 000025
【図２２】
2008114512.tif 000026
【図２３】
2008114512.tif 000027
【図２４】
2008114512.tif 000028
【図２５】
2008114512.tif 000029
【図２６】
2008114512.tif 000030
【図２７】
2008114512.tif 000031
【図２８】
2008114512.tif 000032
【図２９】
2008114512.tif 000033
【図３０】
2008114512.tif 000034
【図３１】
2008114512.tif 000035
【図３２】
2008114512.tif 000036
【図３３】
2008114512.tif 000037
【図３４】
2008114512.tif 000038
【図３５】
2008114512.tif 000039
【図３６】
2008114512.tif 000040
【図３７】
2008114512.tif 000041
【図３８】
2008114512.tif 000042
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月5日(2008.6.5)
【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】
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光を波長変換するための波長変換素子とを備え、
前記波長変換素子は、前記レーザ光に対して変換効率が最大となる最適集光条件を有し、
前記レーザ光は、前記最適集光条件よりも変換効率が低下する低下集光条件となるように、前記波長変換素子に入射することを特徴とするレーザ波長変換装置。
【請求項２】
前記レーザ光を集光するための集光部材をさらに備え、
前記集光部材は、前記レーザ光の光軸方向と平行する前記波長変換素子の長さ方向において、前記変換効率が最大となる最適位置と異なる位置に前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項３】
前記波長変換素子の少なくとも一部には、前記レーザ光に位相整合するように形成された分極反転構造が形成され、
前記集光部材は、前記分極反転構造の前記長さ方向の中央位置よりも前記レーザ光源寄りに前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項４】
前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端部からの距離が、前記分極反転構造の前記長さ方向の寸法の４０％以下となる前記分極反転構造の内側位置に前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項５】
前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端部からの距離が、前記分極反転構造の前記長さ方向の寸法の２５％以下となる前記分極反転構造の内側位置に前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項４に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項６】
前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端面近傍に前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項７】
前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端面と前記レーザ光源との間で前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項８】
前記集光部材は、前記最適集光条件を満たすためのＮＡの１．５倍以上のＮＡを有することを特徴とする請求項２〜７の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項９】
前記集光部材は、前記レーザ光を略楕円型の範囲に集光するように構成され、
前記略楕円型の長軸の長さは、短軸の長さの１．１倍以上に設定されていることを特徴とする請求項２〜８の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１０】
前記集光部材は、非点隔差をもって前記レーザ光を集光させることを特徴とする請求項２〜９の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１１】
前記レーザ光源は、ビーム断面内における最大光強度が、同出力の最適集光条件となるガウシアンビームの光強度の０．９倍以下に設定されたレーザ光を出射するように構成されていることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１２】
前記波長変換素子は、バルク型波長変換素子からなることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１３】
前記レーザ光のＭ２は、１．２より大きいことを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１４】
前記波長変換素子を複数個有し、
前記各波長変換素子の少なくとも１つにおいて、前記レーザ光の集光条件が前記低下集光条件に設定されていることを特徴とする請求項１〜１３の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１５】
前記波長変換素子には、前記レーザ光の光路が複数設定され、
前記各光路の少なくとも１つにおいて、前記レーザ光の集光条件が前記低下集光条件に設定されていることを特徴とする請求項１〜１４の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１６】
前記波長変換素子を挟んで配置された２枚の反射鏡をさらに備え、
前記複数の光路は、各反射鏡の間に設定され、
前記反射鏡のうちの少なくとも１枚は、前記レーザ光を集光しつつ反射するように構成されていることを特徴とする請求項１〜１５の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１７】
レーザ光源は、前記レーザ光を発散光として前記波長変換素子に入射することを特徴とする請求項１に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１８】
前記レーザ光源と前記波長変換素子とを直接接合したことを特徴とする請求項１７に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１９】
前記レーザ光の低下集光条件は、前記レーザ光の集光位置よりも先の範囲において、前記レーザ光の光強度が複数個所に分布するように設定されていることを特徴とする請求項１〜１８の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２０】
前記レーザ光源と前記波長変換素子との間に設けられているとともに、前記レーザ光の光強度をドーナツ型に分布させるための分布部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１９に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２１】
前記波長変換素子は、前記レーザ光源に向けて円錐型に突出する入射部を有し、
前記入射部は、前記入射部を介して前記波長変換素子に入射する前記レーザ光の光強度をドーナツ型に分布させるとともに、前記レーザ光を前記波長変換素子内で集光させることを特徴とする請求項１９に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２２】
前記レーザ光源を複数個備え、
前記各レーザ光源は、共通の波長を有するレーザ光をそれぞれ出射可能で、かつ、それぞれのレーザ光の光路が互いに前記波長変換素子内で交差するように配置されていることを特徴とする請求項１９に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２３】
前記レーザ光源から出射したレーザ光を複数に分岐する分岐部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１９に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２４】
前記波長変換素子の少なくとも一部には、前記レーザ光を波長変換するための分極反転構造が形成され、
前記レーザ光の低下集光位置は、前記レーザ光の入射側の端面から前記高調波の出射側の端面までの前記波長変換素子の長さ方向において、前記分極反転構造の中央位置よりもレーザ光源寄りに設定されていることを特徴とする請求項１９〜２３の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２５】
前記レーザ光の集光位置付近の範囲と前記集光位置よりも先の範囲とで個別に前記波長変換素子の温度を調整可能な温度調整部材をさらに備えていることを特徴とする請求項２４に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２６】
前記分極反転構造は、前記レーザ光の集光位置付近の範囲よりも前記集光位置の先の範囲の方が分極反転周期が短く設定されていることを特徴とする請求項２４又は２５に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２７】
前記レーザ光源は、前記レーザ光をパルス発振することを特徴とする請求項１〜２６の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２８】
複数のレーザ光源と、
前記複数のレーザ光源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、
前記複数のレーザ光源は、少なくとも赤色の光ビームを出射する赤色レーザ光源、緑色の光ビームを出射する緑色レーザ光源及び青色の光ビームを出射する青色レーザ光源を含み、
前記各レーザ光源のうちの少なくとも緑色レーザ光源は、請求項１〜２７の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置を有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項２９】
液晶表示パネルと、
前記液晶表示パネルを背面側から照明するバックライト照明装置とを備え、
前記バックライト照明装置は、少なくとも赤色の光ビームを出射する赤色レーザ光源、緑色の光ビームを出射する緑色レーザ光源及び青色の光ビームを出射する青色レーザ光源を含み、
前記各レーザ光源のうちの少なくとも緑色レーザ光源は、請求項１〜２７の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置を有することを特徴とする画像表示装置。
【手続補正書】
【提出日】平成21年9月17日(2009.9.17)
【手続補正１】
【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】
【書類名】      明細書
【発明の名称】      レーザ波長変換装置及びこれを備えた画像表示装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形光学単結晶からなる波長変換素子を用いたレーザ波長変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工、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、青色領域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、緑色のレーザ光を半導体から直接発生させることは、依然として困難である。
【０００３】
そのため、赤外光等を基本波として波長変換することにより、第２高調波として緑色光を得る方法が一般的に行われている。具体的に、ＹＡＧレーザ等の固体レーザや、Ｙｂ、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非線形光学結晶に入射させ、前記非線形光学結晶による波長変換によって緑色光を得ることが行われている。
【０００４】
特に、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムに分極反転技術を用いて擬似位相整合（ＱＰＭ）構造が形成された波長変換素子は、大きな非線形光学定数を有し、高い変換効率で赤外光から緑色光を得ることができるものであることが知られている。更に、波長変換素子に酸化マグネシウムをドープすることにより、非特許文献１、２に示すように、結晶劣化の一つである光による屈折率変化（フォトリフラクティブ）を抑制することができ、常温にて安定な波長変換が可能となった。
【０００５】
酸化マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムからなる波長変換素子において、基本波として赤外光を入射し第２高調波として緑色光を発生する場合、素子によっても異なるが２Ｗを超える出力を発生する際、ビームパス後半で結晶破壊が発生し始めることが問題となる。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。
【０００６】
また、タンタル酸リチウムからなる波長変換素子においても、同様に、高出力時に発生する結晶破壊が問題となる。
【０００７】
ここで、例えば、５Ｗという高出力の高調波を得るために、特許文献１に示すように複数の波長変換素子を用いることや、特許文献２に示すように複数の光路を一つの波長変換素子内に形成することが考えられるが、何れの構成を採用しても、結晶破壊の発生を考慮すると、一本の光路より生成可能な緑色出力が最大２Ｗとなるため、波長変換素子又は光路が三つ必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】  特開平１１−２７１８２３号公報
【特許文献２】  特開２００４−１２５９４３号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】  Applied Physics letters, 44, 9, 847-849 （1984）
【非特許文献２】  Applied Physics letters, 59, 21, 2657-2659 （1991）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、波長変換素子の結晶破壊を抑制しつつ、高調波を得ることができるレーザ波長変換装置及び画像表示装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一局面に係るレーザ波長変換装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を波長変換するための波長変換素子とを備え、前記波長変換素子は、前記レーザ光に対して変換効率が最大となる最適集光条件を有し、前記レーザ光は、前記最適集光条件よりも変換効率が低下する低下集光条件となるように、前記波長変換素子に入射するものである。
【００１２】
本発明の別の局面に係る画像表示装置は、複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源を用いてスクリーン上に画像を形成する光学系とを備え、前記複数のレーザ光源は、少なくとも赤色の光ビームを出射する赤色レーザ光源、緑色の光ビームを出射する緑色レーザ光源及び青色の光ビームを出射する青色レーザ光源を含み、前記各レーザ光源のうちの少なくとも緑色レーザ光源は、前記レーザ波長変換装置を有する。
【００１３】
さらに、本発明の別の局面に係る画像表示装置は、液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルを背面側から照明するバックライト照明装置とを備え、前記バックライト照明装置は、少なくとも赤色の光ビームを出射する赤色レーザ光源、緑色の光ビームを出射する緑色レーザ光源及び青色の光ビームを出射する青色レーザ光源を含み、前記各レーザ光源のうちの少なくとも緑色レーザ光源は、前記レーザ波長変換装置を有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、波長変換素子の結晶破壊を抑制しつつ、高調波を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一般的なレーザ波長変換装置を示す模式図である。
【図２】波長変換効率とＭ２との関係を示す図である。
【図３】集光位置と波長変換効率との関係を示す図である。
【図４】図１に示す波長変換素子内における赤外光と緑色光の出力変化を示す図である。
【図５】図１に示す波長変換素子内における赤外光の光強度と入射面からの距離との関係を示す図である。
【図６】図１に示す波長変換素子内における緑色光の光強度と入射面からの距離との関係を示す図である。
【図７】図１に示す波長変換素子内における紫外光の光強度と入射面からの距離との関係を示す図である。
【図８】図１に示す波長変換素子内における緑色光の吸収量と入射面からの距離との関係を示す図である。
【図９】本発明の実施形態１に係る波長変換装置を示す模式図である。
【図１０】図９に示す波長変換素子内における赤外光と緑色光の出力変化を示す図である。
【図１１】図９に示す波長変換素子内における赤外光の光強度と入射面からの距離との関係を示す図である。
【図１２】図９に示す波長変換素子内における緑色光の光強度と入射面からの距離との関係を示す図である。
【図１３】図９に示す波長変換素子内における紫外光の光強度と入射面からの距離との関係を示す図である。
【図１４】図９に示す波長変換素子内における緑色光の吸収量と入射面からの距離との関係を示す図である。
【図１５】図９に示す波長変換素子についての赤外光の入力と緑色光の出力との関係を示す図である。
【図１６】集光位置と結晶破壊を引き起こす閾値となる緑色光の出力との関係を示す図である。
【図１７】波長変換素子の温度と緑色光の出力との関係を示す図であり、低出力波長変換時の例である。
【図１８】波長変換素子の温度と緑色光の出力との関係を示す図であり、高出力波長変換時の例である。
【図１９】集光位置と低温側の半値温度幅との関係を示す図である。
【図２０】実施形態１に係る波長変換装置の変形例を示す図である。
【図２１】集光位置におけるビーム半径と発熱量のピーク値の関係を示す図である。
【図２２】素子平均とビームパス部分との温度差と、波長変換素子内の位置との関係を示す図である。
【図２３】本発明の実施形態２に係る波長変換装置の模式図である。
【図２４】本発明の実施形態３に係る波長変換装置の模式図である。
【図２５】本発明の実施形態４に係る波長変換装置の模式図である。
【図２６】図１に示す波長変換装置における赤外光及び緑色光の光強度分布をそれぞれ示す図である。
【図２７】図１に示す波長変換素子内における緑色光の吸収率と紫外光の強度との関係を示す図である。
【図２８】本発明の実施形態５に係る波長変換装置の模式図である。
【図２９】図２８における円錐レンズ間のビーム光路を拡大して示す図である。
【図３０】図２８に示す円錐レンズを通過したビームの光強度分布（Ｒ’＝１．５Ｒ）を示す図である。
【図３１】図２８に示す波長変換素子付近を拡大して示す図である。
【図３２】図２８の波長変換素子を透過した後の赤外光の光強度分布の計測結果を示す図である。
【図３３】図２８に示す波長変換素子より生成した緑色光の光強度分布の計測結果を示す図である。
【図３４】図２８に示す波長変換装置を用いた場合における波長変換効率と素子温度との関係を示す図である。
【図３５】本発明の実施形態６に係る波長変換装置を示す概略図である。
【図３６】本発明の実施形態７に係る波長変換装置を示す概略図である。
【図３７】本発明の実施形態８に係る画像表示装置の模式的な構成の一例を示す図である。
【図３８】本発明の実施形態９に係る画像表示装置の模式的な構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【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】
図１は、本発明の実施形態に係るレーザ波長変換装置の模式図である。まず、図１を参照して、レーザ波長変換装置における最適集光条件について説明する。
【００１８】
レザー波長変換装置は、基本波としてのレーザ光（例えば、赤外光）を出射するレーザ光源１と、このレーザ光源１からのレーザ光２を集光するための集光レンズ３と、集光レンズ３により集光されたレーザ光２を第２高調波（例えば、緑色光）５に変換するための波長変換素子４とを備えている。
【００１９】
波長変換素子４内に平面波のレーザ光２を入射させた場合、レーザ光２から第２高調波５に波長変換される効率は、数式１で与えられる。
【数１】
【００２０】
2008114512.tif 000043
【００２１】
ここで、μ０は真空の透磁率、ε０は真空の誘電率、ｄは有効非線形定数、ｎは素子の屈折率、Ｌは素子長、λは基本波の波長、Ｐωは基本波の入射パワー、Ａはビーム断面積、Δｋは基本波の波数と第２高調波の波数との差（ｋ２ω−２ｋω）である。
【００２２】
数式１から分かるように、位相整合条件Δｋ＝０が達成されると、前記波長変換素子内におけるレーザ光２のビームを極力長距離にわたり極力小さく絞ることで、高い波長変換効率が得られる。
【００２３】
このため、前記波長変換素子４として、小さなビーム径で長距離伝搬が可能となる光導波路型波長変換素子が広く用いられている。しかし、光導波路型波長変換素子では、結晶内での光強度が大きくなりすぎるため、高出力の第２高調波を得るための波長変換には適さない。そこで、高出力の第２高調波を得るためには、波長変換素子としてバルク型波長変換装置が用いられることが多い。
【００２４】
そして、前記集光レンズ３により集光されたレーザ光２のビーム径は、集光位置より遠ざかるほど大きくなるため、赤外光の集光位置６の最適位置は、波長変換素子４（又はそれに形成された分極反転構造）の中心部分となる。また、ビーム断面積（ビームウエスト径）を小さくするためにＮＡを大きしすぎると、光の回折により発散角が拡大し、長く絞ることができずに、かえって変換効率の低下を引き起こす。このため、素子の長さに対して、それぞれ最適な集光状態が存在し、ｒ０をビームウエスト径とした場合に、数式２で与えられるConfocal Parameter bがＬ／ｂ＝２．８４となるとき、最適集光条件となる（Applied Physics letters, 39, 8, 3597-3639 （1968）参照）。
【数２】
【００２５】
2008114512.tif 000044
【００２６】
前述の通り、極力長距離にわたり極力細くビームを集光することが望ましい。最適集光条件を満たすためのレーザ光２は、Ｍ２＝１の理想的なガウシアンビームとなる。例えば、レーザ光２を楕円ビームとした場合、その楕円度が大きい（短軸に対する長軸の比が大きい）ほど、変換効率は、低下する。更に、レーザ光２の集光点が非点隔差を有する場合には、前記非点隔差が大きいほど、変換効率は低下する。
【００２７】
以下、Ｍ２、又は波長変換素子４内での集光位置に対する変換効率の依存性の例を示す。
【００２８】
図１に示した波長変換装置において、波長変換素子４の素子長を２６ｍｍとし、ビームウエスト径を６０μｍ（集光位置は素子の中心）とした場合、Ｍ２に対する変換効率は、図２に示すようになり、Ｍ２＝１のときが最適となる。
【００２９】
また、波長変換素子４内に集光位置が存在する場合、波長変換素子４の入射面７からレーザ光２の集光位置までの距離と、波長変換効率との関係は、図３に示すとおりとなる。つまり、集光位置６が波長変換素子４の長さ方向（レーザ光２の光軸方向）の中央位置（入射面から１３ｍｍ）となる場合に、波長変換素子４内の光強度が最も高くなり、波長変換効率が最大となる。
【００３０】
以下、波長変換素子４の結晶破壊のメカニズムについて説明する。
【００３１】
波長変換素子４としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル産リチウムからなるものが用いられる。このような波長変換素子４は、高調波（例えば、緑色光）を高出力で得ようとすると、破壊することが知られている。波長変換素子4の破壊は、高調波が基本波（レーザ光２）を吸収することによる熱の発生が原因と考えられていた。このため、波長変換素子４の破壊を抑制するには、基本波のパワー密度を低減するために基本波のビームの断面積を大きくするのが有効であると考えられてきた。
【００３２】
しかしながら、基本波のビームの断面積を大きくすると、波長変換素子の変換効率が大幅に低下してしまい、高い効率での変換が難しいという問題があった。本件発明者は、高出力の高調波を得る際における熱発生の要因が、基本波の吸収ではなく、基本波と高調波の和周波（例えば、紫外光）により高調波が吸収される現象であることを見いだした。更に、和周波の光強度が高いほど、可視光の吸収率が高まることが実験により確認された。
【００３３】
以上の事実に基づいて、図１に示す波長変換装置において、高出力の高調波を得る際に発生する結晶破壊の要因は、以下のように考えられる。以下、図１に示す波長変換装置の構成を利用して、前記ニオブ酸リチウムを用いた波長変換素子（素子長２６ｍｍとする）４に６Ｗの赤外光を入射し、緑色光に波長変換する場合を例に挙げて説明する。
【００３４】
赤外光は、波長変換素子４内において徐々に緑色光に変換されるため、波長変換素子４内の緑色光の出力は、図４の８で示すように増加する一方、赤外光の出力は、図４の９で示すように減少する。図１に示す波長変換装置では、赤外光の集光位置が波長変換素子４の中央位置付近に設定されているため、図５に示すように、波長変換素子４の中央位置よりも手前側の位置において赤外光の光強度が最大となり、図６に示すように、波長変換素子４の中央位置よりも先において緑色光の光強度が最大となる。更に、このとき、赤外光の光強度と緑色光の光強度の積に比例して発生する紫外光の光強度は、図７に示すようになる。
【００３５】
紫外光の光強度と緑色光の出力とに基づいて、波長変換素子４内における紫外光による緑色光の吸収量は、図８のように分布する。そして、図８において緑色光の吸収量が最大となる波長変換素子４の中心位置より少し後方の部分において、前記波長変換素子４の結晶破壊が発生していると考えられる。また、図８において緑色光の吸収量が最大となる部分は、実験において発生した結晶破壊の位置とほぼ一致する。
【００３６】
以上より、本件発明者は、前記波長変換素子４の結晶破壊を起こさず、高出力の波長変換を実現するためには、紫外光の発生を低減すること、又は紫外光の光強度が高まる箇所と緑色光の光強度が高まる箇所をずらすことの２点が重要であることを見出した。これら２点の少なくとも１点を満たすことにより、紫外光と緑色光との重なり合いを軽減して、波長変換素子４の局所的な発熱を抑制することができる。
【００３７】
また、実験では、図１の波長変換装置を用いて１Ｗを超える高調波を出力させる際、前記紫外光による緑色光の吸収量が最大となる位置において波長変換素子４が局所的に発熱することにより、局所的に波長変換素子４の屈折率が変化し、ビーム劣化や波長変換効率の低下が発生することが分かった。そして、この波長変換効率の低下に応じて波長変換素子４の発熱量が低下することになるが、この発熱量の低下に応じて再び波長変換効率が回復することになるため、波長変換効率の増減は繰り返し、ビーム劣化も繰り返すことが判明している。したがって、波長変換素子４の局所的な温度上昇を軽減することができれば、ビーム劣化や波長変換効率の周期的な変動も抑制することが可能となる。
【００３８】
そこで、前記各条件を満足することにより高い変換効率を実現するための構成として、以下の構成を提案する。
【００３９】
（実施形態１）
図９は、本実施形態のレーザ波長変換装置を示す概略図である。
【００４０】
図９に示す波長変換装置は、レーザ光源１０と、このレーザ光源１０からの赤外光（コヒーレント光）１１を集光するための集光レンズ１２と、集光レンズ１２により集光された赤外光１１を緑色光１４に変換するための波長変換素子１３とを備えている。
【００４１】
前記波長変換装置は、レーザ光源１２より出射した赤外光１１を、集光レンズ１２を用いて集光し、波長変換素子１３に入射する。波長変換素子１３は、入射した基本波（赤外光）の一部を波長変換し、緑色光１４を生成する。
【００４２】
ここで、前記波長変換装置は、図１に示すものと異なり、赤外光の集光位置１５が波長変換素子１３の入射面１６付近に設定されている。具体的には、波長変換素子１３からレーザ光源１０までの距離が図１に示したものよりも大きく設定されている。
【００４３】
レーザ光源１０は、ビーム径５００μｍに設定された波長１０６４ｎｍを有する赤外光１１を平行光として出射する固体レーザからなる。前記レーザ光源１０から出射する赤外光１１は、直線偏向のガウシアンビームである。
【００４４】
集光レンズ１２は、ｆ３０の球面レンズからなる。
【００４５】
波長変換素子１３は、ニオブ酸リチウムの分極方向を６．９７μｍ周期で反転させたものであり、擬似位相整合されたものである。また、波長変換素子１３は、レーザ光１２の光軸と平行する方向である長さ方向の寸法が２６ｍｍとされている。さらに、波長変換素子１３は、その分極方向に偏向方向が一致した状態で赤外光１１が入射した場合に、２０度以上５０度以下の温度範囲内で、緑色光１４の変換効率が最大となるように設計されている。
【００４６】
前記波長変換装置を用いて８．２Ｗの赤外光１１から緑色光１４に波長変換を行う場合、図１に示す波長変換装置と同様に、波長変換素子１３内において赤外光は、徐々に緑色光に変換される。したがって、波長変換素子１３内の緑色光１４の出力は、図１０の符号１７に示すように増加し、緑色光１４の出力は、波長変換素子１３の出射面付近で２Ｗとなる。また、赤外光１１の出力は、図１０の符号１８に示すように、徐々に減少する。
【００４７】
ここで、本実施形態の波長変換装置においては、赤外光１１の集光位置が波長変換素子１３の入射面１６付近に設定されているため、図１１に示すように、赤外光は、波長変換素子１３の入射面１６付近において光強度が最大となる。これに応じて、緑色光１４についても、図１に示す波長変換装置（図６参照）に比べて、波長変換素子１３の入射面１６寄りの位置において光強度が最大となる。このため、赤外光１１の光強度と緑色光１４の光強度との積に比例して発生する紫外光の光強度は、図１３に示すように分布する。つまり、緑色光１４の出力が大きくなって結晶破壊が起こり易い波長変換素子１３の後半（赤外光１１の集光位置の先の範囲）における紫外光の光強度は、図１に示す波長変換装置における紫外光の光強度の２０％以下と大幅に低減できる。
【００４８】
その結果、波長変換素子１３内で発生する紫外光による緑色光１４の吸収量は、図１４のように分布する。つまり、ピークの吸収量は、図１に示す波長変換装置のピークの吸収量の２０％程度まで軽減することができる。したがって、本実施形態の波長変換装置によれば、波長変換素子１３の結晶破壊を抑制しつつ、高出力の波長変換を行うことができる。また、波長変換素子１３の発熱を抑制することもできるので、波長変換素子１３の屈折率変化も軽減し、赤外光１１及び緑色光１４のビーム劣化や変換効率の変動も軽減できる。
【００４９】
また、前記波長変換装置では、波長変換素子１３の後半における緑色光１４のビーム径を図１の波長変換装置の緑色光５のビーム径の約１．６倍とすることができるため、緑色光１４の光強度を低減することができる。これにより、紫外光による緑色光１４の吸収による熱勾配のピーク値を更に３２％低下することができ、結晶破壊を起こさず波長変換可能な緑色出力を更に大きくすることができる。
【００５０】
図１５は、実施の形態１に係る波長変換装置における赤外光の入力と緑色光の出力との関係示すグラフである。図１５に示すように、赤外光を１４．４Ｗ入射した場合に、波長変換素子１３の結晶破壊を起こさず、４．３Ｗの緑色光出力が得られることが、本発明者の実験にて確認されている。
【００５１】
図１６は、実施の形態１に係る波長変換装置における波長変換素子の入射面から赤外光の集光位置までの距離と、結晶破壊を引き起こす緑色光の最大出力との関係を示すグラフである。図１６に示すように、赤外光１１の集光位置が波長変換素子１３の中心位置から遠く、かつ、波長変換素子１３の入射面１６に近いほど、結晶破壊を起こす緑色光１４の出力の値は、高くなることが分かる（入射面１６において赤外光１１を集光した場合については、緑色光１４の出力が４．３Ｗとなっても、波長変換素子１３の結晶破壊は発生していない）。また、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の外側、つまり、波長変換素子１３の入射面１６の手前に移すことにより、結晶破壊を起こさずに出力可能な緑色光１４の最大出力を更に増大することができる。
【００５２】
ただし、図３に示すように、赤外光１１の集光位置が波長変換素子１３の中心位置に近いほど、波長変換効率は高いため、必要となる緑色光１４の出力にあわせて、赤外光１１の集光位置を最適なものに調整することが望ましい。
【００５３】
例えば、波長変換素子１３の入射面１６において赤外光１１を集光した場合、約１０Ｗの赤外光１１から約２．３Ｗの緑色光１４を出力することができる（図１６参照）。これに対し、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６から約２ｍｍの波長変換素子１３の内側に設定した場合、約１０Ｗの赤外光１１から約３Ｗの緑色光１４を得ることができる（波長変換効率３０％）ため、赤外光１１の集光位置を入射面１６に設定した場合と比較して波長変換効率を約３０％高くすることができる。しかし、赤外光１１の集光位置をさらに波長変換素子１３の中心位置に近づけた場合には、結晶破壊が発生するため、１０Ｗの赤外光１１の入力時に最も効率よく波長変換を行なえる赤外光１１の集光位置は、波長変換素子１３の入射面１６から約２ｍｍ内側の位置となる。
【００５４】
例えば、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６から５ｍｍ内側の位置に設定した場合、最大約２．５Ｗの緑色光１４を出力することができ、このときの波長変換効率は、３６％となる。これに対し、図１に示す波長変換装置では、緑色光５の出力の増加に伴い波長変換素子４の内部に温度分布が発生するため、波長変換効率の低下が発生していた。そのため、図１に示す波長変換装置を用いて２Ｗの緑色光５を出力するためには、実験において約７Ｗの赤外光２の入力を要し、そのときの波長変換効率は、約２９％であった。この比較から、本実施形態に係る波長変換装置のように赤外光１１の集光位置を調整することにより、波長変換効率を向上することができることが分かる。また、赤外光１１の集光位置が波長変換素子１３の入射面１６の内側約１０ｍｍの位置に設定した場合、約７Ｗの赤外光１１を入射することにより、約２．２Ｗの緑色光が得られた。このときの波長変換効率は、３１％となる。
【００５５】
また、本実施形態に係る波長変換装置では、波長変換時に発生する波長変換素子１３の発熱を軽減することができ、発熱による波長変換素子１３の屈折率の変化を抑制することができるので、屈折率変化による変換効率の低下を防ぐことが可能となる。つまり、本実施形態に係る波長変換装置の波長変換効率は、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の中心位置の近くにするほど、図３の変換効率よりも低下し、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６に近づけるほど、図３に近い変換効率となる。したがって、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の中心位置付近に設定する場合と、波長変換素子１３の入射面１６側に設定する場合とにおいて、変換効率の逆転が生じる。つまり、高出力の緑色光１４を得る場合には、本実施形態に係る波長変換装置を採用することにより、図１に示す波長変換装置よりも高い変換効率を得ることが可能となる。特に、波長変換素子１３の入射面１６と赤外光１１の集光位置との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の４０％以下となる波長変換素子１３の内側位置に、赤外光１１の集光位置を設定すれば、波長変換素子１３の中央位置で集光する場合と比べて、緑色光１４の最大出力を１０％以上増加することができるとともに、そのときの変換効率も向上することができる。更に、波長変換素子１３の入射面１６と赤外光１１の集光位置との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の２５％以下となる波長変換素子１３の内側位置に、赤外光１１の集光位置を設定すれば、緑色光１４の最大出力を約３０％以上増加させることができる。
【００５６】
なお、前記実施形態では、波長変換素子１３の長さ寸法が２６ｍｍの場合について説明したが、長さ寸法にかかわらず、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６側に移動させることにより、同様の効果が得られることは言うまでもない。具体的に、波長変換素子１３の長さ寸法が５ｍｍ以上７０ｍｍ以下の場合、前記実施形態と同様に、赤外光１１の集光位置と波長変換素子１３の入射面１６との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の４０％以下とすることにより、約１０％以上の出力の向上が可能である。また、赤外光１１の集光位置と波長変換素子１３の入射面１６との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の２５％以下とすることにより、約３０％以上の出力の向上が可能となる。波長変換素子１３の長さ寸法が５ｍｍ未満、もしくは、７０ｍｍより長い場合についても、集光位置と同時に集光径も最適化することにより、同様の効果を得ることができる。なお、波長変換のための赤外光１１の光路を確保する観点から、波長変換素子１３の長さ寸法は、１０ｍｍ以上とするのが好ましい。
【００５７】
ところで、本実施形態に係る波長変換装置により、高出力の緑色光１４を得る際に、緑色光１４の出力が不安定になるという問題も改善可能であることが分かった。図１７は、低出力の緑色光１４を得る際の波長変換素子１３の温度と緑色光１４の出力との関係を示すグラフである。図１８は、高出力の緑色光１４を得る際の波長変換素子１３の温度と緑色光１４の出力との関係を示すグラフである。
【００５８】
図１７に示すように、数ｍＷ程度（図１７では１０ｍＷ程度の例を示す）の低出力の緑色光１４を得るための波長変換を行う場合、緑色光１４の出力は、最適温度Ｔ０を中心として、高温側、低温側に対称な温度特性を示す。しかし、図１８に示すように、１Ｗを超える高出力の緑色光１４を得るための波長変換を行う場合には、赤外光１１の光路上において波長変換素子１３の発熱量が増加し、赤外光１１の光路とその周囲との間に大きな温度差が発生するため、緑色光１４の出力は、最適温度Ｔ０に対して高温側と低温側とが非対称となる特性を示す。図１７及び図１８において、緑色光１４の出力が半分となる低温側の温度Ｔ１と最適温度Ｔ０との差が低温側の半値幅となるが、図１７に示す低出力時よりも図１８に示す高出力時の方が半値幅が狭まっていることが分かる。このように、高出力時において半値幅が低温側と高温側とで異なっていることにより、緑色光１４の出力が不安定となっていた。
【００５９】
図１９に示すように、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６に近づける場合、低温側の半値幅は、赤外光１１の集光位置を入射面１６に近づけるほど大きくなる。例えば、赤外光１１の集光位置と波長変換素子１３の入射面１６との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の４０％以下となるとき、赤外光１１を波長変換素子１３の中央位置で集光する場合と比べて、低温側の半値幅を２０％以上広げることができる。特に、波長変換素子１３の入射面１６と赤外光１１の集光位置との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の２５％以下となるとき、低温側の半値幅が０．５℃を超えるため、波長変換素子１３の温度制御がより容易となり、安価な制御部品を用いた制御が可能となる。
【００６０】
なお、前記実施形態では、波長変換素子１３の長さ寸法が２６ｍｍの場合について説明したが、長さ寸法にかかわらず、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６側に移動させることにより、同様の効果が得られることは言うまでもない。具体的に、波長変換素子１３の長さ寸法が５ｍｍ以上７０ｍｍ以下の場合、前記実施形態と同様に、赤外光１１の集光位置と波長変換素子１３の入射面１６との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の４０％以下とすることにより、低温側の半値幅を２０％以上広げることができる。また、赤外光１１の集光位置と波長変換素子１３の入射面１６との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の２５％以下とすることにより、低温側の半値幅が０．５℃を超えることとなる。波長変換素子１３の長さ寸法が５ｍｍ未満、もしくは、７０ｍｍより長い場合についても、集光位置と同時に集光径も最適化することにより、同様の効果を得ることができる。なお、波長変換のための赤外光１１の光路を確保する観点から、波長変換素子１３の長さ寸法は、１０ｍｍ以上とするのが好ましい。
【００６１】
再び図１８を参照して、高出力の高調波を得る場合において、波長変換素子１３を加熱する過程と、冷却する過程とは、温度特性を示す曲線が一致しない。つまり、図１８に示す温度特性には、波長変換素子の冷却過程又は過熱過程に応じたヒステリシスが存在するため、波長変換素子１３による緑色光１４の出力を一定に制御するのが困難であるという問題が生じていた。これに対し、赤外光１１の集光位置と波長変換素子１３の入射面１６との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の１５％以下となるように、赤外光１１の集光位置を設定することにより、前記ヒステリシスが制御可能な程度に緩和されることが実験上確認されている。
【００６２】
上述したように、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６に近づけるほど、高出力の緑色光１４を得る際の波長変換効率が高いものとなる。しかし、一般的には、結晶の入射面付近は、レーザダメージを受け易いため、紫外光による緑色光の吸収の影響が少ない場合であっても、入射面において結晶破壊が発生することが考えられる。このようなレーザダメージを回避すべく、例えば、図２０のような波長変換素子を採用することができる。図２０は、実施の形態１の変形例を示す概略図である。
【００６３】
図２０を参照して、波長変換素子は、分極反転構造を有する分極反転部２０と、この分極反転部２０からレーザ光源１０側に延びるとともに分極反転構造を有しない非分極反転部１９とを備えている。図２０に示す波長変換装置では赤外光１１の集光位置２１が分極反転部２０の入射側の端部の付近に設定されているため、上述した効果を奏することができる。
【００６４】
なお、前記非分極反転部１９は、緑色光への波長変換が行われないように位相整合周期が設定されたものであれば、周期的分極反転構造を有していてもよい。この場合、前記非分極反転部１９における分極反転構造の平均周期を、前記分極反転部２０における分極反転構造の平均周期に対して０．０１μｍ以上異なったものとすれば、分極反転周期が形成されていない場合と同様に、非分極反転部１９においてほとんど波長変換が行われない構成とすることができる。
【００６５】
また、分極反転部２０と、非分極反転部１９とを備える場合、分極反転部２０の入射側の端部と集光位置２１との距離を計測することが難しい。そこで、以下の方法により、赤外光１１の集光位置と分極反転部２０との相対位置を特定することができる。まず、赤外光１１の集光位置を波長変換素子内に適当に設定した上で、波長変換素子を赤外光１１の光軸方向に前後させることにより、最も変換効率が高くなる位置を特定する。これにより、変換効率が最も高くなるはずである分極反転部２０の中央位置に赤外光１１の集光位置が配置されていることになる。したがって、この特定された位置から赤外光１１の集光位置を赤外光１１の光軸方向に非分極反転部１９側へ平行移動させることにより、上述したような位置に赤外光１１の集光位置を調節することができる。
【００６６】
本実施形態の波長変換装置において、赤外光１１のＭ２を低下させることにより、波長変換素子の結晶破壊を引き起こす緑色光１４の出力を更に高くすることができる。具体的に、赤外光１１のＭ２を低下させると、波長変換素子の後半におけるビーム径、及び赤外光１１についてＮＡが大きくなる。赤外光１１についてのＮＡを拡大すると、変換効率をほとんど低下させることなく、波長変換素子の後半において発生する紫外光の強度を大幅に低下させることができる。
【００６７】
ここで、ＮＡを調整する方法としては、集光レンズ１２を変更することが考えられる。具体的に、集光レンズ１２を上述したｆ３０の球面レンズからｆ２０の球面レンズに変更することにより、ＮＡを０．０１２５（最適集光条件の約１．５倍）にすることができる。これにより、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６から約０．９２ｍｍの内側位置に設定した場合を例に挙げると、波長変換素子１３の後半における紫外光の発生強度を約４５％低下しつつ、同程度の緑色光１４の出力を得ることができる。これに伴い、更に高出力の緑色光１４を得ることが可能になると考えられる。
【００６８】
本実施形態では、２６ｍｍの長さ寸法を有する波長変換素子を例示したが、ＮＡの拡大による高出力化の効果は、波長変換素子の長さ寸法が短いほど、大きくなる。例えば、１３ｍｍの長さ寸法を有する波長変換素子を用いた場合、ｆ１０の集光レンズを利用することによりＮＡを最適集光条件の約１．５倍（０．０２５）とすることができる。これにより、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の入射面１６から０．５ｍｍの内側位置に設定した場合を例に挙げると、波長変換素子１３の後半における紫外光の発生強度を約７５％程度低下しつつ、同程度の緑色光１４の出力を得ることができる。
【００６９】
上述した構成を利用することにより、波長変換素子の結晶破壊を起こさずに４．３Ｗの緑色光１４の出力を得ることができたが、更に高出力の波長変換を行なうために、以下の手段を講じることもできる。
【００７０】
つまり、上述のように赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の中心位置より入射面１６側にずらした場合においても、紫外光による緑色光１４の吸収を完全に防止できるわけではない。これは、緑色光１４の吸収により発生する熱レンズ効果により、波長変換素子１３の後半において赤外光１１、緑色光１４が集光し、これに応じて紫外光の光強度が増加することが原因であると考えられる。
【００７１】
したがって、上記熱レンズ効果を緩和させて高出力の緑色光１４を得るためには、入射する赤外光１１の縦方向と横方向（伝搬方向に対して垂直な二軸方向）でＮＡを変えて楕円ビームとすることが更に望ましい。これにより、縦方向、横方向のうち、ＮＡが大きい方の方向について発生する波長変換素子１３の温度勾配は、ＮＡが小さいほうの方向について発生する波長変換素子１３の温度勾配より小さくなる。その結果、熱レンズ効果による自己収束の効果を小さくすることができるため、縦方向と横方向で赤外光１１、緑色光１４が収束する位置をずらすことができる。したがって、楕円ビームを用いることにより、赤外光１１及び緑色光１４が一箇所に集光するのを抑制することができるので、緑色光１４、赤外光１１及び、紫外光のピーク光強度を低下して、波長変換素子１３の結晶破壊を生じさせ難くすることができる。
【００７２】
また、上記実施形態においては、波長変換素子１３（分極反転部２０）を透過する赤外光１１のビーム断面積を拡大することにより、緑色光１４の出力の向上を図ことができる。一般的に、波長変換素子１３は、幅方向には１０ｍｍ以上の大きさにできるが、厚み方向には数ｍｍ程度の大きさに制限される。したがって、波長変換素子１３を透過する赤外光１１のビーム断面積も厚み方向に制限される。ここで、楕円ビームを用いると、幅方向に大きく、かつ、厚み方向に小さな面積のビームとしながら、波長変換素子１３を透過するビーム断面積を大きくとれるため、高出力の緑色光１４を得ることができる。具体的に、例えば、波長変換素子１３の幅方向に楕円の長軸が向き、かつ、波長変換装置１３の厚み方向に楕円の短軸が向くような楕円ビームを用いることができる。そして、楕円の長軸を短軸の１．１倍の長さにすると、断面積も１．１倍となるため、これらに比例して、円形ビームを用いる場合と同等の最大光強度を得ることができるため、緑色光１４の最大出力も１．１倍程度増加することが可能であると考えられる。
【００７３】
更に、縦方向と横方向とで集光位置が異なるように非点隔差をもって赤外光１１を集光させることにより、焦点における赤外光１１のパワー密度を低減することができる。そのため、波長変換素子１３の後半において熱レンズ効果により赤外光１１及び緑色光１４の集光が発生した場合においても、縦方向と横方向とで集光位置が異なることにより、一箇所に光強度が集中することを抑制して前記熱レンズ効果を緩和することができる。したがって、波長変換素子１３の結晶破壊を起こす閾値となる緑色光１４の出力を高くすることができる。また、赤外光１１の径方向で非点隔差をもたせた場合についても、一箇所に光強度が集中することを避けることができ、同様の効果が得られる。
【００７４】
また、楕円ビームまたは、縦横方向又は径方向で非点隔差をもたせたビームは、集光位置にかかわらず、光強度が一箇所に集まることを軽減することができる。したがって、例えば、集光位置が素子中心付近の場合であっても、楕円ビーム又は縦横方向又は径方向で非点隔差をもったビームを用いることにより、高出力の緑色光１４を得ることができる。
【００７５】
また、赤外光１１としては、ビーム断面内の中心において局所的に光強度が高まるガウシアンビームを用いることができるものの、フラットビーム、ドーナツビームや高次の横モードを含んだビームを用いることがさらに望ましい。つまり、これらのビームを基本波として波長変換素子１３に入射することにより、ビーム断面内における発熱箇所を分散させることができるため、さらに波長変換素子１３の結晶破壊を有効に抑制しながら、高出力の緑色光１４を得ることができる。集光位置のビーム断面内における最大光強度が、同出力の最適集光条件を満たすガウシアンビームの０．９倍以下となるような赤外光１１を採用することにより、少なくとも１０％以上、緑色光１４の出力を向上することが可能となる。
【００７６】
また、赤外光１１のビーム径が最小となる集光位置では、光強度が増大して紫外光が発生し易くなる。そのため、赤外光１１の集光位置におけるビーム径を拡大することにより、紫外光の発生を軽減し、紫外光による緑色光１４の吸収を軽減することが望ましい。
【００７７】
図２１は、赤外光１１の集光位置を波長変換素子１３の中心部分に設定した場合におけるビーム半径と発熱量のピーク値との関係を示すグラフである。なお、前記ビーム半径は、赤外光１１の集光位置におけるビーム半径であり、発熱量のピーク値は、２Ｗの緑色光１４を出力した場合における発熱量のピーク値である。図２１から分かるように、集光位置における赤外光１１のビーム半径が大きいほど、波長変換素子の発熱量が小さくなる。したがって、集光位置における赤外光１１のビーム半径が大きいほど、緑色光１４をの出力を向上することができる。更に、集光位置における赤外光１１のビーム径を拡大するほど、発熱量を軽減して波長変換素子内の温度分布を軽減することができるため、温度分布に伴う波長変換効率の低下を防ぐ効果も得ることができる。
【００７８】
具体的に、集光位置における赤外光１１のビーム径を拡大する方法として様々なものが考えられる。例えば、Ｍ２を一定とし、集光位置のビーム径を拡大することが考えられる。しかし、この場合には、ＮＡが低下するため、結晶破壊が発生し易い波長変換素子１３の後半における赤外光１１のビーム径があまり変わらず、緑色光１４の出力を向上する効果は僅かとなる。これに対し、Ｍ２を増加させる場合、ＮＡを維持しながら赤外光１１のビーム径を拡大することができるので、緑色光１４の出力を向上する効果を有効に得ることができる。したがって、赤外光１１のビーム径を拡大する方法としては、Ｍ２の増加が望ましい。
【００７９】
また、単にビーム径を拡大する場合、波長変換素子１３内全体において光強度が激しく低下するため、変換効率の低下が激しい。上述のように、波長変換素子１３の結晶破壊は、波長変換素子内で発生する光（緑色光）のうち和周波（紫外光）により吸収されるものの光強度の増加に起因するものである。したがって、和周波による吸収の小さい波長変換素子１３の入斜面１６側において赤外光１１のビーム断面を小さくして緑色光１４の変換効率を有効に確保する一方、和周波による吸収が大きくなる波長変換素子１３の後半における赤外光１１のビーム径を拡大することにより和周波による緑色光１４の吸収を抑制して、高効率の波長変換が可能となり、緑色光の出力を向上することができる。
【００８０】
さらに、前記実施形態において、前記レーザ光源１０から赤外光１１をパルス発振した場合、前記波長変換素子内の電界強度を高めることができるので、電界強度に比例する波長変換効率も向上することが可能となる。さらに、赤外光１１をパルス発振した場合には、波長変換素子１３の後半における赤外光１１の出力を低く抑えることが可能となり、赤外光強度に比例して紫外光の発生を軽減することができ、結晶破壊を引き起こす閾値となる緑色光１４の出力を大きくすることができる。
【００８１】
また、パルス発振された赤外光１１を用いて波長変換を行う場合、赤外光１１の平均出力が低くてもピーク光強度を高くできるため、緑色光１４への変換効率だけでなく、紫外光への変換効率も高くなる。したがって、紫外光による緑色光１４の吸収を軽減する方法を採用した前記実施形態においては、赤外光１１を連続光として発振する場合よりも緑色光１４の吸収による波長変換効率の低下をより有効に抑制することができ、緑色光１４の出力をより大きくすることができる。
【００８２】
前記実施形態では、赤外光を基本波として緑色光である第２高調波を得る構成を例示した。ここで、７００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の波長を有する基本波を波長変換素子に入射し、第２高調波を発生させる場合においても、基本波と第２高調波の和周波として発生する第３高調波が、その第２高調波の吸収を引き起こすことが分かっている。このような波長変換を行う場合においても、前記実施形態に係る波長変換装置を利用すれば、波長変換素子の結晶破壊を抑制しつつ高出力の第２高調波を得ることができる。
【００８３】
また、４５０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長を有する基本波を波長変換素子に入射し、その第２高調波を発生させる場合においても、第２高調波が基本波を吸収することが分かっている。図９に示す波長変換装置は、図１に示す波長変換装置と比べて、波長変換素子１３の後半における第２高調波のピーク光強度を半分以下（図６、図１２参照）にすることができるので、前記のような波長変換を行う場合においても波長変換素子の結晶破壊を抑制しつつ高出力の第２高調波を得ることができる。１２００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下の波長を有する基本波を波長変換素子に入射し、その第２高調波を発生させる場合についても、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ことになるが、同様に図９に示す波長変換装置を有効に活用することができる。
【００８４】
更に、１２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長を有する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高調波の和周波として発生する第５高調波が、その第４高調波の吸収を引き起こすことが知られている。また、１２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長を有する基本波を波長変換素子に入射し、第２高調波と第３高調波の両方を発生させる場合、第２高調波と第３高調波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ことが知られている。そのため、これらの場合についても、図９に示す波長変換素子を有効に活用することができる。
【００８５】
更に、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの非線形光学結晶からなる波長変換素子は、結晶の組成比、添加物の種類、添加物の添加量、又は入射させる基本波の波長が異なることに応じて、波長変換素子内で発生する現象が異なるという特性を有する。具体的に、波長変換素子内においては、高調波の吸収や２光子吸収などが生じる場合があり、このような場合にも図９に示す波長変換素子を有効に活用することができる。
【００８６】
つまり、図６及び図１２から分かるように、図９に示す波長変換装置では、図１に示す構成と比較して、第２高調波の光強度を軽減することが可能となる。波長変換素子１３に用いられる材料の組成や波長変換する光の波長によって様々な光の吸収があるが、図９に示す波長変換装置によれば、入射する基本波の第２高調波である光の光強度が低下することで光吸収量が減少するすべての場合に、波長変換素子１３の発熱を軽減するとともに、高出力の緑色光１４を得ることができる。ここで、第２高調波の光強度を低下させることで光吸収量が減少する光吸収としては、例えば、第２高調波の２光子吸収が挙げられる。つまり、第２高調波となる光に対して２光子吸収が発生するような波長変換材料を用いた場合、図９に示す波長変換装置によって、高出力化することが可能となる。
【００８７】
また、図６、図１２から分かるように、図９に示す波長変換装置では、第３高調波の光強度を軽減することも可能となる。波長変換素子１３に用いられる材料の組成や波長変換する光の波長によって様々な光の吸収があるが、図９に示す波長変換装置によれば、基本波と第２高調波との和周波として生じる第３高調波である光の光強度が低下することで光吸収量が減少するすべての場合に、波長変換素子１３の発熱を軽減し、高出力の緑色光１４を得ることができる。ここで、第３高調波の光強度を低下させることで光吸収量が減少する光吸収としては、例えば、第３高調波の２光子吸収が発生するような波長変換材料を用いた場合、図９に示す波長変換装置によって、高出力化することが可能となる。
【００８８】
図２２は、波長変換素子の平均温度とビームパス部分との温度差と、波長変換素子の位置との関係を示している。例えば、第２高調波の２光子吸収が波長変換素子の結晶破壊に大きく寄与する場合、平均温度とビームパス部分との温度差は、図２２のように分布する。図２２において、赤外光１１が波長変換素子１３の中心において最適なビーム径で集光した場合の温度差を符号２２で示す。また、赤外光１１の集光位置と波長変換素子１３の入射面１６との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の３５％となるときの温度差を符合２３で示す。さらに、赤外光１１の集光位置と波長変換素子１３の入射面１６との距離が波長変換素子１３の長さ寸法の２０％となるときの温度差を符号２４で示す。
【００８９】
図２２を参照して、温度差２３は、温度差２２に比べて約２０％低くなるため、図９の波長変換装置は、図１の波長変換装置に比べて約１０％以上緑色光１４の出力を向上することが可能となる。また、温度差２４は、温度差２２に比べて約６０％低くなるため、図９の波長変換装置は、図１の波長変換装置と比べて約３０％以上緑色光１４の出力を向上することが可能となる。
【００９０】
前記実施形態に係る波長変換素子としては、バルク型波長変換素子やスラブ導波路型波長変換素子を用いることができる。前記実施形態では、バルク型波長変換素子について示したが、スラブ導波路型波長変換素子を用いる場合について以下説明する。
【００９１】
スラブ導波路型波長変換素子には、赤外光の光軸と直交する一の方向（以下、長手方向と称す）に長く、この長手方向と直交する他の方向（以下、短手方向と称す）の短い断面を有する導波路が形成されている。このスラブ導波路型波長変換素子を用いる場合、前記短手方向については、波長変換素子の入射面に赤外光を集光する。一方、前記長手方向について、従来では、スラブ導波路型波長変換素子の入射面に赤外光をあまり集光せずにほぼ平行光として入射していた。そして、前記実施形態では、上述のように、赤外光１１を波長変換素子の中央位置よりも入射面側で集光することとしているため、従来に比べて高出力な波長変換が可能となる。特に、スラブ導波型波長変換素子では、バルク型波長変換素子に比べて光強度が高まり易いため、前記長手方向について、赤外光の集光位置を波長変換素子の入射面寄りの位置として赤外光を入射することにより、数Ｗを超える波長変換が可能となる。また、スラブ導波路型波長変換素子を用いる場合、発熱箇所が前記長手方向に広がるため、放熱にも適している。
【００９２】
また、従来では、スラブ型波長変換素子を用いるに当たり、前記長手方向のビーム径を拡大し、波長変換素子内の光強度を低下させて局所的な発熱を軽減することにより、緑色光の出力の向上を図っていた。しかし、バルク型波長変換素子と同様に、単にビーム径を拡大する場合、波長変換素子内全体において光強度が激しく低下するため、変換効率の低下が激しい。一方、前記実施形態のように、波長変換素子の結晶破壊は、波長変換素子内で発生する光（緑色光）のうち和周波（紫外光）により吸収されるものの光強度の増加に起因するものである。したがって、和周波による吸収の小さい波長変換素子の入斜面側において赤外光のビーム断面を小さくして緑色光の変換光率を有効に確保する一方、和周波による吸収が大きくなる波長変換素子の後半における赤外光のビーム径を拡大することにより和周波による緑色光の吸収を抑制して、高効率の波長変換が可能となり、緑色光の出力を向上することができる。
【００９３】
（実施形態２）
図２３は、本発明の実施形態２に係る波長変換装置を示す概略図である。実施形態２に係る波長変換装置は、複数の波長変換素子を使用する。これにより、波長変換せずに一つ目の波長変換素子から出射する基本波ついて、二つ目の波長変換素子により再び波長変換を行うことができる。したがって、波長変換素子を一つだけ用いた波長変換装置に比べて波長変換の効率を向上することが可能となる。
【００９４】
具体的に、図２３には、二つの波長変換素子を用いた波長変換装置を示す。この波長変換装置は、レーザ光源２５と、このレーザ光源２５からの赤外光２６を集光するための集光レンズ２７と、集光レンズ２７により集光された赤外光２６を緑色光３１に変換するための波長変換素子２８と、波長変換素子２８から出射された光を平行光にするためのコリメートレンズ２９と、緑色光３１を反射するとともに赤外光２６を透過させる分離ミラー３０と、分離ミラー３０からの赤外光２６を集光する集光レンズ３２と、集光レンズ３２により集光された赤外光２６を緑色光に変換するための波長変換素子３３とを備えている。なお、レーザ光源２５、集光レンズ２７は、実施形態１（図９）に示した、レーザ光源１０、集光レンズ１２と同一の構成である。
【００９５】
レーザ光源２５から出射した赤外光２６は、集光レンズ２７により集光されるとともに、波長変換素子２８に入射する。波長変換素子２８から出射された緑色光及び赤外光は、コリメートレンズ２９によって平行光に変換される。そして、緑色光は、分離ミラー３０において反射する一方、赤外光は、分離ミラー透過する。分離ミラー３０を透過した赤外光は、集光レンズ３２により集光されて、波長変換素子３３に入射して、再度、波長変換される。
【００９６】
具体的に、レーザ光源２５は、１０Ｗの赤外光２６を出射する。
【００９７】
波長変換素子２７は、実施形態１と同様に、ニオブ酸リチウムからなり、２６ｍｍの長さとされている。そして、赤外光２６の集光位置は、波長変換素子２７の入射面から約２ｍｍ内側に設定されている。その結果、波長変換素子２７からは、約３Ｗの緑色光と約７Ｗの赤外光とが出射する。
【００９８】
分離ミラー３０により緑色光が分離されて残った約７Ｗの赤外光は、二つ目の波長変換素子３３に入射する。波長変換素子３３は、波長変換素子２７と同様に、ニオブ酸リチウムからなり、２６ｍｍの長さとされている。そして、赤外光の集光位置は、波長変換素子３３の長さ方向の中央位置から約４ｍｍ入射面側の位置であり、かつ、波長変換素子３３の入射面から約９ｍｍの位置である。その結果、波長変換素子３３からは、約２．５Ｗの緑色光が出射する。そして、二つの波長変換装置２７、３３から出射する緑色光の出力は、あわせて５．５Ｗとなる。
【００９９】
本実施形態では、二つの波長変換素子２７、３３を有するとともに、一つ目の波長変換素子２７及び二つ目の波長変換素子３３に入射する赤外光の出力がそれぞれ異なり、このように異なる赤外光の出力にあわせて、赤外光の集光位置を波長変換素子２７、３３ごとに異なるものとしたことを特徴としている。その結果、波長変換装置全体としての波長変換の効率を高くすることが可能となる。
【０１００】
ただし、三つ以上の波長変換素子を用いた場合であっても、同様に、波長変換素子ごとに、入射する赤外光の集光位置を変えることにより、波長変換装置全体としての波長変換の効率化を図ることが可能であることは言うまでもない。
【０１０１】
また、一つの波長変換素子内に複数の光路を設けた波長変換装置においても、光路ごとに集光状態を変えることで、本実施形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【０１０２】
（実施形態３）
図２４は、本発明の実施形態３に係る波長変換装置を示す概略図である。本実施形態の波長変換装置では、レーザ光源３４から出射された赤外光３５を、レンズを通さずに波長変換素子３６に入射して、緑色光３７に変換するように構成されている。本実施形態に係る波長変換装置では、レーザ光源３４から赤外光３５が放射光として出射するため、波長変換素子３６の入射面において赤外光３５が最も集光した状態となり、上述した実施形態と同様の効果を奏することができる。
【０１０３】
そして、本実施形態では、赤外光３５を集光するための部材を省略することにより、部品点数を減らすことができるので、より低コストで小型の装置を構成することができる。また、本実施形態では、赤外光の光学的な距離を短縮できるため、波長変換装置の小型化が可能となる。更に、レーザ光源３４と波長変換素子３６とを直接接合することにより、レーザ光源３４と波長変換素子３６とを他の構成を介して接続する場合と比較して、緑色光の出力を安定性が大幅に向上する。
【０１０４】
なお、更に望ましくは、レーザ光源３４と波長変換素子３６との間にＧＲＩＮレンズを設置することができる。このようにすれば、ＧＲＩＮレンズの端面に赤外光３５を集光することができるので、波長変換素子３６の端面とＧＲＩＮレンズの端面とを突き合わせることにより、赤外光３５の集光位置を波長変換素子３６の端面に正確に位置決めすることができ、緑色光を安定して得ることができる。
【０１０５】
レーザ光源３４としては、赤外光３５の発振効率が高い、ＹＡＧレーザ等の固体レーザや、Ｙｂ、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を用いることができる。
【０１０６】
（実施形態４）
図２５は、本発明の実施形態４に係る波長変換装置を示す概略図である。本実施形態の波長変換装置は、レーザ光源１０と、レーザ光源１０からの赤外光１１を集光するための集光レンズ１２と、集光レンズ１２により集光された赤外光１１を緑色光に変換するための波長変換素子４０と、この波長変換素子４０を挟んで配置された一対の凹面ミラー３８、３９とを備えている。
【０１０７】
本実施形態に係る波長変換装置において、レーザ光源１０から出射した赤外光１１は、集光レンズ１２に入射し、凹面ミラー３８、３９からなる反射鏡間に設置された波長変換素子４０に入射する。
【０１０８】
凹面ミラー３８には、赤外光及び緑色光をともに反射するためのコーティングが施されている。また、凹面ミラー３９には、赤外光を反射し、緑色光を透過するためのコーティングが施されている。
【０１０９】
前記レーザ光源１０から出射された赤外光１１のうちの一部は、波長変換素子４０において緑色光に変換され、変換されずに残った赤外光は、凹面ミラー３８、３９間を複数回往復する。つまり、各凹面ミラー３８、３９の間には、波長変換素子４０を通過する赤外光１１の光路が複数設定されている。
【０１１０】
具体的に、赤外光１１の集光位置４１は、波長変換素子４０の中央位置よりも入射端寄りとなるように設定されている。したがって、レーザ光源１０から凹面ミラー３９までの第一の光路においては、１Ｗ以上の高い出力の緑色光を得る場合であっても、波長変換素子４０の結晶破壊の発生を抑制することができる。これにより、凹面ミラー３９よりも後の光路における波長変換効率が低下することを防ぐことが可能となる。赤外光１１の集光位置４１を波長変換素子４０の入射面付近に設定するための方法としては、１Ｗ程度の赤外光を波長変換素子４０に入射し、第一の光路の緑色光の出力が最大となるように赤外光１１の集光位置及び波長変換素子４０の温度を最適化する。その後、波長変換素子４０を出射端側にずらすことで、赤外光１１の集光位置を容易に波長変換素子４０の入射側に設定することが可能となる。
【０１１１】
次に、凹面ミラー３９により反射した赤外光が凹面ミラー３８から再び凹面ミラー３９に向かう第二の光路について検討する。レーザ光源１０からの赤外光１１の出力が高く、前記第二の光路において生じる緑色光が１Ｗを超える場合は、第二の光路の集光位置４３を波長変換素子４０の入射面寄りに設定することが好ましい。これにより、第二の光路に対応する箇所においても、波長変換素子４０の結晶破壊を抑制することができ、その結果、高出力の緑色光を得ることができる。
【０１１２】
さらに、第二の光路から凹面ミラー３９により反射した赤外光が凹面ミラー３８により反射して凹面ミラー３９に向かう第三の光路について検討する。第三の光路についても、第一の光路及び第二の光路と同様に、第三の光路において生じる緑色光が１Ｗを超える場合は、集光位置４２を波長変換素子４０の入射面寄りに設定することが好ましい。その結果、高出力の緑色光を得ることができる。
【０１１３】
ただし、第一の光路において１Ｗを超える緑色光を発生させるとともに、第二、第三の光路で１Ｗを超える緑色光を発生させない場合には、集光位置４１を波長変換素子入射面寄りに設定し、集光位置４２、４３を波長変換素子４０の中央付近に設定することができる。これにより、波長変換素子４０の結晶破壊を有効に阻止しながら、波長変換効率を高めることが可能となる。
【０１１４】
また、第二の光路以降における変換効率の低下を防ぐため、第一の光路において生成される緑色光出力を１Ｗ以下に抑えることが更に望ましい。例えば、図２５に符号４４で示す波長変換素子４０の一部を、分極反転部を形成しない部分とすることにより、第一の光路における波長変換効率を低下させることができる。これによって、第一の光路における緑色光の出力を減らすことができる。
【０１１５】
本実施形態では、第一の光路において波長変換されずに残った赤外光を、第二及び第三の光路において複数回波長変換することができるため、第一の光路における変換効率を低下させても、最終的な変換効率の低下は少ない。そして、本実施形態では、波長変換素子４０に設定された複数の光路においてそれぞれ波長変換を行うことができるので、波長変換素子４０に設定された光路が一本の場合よりはるかに高効率な波長変換が可能となる。
【０１１６】
本発明では、高効率かつ高出力の波長変換が可能となる。更に、ビーム径方向について波長変換素子の温度上昇を軽減することにより、基本波や波長変換により生成した光のビーム劣化を防ぐことが可能となる。
【０１１７】
また、本発明では、基本波の伝搬方向に発生する温度分布を軽減し、出力変動が少なく、安定した波長変換が可能となる。
【０１１８】
ところで、高効率を目指した図１に示す構成では、波長変換素子４内における赤外光２及び緑色光５のビームパスが一致している。そのため、図２６に示すように、赤外光２の光強度１８、２０及び緑色光５の光強度１９は、それぞれビーム中心で最大となる。そのため、赤外光２、緑色光５の光強度に比例して発生量が増加する紫外光は、特に、ビーム中心において増大する。このように、緑色光の光強度増加とともに紫外光の発生量が増加するため、前記紫外光による緑色光５の吸収が発生の程度が大きくなり、結晶破壊を引き起こす。また、図２７に示すように、紫外光の光強度増加に伴い緑色光５の吸収率が増加することが実験にて確認された。したがって、波長変換素子４に入射した赤外光２と波長変換素子４内で発生した緑色光５との重なりを軽減することにより、前記結晶破壊が抑制されると考えられる。なお、図２において、符号１８は、波長変換素子４に入射前の赤外光の光強度であり、符号１９は、波長変換素子４内で生成した緑色光５の光強度であり、符号２０は、波長変換素子４を通過した後の赤外光２の光強度である。
【０１１９】
（実施形態５）
図２８は、本発明の実施形態５に係る波長変換装置を示す概略図である。実施形態５に係る波長変換装置は、レーザ光源４８と、レーザ光源４８からの赤外光４９をドーナツ型のビームに変換するための円錐レンズ５１と、円錐レンズ５１からの赤外光４９を平行光にするための円錐レンズ５２と、円錐レンズ５２からの赤外光４９を集光する凸レンズ５３と、凸レンズ５３により集光された赤外光４９を緑色光５６に変換するための波長変換素子５０と、波長変換素子５０から出射された光を平行光に変換するための凸レンズ５４とを備えている。
【０１２０】
レーザ光源４８から出射した赤外光４９は、向かい合った二枚の円錐レンズ５１、５２に入射されることにより、光強度の高い部分がビーム中心からビーム周辺に移されたドーナツ型（円環型）のビームに変換される。つまり、赤外光４９は、ビーム断面の光強度分布が周縁部に偏ったビームに変換される。このドーナツ型のビームは、凸レンズ５３により集光し、波長変換素子５０に入射する。波長変換素子５０から出射した赤外光４９及び緑色光５６は、凸レンズ５４によって平行光に変換される。
【０１２１】
図２９は、円錐レンズ５１、５２による赤外光の光強度分布の変換について説明するための概略図である。円錐レンズ５１、５２は、それぞれ円錐面の傾斜角がθ、屈折率がｎに設定されたものであり、両レンズ５１、５２間の距離は、ｄとされている。円錐レンズ５１の出射角（内角）θ１は、円錐面の傾斜角θとなることから、円錐レンズ５１の出射角（外角）θ２は、ｓｉｎ−１（ｎ×ｓｉｎθ）となり、円錐レンズ５２に到達する赤外光４９のビーム径Ｒ’は、ｄ×ｔａｎ（ｓｉｎ−１（ｎ×ｓｉｎθ）−θ）となる。よって、レンズ間距離ｄを変えることで任意のＲ’が得られる。また、Ｒ’を調節することでドーナツ部分の内径と外径の比も任意に調整することが可能である。例えばＲ’が１．５Ｒとなるようにｄを設定したとき、球面レンズに入射する基本波の光強度分布は、図３０のようになる。このようにドーナツ形状の光強度分布をもつ赤外光レーザ（ドーナツビーム）５５は、凸レンズ５３により集光され、前記波長変換素子５０に入射する。
【０１２２】
次に、図３１を用いて、波長変換素子５０内における赤外光と緑色光との関係について説明する。本実施形態では、波長変換素子５０の前部の領域５７においてドーナツビーム５５を集光する。ドーナツビーム５５は、集光位置において、ビーム中心に高いピーク強度を有することが知られている。そして、波長変換素子５０内では、前記ドーナツビーム５５の高いピーク強度を有するビーム中心において、ビーム中心にピーク強度を持つ緑色光５６が生成される。赤外光よりも波長が短い緑色光は、赤外光より広がり角が小さく、波長変換素子５０の後半の領域５８において赤外光の内側を伝播することになる。このため、本実施形態では、緑色光と赤外光との重なりを軽減し、紫外光による緑色光の吸収を防ぐことが可能となる。領域５８において生成された緑色光は、赤外光に近い広がり角を持つが、ガウシアンビームに比べ、同出力でのピーク光強度が低い。具体的に、例えば、Ｒ’＝１．５Ｒの場合、同出力のガウシアンビームに比べてピーク光強度は、０．１８倍となるため、１０Ｗ程度の緑色出力時においても、結晶破壊を起こさず波長変換が可能であると考えられる。
【０１２３】
つまり、波長変換素子５０の前部５７の領域では、ピーク光強度が高いため、素子後部５８に比べて波長変換効率が高いが、光強度が集中するビーム中心部分での結晶破壊が低出力波長変換時においても起こり易い。一方、波長変換素子５０の後部５８の領域では、高出力時でも結晶破壊が起こりにくいが、光強度が低いため波長変換効率が低い。このため、必要となる緑色光の出力に応じて、素子前部５７と素子後部５８の割合を最適化することが望ましい。
【０１２４】
本実施形態では、円錐部を有する二枚のレンズを使用する方法を用いたが、これは、ガウシアンビームをドーナツビームに変換する方法の一つであり、他のドーナツビーム生成方法を用いることが可能であることは言うまでもない。しかし、向かい合った二つの円錐部によるドーナツビーム生成方法は、円錐部の距離を調整することにより、図３１においてＬで示した部分の長さを任意に調節することが可能となる。つまり、素子前部５７と素子後部５８の割合を最適化することが可能となる。このため、円錐レンズの距離を調整することにより、任意の緑色出力に対し、変換効率の最適化が可能となる。
【０１２５】
また、分極反転周期構造を備えた波長変換素子を用いて、擬似位相整合を行う場合において、素子後部５８では、赤外光の光強度が高い部分において、分極反転周期に対して波面が傾くため、位相整合周期が短くなる。よって、素子前部５７と素子後部５８で素子温度を独立に調節することが好ましい。具体的には、素子前部５７と素子後部５８とにそれぞれヒータを設け、これらヒータを用いて温度調整を行うことができる。また、図３１にも示すように、前記位相整合周期の相違に応じて、素子後部５８の分極反転周期を、素子前部５７よりも短く設定しておくことも可能である。
【０１２６】
また、レーザ光源４８から赤外光４９をパルス発振することが好ましい。このようにすれば、波長変換素子５０内における電界強度が高めることができる。ここで、非線形光学結晶を用いた波長変換効率は、基本波の電界強度に比例するため、赤外光４９をパルス発振することにより、前記波長変換素子５０による波長変換の最大出力だけでなく、波長変換の効率の向上も可能となる。
【０１２７】
更に、電界印加により分極反転構造を形成した波長変換素子を用いる場合、分極反転構造の形成範囲が制限されるため、均一な波長変換効率を得るために赤外光４９を照射しなければならない領域の幅は、わずか２００μｍ程度である。よって、ビーム径が２００μｍを超えるドーナツビームを用いる場合、波長変換時の効率が低下する。これを回避するため、ビーム径が２００μｍを超えるドーナツビームを入射させる場合には、円柱レンズを用いてビームを楕円形状に変換することが望ましい。
【０１２８】
さらに、本実施形態における波長変換素子５０として、酸化マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムまたは、タンタル酸リチウムを用いることにより、高効率で波長変換が可能となる。
【０１２９】
次に、本実施形態に係る波長変換装置を用いた実験結果を説明する。波長変換素子５０は、酸化マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムからなり、素子長２６ｍｍを有するとともに、周期７μｍの分極反転構造が形成されたものである。レーザ光源４８は、１０６４ｎｍの赤外光を出射し、緑色光５６の出力が最大となるように波長変換素子５０の温度を調節した。図３２は、波長変換素子５０から出射した赤外光の光強度分布を示すグラフである。図３３は、波長変換素子５０内で生成された緑色光５６の光強度分布を示すグラフである。図３２及び図３３に示すように、ビーム周縁部において高い光強度をもつドーナツビーム５５を波長変換素子５０に入射することにより、ビーム中心の光強度の高い緑色光５６が得られることが確認された。以上のように、前記実施形態に係る波長変換装置では、高出力の緑色光を得る際において、赤外光と緑色光との重なりを低減することにより、紫外光による緑色光の吸収を軽減することができるので、結晶破壊を起こさず高出力の緑色光を得ることが可能と考えられる。
【０１３０】
なお、図１に示す波長変換装置においては、波長変換素子４の長さが２６ｍｍの場合、波長変換素子４の温度が±０．３度変化することにより、波長変換効率が８割以下に低下してしまう問題があった。しかし、本実施形態に係る波長変換装置では、前記結晶破壊の回避と同時に、波長変換効率の温度安定性も向上することが分かった。
【０１３１】
図３４は、波長変換効率と素子温度の関係を示すグラフである。図１に示す波長変換装置における波長変換効率と素子温度との関係をライン５９で示す。一方、本実施形態に係る波長変換装置における波長変換効率と素子温度との関係をライン６０で示す。波長変換効率が最適温度時の８割を超える温度幅は、ライン５９について０．６℃程度であるのに対し、ライン６０については２℃程度に拡大したことが分かる。
【０１３２】
（実施形態６）
図３５は、本実施形態に係る波長変換装置を示す概略図である。本実施形態に係る波長変換装置は、前記実施形態５に示す円錐レンズ５１、５２に代えて、波長変換素子６５の両端面に円錐部が形成されている。
【０１３３】
具体的に、波長変換装置は、レーザ光源６１と、レーザ光源６１からの赤外光６２を緑色光６４に変換するための波長変換素子６５とを備えている。
【０１３４】
レーザ光源６１は、ガウシアンビームで平行光の赤外光６２を出射する。
【０１３５】
波長変換素子６５は、入射面と出射面に円錐部を有する。入射側の円錐部は、レーザ光源６１からの赤外光６２をドーナツ型のビームに変換するとともに、このビームを集光させるように構成されている。一方、出射側の円錐部は、波長変換素子６５から出射するドーナツ型の赤外光６２を平行光に変換するように構成されている。そのため、入射面の円錐部の頂点がビーム中心上に位置するよう赤外光を入射させ、出射面に入射面と同様の円錐部を設けることにより、波長変換素子内における赤外光の光強度の分布は、実施形態５と同等となり、同様の効果が得られる。
【０１３６】
本実施形態では、実施形態５に比べて使用するレンズが少なくすることができるので、よりコストを低減することができるという利点を有する。
【０１３７】
（実施形態７）
図３６は、本実施形態に係る波長変換装置を示す概略図である。本実施形態に係る波長変換装置は、共通の波長を有するレーザ光をそれぞれ出射可能な一対のレーザ光源６６、６６と、これらレーザ光源６６、６６からの赤外光６７を緑色光６９に変換するための波長変換素子６８とを備えている。
【０１３８】
本実施形態に係る波長変換装置は、各赤外光光源６６からの赤外光６７を波長変換素子６８内で交差させるように構成されている。各赤外光６７、６７の交差部分において生成された緑色光６９は、二つの赤外光６７、６７の間を伝搬する。そのため、素子後半における赤外光６７、６７と緑色光６９との重なりを低減することができるので、波長変換素子６８内において赤外光６７、６７と緑色光６９との和周波である紫外光が生成されるのを抑制することができる。したがって、実施形態５、６と同様に、結晶破壊を起こさず生成可能な緑色光の出力を増大させることができる。
【０１３９】
本実施形態に係る波長変換装置では、二つの赤外光６７、６７の重なる位置よりも後方にそれぞれのビームウエストが来るよう集光することにより、数Ｗ程度の緑色光を得る場合において、高い変換効率を実現する。
【０１４０】
また、本実施形態と同様に、三つ以上のレーザ光源を用いた場合について、同様の効果を得られることができる。
【０１４１】
さらに、一つのレーザ光源から出射された赤外光をプリズム等を用いて、複数の光路に向かう赤外光レーザに分岐させて、これらの光路を波長変換素子内で交差させるようにすることもできる。このようにすれば、同様の効果を得ることができる。
【０１４２】
（実施の形態８）
図３７は、実施の形態１〜７で示した波長変換装置を適用した実施の形態８に係る画像表示装置の模式的な構成の一例を示す図である。光源には赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の３色のレーザ光源７１ａ，７１ｂ，７１ｃを用いている。赤色レーザ光源（Ｒ光源）７１ａには波長６４０ｎｍの光ビームを出射するＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ装置が用いられる。青色レーザ光源（Ｂ光源）７１ｃには波長４５０ｎｍの光ビームを出射する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（Ｇ光源）７１ｂには赤外レーザ光の波長を１／２にする波長変換素子を具備した波長５３０ｎｍの光ビームを出射する波長変換装置が用いられる。
【０１４３】
図３７に示すように、本実施の形態８の画像表示装置７０は、複数のレーザ光源７１ａ，７１ｂ，７１ｃと、レーザ光源７１ａ，７１ｂ，７１ｃから出射された光ビームを走査する反射型２次元ビーム走査部７２ａ，７２ｂ，７２ｃとを備えている。レーザ光源７１ａ，７１ｂ，７１ｃは、少なくとも赤色光（Ｒ光）、緑色光（Ｇ光）及び青色光（Ｂ光）をそれぞれ出射する。これらのレーザ光源７１ａ，７１ｂ，７１ｃのうち、少なくとも緑色光を出射するレーザ光源７１ｂは、上記で説明した実施の形態１〜７で示した波長変換装置を用いて構成される。
【０１４４】
次に、本実施の形態８の画像表示装置７０のレーザ光源を用いて画像を形成する光学系の構成について説明する。画像表示装置７０のＲ、Ｇ及びＢの各レーザ光源７１ａ，７１ｂ，７１ｃから出射されたレーザビームは、集光レンズ７９ａ，７９ｂ，７９ｃにより集光された後、反射型２次元ビーム走査部７２ａ，７２ｂ，７２ｃにより拡散板７３ａ，７３ｂ，７３ｃ上に走査される。
【０１４５】
拡散板７３ａ，７３ｂ，７３ｃによって拡散されたレーザビームは、フィールドレンズ７４ａ，７４ｂ，７４ｃによって絞られ、空間変調素子７５ａ，７５ｂ，７５ｃに入射する。画像データはＲ、Ｇ及びＢそれぞれのデータに分割されており、各データは空間変調素子７５ａ，７５ｂ，７５ｃに入力される。空間変調素子７５ａ，７５ｂ，７５ｃによって変調されたレーザビームは、ダイクロイックプリズム７６で合波され、カラー画像が形成される。このように合波したカラー画像は、投射レンズ７７によりスクリーン７８に投影される。ただし、Ｇ光源７１ｂから空間光変調素子７５ｂに入射する光路中には、空間変調素子７５ｂでのＧ光のスポットサイズをＲ光やＢ光と同じにするための凹レンズ７９が挿入されている。
【０１４６】
このように、本実施の形態８の画像表示装置７０において、レーザ光源部に本発明の実施の形態１〜７で示した波長変換装置を用いることにより、通常の半導体レーザ装置を用いた場合に比べて、高出力の緑色光を得る場合においても、波長変換素子の結晶破壊を抑制することが可能となる。
【０１４７】
（実施の形態９）
図３８は、実施の形態１〜７で示した半導体レーザ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９に係る画像表示装置の模式的な構成の一例を示す図である。図３８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。
【０１４８】
図３８に示すように液晶表示装置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（Ｒ光源）８２ａ、緑色のレーザ光を出射する緑色レーザ光源（Ｇ光源）８２ｂ及び青色のレーザ光を出射する青色レーザ光源（Ｂ光源）８２ｃで構成される。複数のレーザ光源８２のうち、少なくともＧ光源８２ｂは、上記で説明した実施の形態１〜７で示した波長変換装置を用いて構成される。
【０１４９】
ここでは、Ｒ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、Ｂ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、Ｇ光源８２ｂには赤外レーザ光の波長を１／２にする波長変換素子を具備した波長５３０ｎｍの光ビームを出射する波長変換装置が用いられる。
【０１５０】
次に、本実施の形態９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Ｒ光、Ｇ光及びＢ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３８に示す本実施の形態９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Ｒ光、Ｇ光及びＢ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Ｒ光、Ｇ光及びＢ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。
【０１５１】
このように、本実施の形態９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１〜９で示した波長変換装置を用いることにより、通常の半導体レーザ装置を用いた場合に比べて高出力の緑色光を得る場合であっても、波長変換素子の結晶破壊を抑制することができる。
【０１５２】
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。
【０１５３】
本発明の一局面に係るレーザ波長変換装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を波長変換するための波長変換素子とを備え、前記波長変換素子は、前記レーザ光に対して変換効率が最大となる最適集光条件を有し、前記レーザ光は、前記最適集光条件よりも変換効率が低下する低下集光条件となるように、前記波長変換素子に入射するものである。
【０１５４】
本発明によれば、基本波としてのレーザ光を波長変換素子に入射させて高調波を得るに当たり、レーザ光の低下集光条件が最適集光条件よりも変換効率が低いものとされているため、基本波と高調波との和周波の発生を抑制することができ、これによって波長変換素子の破壊が生じるのを抑制することができる。
【０１５５】
つまり、波長変換素子内において基本波と高調波との和周波が生じた場合、この和周波によって高調波が吸収され、この吸収箇所において波長変換素子が発熱して破壊する現象が確認されている。そして、本発明では、レーザ光の集光条件を最適集光条件から外すことにより、波長変換素子による変換効率を低下させることができるので、前記和周波の発生効率を低下させて波長変換素子の発熱を抑制することができる。
【０１５６】
また、波長変換素子の破壊の要因として、高調波からの２光子吸収による波長変換素子の発熱が考えられるが、本発明では、レーザ光の集光条件が最適集光条件と異なるものに設定されているため、高調波の光強度を低減して波長変換素子の発熱も抑えることができる。
【０１５７】
したがって、本発明によれば、波長変換素子の破壊を抑制しつつ、高出力の高調波を得ることができる。
【０１５８】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光を集光するための集光部材をさらに備え、前記集光部材は、前記レーザ光の光軸方向と平行する前記波長変換素子の長さ方向において、前記変換効率が最大となる最適位置と異なる位置に前記レーザ光を集光させるように構成されていることが好ましい。
【０１５９】
この構成によれば、レーザ光の集光位置を当該レーザ光の光軸方向に調整することにより、最適集光条件を満たさなくすることができる。
【０１６０】
具体的に、前記波長変換素子の少なくとも一部には、前記レーザ光に位相整合するように形成された分極反転構造が形成され、前記集光部材は、前記分極反転構造の前記長さ方向の中央位置よりも前記レーザ光源寄りに前記レーザ光を集光させるように構成されていることが好ましい。
【０１６１】
この構成によれば、波長変換素子内のレーザ光の光路のうち、集光位置の手前の光路よりも先の光路を長くすることができるので、波長変換素子内で発生する和周波に吸収される高調波を少なくすることができ、その結果、波長変換素子の発熱をより効果的に抑制することができる。
【０１６２】
つまり、前記集光位置よりも若干先の範囲で前記和周波の光強度が最も大きくなる一方、レーザ光の単位面積当たりの光強度は、前記集光位置から遠ざかるに従い小さくなる。そして、前記構成では、分極反転構造の中央位置よりも手前側に集光位置が設定されているので、レーザ光の集光位置を前記分極反転構造の中央位置に設定した場合と比較して、集光位置よりも先の範囲におけるレーザ光の光強度を大幅に小さくすることができる結果、和周波と高調波との重なり合いをより確実に抑制することができ、和周波による高調波の吸収を大幅に低減することができる。
【０１６３】
前記レーザ波長変換装置において、前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端部からの距離が、前記分極反転構造の前記長さ方向の寸法の４０％以下となる前記分極反転構造の内側位置に前記レーザ光を集光させるように構成されていることが好ましい。
【０１６４】
この構成によれば、レーザ光の集光位置を分極反転構造の中央位置に設定する場合と比較して、高調波の出力を１０％以上向上させることができる。
【０１６５】
前記レーザ波長変換装置において、前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端部からの距離が、前記分極反転構造の前記長さ方向の寸法の２５％以下となる前記分極反転構造の内側位置に前記レーザ光を集光させるように構成されていることが好ましい。
【０１６６】
この構成によれば、レーザ光の集光位置を分極反転構造の中央位置に設定する場合と比較して、高調波の出力を３０％以上向上させることができる。
【０１６７】
前記レーザ波長変換装置において、前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端面近傍に前記レーザ光を集光させるように構成されていることが好ましい。
【０１６８】
この構成によれば、分極反転構造の端面付近においてレーザ光の単位面積当たりの光強度が最大となり、分極反転構造内においては出射側へ向かうに従い光強度が小さくなる一方であるため、和周波と高調波との重なり合いをより確実に抑制することができる。
【０１６９】
前記レーザ波長変換装置において、前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端面よりも前記レーザ光源寄りに前記レーザ光を集光させるように構成されていることが好ましい。
【０１７０】
この構成においても、分極反転構造内におけるレーザ光の単位面積当たりの光強度は、出射側へ向かうに従い小さく一方であるため、和周波と高調波との重なり合いをより確実に抑制することができる。
【０１７１】
例えば、前記分極反転構造の入射側の端面からレーザ光源側に延びる突出部分を波長変換素子に形成し、前記突出部分に分極反転構造を形成しない構成とすれば、突出部分内にレーザ光の集光位置を設定することができる。
【０１７２】
前記レーザ波長変換装置において、集光部材は、前記最適集光条件を満たすためのＮＡの１．５倍以上のＮＡを有することが好ましい。
【０１７３】
この構成によれば、レーザ光の集光位置よりも先の範囲において発生する和周波の光強度を大幅に低減することができる。具体的に、赤外光を基本波として緑色光を得る場合に、最適集光条件におけるＮＡの１．５倍のＮＡを採用した場合には、和周波として発生する紫外光の光強度を約４５％低減することができる。
【０１７４】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光は、前記集光部材は、前記レーザ光を略楕円型の範囲に集光するように構成され、前記略楕円型の長軸の長さは、短軸の長さの１．１倍以上に設定されていることが好ましい。
【０１７５】
この構成によれば、幅寸法が比較的大きく、厚み寸法が小さく制限される波長変換素子においても、前記楕円型の長軸を幅寸法に沿わせるとともに短軸を厚み方向に沿わせることにより、限られた波長偏光素子内のスペースを有効に活用して高調波の高出力化を図ることができる。具体的に、長軸の長さを短軸の長さの１．１倍とすることにより、短軸の長さの半径を有する円と比較して断面積も約１．１倍にすることができるので、高調波の出力も約１．１倍増加させることができる。
【０１７６】
前記レーザ波長変換装置において、前記集光部材は、非点隔差をもって前記レーザ光を集光させることが好ましい。
【０１７７】
この構成によれば、レーザ光の強度が一箇所に集中するのを抑制することができるので、波長変換素子内において発生する和周波及び高調波の光強度を小さくすることができ、これにより、波長変換素子の破壊を抑制することができる。
【０１７８】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光源は、ビーム断面内における最大光強度が、同出力の最適集光条件となるガウシアンビームの光強度の０．９倍以下に設定されたレーザ光を出射するように構成されていることが好ましい。
【０１７９】
この構成によれば、レーザ光のビーム断面における最大光強度を低減することにより、波長変換素子内において発生する和周波及び高調波の光強度を小さくすることができ、これにより、波長変換素子の破壊を抑制しつつ高調波の高出力化を図ることができる。
【０１８０】
具体的に、前記構成では、ガウシアンビームの０．９倍の光強度に設定されているため、ガウシアンビームを波長変換素子に入射した場合と比較して、波長変換素子を破壊させる閾値となる高調波の光強度を約１０％高くすることができる。
【０１８１】
波長変換素子の構造を限定する趣旨ではないが、前記波長変換素子として、バルク型波長変換素子を採用することができる。
【０１８２】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光のＭ２は、１．２より大きいことが好ましい。
【０１８３】
この構成によれば、Ｍ２が最適集光条件を満たすための１．０ではなく１．２に設定されているので、ＮＡを維持しながら、集光位置におけるレーザ光のビーム径を大きくすることができる。そして、前記和周波による高調波の吸収量は、レーザ光の集光位置におけるビーム径が大きくなるに従い少なくなるため、前記構成とすることにより、波長変換素子の破壊をより有効に抑えることができる。
【０１８４】
前記レーザ波長変換装置において、前記波長変換素子を複数個有し、前記各波長変換素子の少なくとも１つにおいて、前記レーザ光の集光条件が前記低下集光条件に設定されていることが好ましい。
【０１８５】
この構成によれば、少なくとも１つの波長変換素子の破壊を抑制しながら、複数の波長変換素子を利用して高出力の高調波を得ることができる。例えば、前記構成では、二個の波長変換素子を用いて５Ｗを超える緑色光を、高効率で生成することができる。
【０１８６】
前記レーザ波長変換装置において、前記波長変換素子には、前記レーザ光の光路が複数設定され、前記各光路の少なくとも１つにおいて、前記レーザ光の集光条件が前記低下集光条件に設定されていることが好ましい。
【０１８７】
この構成によれば、共通の波長変換素子に設定された複数の光路のうちの少なくとも１つの光路において波長変換素子の発熱を抑制しながら、複数の光路を利用して高出力の高調波を得ることができる。例えば、前記構成では、二本の光路を用いて５Ｗを超える緑色光を、高効率で生成することができる。
【０１８８】
前記レーザ波長変換装置において、前記波長変換素子を挟んで配置された２枚の反射鏡をさらに備え、前記複数の光路は、各反射鏡の間に設定され、前記反射鏡のうちの少なくとも１枚は、前記レーザ光を集光しつつ反射するように構成されていることが好ましい。
【０１８９】
この構成によれば、２枚の反射鏡の間を繰り返しレーザ光が反射することにより、波長変換素子による波長変換を複数回行うことができる。しかも、各反射鏡の少なくとも１枚がレーザ光を集光するように構成されているので、この反射鏡による集光条件を前記最適集光条件と異なる条件に設定することにより、波長変換素子の破壊を抑制することができる。
【０１９０】
前記レーザ波長変換装置において、レーザ光源は、前記レーザ光を放射光として前記波長変換素子に入射することが好ましい。
【０１９１】
この構成によれば、基本波としてレーザ光を波長変換素子に入射させて高調波を得るに当たり、集光するための部材を介さずにレーザ光を波長変換素子に直接入射することとしているため、基本波と高調波との和周波の発生を抑制することができ、これによって波長変換素子の破壊が生じるのを抑制することができる。
【０１９２】
つまり、波長変換素子内において基本波と高調波との和周波が生じた場合、この和周波によって高調波が吸収され、この吸収箇所において波長変換素子が発熱して破壊する現象が確認されている。そして、本発明では、レーザ光が発散光として波長変換素子に入射しているため、基本波の光強度は、波長変換素子に入射した箇所で最も大きく、この箇所の付近における和周波の光強度が最も大きくなる。一方、発散光であるレーザ光の光強度は、波長変換素子を伝播するに従い小さくなるため、前記和周波と高調波との重なり合いを抑制することができ、和周波による基本波の吸収を大幅に低減することができる。
【０１９３】
したがって、本発明によれば、波長変換素子の破壊を抑制しつつ、高出力の高調波を得ることができる。
【０１９４】
具体的に、前記レーザ光源と前記波長変換素子とを直接接合することができる。
【０１９５】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光の低下集光条件は、前記レーザ光の集光位置よりも先の範囲において、前記レーザ光の光強度が複数個所に分布するように設定されていることが好ましい。
【０１９６】
この構成によれば、集光位置よりも先の範囲におけるレーザ光の光強度を複数個所に分布させることができるので、集光位置付近で最も光強度が高くなる和周波に対して基本波であるレーザ光が重なり合うのを抑制することができる。したがって、和周波に高調波が吸収されることによる波長変換素子の発熱を抑制することができ、波長変換素子の破壊を効果的に抑制することができる。
【０１９７】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光源と前記波長変換素子との間に設けられているとともに、前記レーザ光の光強度をドーナツ型に分布させるための分布部材をさらに備えていることが好ましい。
【０１９８】
この構成によれば、レーザ光をドーナツ型にすることにより、集光位置よりも先の範囲において和周波とレーザ光との重なり合いを抑制することができる。
【０１９９】
前記レーザ波長変換装置において、前記波長変換素子は、前記レーザ光源に向けて円錐型に突出する入射部を有し、前記入射部を、前記入射部を介して前記波長変換素子に入射する前記レーザ光の光強度をドーナツ型に分布させるとともに、前記レーザ光を前記波長変換素子内で集光させるように構成することもできる。このようにすれば、集光部材を設けることなくレーザ光を集光することができ、かつ、ドーナツ型に分布させることができるので、コストの低減を図ることができる。
【０２００】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光源を複数個備え、前記各レーザ光源は、共通の波長を有するレーザ光をそれぞれ出射可能で、かつ、それぞれのレーザ光の光路が互いに前記波長変換素子内で交差するように配置されている構成とすることもできる。
【０２０１】
この構成によれば、複数のレーザ光源から出射したレーザ光を波長変換素子内で集光させることができ、それぞれのレーザ光の光路は、互いの交差位置（集光位置）から先の範囲でそれぞれ別の方向に向くため、波長変換素子内で生じた和周波とレーザ光との重なり合いを抑制することができる。
【０２０２】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光源から出射したレーザ光を複数に分岐する分岐部材をさらに備えていることが好ましい。
【０２０３】
この構成によれば、例えば、分岐部材により１つのレーザ光源から出射したレーザ光を複数の光路に分岐し、各レーザ光の光路が波長変換素子内で交差するように前記各光路を調整する光学系を設けることにより、波長変換素子内にレーザ光を集光することができ、それぞれのレーザ光の光路は、互いの交差位置（集光位置）から先の範囲でそれぞれ別の方向に向くため、波長変換素子内で生じた和周波とレーザ光との重なり合いを抑制することができる。
【０２０４】
前記レーザ波長変換装置において、前記波長変換素子の少なくとも一部には、前記レーザ光を波長変換するための分極反転構造が形成され、前記レーザ光の集光位置は、前記レーザ光の入射側の端面から前記高調波の出射側の端面までの前記波長変換素子の長さ方向において、前記分極反転構造の中央位置よりもレーザ光源寄りに設定されていることが好ましい。
【０２０５】
この構成によれば、波長変換素子内のレーザ光の光路の集光位置の手前の光路よりも先の光路を長くすることができるので、波長変換素子内で発生する和周波に吸収されるレーザ光の光量を少なくすることができ、その結果、波長変換素子の発熱量をより効果的に抑制することができる。
【０２０６】
つまり、前記集光位置よりも若干先の範囲で前記和周波の光強度が最も大きくなる一方、レーザ光の単位面積当たりの光強度は、前記集光位置から遠ざかるに従い小さくなる。そして、前記構成では、分極反転構造の中央位置よりも手前側に集光位置が設定されているので、レーザ光の集光位置を前記分極反転構造の中央位置に設定した場合と比較して、集光位置よりも先の範囲におけるレーザ光の光強度を大幅に小さくすることができる結果、和周波とレーザ光との重なり合いをより確実に抑制することができ、和周波による高調波の吸収を大幅に低減することができる。
【０２０７】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光の集光位置付近の範囲と前記集光位置よりも先の範囲とで個別に前記波長変換素子の温度を調整可能な温度調整部材をさらに備えていることが好ましい。
【０２０８】
前記構成によれば、集光位置付近の範囲と集光位置よりも先の範囲とで波長変換素子を個別に温度調整することができるので、波長変換効率をより向上することができる。
【０２０９】
つまり、集光位置よりも先の範囲において和周波に高調波が吸収されると、波長変換素子が発熱し、この発熱の影響により分極反転構造の位相整合条件が乱されることがあるが、前記構成では、集光位置よりも先の範囲について波長変換素子の温度調整を行うことができるため、位相整合条件を適切なものに維持することができる。一方、集光位置付近の範囲については、基本波の光強度が最も高くなるため、波長変換に適した温度となるように波長変換素子の温度を適宜調整することができる。
【０２１０】
前記レーザ波長変換装置において、前記分極反転構造は、前記レーザ光の集光位置付近の範囲よりも前記集光位置の先の範囲の方が分極反転周期が短く設定されていることが好ましい。
【０２１１】
この構成によれば、レーザ光の集光位置よりも先の範囲について、分極反転構造の周期を波長変換に適した周期とすることができるので、波長変換の効率を向上することができる。つまり、前記集光位置よりも先の範囲においては、分極反転構造に対してレーザ光の波面が傾くことに起因して位相整合周期が短くなるが、前記構成では、集光位置よりも先の範囲について分極斑点周期が短くされているので、波長変換を効率的に行うことができる。
【０２１２】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光源は、前記レーザ光をパルス発振することが好ましい。
【０２１３】
この構成によれば、レーザ光源から連続波としてレーザ光を発信する場合と比較して、平均出力が低い場合でもピーク光強度を高くすることができるので、高調波の変換効率を高くすることができる。したがって、この構成によれば、レーザ光の集光条件を最適集光条件と異なるものとすることにより、波長変換素子の破壊を抑制しつつ、パルスレーザを発振することにより高調波の出力を向上することができる。
【０２１４】
前記レーザ波長変換装置において、前記波長変換素子の長さ寸法を３０ｍｍとした場合にレーザ光の集光位置におけるビーム半径を３０μｍとし、波長変換素子の長さ寸法を２６ｍｍとした場合にレーザ光の集光位置におけるビーム半径を２５μｍとすることができる。
【０２１５】
前記レーザ波長変換装置において、前記波長変換素子として、酸化マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウム、または、タンタル酸リチウムに対して、擬似位相整合のための周期的分極反転構造を形成した波長変換素子を採用することができる。
【０２１６】
前記レーザ波長変換装置において、高調波を平均出力２Ｗ以上生成するように構成することができる。
【０２１７】
前記レーザ波長変換装置において、４５０ｎｍから２０００ｎｍの波長を有するレーザ光を前記波長変換素子に入射して短波長化を行うように構成することができる。
【０２１８】
前記レーザ波長変換装置において、前記レーザ光源として、ＹＡＧレーザ等の固体レーザ、または、Ｙｂ、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を用いることができる。
【０２１９】
また、本発明の別の局面に係る画像表示装置は、複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源を用いてスクリーン上に画像を形成する光学系とを備え、前記複数のレーザ光源は、少なくとも赤色の光ビームを出射する赤色レーザ光源、緑色の光ビームを出射する緑色レーザ光源及び青色の光ビームを出射する青色レーザ光源を含み、前記各レーザ光源のうちの少なくとも緑色レーザ光源は、前記レーザ波長変換装置を有する。
【０２２０】
さらに、本発明の別の局面に係る画像表示装置は、液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルを背面側から照明するバックライト照明装置とを備え、前記バックライト照明装置は、少なくとも赤色の光ビームを出射する赤色レーザ光源、緑色の光ビームを出射する緑色レーザ光源及び青色の光ビームを出射する青色レーザ光源を含み、前記各レーザ光源のうちの少なくとも緑色レーザ光源は、前記レーザ波長変換装置を有する。
【産業上の利用可能性】
【０２２１】
本発明に係る構成を用いることにより、分極反転構造をもつ非線形結晶から、高出力の第２高調波を高い効率で得ることが可能である。また、緑色の第２高調波を出力する場合、コンパクトな緑色レーザ光源を実現可能となるため、コンパクトで、かつ、高出力の光源が要求される、液晶テレビのバックライト、プロジェクションテレビ、プロジェクタなどに有用である。
【手続補正２】
【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】
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光を波長変換するための波長変換素子とを備え、
前記波長変換素子は、前記レーザ光に対して変換効率が最大となる最適集光条件を有し、
前記レーザ光は、前記最適集光条件よりも変換効率が低下する低下集光条件となるように、前記波長変換素子に入射することを特徴とするレーザ波長変換装置。
【請求項２】
前記レーザ光を集光するための集光部材をさらに備え、
前記集光部材は、前記レーザ光の光軸方向と平行する前記波長変換素子の長さ方向において、前記変換効率が最大となる最適位置と異なる位置に前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項３】
前記波長変換素子の少なくとも一部には、前記レーザ光に位相整合するように形成された分極反転構造が形成され、
前記集光部材は、前記分極反転構造の前記長さ方向の中央位置よりも前記レーザ光源寄りに前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項４】
前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端部からの距離が、前記分極反転構造の前記長さ方向の寸法の４０％以下となる前記分極反転構造の内側位置に前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項５】
前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端部からの距離が、前記分極反転構造の前記長さ方向の寸法の２５％以下となる前記分極反転構造の内側位置に前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項４に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項６】
前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端面近傍に前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項７】
前記集光部材は、前記分極反転構造の入射側の端面と前記レーザ光源との間で前記レーザ光を集光させるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項８】
前記集光部材は、前記最適集光条件を満たすためのＮＡの１．５倍以上のＮＡを有することを特徴とする請求項２〜７の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項９】
前記集光部材は、前記レーザ光を略楕円型の範囲に集光するように構成され、
前記略楕円型の長軸の長さは、短軸の長さの１．１倍以上に設定されていることを特徴とする請求項２〜８の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１０】
前記集光部材は、非点隔差をもって前記レーザ光を集光させることを特徴とする請求項２〜９の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１１】
前記レーザ光源は、ビーム断面内における最大光強度が、同出力の最適集光条件となるガウシアンビームの光強度の０．９倍以下に設定されたレーザ光を出射するように構成されていることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１２】
前記波長変換素子は、バルク型波長変換素子からなることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１３】
前記レーザ光のＭ２は、１．２より大きいことを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１４】
前記波長変換素子を複数個有し、
前記各波長変換素子の少なくとも１つにおいて、前記レーザ光の集光条件が前記低下集光条件に設定されていることを特徴とする請求項１〜１３の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１５】
前記波長変換素子には、前記レーザ光の光路が複数設定され、
前記各光路の少なくとも１つにおいて、前記レーザ光の集光条件が前記低下集光条件に設定されていることを特徴とする請求項１〜１４の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１６】
前記波長変換素子を挟んで配置された２枚の反射鏡をさらに備え、
前記複数の光路は、各反射鏡の間に設定され、
前記反射鏡のうちの少なくとも１枚は、前記レーザ光を集光しつつ反射するように構成されていることを特徴とする請求項１５に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１７】
前記レーザ光源は、前記レーザ光を発散光として前記波長変換素子に入射することを特徴とする請求項１に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１８】
前記レーザ光源と前記波長変換素子とを直接接合したことを特徴とする請求項１７に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項１９】
前記レーザ光の低下集光条件は、前記レーザ光の集光位置よりも先の範囲において、前記レーザ光の光強度が複数個所に分布するように設定されていることを特徴とする請求項１〜１８の何れか1項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２０】
前記レーザ光源と前記波長変換素子との間に設けられているとともに、前記レーザ光の光強度をドーナツ型に分布させるための分布部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１９に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２１】
前記波長変換素子は、前記レーザ光源に向けて円錐型に突出する入射部を有し、
前記入射部は、前記入射部を介して前記波長変換素子に入射する前記レーザ光の光強度をドーナツ型に分布させるとともに、前記レーザ光を前記波長変換素子内で集光させることを特徴とする請求項１９に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２２】
前記レーザ光源を複数個備え、
前記各レーザ光源は、共通の波長を有するレーザ光をそれぞれ出射可能で、かつ、それぞれのレーザ光の光路が互いに前記波長変換素子内で交差するように配置されていることを特徴とする請求項１９に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２３】
前記レーザ光源から出射したレーザ光を複数に分岐する分岐部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１９に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２４】
前記波長変換素子の少なくとも一部には、前記レーザ光を波長変換するための分極反転構造が形成され、
前記レーザ光の集光位置は、前記レーザ光の入射側の端面から前記高調波の出射側の端面までの前記波長変換素子の長さ方向において、前記分極反転構造の中央位置よりもレーザ光源寄りに設定されていることを特徴とする請求項１９〜２３の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２５】
前記レーザ光の集光位置付近の範囲と前記集光位置よりも先の範囲とで個別に前記波長変換素子の温度を調整可能な温度調整部材をさらに備えていることを特徴とする請求項２４に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２６】
前記分極反転構造は、前記レーザ光の集光位置付近の範囲よりも前記集光位置の先の範囲の方が分極反転周期が短く設定されていることを特徴とする請求項２４又は２５に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２７】
前記レーザ光源は、前記レーザ光をパルス発振することを特徴とする請求項１〜２６の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置。
【請求項２８】
複数のレーザ光源と、
前記複数のレーザ光源を用いてスクリーン上に画像を形成する光学系とを備え、
前記複数のレーザ光源は、少なくとも赤色の光ビームを出射する赤色レーザ光源、緑色の光ビームを出射する緑色レーザ光源及び青色の光ビームを出射する青色レーザ光源を含み、
前記各レーザ光源のうちの少なくとも緑色レーザ光源は、請求項１〜２７の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置を有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項２９】
液晶表示パネルと、
前記液晶表示パネルを背面側から照明するバックライト照明装置とを備え、
前記バックライト照明装置は、少なくとも赤色の光ビームを出射する赤色レーザ光源、緑色の光ビームを出射する緑色レーザ光源及び青色の光ビームを出射する青色レーザ光源を含み、
前記各レーザ光源のうちの少なくとも緑色レーザ光源は、請求項１〜２７の何れか１項に記載のレーザ波長変換装置を有することを特徴とする画像表示装置。
【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】
2008114512.tif 000045
【図２】
2008114512.tif 000046
【図３】
2008114512.tif 000047
【図４】
2008114512.tif 000048
【図５】
2008114512.tif 000049
【図６】
2008114512.tif 000050
【図７】
2008114512.tif 000051
【図８】
2008114512.tif 000052
【図９】
2008114512.tif 000053
【図１０】
2008114512.tif 000054
【図１１】
2008114512.tif 000055
【図１２】
2008114512.tif 000056
【図１３】
2008114512.tif 000057
【図１４】
2008114512.tif 000058
【図１５】
2008114512.tif 000059
【図１６】
2008114512.tif 000060
【図１７】
2008114512.tif 000061
【図１８】
2008114512.tif 000062
【図１９】
2008114512.tif 000063
【図２０】
2008114512.tif 000064
【図２１】
2008114512.tif 000065
【図２２】
2008114512.tif 000066
【図２３】
2008114512.tif 000067
【図２４】
2008114512.tif 000068
【図２５】
2008114512.tif 000069
【図２６】
2008114512.tif 000070
【図２７】
2008114512.tif 000071
【図２８】
2008114512.tif 000072
【図２９】
2008114512.tif 000073
【図３０】
2008114512.tif 000074
【図３１】
2008114512.tif 000075
【図３２】
2008114512.tif 000076
【図３３】
2008114512.tif 000077
【図３４】
2008114512.tif 000078
【図３５】
2008114512.tif 000079
【図３６】
2008114512.tif 000080
【図３７】
2008114512.tif 000081
【図３８】
2008114512.tif 000082
【国際調査報告】
2008114512.tif 000083
2008114512.tif 000084
2008114512.tif 000085
2008114512.tif 000086