(57)【要約】  波長変換素子は、分極構造を周期的に反転させた非線形光学単結晶からなる基板を備え、基板に紫外光を照射した場合、基板の可視光の透過率が８５％以上であり、波長６４０ｎｍ〜２０００ｎｍのレーザ光を短波長化して平均出力１Ｗ以上のレーザ光を出力する。このようにして、紫外光を照射した際の可視光透過特性を改善することにより、結晶の破壊を防止するとともに、高出力での出力特性の安定化を実現する。この結果、紫外光が原因となって引き起こされる緑色光の吸収をも抑制し、出力の飽和及び結晶の破壊を回避することが可能となる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
分極構造を周期的に反転させた非線形光学単結晶からなる基板を備え、
前記基板は、ニオブ酸リチウムからなり、
前記基板に紫外光を照射した場合に前記基板の可視光の透過率が８５％以上であり、
波長６４０ｎｍ〜２０００ｎｍのレーザ光を短波長化して平均出力１Ｗ以上のレーザ光を出力することを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記ニオブ酸リチウムは、コングルエント組成のＭｇ添加ニオブ酸リチウムであり、Ｍｇ濃度が５．１ｍｏｌ％〜５．７ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
分極構造を周期的に反転させた非線形光学単結晶からなる基板を備え、
前記基板は、タンタル酸リチウムからなり、
前記基板に紫外光を照射した場合に前記基板の可視光の透過率が８５％以上であり、
波長６４０ｎｍ〜２０００ｎｍのレーザ光を短波長化して平均出力１Ｗ以上のレーザ光を出力することを特徴とする波長変換素子。
【請求項４】
前記タンタル酸リチウムは、コングルエント組成のＭｇ添加タンタル酸リチウムであり、Ｍｇ濃度が５．０ｍｏｌ％〜８．０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項３に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記紫外光の波長は、３２０ｎｍ〜３８０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記可視光の波長は、４００ｎｍ〜６６０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記基板の波長変換時の温度は、２０℃〜６０℃であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の波長変換素子を備え、
前記波長変換素子は、平均出力２Ｗ以上かつ波長４００ｎｍ〜６６０ｎｍの連続光を出力することを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の波長変換素子を備え、
前記波長変換素子は、平均出力１Ｗ以上かつ波長４００ｎｍ〜６６０ｎｍのパルス光を出力することを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載のレーザ光源装置を備え、
前記レーザ光源装置から出射されるレーザ光を用いて画像を表示することを特徴とする２次元画像表示装置。
【請求項１１】
請求項８又は９に記載のレーザ光源装置を備え、
前記レーザ光源装置から出射されるレーザ光を用いて対象物を加工することを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光波長変換に用いる非線形光学結晶を用いた波長変換素子、当該素子を用いたレーザ光源装置、２次元画像表示装置及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置、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、高出力レーザ光源が注目されている。赤外線領域においては、ＹＡＧレーザ等の固体レーザ、Ｙｂ、Ｎｄ等の希土類が添加されたファイバーを用いたファイバーレーザなどが開発されている。また、赤色及び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。【０００３】
一方、緑色領域においては、半導体から緑色光を直接発生することは依然として困難であり、前述の固体レーザ、ファイバーレーザから発せられる赤外光を非線形光学結晶により波長変換して発生させることが一般的である。また、窒化ガリウムが開発される以前は、可視域から紫外域の光は、非線形光学結晶を用いた波長変換以外に得る方法がないに等しく、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、リチウムトリボレート（ＬｉＢ３Ｏ５：ＬＢＯ）、βバリウムボレート（β−ＢａＢ２Ｏ４）、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ４：ＫＴＰ）、セシウムリチウムボレート（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０：ＣＬＢＯ）など様々な非線形光学材料が開発されてきた経緯がある。【０００４】
特に非線形光学結晶としてニオブ酸リチウム結晶を用いた場合、その大きな非線形光学定数により高い変換効率を得ることができることが知られており、装置の構成も簡単にできることから、この結晶に分極反転技術を用いて形成された擬似位相整合（ＱＰＭ）波長変換素子は、２００〜３００ｍＷ程度の出力の装置によく用いられている。また、数Ｗクラスの出力を得る装置では、ＬＢＯ、ＫＴＰなどの非線形光学結晶が用いられる。【０００５】
上記のＬＢＯ結晶は、基本波や発生した第２高調波による結晶の破壊及び劣化が起こりにくいという特徴を持っている一方、非線形光学定数が小さいため、高い変換効率を得るためには共振器を構成し、その中に結晶を配置する必要があり、装置構造が複雑で緻密な調整が必要となる。一方、ＫＴＰ結晶は、ＬＢＯ結晶と比べて非線形光学定数が大きく、共振器を構成しなくても高い変換効率が得られる一方、基本波や発生した第２高調波による結晶の破壊及び劣化が起こりやすいという欠点を持っている。【０００６】
また、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムでは、特許文献１の様に結晶に添加物を導入したり、特許文献２の様に結晶組成を理想的な組成（化学量論：ストイキオメトリー組成）に近づけることができる方法で結晶育成したりすることにより、結晶劣化の一つである、光による屈折率変化すなわち光損傷を抑制する例が報告されている。【０００７】
このように、非線形光学結晶には一長一短があり、それらのトレードオフで使用する結晶を決定するか、特許文献３のように複数個の波長変換素子を使用することで、波長変換素子一つ当たりの基本波のパワー密度を低下させ、劣化を抑えることも検討されている。この特許文献３に記載されている波長変換装置の構成について図３０に示す。【０００８】
図３０に示すように、基本波光源１０１から出射された基本波は、波長変換部分１０２ａで波長変換された後、分離ミラー１０３ａで第２高調波（緑色光）１０５ａが分離され、さらに、分離ミラー１０３ａを透過した基本波は、波長変換部分１０２ｂで波長変換された後、分離ミラー１０３ｂで第２高調波（緑色光）１０５ｂが分離され、残りが残留基本波１０６となる。この場合、波長変換素子が増える分、構造が複雑になり、部品点数も倍に増加するという問題点があった。【０００９】
また、上記の特許文献１及び特許文献２は、光損傷と呼ばれる現象を回避するために酸化マグネシウムを添加する方法について記述しており、特許文献４〜特許文献７及び非特許文献１も、光損傷を回避するために酸化マグネシウムを添加する方法について記述している。例えば、ニオブ酸リチウムの場合、５ｍｏｌ以上の酸化マグネシウムを添加すれば、この光損傷を回避できることが一般的によく知られている。この他にも、５ｍｏｌの酸化マグネシウムを添加したニオブ酸リチウム結晶をさらに１４０℃に加熱することにより、１．７Ｗの緑色光の発生を実現した例が非特許文献２に報告されている。【００１０】
上記の光損傷は、光電界によって電子が励起され、結晶が持つ電気光学効果により、レーザビームが通過した位置周辺の屈折率が変化する光誘起屈折率変化現象（フォトリフラクティブ：Ｐｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ）を意味する。より具体的には、光損傷は、基本波となる赤外光を緑色光（第２高調波）に変換する場合、数百ｍＷオーダーの低出力の緑色光（第２高調波）のみで発生し、酸化マグネシウムを添加しない場合でも、発生する。【００１１】
上記した結晶劣化の一つであるフォトリフラクティブを抑制するために、結晶中の吸収ピークを生じさせる不純物をできるだけ除去した上で、それでも発生する空孔や結晶を構成する元素が本来と違うサイトに存在するアンチサイト欠陥により発生する電荷を補償するために、酸化マグネシウムや酸化亜鉛を添加することで透過率の吸収端をより短い波長となるよう制御したり、（特定の波長を照射したときの透過率ではなく）一般的な可視域の透過率を改善したりすることが提案されていた。【００１２】
しかしながら、上記のような範囲で酸化マグネシウムを添加しても、結晶破壊及び劣化を完全には抑制できていないのが現状であり、特に、数Ｗオーダーの高出力の高調波を得る場合においては、結晶の破壊及び劣化を抑制することができなかった。
【特許文献１】特許第３２６１５９４号公報
【特許文献２】特許第３４２４１２５号公報
【特許文献３】特開平１１−２７１８２３号公報
【特許文献４】特許第２７２０５２５号公報
【特許文献５】特開平６−２４２４７８号公報
【特許文献６】特開２００３−２６７７９９号公報
【特許文献７】特開２００３−２６７７９８号公報
【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，  ２６５７−５６５９  （１９９１）
【発明の開示】
【００１３】
本発明の目的は、紫外光を照射した際の可視光透過特性を改善することにより、結晶の破壊を防止することができるとともに、高出力での出力特性の安定化を実現することができる波長変換素子、レーザ光源装置、２次元画像表示装置及びレーザ加工装置を提供することである。
【００１４】
本発明の一局面に従う波長変換素子は、分極構造を周期的に反転させた非線形光学単結晶からなる基板を備え、前記基板は、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムからなり、前記基板に紫外光を照射した場合に前記基板の可視光の透過率が８５％以上であり、波長６４０ｎｍ〜２０００ｎｍのレーザ光を短波長化して平均出力１Ｗ以上のレーザ光を出力する。
【００１５】
本発明の他の局面に従うレーザ光源装置は、上記の波長変換素子を備え、前記波長変換素子は、平均出力２Ｗ以上かつ波長４００ｎｍ〜６６０ｎｍの連続光、又は平均出力１Ｗ以上かつ波長４００ｎｍ〜６６０ｎｍのパルス光を出力する。
【００１６】
本発明の他の局面に従う２次元画像表示装置は、上記のレーザ光源装置を備え、前記レーザ光源装置から出射されるレーザ光を用いて画像を表示する。
【００１７】
本発明の他の局面に従うレーザ加工装置は、上記のレーザ光源装置を備え、前記レーザ光源装置から出射されるレーザ光を用いて対象物を加工する。
【００１８】
上記の波長変換素子、レーザ光源装置、２次元画像表示装置及びレーザ加工装置においては、紫外光を照射した際の可視光透過特性を改善することにより、非線形光学単結晶の破壊を防止することができるとともに、高出力での出力特性の安定化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施の形態の波長変換素子に用いられる単結晶を育成する単結晶育成装置の模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の波長変換素子に用いられるＭｇ添加ＬｉＮｂＯ３単結晶の透過スペクトルを示す図である。
【図３】紫外光誘起緑色光吸収の評価装置の測定光学系を示す模式図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の波長変換素子に用いられるＭｇ添加ＬｉＮｂＯ３単結晶における不純物の種類及び濃度をパラメータとした紫外光誘起緑色光吸収の評価結果を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の波長変換素子の構成を示す斜視図である。
【図６】波長変換特性評価光学系を示す模式図である。
【図７】Ｍｇを５．６ｍｏｌ％及び５．０ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子を使用した場合における基本波入力と緑色光出力との関係を表す波長変換特性評価結果を示すプロット図である。
【図８】Ｍｇを５．０ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた従来の波長変換素子の入出力特性の測定値及び理論値を示す図である。
【図９】Ｍｇを５．６ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた本実施の形態の波長変換素子の入出力特性の測定値及び理論値を示す図である。
【図１０】Ｍｇを５．３ｍｏｌ％、５．６ｍｏｌ％及び５．０ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子を使用した場合における緑色光発生時の出力変動を示すプロット図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態の波長変換素子のＭｇの濃度と緑色光の吸収率との関係を測定した結果を示す図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態の波長変換素子のＭｇの濃度と分極反転部の深さとの関係を測定した結果を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態の波長変換素子に用いられるＭｇ添加ＬｉＴａＯ３単結晶における不純物の種類及び濃度をパラメータとした紫外光誘起緑色光吸収の評価結果を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態の波長変換素子のＭｇの濃度と緑色光の吸収率との関係を測定した結果を示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態の波長変換素子のＭｇの濃度と分極反転部の深さとの関係を測定した結果を示す図である。
【図１６】分極反転部の幅Ｗと周期Λとのデューティ比Ｗ／Λが基板の表面で５０％となる場合の深さＷ方向の有効断面積の一例を示す図である。
【図１７】分極反転部の幅Ｗと周期Λとのデューティ比Ｗ／Λが基板の表面で５０％を超える場合の深さＷ方向の有効断面積の一例を示す図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態の波長変換素子において外部の紫外線を遮断する構成例を示す模式図である。
【図１９】基本波と第二高調波との和周波がウォークオフ角を持って出射されることを説明するための模式図である。
【図２０】基本波の波長とウォークオフ角との関係を示す図である。
【図２１】本発明の第３の実施の形態による波長変換素子を用いたレーザ光源装置の構成を示す模式図である。
【図２２】図２１に示すＰＰＭｇＬＮ素子及びＰＰＭｇＬＴ素子の距離とＳＨＧ出力との関係を示す図である。
【図２３】本発明による波長変換素子を用いたレーザディスプレイ装置の一例を示す模式図である。
【図２４】Ｓ−ＲＧＢ規格の色再現範囲と、緑色光として５４０ｎｍ及び５３０ｎｍのレーザ光を選択した場合における色再現範囲とを示す図である。
【図２５】本発明による波長変換素子を用いた第２高調波発生装置の一例を示す模式図である。
【図２６】本発明による波長変換素子を用いたレーザ加工描画装置の一例を示す模式図である。
【図２７】従来のレーザ光源装置に矩形波を入力した場合の励起用レーザの電流波形、波基本波の出力波形及び緑色光の出力波形を示す図である。
【図２８】図２６に示すレーザ加工描画装置に矩形波を入力した場合の励起用レーザの電流波形、波基本波の出力波形及び緑色光の出力波形を示す図である。
【図２９】図２６に示すレーザ加工描画装置の励起用レーザに入力される電流波形の他の例を示す図である。
【図３０】従来の波長変換装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
上記した従来の課題を解決するために、本願発明者らは、数Ｗの高調波を発生する際に発生する結晶の破壊及び劣化について鋭意検討を行った結果、上記の光損傷とは全く異なる原理による結晶の破壊及び劣化の原因を究明した。以下に、この新たな、結晶の破壊及び劣化の原因について詳述する。【００２１】
ニオブ酸リチウム結晶（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）を用いた擬似位相整合素子（ＱＰＭ−ＬＮ素子）は、先に述べたＬＢＯ結晶やＫＴＰ結晶よりも大きな非線形光学定数を持つため、高効率及び高出力の波長変換が可能である。しかしながら、ＱＰＭ−ＬＮ素子は、狭い領域に光エネルギーを集光する必要があるため、実質的にはＫＴＰ結晶より基本波や発生した第２高調波による結晶の破壊及び劣化が起こりやすい。【００２２】
上記の大きな非線形光学定数が原因となり、数Ｗの高調波を得る場合において、基本波となる赤外光と変換された緑色光（第２高調波）との和周波である紫外光（第３高調波）が位相整合条件からはずれた場合においても発生する。この発生した紫外光が、可視光の一例である緑色光の吸収を引き起こし、緑色高出力の飽和及び結晶破壊を引き起こすことを見出した。【００２３】
本明細書においては、この紫外光（第３高調波）による結晶破壊を紫外光誘起緑色光吸収（ＵＶＩＧＡ：ultraviolet induced green light absorption）による結晶破壊と呼び、上記の光損傷と区別する。紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊は、緑色光（第２高調波）単独では発生せず、基本波と第２高調波との組み合わせで発生するものであり、また、ニオブ酸リチウム結晶（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）がノンドープの状態では発生せず、マグネシウムを添加した場合に発生するものである。【００２４】
素子によっても異なるが、緑色光を発生する場合、１Ｗ以上の出力を発生するときに紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊が発生し始める。また、短波長の青色光を発生する場合では、結晶破壊の閾値が低下し、連続光で平均出力２Ｗ以上になると、紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊が発生し始めることがわかっている。また、尖塔値の高いパルス発振の場合は、平均出力１Ｗ以上になると、紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊が発生する。【００２５】
さらに、紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊は、特許文献１に記載されているような不純物を添加したＬＮ結晶及びＬＴ結晶や特許文献２に記載されているストイキオメトリー組成のＬＮ（ＳＬＮ）及びＬＴ（ＳＬＴ）を用いても、抑制できないことが実験より判明した。また、特許文献３の様に複数個の結晶を用いて発生する方法もあるが、調整が煩雑になる、製造コストが上昇する等の問題があった。【００２６】
上記知見に基づき、本願発明者らは、紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊を防止する波長変換素子について鋭意検討を行い、本願発明を完成するに至った。すなわち、本発明の波長変換素子は、分極構造を周期的に反転させた非線形光学単結晶からなる基板を備え、この基板は、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムからなり、この基板に紫外光を照射した場合に基板の導波方向における可視光の透過率が８５％以上であり、波長６４０ｎｍ〜２０００ｎｍのレーザ光を短波長化して平均出力１Ｗ以上のレーザ光を出力する。【００２７】
この波長変換素子においては、紫外光を照射した際の可視光透過特性を改善することにより、非線形光学単結晶の破壊を防止するとともに、高出力での出力特性の安定化を実現する。この効果により、紫外光である第３高調波が原因となって引き起こされる第２高調波（緑色光）の吸収をも抑制し、出力の飽和及び結晶の破壊を回避することが可能となる。加えて、従来大きな出力を得るには、基本波出力を分配して複数の波長変換素子を用いて発生させていたが、この波長変換素子を用いることで、装置が簡略化され、複雑な調整を回避し、製造コストを低減することが可能となる。【００２８】
具体的には、コングルエント組成（［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率０．０４６〜０．４８２：一致溶融組成）のニオブ酸リチウム単結晶に濃度にして５．１０ｍｏｌ％〜５．７０ｍｏｌ％程度のマグネシウムを添加することにより、又はコングルエント組成（Ｌｉ／Ｔａ比９４．２±２％）のタンタル酸リチウム結晶に濃度にして５．０ｍｏｌ％〜８．０ｍｏｌ％程度のマグネシウムを添加することにより、不要な第３高調波による第２高調波の吸収を抑制し、緑色高出力の飽和及び結晶の破壊を回避している。さらに、パルス発振時においても、励起用レーザへ入力される電流波形を調整することにより、結晶や光学部品の破壊を回避することが可能となっている。【００２９】
上記の紫外光の波長は、３２０ｎｍ〜３８０ｎｍであることが好ましく、可視光の波長は、４００ｎｍ〜６６０ｎｍであることが好ましい。この場合、紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊を防止し、高出力の緑色光を出力することができる。【００３０】
上記の基板の波長変換時の温度は、２０℃〜６０℃であることが好ましい。この場合、ヒータ等の加熱装置が不要となり、低コストの光源を実現することができる。【００３１】
以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。【００３２】
（第１の実施の形態）
本発明による第１の実施形態の波長変換素子は、波長変換に用いる非線形光学結晶として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したコングルエント組成ニオブ酸リチウム結晶を用い、赤外光を緑色光に変換する。以下、本波長変換素子について詳細に説明する。【００３３】
本実施形態に用いられるニオブ酸リチウムは、例えば、結晶育成法の一つであるチョクラルスキー法を用いて作製される。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したニオブ酸リチウムの作製方法について以下に説明する。【００３４】
まず、純度４Ｎの炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）及び酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を秤量し、１１００℃で１０時間仮焼する。この場合、酸化マグネシウム添加量のモル比は、ＭｇＯ／（ＬｉＮｂＯ３＋ＭｇＯ）により決定した。結晶のＭｇ濃度（Ｍｇ含有比）は、５．００ｍｏｌ％、５．３０ｍｏｌ％、５．６０ｍｏｌ％、５．８０ｍｏｌ％、６．００ｍｏｌ％、６．５０ｍｏｌ％とした。なお、本実施の形態において、結晶のＭｇ濃度は、後述する引き上げ後の状態における結晶の組成におけるモルパーセントを意味し、他の実施の形態でも同様である。【００３５】
図１は、本発明の第１の実施の形態の波長変換素子に用いられるニオブ酸リチウムの単結晶育成装置の模式図である。上記のようにして作製した原料を直径１００ｍｍ、高さ１００ｍｍの白金るつぼ２０５に入れ、高周波誘導加熱により溶融させた。原料を補給しながら、溶融させる操作を繰り返し、原料融液がるつぼ２０５に満たされたところで、融液表面の温度を１２６０℃になるよう設定し、ニオブ酸リチウムの種結晶を導入した。また、パーソナルコンピュータ等から構成される制御部２０７により、引き上げられる単結晶２０４の太さが均一になるようにロードセル２０６で単結晶の重量を計測しながら、時間当たりの増加分が一定となるように、るつぼ２０５の温度（高周波電流値）を制御した。【００３６】
本実施の形態では、引き上げ方向を結晶の誘電主軸であるＺ軸方向（結晶軸方向ではＣ軸）とし、２日間程度で、直径５０ｍｍ、長さ約５０ｍｍのＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３単結晶を得た。このときの軸回転方向ＲＡにおける種結晶の回転速度は２０ｒｐｍ、引き上げ速度は２ｍｍ／ｈであった。結晶の原料は、るつぼ２０５に満たされており、引き上げロッド２０１に固定された種結晶２０２を融液２０３に接触させ、徐々に引き上げることで単結晶２０４を成長させた。育成した結晶体は、上部（ショルダー）部分と下部（テール）部分とを切断し、単一分域化処理を行い、Ｚ軸と垂直な方向にカット及び表面の端面研磨を行うことでＭｇＯ：ＬＮウエハー（Ｚ板）を得た。【００３７】
このようにして得られたウエハーの一般的な透過スペクトルを分光高度計により測定した。Ｍｇを添加しないＬｉＮｂＯ３結晶（ｎｏｎ−ｄｏｐｅ  ＬＮ）と、Ｍｇ濃度５．０ｍｏｌ％及び５．６ｍｏｌ％のＬｉＮｂＯ３結晶（５．０ｍｏｌ％ＭｇＬＮ及び５．６ｍｏｌ％ＭｇＬＮ）との透過スペクトルを図２に示す。図２から、通常の透過スペクトルは、いずれのＭｇ濃度においても差違が見られないことが分かる。【００３８】
続いて、紫外線照射時における緑色光の透過率を可視光の一例として測定した。測定方法について図３を用いて説明する。それぞれのＭｇ濃度で、厚さ１ｍｍ、長手方向（ビームパス）２５ｍｍ、幅５ｍｍにカットし、両端面（１ｍｍ×５ｍｍの面）を光学研磨した測定サンプル４０３を作製した。作製したサンプル４０３に、グリーン光源４０１からのＹＡＧレーザ第２高調波（波長５３２ｎｍ、出力３０ｍＷ）をレンズ４０２により集光した後、測定サンプル４０３に入射する。このとき、ＵＶランプ４０５（波長３４０〜４００ｎｍ）の照射あり／なしの場合における、サンプル４０３の出射面からの第２高調波の光出力をフォトダイオード４０４でモニターすることにより、紫外光照射時の緑色光の吸収率を測定した。なお、この試験方法を以後、水銀ランプ照射試験と呼ぶ。【００３９】
測定結果について図４にまとめた。まず、Ｍｇを添加しないＬｉＮｂＯ３（ｎｏｎ−ｄｏｐｅ  ＬＮ）結晶では、緑色光の透過率の低下が発生していない。ただし、Ｍｇを添加しないＬｉＮｂＯ３では、従来から問題となっている光損傷（フォトリフラクティブ：Photorefractive）が発生してしまうため、Ｗクラスの高出力緑色光の発生には適していない。また、光損傷が発生しないために従来良く用いられている、Ｍｇを５．０ｍｏｌ％添加したコングルエント組成ＬｉＮｂＯ３結晶では、紫外光を照射した場合、非照射時と比べて緑色光の透過率が１５％を超えて低下していることが分かる。また、Ｍｇを５．８ｍｏｌ％、６．０ｍｏｌ％及び６．５ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶（５．８ｍｏｌ％ＭｇＬＮ、６．０ｍｏｌ％ＭｇＬＮ及び６．５ｍｏｌ％ＭｇＬＮ）でも、非照射時と比べて緑色光の透過率が１５％を超えて低下していることがわかる。【００４０】
一方、上記した紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊を防止するために今回新たに提案している、ＭｇＯを５．３ｍｏｌ及び５．６ｍｏｌ添加したＬｉＮｂＯ３結晶に関しては、可視光の一例である緑色光の透過率の低下量（吸収量）は、１５％以下であり、約８％〜約１２％程度に抑えられている。【００４１】
上記の測定結果から、紫外光照射時の光吸収には、従来から言われている５ｍｏｌ以上添加すれば抑制することができるいわゆる光損傷だけでなく、この光損傷とは別の現象である紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊があり、ＭｇＯを５ｍｏｌ以上添加すれば一律に透過率低下を回避できるわけではなく、紫外光誘起緑色光吸収による透過率の低下を回避できるＭｇの濃度範囲（例えば、５．１ｍｏｌ％〜５．７ｍｏｌ％）が存在することが分かった。この濃度範囲でＭｇを添加することにより、紫外光が誘起する緑色光の吸収を抑制し、なおかつ従来から問題となっている光損傷も回避することができることが分かった。【００４２】
次に、得られたＭｇ濃度の異なるウエハー（Ｍｇ添加ＬｉＮｂＯ３）に対しフォトプロセスにより電極を形成し、電界を印加することで分極反転処理を行った。まず、結晶の誘電主軸であるＺ軸方向が基板表面に垂直となるような（Ｚ板）、両面光学研磨された基板上（本実施形態では１ｍｍ厚）に電極材料となる金属膜を蒸着する。続いて、フォトレジストを塗布し、密着露光法により電極パターンをパターニングする。その後、ドライエッチング装置により金属電極を形成する。この金属電極に直流のパルス列（回数５０００回、パルス幅０．５ｍｓｅｃ）を引加することにより、結晶に分極反転構造を形成した。このときの反転周期は、例えば、１０８４ｎｍの第２高調波が発生する周期であるΛ＝７．３６μｍとし、素子長は２５ｍｍとした。【００４３】
図５は、上記のようにして作成された本実施の形態による波長変換素子の構成図である。本実施の形態による波長変換素子においては、ＭｇドープＬｉＮｂＯ３基板１上に分極反転部２が周期状に形成されている。本波長変換素子は、周期状に形成された分極反転部２内に光を通すことで、位相整合条件を満足し、波長λの基本波を波長λ／２の第２高調波に変換する素子である。この素子に用いたＬｉＮｂＯ３基板１には、Ｍｇがドープされている。【００４４】
上記のＭｇＬＴにおいて、高効率変換が可能な波長変換素子の構造について説明する。分極反転部２の反転幅はＷ、深さはＤ、周期はΛである。分極反転部２は、＋Ｚ面より−Ｚ面に向かって形成されている。分極反転部２のストライプ方向は、Ｙ軸方向である。分極反転部２のストライプ方向とＹ軸方向とは±５度以内の角度を有することが望ましい。この角度が５度を超えると、分極反転部２の不均一性が増大し、波長変換素子の変換効率が大幅に低下するからである。また、波長変換素子の表面は、結晶のＣ軸（Ｚ軸）とほぼ垂直な面を有するのが望ましい。分極反転構造がＣ軸に沿って成長するため、深い分極反転構造の形成が可能となり、波長変換素子を通過する基本波のビームとの重なりを十分大きくすることができるからである。【００４５】
このようにして形成した素子を波長変換素子（分極反転素子）として使用する場合について、実際に波長変換特性の評価を行った。この評価に使用した波長変換特性光学系を図６に示す。基本波光源６０１には、発振波長１０８４ｎｍのＹｂドープファイバーレーザを用いた。出射した赤外光（平行光：ビーム径７６０μｍ）を集光レンズ６０２（ｆ＝３０ｍｍ）で分極反転素子６０３内に集光する。分極反転素子６０３は金属板に固定され、ベルチェ素子６０５により約２５℃に温度管理されている。この分極反転素子６０３から発生した第２高調波（緑色光）を波長分離フィルタ６０６で基本波（ω）と第２高調波（２ω）に分離し、分離した第２高調波をパワーメータで測定している。【００４６】
図７に、本実施の形態による波長変換素子の特性評価結果をプロットした図を示す。図７中の破線は、Ｍｇを５．６ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた本実施の形態の波長変換素子の出力特性を示し、実線は、Ｍｇを５．０ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた従来の波長変換素子の出力特性を示している。【００４７】
従来の結晶を用いた波長変換素子では、不用意に発生した紫外光による緑色光吸収により、入力が８Ｗを超えた付近から出力が飽和し始め、緑色高出力２．４〜２．８Ｗで結晶に内部ダメージ損傷が発生していた。一方、Ｍｇを５．６ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子については、入力が８Ｗを超えた付近からわずかに出力が飽和するものの、緑色光出力が２．４〜２．８Ｗを超え３Ｗ以上でも結晶のクラックは発生せず、Ｍｇ濃度５ｍｏｌ％添加と比較して出力飽和が抑えられている。この結果、紫外光による緑色光の吸収を低減したことによる効果が現れていることがわかった。【００４８】
次に、上記の各波長変換素子について、出力と紫外光誘起緑色光吸収との関係について検討した。図８は、Ｍｇを５．０ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた従来の波長変換素子の入出力特性の測定値及び理論値を示す図であり、図９は、Ｍｇを５．６ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた本実施の形態の波長変換素子の入出力特性の測定値及び理論値を示す図である。なお、各図において、測定及び計算に用いた基本波の波長は１０８４ｎｍであり、素子長は２５ｍｍである。また、理論値の計算は、“Ｔ．Ｓｕｈａｒａ  ａｎｄ  Ｍ．Ｆｕｊｉｍｕｒａ  ：Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ−Ｏｐｔｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  （Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，Ｂｅｒｌｉｎ，２００３）  ｐ．２０８．”に記載されている方法を用い、変換効率等には各素子に応じた値を用いた。【００４９】
まず、Ｍｇを５．０ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた従来の波長変換素子では、図８に示すように、理論値の入出力特性は曲線ＣＲとなり、入力と出力とがほぼ比例する。一方、測定値の入出力特性は曲線ＣＥとなり、緑色光出力が１Ｗ未満の区間ｒ１では、曲線ＣＲと曲線ＣＥとがほぼ一致するが、緑色光出力が１Ｗ以上となる区間ｒ２では、曲線ＣＥは曲線ＣＲから外れて緑色光出力が低下し、緑色光出力が１．７５Ｗ以上となる区間ｒ３では、曲線ＣＥは曲線ＣＲから大きく外れ、緑色光出力が不安定となった。この結果、従来の波長変換素子では、その出力が１Ｗ以上になると、紫外光誘起緑色光吸収が顕著に発生することがわかった。【００５０】
次に、Ｍｇを５．６ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた本実施の形態の波長変換素子では、図９に示すように、理論値の入出力特性は曲線ＩＲとなり、上記と同様に入出力がほぼ比例する。一方、測定値の入出力特性は曲線ＩＥとなり、曲線ＩＲと曲線ＩＥとがほぼ一致する区間Ｒ１が、緑色光出力が１．５Ｗとなる範囲まで拡大され、曲線ＩＥが曲線ＩＲから外れるが安定に緑色光を出力できる区間Ｒ２も、緑色光出力が２．９Ｗとなる範囲まで拡大された。この結果、本実施の形態の波長変換素子では、出力が１Ｗ以上になると発生する紫外光誘起緑色光吸収を抑制することができ、緑色光の吸収が少ない分だけ波長変換効率を向上することができた。【００５１】
上記の理論値及び測定結果から、本波長変換素子は、平均出力１Ｗ以上のレーザ光を出力することが好ましく、平均出力１．５Ｗ以上のレーザ光を出力することがより好ましく、出力１．７５Ｗ以上のレーザ光を出力することがさらに好ましい。この場合、紫外光誘起緑色光吸収を抑制することができ、緑色光の吸収を少なくして波長変換効率を向上することができる。【００５２】
次に、高出力時の出力安定性について検討した。図１０に、Ｍｇ濃度５ｍｏｌ％、５．３ｍｏｌ％及び５．６ｍｏｌ％のＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子の高出力時の出力安定性をプロットした図を示す。Ｍｇ濃度５．６ｍｏｌ％のＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子では、３．０Ｗ発生時において素子劣化による出力低下が８時間にわたって発生していないことが分かる。また、Ｍｇ濃度５．３ｍｏｌ％のＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子では、４．３Ｗ発生時において素子劣化による出力低下が８時間にわたって発生していないことが分かる。一方、Ｍｇ濃度５ｍｏｌ％のＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子では、２．５Ｗ発生時においても不安定であった。このようにＭｇの添加濃度を５．３ｍｏｌ％及び５．６ｍｏｌ％にすることにより、緑色光吸収による発熱の影響を低減できるため、出力安定性をも向上することができた。【００５３】
次に、図６に示す波長変換特定評価光学系を用いて、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子のＭｇ添加濃度の最適範囲について検討した。図１１は、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子のＭｇの濃度と緑色光の吸収率との関係を測定した結果を示す図であり、図中の黒丸は、各Ｍｇ添加濃度に対する緑色光の吸収率の実測結果を示し、実線は各測定点を滑らかに結んだ曲線である。【００５４】
図１１に示すように、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇ濃度が５．１０〜５．７０ｍｏｌ％であるとき、可視光の一例である緑色光の透過率を８６．５％以上確保しながら、５５０ｎｍの緑色光を３Ｗレベルで出力することができた。また、Ｍｇ濃度が５．２０〜５．５４ｍｏｌ％であるとき、緑色光の透過率を９０．０％以上確保しながら、５４０ｎｍの緑色光を３Ｗレベルで出力することができた。さらに、Ｍｇ濃度が５．３０〜５．４０ｍｏｌ％であるとき、緑色光の透過率を９２．０％以上確保しながら、５３０ｎｍの緑色光を３Ｗレベルで出力することができた。なお、上記の範囲以外では、結晶にワレが生じた。【００５５】
次に、上記の範囲でＭｇを添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子の分極反転部の深さＷの最適範囲について検討した。図１２は、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子のＭｇ濃度と分極反転部の深さＷとの関係を測定した結果を示す図である。【００５６】
図１２に示すように、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇ濃度が６．００ｍｏｌ％のとき、分極反転部が十分な深さだけ成長しなかったが、Ｍｇ濃度が５．８０ｍｏｌ％のとき、２００μｍ以上の深さで成長し、Ｍｇ濃度が５．６０ｍｏｌ％、５．４０ｍｏｌ％、５．３０ｍｏｌ％のとき、約２５０μｍ以上の深さで成長し、Ｍｇ濃度が５．００ｍｏｌ％のとき、約５００μｍ以上の深さで成長した。【００５７】
上記のＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子を分極反転素子として使用する場合、当該分極反転素子から出射されるビームの直径を１２０μｍにするためには、調整時の余裕を考慮すると、分極反転部の深さＷを２００μｍ以上にする必要がある。この条件を満たすためには、図１２に示す結果から、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子の分極反転部のＭｇ濃度は、５．８０ｍｏｌ％以下であることが好ましく、５．６０ｍｏｌ％以下であることがより好ましい。【００５８】
上記の図１１及び図１２に示す実験結果から、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇ濃度が５．１０〜５．７０ｍｏｌ％であることが好ましい。この場合、波長変換素子から出射されるビームの直径を１２０μｍ以上確保するとともに、緑色光の透過率を８６．５％以上確保しながら、５５０ｎｍの緑色光を３Ｗレベルで出力することができる。【００５９】
また、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇ濃度が５．２０〜５．５４ｍｏｌ％であることがより好ましい。この場合、波長変換素子から出射されるビームの直径を１２０μｍ以上確保するとともに、緑色光の透過率を９０．０％以上確保しながら、５４０ｎｍの緑色光を３Ｗレベルで出力することができる。【００６０】
また、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇ濃度が５．３０〜５．４０ｍｏｌ％であることがさらに好ましい。この場合、波長変換素子から出射されるビームの直径を１２０μｍ以上確保するとともに、緑色光の透過率を９２．０％以上確保しながら、５３０ｎｍの緑色光を３Ｗレベルで出力することができる。【００６１】
このように、本実施の形態の波長変換素子を使用することにより、従来実現が困難であった、光損傷の回避と紫外光誘起緑色光吸収の低減との双方の課題を同時に緩和することが可能となっている。また、図６に示した構成は、図１に記載の特許文献３と比較して構成及び部材ともに簡略化されていることがわかる。したがって、本実施の形態の波長変換素子を用いることにより、装置の簡略化及び低コスト化を実現することができる。【００６２】
（第２の実施の形態）
本発明による第２の実施形態の波長変換素子は、波長変換に用いる非線形光学結晶として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したコングルエント組成タンタル酸リチウム結晶を用い、赤外光を緑色光に変換する。以下、本波長変換素子について詳細に説明する。【００６３】
本実施形態に用いられるタンタル酸リチウムは、第１の実施の形態と同様に作成される。結晶のＭｇ濃度（Ｍｇ含有比）は、引き上がった状態において、１．０ｍｏｌ％、３．０ｍｏｌ％、５．０ｍｏｌ％、５．３ｍｏｌ％、５．６ｍｏｌ％、６．０ｍｏｌ％、７．０ｍｏｌ％、１０．０ｍｏｌ％とした。【００６４】
まず、結晶基板であるＭｇドープＬｉＴａＯ３の結晶組成について検討した。ＬｉＴａＯ３結晶は、Ｌｉ／Ｔａ比によりコングルエント組成とストイキオメトリック組成とに分類される。ストイキオメトリック組成は、Ｌｉ／Ｔａ比がほぼ５０／５０であり、完全結晶と呼ばれ、コングルエント組成は、Ｌｉ／Ｔａ比が５０／５０からずれている。【００６５】
このため、ＭｇドープＬｉＴａＯ３結晶としては、コングルエント組成であることが好ましく、基板結晶に含まれるＬｉとＴａとのモル比であるＬｉ／Ｎｂ比が９４．２±２％であることがより好ましい。この場合、コングルエント組成ではＬｉ／Ｔａ比が５０／５０からずれているため、結晶欠陥が多く、結晶欠陥に配置されるＭｇを高濃度で添加可能である。この結果、特性に必要な５ｍｏｌ％以上のＭｇ添加が容易となり、結晶性が高い高濃度ＭｇドープのＬｉＴａＯ３結晶を作製することができた。また、コングルエント組成のＬｉ／Ｔａ比は、９４．２±２％程度が好ましい。このコングルエント組成の結晶では、結晶の引き上げが容易であり、低コスト化が可能となった。【００６６】
続いて、図３に示す評価装置を用いて、紫外線照射時における緑色光の吸収率を測定し、測定結果について図１３にまとめた。まず、Ｍｇを１．０ｍｏｌ％、３．０ｍｏｌ％、５．０ｍｏｌ％、５．３ｍｏｌ％、５．６ｍｏｌ％、６．０ｍｏｌ％、７．０ｍｏｌ％添加したコングルエント組成ＬｉＴａＯ３結晶（１．０ｍｏｌ％ＭｇＬＴ、３．０ｍｏｌ％ＭｇＬＴ、５．０ｍｏｌ％ＭｇＬＴ、５．３ｍｏｌ％ＭｇＬＴ、６．０ｍｏｌ％ＭｇＬＴ及び７．０ｍｏｌ％ＭｇＬＴ）では、紫外光を照射した場合、非照射時と比べて緑色光の透過率の低下が約５％以下に抑えられている。一方、Ｍｇを１０．０ｍｏｌ添加したＬｉＴａＯ３結晶（１０．０ｍｏｌ％ＭｇＬＴ）では、非照射時と比べて緑色光の透過率が５％以上低下していることがわかる。【００６７】
次に、上記の結晶を用いて、図１に示す波長変換素子と同様にして、本実施の形態の波長変換素子を作成した。本実施の形態の波長変換素子の構成は、図１に示す波長変換素子と同様であるので、図１を参照してその構成を説明する。【００６８】
本実施の形態による波長変換素子においては、結晶のＺ軸にほぼ垂直な主面を有するＭｇドープＬｉＴａＯ３基板１上に周期状に形成された分極反転部２が形成されている。本波長変換素子は、周期状に形成された分極反転部２内に光を通すことで、位相整合条件を満足し、波長λの基本波を波長λ／２の第２高調波に変換する素子である。ここで、λ／３は、４００ｎｍ以下であり、位相整合波長λは、９８０ｎｍ以下である。この素子に用いたＬｉＴａＯ３基板には、Ｍｇがドープされている。周期状の分極反転部２は、基板の＋Ｚ面に形成された周期状のパターン電極と、基板の−Ｚ面に形成された電極との間に電界を印加する工程により形成され、電極間の印加電解は、４ｋＶ／ｍｍ以下である。【００６９】
上記の波長変換素子（ＭｇＬＴ）において、高効率変換が可能な波長変換素子の構造について説明する。分極反転部２の反転幅は、深さはＤ、周期はΛである。分極反転部２は＋Ｚ面から−Ｚ面に向かって形成されている。分極反転部２のストライプ方向は、Ｙ軸方向であり、分極反転部２のストライプ方向とＹ軸とは、ほぼ平行である。分極反転部２のストライプ方向とＹ軸方向とは±５度以内の角度を有することが望ましい。この角度が５度を超えると、分極反転の不均一性が増大し、波長変換素子の変換効率が大幅に低下するからである。また、波長変換素子の表面は、結晶のＣ軸（Ｚ軸）とほぼ垂直な面を有するのが望ましい。分極反転構造がＣ軸に沿って成長するため、深い分極反転構造の形成が可能となり、波長変換素子を通過する基本波のビームとの重なりを十分大きくすることができるからである。【００７０】
次に、図６に示す波長変換特定評価光学系を用いて、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子のＭｇ添加濃度の最適範囲について検討した。図１４は、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子のＭｇの濃度と緑色光の吸収率との関係を測定した結果を示す図であり、図中の黒丸は、各Ｍｇ添加濃度に対する緑色光の吸収率の実測結果を示し、実線は各測定点を滑らかに結んだ曲線である。【００７１】
図１４に示すように、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇ濃度が５．０〜８．０ｍｏｌ％であるとき、緑色光の透過率を９５．２％以上確保しながら、５４０ｎｍの緑色光を１０Ｗレベルで出力することができた。また、Ｍｇ濃度が５．０〜７．０ｍｏｌ％であるとき、緑色光の透過率を９５．８％以上確保しながら、５３０ｎｍの緑色光を１０Ｗレベルで出力することができた。さらに、Ｍｇの濃度が５．０〜６．０ｍｏｌ％であるとき、緑色光の透過率を９６．７％以上確保しながら、５２５ｎｍの緑色光を１０Ｗレベルで出力することができた。一方、Ｍｇの濃度が５．０ｍｏｌ％未満の場合、光損傷（フォトリフラクティブ）が発生し、８．０ｍｏｌ％を超えると、結晶性が悪化し、いずれも好ましくないことがわかった。【００７２】
また、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇの濃度が５．０ｍｏｌ％の場合に、実験によっては光損傷がわずかに観測されたため、上記各範囲は、５．１〜７．０ｍｏｌ％、５．１〜６．０ｍｏｌ％、５．１〜６．０ｍｏｌ％であることがより望ましい。この場合、光損傷を確実に抑制することができる。【００７３】
また、上記と同様の実験から、紫外線誘起緑色光吸収による出力低下が起きるのは、基本波の波長が１２００ｎｍ以下、分極反転部２の周期Λが１１μｍ以下の波長変換素子であることが判明した。この場合、Ｍｇのドープ量が５．０〜８．０ｍｏｌ％の周期状分極反転構造を備えた波長変換素子では、Ｍｇドープによる光損傷耐性の向上、紫外線誘起緑色光吸収の増大が抑圧されるので、高出力及び高効率耐性を実現でき、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）光のパワー密度も１ＭＷ／ｃｍ２以上で約１０Ｗの高出力が安定的に得られた。【００７４】
次に、上記の範囲でＭｇを添加したＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子の分極反転部の深さＷの最適範囲について検討した。図１５は、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子のＭｇ濃度と分極反転部の深さＷとの関係を測定した結果を示す図である。【００７５】
図１５に示すように、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇ濃度が１０．０ｍｏｌ％のとき、分極反転部が十分な深さだけ成長しなかったが、Ｍｇ濃度が８．０ｍｏｌ％のとき、約２００μｍの深さで成長し、Ｍｇの濃度が５．６ｍｏｌ％、５．４ｍｏｌ％、５．３ｍｏｌ％、５．０ｍｏｌ％のとき、約２５０μｍ以上の深さで成長した。【００７６】
上記のＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子を分極反転素子として使用する場合、当該分極反転素子から出射されるビームの直径を１２０μｍにするためには、調整時の余裕を考慮すると、分極反転部の深さＷを２００μｍ以上にする必要がある。この条件を満たすためには、図１５に示す結果から、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子の分極反転部のＭｇの濃度は、８．０ｍｏｌ％以下であることが好ましく、５．６ｍｏｌ％以下であることがより好ましい。【００７７】
上記の図１４及び図１５に示す実験結果から、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇ濃度が５．０〜６．０ｍｏｌ％であることが好ましい。この場合、波長変換素子から出射されるビームの直径を１２０μｍ以上確保するとともに、緑色光の透過率を９５．２％以上確保しながら、５４０ｎｍの緑色光を１０Ｗレベルで出力することができる。【００７８】
また、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇの濃度が５．０〜７．０ｍｏｌ％であることがより好ましい。この場合、波長変換素子から出射されるビームの直径を１２０μｍ以上確保するとともに、緑色光の透過率を９５．８％以上確保しながら、５３０ｎｍの緑色光を１０Ｗレベルで出力することができる。【００７９】
また、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇの濃度が５．０〜６．０ｍｏｌ％であることがさらに好ましい。この場合、波長変換素子から出射されるビームの直径を１２０μｍ以上確保するとともに、緑色光の透過率を９６．７％以上確保しながら、５２５ｎｍの緑色光を１０Ｗレベルで出力することができる。【００８０】
このように、本実施の形態の波長変換素子を使用することにより、従来実現が困難であった、光損傷の回避と紫外光誘起緑色光吸収の低減との双方の課題を同時に緩和することが可能となっている。また、図６に示した構成は、図１に記載の特許文献３と比較して構成及び部材ともに簡略化されていることがわかる。したがって、本実施の形態の波長変換素子を用いることにより、装置の簡略化及び低コスト化を実現することができる。【００８１】
また、本実施の形態のように、ＬｉＴａＯ３結晶を用いる場合、非線形光学定数がＬｉＮｂＯ３結晶の約３分の１となり、可視光の吸収率がＬｉＮｂＯ３結晶より十分に小さいため、より多くの緑色光を発光することができる。この結果、本実施の形態の波長変換素子は、より高い波高値を有するパルスを発生することができるので、後述するパルス変調に有利となる。【００８２】
次に、分極反転部２の形状について詳細に検討した。本実施の形態では、分極反転部２が裏面に貫通しないように分極反転部２の成長を基板の途中で止める方法を採用した。分極反転部２の成長を制御して貫通反転を防止することで、電極間の抵抗低下を抑圧して分極反転に必要な電界を電極面内に均一に印加することが可能となり、均一な分極反転構造が形成可能となった。【００８３】
このように、分極反転構造として、分極反転部２の深さＤは、基板の厚さ（Ｚ方向の基板長）より小さいことが好ましく、分極反転部２が形成されている分極反転領域の９０％以上の領域が裏面まで貫通していないことが好ましい。すなわち、電極面積の９０％以上の領域で分極反転部２が貫通しない構成により、均一な分極反転構造の形成が可能となる。【００８４】
また、分極反転部２が裏面まで貫通するのを防止するには、基板の厚さを大きくすることが好ましい。例えば、基板の厚さを１ｍｍ以上にすることで分極反転の貫通を防止し、均一な短周期構造の形成が可能となるため、高効率の波長変換素子が実現できた。【００８５】
また、分極反転部２の深さＤの平均は、基板の厚さの４０〜９５％の範囲であることが好ましい。この範囲であれば、基板を有効に利用できる。一方、９５％を超えると分極反転部２抵抗低下が激しくなるため、均一な分極反転構造の形成が困難になり、４０％未満になると、分極反転部２の不均一性が大きくなり、使用できる有効な分極反転部２の深さＤが大幅に低下する。【００８６】
また、ＭｇＬＴにおいては、分極反転部２は、基板の表面から深さ方向に楔状となり、深くなるに従って、分極反転部２の幅が低下することがわかった。１次の分極反転周期を持った波長変換素子においては、分極反転部２の幅Ｗと周期Λとのデューティ比Ｗ／Λは５０％で最大となる。バルクの波長変換素子として、集光ビームを分極反転部２に入射する場合の有効な断面積は、分極反転部２の幅Ｗと周期Λとのデューティ比Ｗ／Λが５０％±１０％の領域となる。【００８７】
ところが、分極反転部２の幅Ｗと周期Λとのデューティ比Ｗ／Λが基板の表面で５０％になった場合、図１６に示すように、基板の表面で第２高調波（ＳＨＧ）出力が最大となるが、深さＷ方向の有効断面積が小さくなる。これに対して、基板の表面でデューティ比Ｗ／Λが５０％を超えると、図１７に示すように、深さＷ方向の有効断面積が大幅に増加する。有効断面積が増加すると、ビームの調整が簡便になるだけでなく、使用できるビームを大きくできるため、基本波及び第２高調波のパワー密度を低減することが可能となり、高出力耐性が大幅に向上する。したがって、基板の主面における分極反転部２の幅Ｗは、非分極反転部の幅（Λ−Ｗ）より大きいことが好ましい。【００８８】
また、分極反転部２のアスペクト比（Ｄ／Ｗ）は、２００以上であることが好ましい。アスペクト比が大きいと、分極反転を有効に使える領域が大きくなり、特に、短周期構造において必要となる。【００８９】
次に、さらに高出力の波長変換素子を実現する構成について考察した。実験結果から、紫外線による緑色光の吸収増大は、紫外線の波長に依存することが明らかになった。紫外線としては３２０ｎｍ〜３８０ｎｍの波長範囲の紫外線に対して、緑色光の吸収が増大した。波長３２０ｎｍ以下の波長は、結晶の吸収端以下の波長であり、結晶を透過しないため、影響がないと考えられる。したがって、上記波長の紫外線が当たると、緑色光の吸収による高出力特性の劣化が観測された。【００９０】
外部の紫外線による高出力特性劣化を防止するには、結晶を外部の紫外線から遮断する必要がある。高出力特性の劣化を防止するため、図１８に示すように、ＭｇＯ添加分極反転タンタル酸リチウム結晶（ＰＰＭｇＬＴ：Periodically Poled ＭｇＯ doped ＬｉＴａＯ３）６２が光源６６から出射された基本波６５を第二高調波（ＳＨＧ）６５に変換して出力する場合、ＰＰＭｇＬＴ６２の回りに波長２５０〜４００ｎｍの光が透過しない蔽い６１を設けて、外部からの紫外光を遮断するのが望ましい。すなわち、波長変換素子は、蔽い６１を備え、蔽い６１により外部光から遮蔽され、蔽い６１は、波長４００ｎｍ以下の光を透過しないことが好ましい。【００９１】
次に、基本波と第二高調波との和周波による紫外光発生によって生じる高出力特性の劣化について説明する。外部からの紫外光を完全に遮断した場合でも、高出力の緑色光発生で、ダメージが発生する場合がある。この原因を調べたところ、図１９に示すように、ＰＰＭｇＬＴ７２では、光源７１からの基本波７４と第二高調波（ＳＨＧ）７５との和周波（ＳＦＧ：Sum Frequency Generation）７６がウォークオフ角７７を持って出射していることが判明した。ＳＦＧ７６の波長は、基本波７４の波長λの１／３であり、例えば１０６４ｎｍの基本波に対しては３５５ｎｍの紫外線となる。これが、ＳＨＧ７５の吸収の要因となって、高出力特性を劣化させていることが分かった。この特性を分析すると波長依存性を持っている。【００９２】
図２０は、基本波の波長とウォークオフ角との関係を計算したものであるが、ＳＦＧは分極反転の周期に依存していくつかの波長でウォークオフ角度が０に近づく。ウォークオフ角が０に近づくと、ＳＦＧの強度が強くなり、高出力特性が大幅に低下することが分かった。特に、ウォークオフ角が１５度以下では、高出力特性の劣化が激しくなる。このため、基本波の波長としては、８２０ｎｍ以下、又は８５０〜９８０ｎｍ、又は１０２０ｎｍ以上であることが好ましい。これらの範囲では、内部で発生する和周波を低減することができるので、より高出力な特性が実現できる。【００９３】
なお、基本波を出力する光源としては、固体レーザ光源、ファイバーレーザ光源が利用できる。また、本実施の形態の波長変換素子を固体レーザ共振器内に設置して内部共振器型の波長変換として利用することにより、高出力の短波長光源が実現できる。この場合、本実施の形態の波長変換素子（ＰＰＭｇＬＴ）は、透過特性が高いため、共振器内での損失が低減され、高効率の波長変換が可能となる。【００９４】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態による波長変換素子を用いたレーザ光源装置について図２１を用いて説明する。図２１において、コヒーレント光源である光源８６から出た基本波８４は、集光光学系８５を通って、波長変換素子である非線形光学結晶８１、８２によって波長変換されＳＨＧ８３に変換される。本構成により高効率及び高出力な波長変換素子が実現できる。なお、基本波８４の光源８６としては、固体レーザ光源、ファイバーレーザ光源等が利用できる。ファイバーレーザ光源は、ビーム品質が高いため、シングルパスの構成で高効率変換が容易であり、本実施の形態の波長変換素子と組み合わせて高効率の短波長光源装置が実現できる。【００９５】
ＭｇドープＬｉＮｂＯ３（ＭｇＬＮ）は、高い非線形光学効果を有し、ＭｇドープＬｉＴａＯ３（ＭｇＬＴ）の３倍の変換効率を実現できる。しかしながら、前述した紫外光発生により、高出力耐性に問題があるため、３Ｗ程度を超える高出力化が難しい。一方、ＭｇドープＬｉＴａＯ３の変換効率は、ＭｇドープＬｉＮｂＯ３に比べて低いが、Ｍｇドープにより光損傷の耐性及び高出力耐性が大幅に向上する。【００９６】
そこで、この２つの結晶を組み合わせることで、変換効率が高くかつ高出力の波長変換素子が実現できる。なお、波長変換素子を長くして変換効率の向上を図ることも可能であるが、素子長を長くすると、変換できる基本波の波長許容度が狭くなるので、高効率変換が難しくなる。また、素子も大きくなり、小型化及び低コスト化に不利である。【００９７】
図２１に示すように、非線形光学結晶８１として、周期状の分極反転構造を有するＭｇＬＮ（ＰＰＭｇＬＮ：Periodically Poled ＭｇＯ doped ＬｉＮｂＯ３）素子を用い、非線形光学結晶８２として、周期状の分極反転構造を有するＭｇＬＴ（ＰＰＭｇＬＴ）素子を用い、ＰＰＭｇＬＮ素子８１を前段階に配置して１０６４ｎｍの基本波８４を５３２ｎｍのＳＨＧ８３に変換した。このとき、ＰＰＭｇＬＮ素子８１によって３Ｗの緑色光を発生させ、次に、ＰＰＭｇＬＴ素子８２によってさらに波長変換を行うことにより、ＳＨＧ８３として１０Ｗの緑色光を発生させることができた。なお、ＰＰＭｇＬＮ素子８１とＰＰＭｇＬＴ素子８２との位相整合波長は一致させている。また、ＰＰＭｇＬＮ素子８１とＰＰＭｇＬＴ素子８２との接合部分で基本波８４とＳＨＧ８３の位相関係が一致するように結晶端での分極反転構造を調整している。【００９８】
このように、本実施の形態の波長変換素子は、ＭｇドープＬｉＴａＯ３基板とともに、さらに周期状の分極反転構造を有するＭｇドープＬｉＮｂＯ３基板を備え、ＭｇドープＬｉＴａＯ３基板とＭｇドープＬｉＮｂＯ３とが隣接して配置され、ＭｇドープＬｉＴａＯ３基板とＭｇドープＬｉＮｂＯ３とがほぼ同じ位相整合条件を有している。【００９９】
図２２にＰＰＭｇＬＮ素子８１及びＰＰＭｇＬＴ素子８２の素子長すなわち距離に対するＳＨＧ出力の増加の様子を示す。まず、ＰＰＭｇＬＮ素子８１では、変換効率が高いため、距離に対してのＳＨＧの増加量を大きくすることができた。また、ＰＰＭｇＬＴ素子８２では、変換効率はＰＰＭｇＬＮ素子８１に比べて低いが、高出力耐性に優れるため、高出力まで安定に出力できた。このように、２段の波長変換素子により高効率化と高出力化とが可能となり、１０Ｗ以上の高出力光源が実現できた。【０１００】
上記のように、本実施の形態では、ＰＰＭｇＬＮ素子８１とＰＰＭｇＬＴ素子８２とを組み合わせることにより、短い素子長で高効率な波長変換が行えるので、波長許容度が拡大し、かつ小型のレーザ光源装置が実現できた。また、ＰＰＭｇＬＮ素子８１とＰＰＭｇＬＴ素子８２とを接着又は接合して短波長光源を構成すれば、よりコンパクトな短波長光源を実現できる。【０１０１】
（第４の実施の形態）
次に、上記のいずれかの波長変換素子を適用したレーザディスプレイ（２次元画像表示装置）の構成の一例について図２３を用いて説明する。レーザ光源装置には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のレーザ光源９０１ａ〜９０１ｃを用い、赤色光源９０１ａには、波長６３８ｎｍのＧａＡｓ系半導体レーザを用い、青色光源９０１ｃには、波長４６５ｎｍのＧａＮ系半導体レーザを用いている。また、緑色光源９０１ｂには、赤外レーザの波長を１／２にする波長変換素子を具備した波長変換緑色光源装置を用いており、この波長変換緑色光源装置の波長変換素子として、上記の第１乃至第３の実施の形態の波長変換素子を用いることができる。【０１０２】
なお、本実施の形態では、色毎に１つの半導体レーザを使用しているが、バンドルファイバーにより２個〜８個の半導体レーザの出力を１本のファイバー出力で得られるような構造をとってもよい。その場合、波長スペクトル幅は、数ｎｍと非常にブロードな物となり、この広いスペクトルによりスペックルノイズの発生を抑制することができる。【０１０３】
各光源９０１ａ、９０１ｂ、９０１ｃより発せられた各色のレーザビームは、反射型２次元ビーム走査部９０２ａ〜９０２ｃにより２次元的に走査され、ミラー９１０ａ、凹レンズ９１０ｂ及びミラー９１０ｃを透過した後、拡散板９０３ａ〜９０３ｃを照射する。拡散板９０３ａ〜９０３ｃ上を２次元的に走査される各色のレーザビームは、フィールドレンズ９０４ａ〜９０４ｃを通過した後、２次元空間光変調素子９０５ａ〜９０５ｃへ導かれる。【０１０４】
ここで、画像データは、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれに分割されており、各信号が２次元空間光変調素子９０５ａ〜９０５ｃに入力され、ダイクロイックプリズム９０６で合波されることにより、カラー画像が形成される。このように合波された画像は、投射レンズ９０７によりスクリーン９０８に投影される。このとき、拡散板９０３ａ〜９０３ｃがスペックルノイズ除去部として２次元空間変調素子９０５ａ〜９０５ｃの手前に配置されており、拡散板９０３ａ〜９０３ｃを揺動することにより、スペックルノイズを低減することができる。【０１０５】
なお、スペックルノイズ除去部としては、レンチキュラーレンズ等を用いてもよい。
また、２次元空間変調素子９０５ａ〜９０５ｃとしては、超小型ミラーが集積された反射型空間変調素子（ＤＭＤミラー）を用いることができるが、液晶を用いた２次元空間変調素子や、ガルバノミラー、メカニカルマイクロスイッチ（ＭＥＭＳ）を用いた２次元空間変調素子を用いてもよい。【０１０６】
図２４の色度図表内に、Ｓ−ＲＧＢ規格の色再現範囲と、緑色光として５４０ｎｍ及び５３０ｎｍのレーザ光を選択した場合における色再現範囲とを示す。緑色光として５４０ｎｍ及び５３０ｎｍのレーザ光を選択した場合における色再現範囲のいずれもが、従来の画像表示装置で再現可能なＳ−ＲＧＢ規格の色再現範囲よりも広がっていることがわかる。このように、本実施の形態による２次元画像表示装置では、その光源としてレーザ光を使用することにより、高精細な映像を再現することが可能となる。また、２次元画像表示に使用する緑色光の波長範囲としては、色再現性を考慮すると、４８８ｎｍ〜５５０ｎｍが望ましく、より望ましくは、５００ｎｍ〜５４０ｎｍの範囲内であることが適当である。また、緑色光の波長範囲は、５２６ｎｍ〜５２９ｎｍであることがさらに好ましい。５２６ｎｍ未満では、黄色が再現できず、５２９ｎｍを超えると、色再現範囲がＮＴＳＣ比で１４０％を切るからである。【０１０７】
なお、緑色光源９０１ｂの構成は、上記の例に特に限定されず、上記の第１乃至第３の実施の形態の波長変換素子を波長変換結晶として用い、ファイバーレーザ光源の第２高調波を発生させる第２高調波発生装置（波長変換ファイバーレーザ光源装置）を用いてもよい。この第２高調波発生装置の構成について、図２５を用いて説明する。【０１０８】
図２５に示す第２高調波発生装置は、励起用（ポンプ用）レーザ１００１、Ｙｂ添加クラッドポンプファイバー１００３、ポラライザ１００４、ファイバーグレーティング１００５、レンズ１００６、波長変換素子（ＳＨＧ結晶）１００７、スプリッタ１００８、フォトダイオード（ＰＤ）１００９、出力コントローラ１０１０、及び制御電流源（ＩＬ電流源）１０１１とを備える。【０１０９】
励起用レーザ１００１としては、レーザダイオードが用いられ、Ｙｂ添加クラッドポンプファイバー１００３は、レーザ媒質として使用される。Ｙｂ添加クラッドポンプファイバー１００３は、励起用レーザ１００１（波長約１９５ｎｍ、最大出力３０Ｗ）で励起され、Ｙｂ添加クラッドポンプファイバー１００３の波長は、１０６０ｎｍ近辺に制御されている。ポラライザ１００４は、発振した基本波を直線偏光に変換する。直線偏光に変換された光は、ファイバーグレーティング１００５及びレンズ１００６を介して、波長変換素子１００７に入射される。【０１１０】
このようにして、発振した光（波長約１０６０ｎｍ）は、非線形光学結晶（例えば、周期分極反転ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶、長さ１０ｍｍ）からなる波長変換素子１００７に入射され、１／２の波長である５３０ｎｍの緑色光に変換される。このとき、波長変換素子１００７は、結晶の温度により位相整合波長が変化するため、０．０１℃の精度で温度制御されており、発振した光の第２高調波を発生させる。【０１１１】
発生した緑色光の一部は、スプリッタ１００８により分離されてＰＤ１００９へ入力される。ＰＤ１００９は、波長変換結晶１００６の出力をモニターして緑色光の強度を計測する。出力コントローラ１０１０は、ＰＤ１００９により検出された第２高調波出力を基に出力を一定にする制御を行い、制御電流源１０１１は、出力コントローラ１０１０からの制御信号を受けて励起用レーザ１００１の出力を制御する。このように、出力コントローラ１０１０がＰＤ１００９により計測された光の強度を換算することで、励起光源の出力電流をコントロールすることが可能となる。【０１１２】
これまでＷクラスの出力を得る場合、波長変換素子の温度を１００℃以上に加熱することが一般的であったが、例えば、Ｍｇ５．６ｍｏｌ添加のＬｉＮｂＯ３結晶を用いた場合、第１実施の形態でも説明したように、室温に置いても安定した緑色光出力が得られる。このため、２０℃〜６０℃の範囲であっても使用することができ、装置の消費電力を低減することができる。加えて、結晶保持温度を室温以上（４０〜６０℃）に設定した場合、高価なペルチェ素子を使用しなくてもヒータで代替できるため、さらに部材コストを低減することができる。【０１１３】
なお、本発明は、このような構成の２次元画像表示装置のほかに、スクリーンの背後から投影する形態（リアプロジェクションディスプレイ）を採用すること、一般的な液晶表示素子のバックライトに使用することも可能であり、これらの形態においても、上記と同様に、２次元画像表示装置の色再現性を向上することが可能となる。特に、リアプロジェクションディスプレイの形態をとる場合や液晶表示素子のバックライトとして用いる場合、視野角を大きくするためには、光源出力を大きくする必要があり、この場合、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれ２．５Ｗ以上望ましくは３Ｗ以上の光源が必要となる。【０１１４】
このような２次元画像表示装置において、実用的といえる５００ｌｍ以上の明るさを得るには、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれ２Ｗ以上の光が必要となっている。一方、このようなＷクラスの緑色光を得るにはこれまで、ＬＢＯ（リチウムトリボレート：ＬｉＢ３Ｏ５）結晶を用いた第２高調波発生が一般的であった。しかしながら、このＬＢＯ結晶には潮解性があるため、結晶保持温度を１５０℃とする必要があり、加えて変換効率を左右する非線形光学定数がＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３の１／２０程度と小さいため、外部共振器など波長変換装置の構成が複雑になるうえ、装置の消費電力が増加するという問題があった。【０１１５】
しかしながら、本実施の形態においては、Ｗクラスの緑色高出力を得ることが可能なＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３等を使用した波長変換緑色光源を使用しているので、結晶加熱や複雑な構成の光学系を必要とせずに、２次元画像表示装置を構成することができる。【０１１６】
また、２次元画像表示装置として最低限必要な明るさを３００ｃｄ／ｍ２とすると、緑色光の強度は１．５Ｗ以上必要となる。この強度を実現するためには、基本波に対するＳＨＧの比率は、２５％〜６０％であることが好ましい。２５％未満では、変換効率が低下して消費電力が増大し、６０％を超えると、結晶破壊が発生したり、出力変動が大きくなりすぎるからである。【０１１７】
なお、本実施の形態では、レーザディスプレイについて説明したが、本発明が適用される光学装置は、この例に特に限定されず、光ディスク装置や計測装置にも有効である。光ディスク装置に本発明のレーザ光源装置を用いた場合、コヒーレンスの高い、安定な高出力を得ることができ、ホログラム記録にも有効である。そのほか、液晶装置のバックライトへの応用も可能となる。本発明のレーザ光源装置を液晶のバックライト用の光源として用いれば、高い変換効率により高効率及び高輝度の液晶が実現できる。さらに、レーザ光によって広い色範囲が表現できるため、色再現性に優れたディスプレイが実現できる。【０１１８】
また、本発明のレーザ光源装置は、照明光源としても利用できる。ファイバーレーザを基本波光源として用いれば、変換効率が高いため、電気−光の高効率変換が可能となる。また、ファイバーを用いることで、低損失で離れた場所に光を伝送することができる。この結果、光発生を特定の場所で行い、離れた場所へ光を送ることで、光のセントラル発生による室内の照明が可能になる。また、ファイバーレーザは、ファイバーとの結合が低損失で行えるため、光の配送に有効である。【０１１９】
（第５の実施の形態）
次に、上記のいずれかの波長変換素子を適用したレーザ加工装置の一例について、図２６を用いて説明する。本実施の形態は、加工用レーザ光源１２０１として、上記の第１乃至第３の実施の形態の波長変換素子を用いたレーザ光源装置（緑色光：波長５３２ｎｍ）を使用しており、プリント基板などの銅加工に適したレーザ描画加工装置である。なお、緑色光源１２０１の構成は、第４の実施の形態と同様であるので、詳細な説明を省略する。【０１２０】
加工用レーザ光源１２０１を出射した緑色光は、組レンズ１２０２によりコリメートされる。その後、スリット１２０３を通過してビーム径が調整され、ミラー１２０４などにより光軸を折り返した後、レンズ１２０５を介してガルバノミラー１２０６ａ、１２０６ｂへ導かれる。ガルバノミラー１２０６ａ、１２０６ｂは、レーザ光の光軸を加工方向（ｘ方向又はｙ方向）に動かし、その後、ｆ−θレンズ１２０７により、ｘ−ｙステージ１２０９に取り付けられた加工対象物１２０８に垂直にビームが入射され、所望の加工が行われる。加工に用いられるレーザ光の波長範囲は、光ディスクのマスタリング等に使用できる４００ｎｍから樹脂の用着荷使用できる６００ｎｍまでの波長範囲であることが望ましい。【０１２１】
従来、このようなレーザ加工装置に用いるレーザ光源には、ＬＢＯ結晶を用いたレーザ光源が用いられていたが、この結晶には潮解性があり、使用しない場合においても、結晶を１５０℃に加熱したり、乾燥雰囲気中で使用したりする必要がある上、結晶の持つ熱膨張係数の違いから表面コーティングが破壊されるという問題点があった。また、これまでに報告のあった、ＭｇＯ５ｍｏｌ添加：ＬｉＮｂＯ３は、潮解性がないという特長を持つが、２００〜３００ｍＷまでの出力を得た例がほとんどで、前述したように２Ｗ以上の緑色光出力を得ようとした場合、結晶が割れるなどの問題があった。【０１２２】
しかしながら、本実施の形態においては、Ｗクラスの緑色高出力を得ることが可能なＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３等を使用しているので、３Ｗ以上の出力が安定して得られるとともに、潮解性がないため、装置を使用しない場合には、電源を遮断した状態でも結晶劣化をなくすことができる。その結果、ヒータを駆動する装置の消費電力を低減し、さらには装置の小型化が可能となる。【０１２３】
また、本実施の形態では、基本波の波長を変化させることにより、アルゴンイオンレーザ（４８８ｎｍ、５１４ｎｍ）の波長を発生させることも可能である。この場合、ガラスチューブを用いた大型の光源であった従来の光源に比して、使用するレーザ光源装置の体積を２０〜３０％に小型化することができ、光造形装置や、パーティクル分析装置、血液分析装置など各種分析機器の小型化及び低消費電力化が実現できる。【０１２４】
また、上記のレーザ加工装置では、加工用レーザ光源１２０１をパルス光源として使用する場合、一般的にパルス当たりのピークパワーは上昇する。そのため、紫外光誘起緑色光吸収が、連続光では平均出力２Ｗ以上の場合に発生するが、パルス発振では平均出力で１Ｗ以上で発生する。また、パルス発振では、レーザ光源装置に搭載される励起用レーザに供給する電流の波形を考慮しなければ、異常に高いピークパワーを持つ光が発生し、結晶やミラーにレーザダメージ（レーザ損傷）が生じ、緑色光の発生が停止してしまう。【０１２５】
図２７の（ａ）〜（ｃ）に、従来のレーザ光源装置に矩形波を入力した場合における励起用レーザへの電流波形ＩＬ、波長変換素子へ入力される基本波の出力波形Ｐω、及び波長変換素子からの緑色光の出力波形Ｐｇｒｅｅｎを示す。【０１２６】
図２７の（ａ）に示すように、電流波形ＩＬが矩形であっても、パルスの立ち上がりと同時にレーザ媒質である波長変換素子に形成された反転分布が光となって出力されるため、図２７の（ｂ）に示すように、予期せぬピークパワーを有する基本波Ｐωが１〜１０μｓのパルス幅で出力され、図２７の（ｃ）に示すように、高ピーク入力により波長変換素子等が破壊され、緑色光の出力波形Ｐｇｒｅｅｎにとして高ピークの緑色光が一瞬出力されるが、その後、緑色光の出力が得られないという問題があった。【０１２７】
このため、本実施の形態では、例えば、図２８の（ａ）に示すように、励起用レーザ１００１への電流波形ＩＬとして、最初の１〜１０μｓの間、所定の波高値の５〜３０％、より好ましくは１０〜２０％の電流値を与え、その後、電流波形ＩＬを所望の電流値（所定の波高値）にしている。この結果、図２８の（ｂ）に示すように、波長変換素子１００７へ入力される基本波の出力波形Ｐωは、パルスの立ち上がり時に高いピークを有すことなく、緩やかに所定のピーク値まで上昇し、高いピーク出力の発生を防止することができる。【０１２８】
このように、基本波発生用光源の励起用レーザ１００１に供給される電流波形の立ち上がり時の電流値を、定常時の電流値に対して５〜３０％、より好ましくは１０〜２０％に制限することにより、図２８の（ｃ）に示す緑色光の出力波形Ｐｇｒｅｅｎのように、安定した緑色光の出力を得ることができる。また、定常時の電流値に対して５〜３０％、より好ましくは１０〜２０％に制限する期間は、１〜１０μｓの範囲であることが好ましい。【０１２９】
なお、電流波形ＩＬは、図２８の（ａ）に示す例に特に限定されず、図２９の（ａ）や（ｂ）に示すように、波高値の５〜３０％、より好ましくは１０〜２０％の範囲の低電流で、励起用レーザ１００１を予備的に発光させておき、その後、所望の電流値とする方法（電流波形ＩＬとして小パルスと大パルスとを組み合わせる方法や電流波形ＩＬをステップ状に上昇させる方法）や、図２９の（ｃ）のように徐々に電流値を上昇させる方法（電流波形ＩＬをランプ関数的に上昇させる方法）でも、上記と同様の効果、つまり、高ピークパワー基本波による光学部品の損傷防止及び緑色光出力の安定化が実現でき、装置の信頼性向上及び長寿命化が可能となる。【０１３０】
また、固体レーザやファイバーレーザの発振閾値に満たない電流値で直流バイアスを電流波形に印加しておき、変調信号を重畳するだけでは、パルス立ち上がり時の高ピーク出力の発生は回避できないことを確認している。また、励起用レーザの電流波形に２０ＭＨｚ以下の高周波信号を重畳してパルス立ち上がり時の高ピーク出力の発生を回避する場合、画面のちらつき（フリッカ）が発生するため、上記の第２高調波発生装置を２次元画像表示装置に使用するときには、変調深さは０〜５０％の範囲内であることがより望ましい。【０１３１】
上記の駆動方法を用いたレーザ光源装置では、その出力を励起用レーザの電流波形で変調することが可能となるため、電気光学効果や音響光学効果を用いた変調素子が不要となり、光源の小型化及び低コスト化が可能になる上、ガルバノミラー、メカニカルマイクロスイッチ（ＭＥＭＳ）等を用いた２次元空間変調素子により実現された、明るさ１００ｌｍ以上の２次元画像表示装置やレーザ加工装置を構成する際に非常に有用となる。【０１３２】
なお、以上の各実施の形態に例示した波長変換素子、レーザ光源装置、２次元画像表示装置及びレーザ加工装置は、あくまでも一例であり、他の態様をとることが可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明に係る波長変換素子では、紫外光を照射した際の可視光透過特性を改善することにより、結晶の破壊を防止するとともに、出力特性の安定化を実現している。この効果により、紫外光である第３高調波が原因となって引き起こされる第２高調波（緑色光）の吸収をも抑制し、出力の飽和及び結晶破壊を回避することが可能となる。加えて、従来、基本波出力を分配して複数の波長変換素子を用い、大きな出力を発生させていたが、本発明に係る波長変換素子を用いることで、装置が簡略化され、装置の信頼性が向上するとともに複雑な調整を回避し、製造コストを低減することが可能となる。そのため、より単純な構成で、高輝度のレーザディスプレイ等を実現することが可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年1月22日(2008.1.22)
【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】
分極構造を周期的に反転させた非線形光学単結晶からなる基板を備え、
前記基板は、ニオブ酸リチウムからなり、
前記基板に紫外光を照射した場合に前記基板の可視光の透過率が８５％以上であり、
波長６４０ｎｍ〜２０００ｎｍのレーザ光を短波長化して平均出力１Ｗ以上のレーザ光を出力することを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記ニオブ酸リチウムは、コングルエント組成のＭｇ添加ニオブ酸リチウムであり、Ｍｇ濃度が５．１ｍｏｌ％〜５．７ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
分極構造を周期的に反転させた非線形光学単結晶からなる基板を備え、
前記基板は、タンタル酸リチウムからなり、
前記基板に紫外光を照射した場合に前記基板の可視光の透過率が８５％以上であり、
波長６４０ｎｍ〜２０００ｎｍのレーザ光を短波長化して平均出力１Ｗ以上のレーザ光を出力することを特徴とする波長変換素子。
【請求項４】
前記タンタル酸リチウムは、コングルエント組成のＭｇ添加タンタル酸リチウムであり、Ｍｇ濃度が５．０ｍｏｌ％〜８．０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項３に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記紫外光の波長は、３２０ｎｍ〜３８０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記可視光の波長は、４００ｎｍ〜６６０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記基板の波長変換時の温度は、２０℃〜６０℃であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の波長変換素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の波長変換素子を備え、
前記波長変換素子は、平均出力２Ｗ以上かつ波長４００ｎｍ〜６６０ｎｍの連続光を出力することを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の波長変換素子を備え、
前記波長変換素子は、平均出力１Ｗ以上かつ波長４００ｎｍ〜６６０ｎｍのパルス光を出力することを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載のレーザ光源装置を備え、
前記レーザ光源装置から出射されるレーザ光を用いて画像を表示することを特徴とする２次元画像表示装置。
【請求項１１】
請求項８又は９に記載のレーザ光源装置を備え、
前記レーザ光源装置から出射されるレーザ光を用いて対象物を加工することを特徴とするレーザ加工装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光波長変換に用いる非線形光学結晶を用いた波長変換素子、当該素子を用いたレーザ光源装置、２次元画像表示装置及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置、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、高出力レーザ光源が注目されている。赤外線領域においては、ＹＡＧレーザ等の固体レーザ、Ｙｂ、Ｎｄ等の希土類が添加されたファイバーを用いたファイバーレーザなどが開発されている。また、赤色及び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。
【０００３】
一方、緑色領域においては、半導体から緑色光を直接発生することは依然として困難であり、前述の固体レーザ、ファイバーレーザから発せられる赤外光を非線形光学結晶により波長変換して発生させることが一般的である。また、窒化ガリウムが開発される以前は、可視域から紫外域の光は、非線形光学結晶を用いた波長変換以外に得る方法がないに等しく、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、リチウムトリボレート（ＬｉＢ３Ｏ５：ＬＢＯ）、βバリウムボレート（β−ＢａＢ２Ｏ４）、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ４：ＫＴＰ）、セシウムリチウムボレート（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０：ＣＬＢＯ）など様々な非線形光学材料が開発されてきた経緯がある。
【０００４】
特に非線形光学結晶としてニオブ酸リチウム結晶を用いた場合、その大きな非線形光学定数により高い変換効率を得ることができることが知られており、装置の構成も簡単にできることから、この結晶に分極反転技術を用いて形成された擬似位相整合（ＱＰＭ）波長変換素子は、２００〜３００ｍＷ程度の出力の装置によく用いられている。また、数Ｗクラスの出力を得る装置では、ＬＢＯ、ＫＴＰなどの非線形光学結晶が用いられる。
【０００５】
上記のＬＢＯ結晶は、基本波や発生した第２高調波による結晶の破壊及び劣化が起こりにくいという特徴を持っている一方、非線形光学定数が小さいため、高い変換効率を得るためには共振器を構成し、その中に結晶を配置する必要があり、装置構造が複雑で緻密な調整が必要となる。一方、ＫＴＰ結晶は、ＬＢＯ結晶と比べて非線形光学定数が大きく、共振器を構成しなくても高い変換効率が得られる一方、基本波や発生した第２高調波による結晶の破壊及び劣化が起こりやすいという欠点を持っている。
【０００６】
また、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムでは、特許文献１の様に結晶に添加物を導入したり、特許文献２の様に結晶組成を理想的な組成（化学量論：ストイキオメトリー組成）に近づけることができる方法で結晶育成したりすることにより、結晶劣化の一つである、光による屈折率変化すなわち光損傷を抑制する例が報告されている。
【０００７】
このように、非線形光学結晶には一長一短があり、それらのトレードオフで使用する結晶を決定するか、特許文献３のように複数個の波長変換素子を使用することで、波長変換素子一つ当たりの基本波のパワー密度を低下させ、劣化を抑えることも検討されている。この特許文献３に記載されている波長変換装置の構成について図３０に示す。
【０００８】
図３０に示すように、基本波光源１０１から出射された基本波は、波長変換部分１０２ａで波長変換された後、分離ミラー１０３ａで第２高調波（緑色光）１０５ａが分離され、さらに、分離ミラー１０３ａを透過した基本波は、波長変換部分１０２ｂで波長変換された後、分離ミラー１０３ｂで第２高調波（緑色光）１０５ｂが分離され、残りが残留基本波１０６となる。この場合、波長変換素子が増える分、構造が複雑になり、部品点数も倍に増加するという問題点があった。
【０００９】
また、上記の特許文献１及び特許文献２は、光損傷と呼ばれる現象を回避するために酸化マグネシウムを添加する方法について記述しており、特許文献４〜特許文献７及び非特許文献１も、光損傷を回避するために酸化マグネシウムを添加する方法について記述している。例えば、ニオブ酸リチウムの場合、５ｍｏｌ以上の酸化マグネシウムを添加すれば、この光損傷を回避できることが一般的によく知られている。この他にも、５ｍｏｌの酸化マグネシウムを添加したニオブ酸リチウム結晶をさらに１４０℃に加熱することにより、１．７Ｗの緑色光の発生を実現した例が非特許文献２に報告されている。
【００１０】
上記の光損傷は、光電界によって電子が励起され、結晶が持つ電気光学効果により、レーザビームが通過した位置周辺の屈折率が変化する光誘起屈折率変化現象（フォトリフラクティブ：Ｐｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ）を意味する。より具体的には、光損傷は、基本波となる赤外光を緑色光（第２高調波）に変換する場合、数百ｍＷオーダーの低出力の緑色光（第２高調波）のみで発生し、酸化マグネシウムを添加しない場合でも、発生する。
【００１１】
上記した結晶劣化の一つであるフォトリフラクティブを抑制するために、結晶中の吸収ピークを生じさせる不純物をできるだけ除去した上で、それでも発生する空孔や結晶を構成する元素が本来と違うサイトに存在するアンチサイト欠陥により発生する電荷を補償するために、酸化マグネシウムや酸化亜鉛を添加することで透過率の吸収端をより短い波長となるよう制御したり、（特定の波長を照射したときの透過率ではなく）一般的な可視域の透過率を改善したりすることが提案されていた。
【特許文献１】特許第３２６１５９４号公報
【特許文献２】特許第３４２４１２５号公報
【特許文献３】特開平１１−２７１８２３号公報
【特許文献４】特許第２７２０５２５号公報
【特許文献５】特開平６−２４２４７８号公報
【特許文献６】特開２００３−２６７７９９号公報
【特許文献７】特開２００３−２６７７９８号公報
【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，  ２６５７−５６５９  （１９９１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記のような範囲で酸化マグネシウムを添加しても、結晶破壊及び劣化を完全には抑制できていないのが現状であり、特に、数Ｗオーダーの高出力の高調波を得る場合においては、結晶の破壊及び劣化を抑制することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の目的は、紫外光を照射した際の可視光透過特性を改善することにより、結晶の破壊を防止することができるとともに、高出力での出力特性の安定化を実現することができる波長変換素子、レーザ光源装置、２次元画像表示装置及びレーザ加工装置を提供することである。
【００１４】
本発明の一局面に従う波長変換素子は、分極構造を周期的に反転させた非線形光学単結晶からなる基板を備え、前記基板は、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムからなり、前記基板に紫外光を照射した場合に前記基板の可視光の透過率が８５％以上であり、波長６４０ｎｍ〜２０００ｎｍのレーザ光を短波長化して平均出力１Ｗ以上のレーザ光を出力する。
【００１５】
本発明の他の局面に従うレーザ光源装置は、上記の波長変換素子を備え、前記波長変換素子は、平均出力２Ｗ以上かつ波長４００ｎｍ〜６６０ｎｍの連続光、又は平均出力１Ｗ以上かつ波長４００ｎｍ〜６６０ｎｍのパルス光を出力する。
【００１６】
本発明の他の局面に従う２次元画像表示装置は、上記のレーザ光源装置を備え、前記レーザ光源装置から出射されるレーザ光を用いて画像を表示する。
【００１７】
本発明の他の局面に従うレーザ加工装置は、上記のレーザ光源装置を備え、前記レーザ光源装置から出射されるレーザ光を用いて対象物を加工する。
【発明の効果】
【００１８】
上記の波長変換素子、レーザ光源装置、２次元画像表示装置及びレーザ加工装置においては、紫外光を照射した際の可視光透過特性を改善することにより、非線形光学単結晶の破壊を防止することができるとともに、高出力での出力特性の安定化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
上記した従来の課題を解決するために、本願発明者らは、数Ｗの高調波を発生する際に発生する結晶の破壊及び劣化について鋭意検討を行った結果、上記の光損傷とは全く異なる原理による結晶の破壊及び劣化の原因を究明した。以下に、この新たな、結晶の破壊及び劣化の原因について詳述する。
【００２０】
ニオブ酸リチウム結晶（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）を用いた擬似位相整合素子（ＱＰＭ−ＬＮ素子）は、先に述べたＬＢＯ結晶やＫＴＰ結晶よりも大きな非線形光学定数を持つため、高効率及び高出力の波長変換が可能である。しかしながら、ＱＰＭ−ＬＮ素子は、狭い領域に光エネルギーを集光する必要があるため、実質的にはＫＴＰ結晶より基本波や発生した第２高調波による結晶の破壊及び劣化が起こりやすい。
【００２１】
上記の大きな非線形光学定数が原因となり、数Ｗの高調波を得る場合において、基本波となる赤外光と変換された緑色光（第２高調波）との和周波である紫外光（第３高調波）が位相整合条件からはずれた場合においても発生する。この発生した紫外光が、可視光の一例である緑色光の吸収を引き起こし、緑色高出力の飽和及び結晶破壊を引き起こすことを見出した。
【００２２】
本明細書においては、この紫外光（第３高調波）による結晶破壊を紫外光誘起緑色光吸収（ＵＶＩＧＡ：ultraviolet induced green light absorption）による結晶破壊と呼び、上記の光損傷と区別する。紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊は、緑色光（第２高調波）単独では発生せず、基本波と第２高調波との組み合わせで発生するものであり、また、ニオブ酸リチウム結晶（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）がノンドープの状態では発生せず、マグネシウムを添加した場合に発生するものである。
【００２３】
素子によっても異なるが、緑色光を発生する場合、１Ｗ以上の出力を発生するときに紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊が発生し始める。また、短波長の青色光を発生する場合では、結晶破壊の閾値が低下し、連続光で平均出力２Ｗ以上になると、紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊が発生し始めることがわかっている。また、尖塔値の高いパルス発振の場合は、平均出力１Ｗ以上になると、紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊が発生する。
【００２４】
さらに、紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊は、特許文献１に記載されているような不純物を添加したＬＮ結晶及びＬＴ結晶や特許文献２に記載されているストイキオメトリー組成のＬＮ（ＳＬＮ）及びＬＴ（ＳＬＴ）を用いても、抑制できないことが実験より判明した。また、特許文献３の様に複数個の結晶を用いて発生する方法もあるが、調整が煩雑になる、製造コストが上昇する等の問題があった。
【００２５】
上記知見に基づき、本願発明者らは、紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊を防止する波長変換素子について鋭意検討を行い、本願発明を完成するに至った。すなわち、本発明の波長変換素子は、分極構造を周期的に反転させた非線形光学単結晶からなる基板を備え、この基板は、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムからなり、この基板に紫外光を照射した場合に基板の導波方向における可視光の透過率が８５％以上であり、波長６４０ｎｍ〜２０００ｎｍのレーザ光を短波長化して平均出力１Ｗ以上のレーザ光を出力する。
【００２６】
この波長変換素子においては、紫外光を照射した際の可視光透過特性を改善することにより、非線形光学単結晶の破壊を防止するとともに、高出力での出力特性の安定化を実現する。この効果により、紫外光である第３高調波が原因となって引き起こされる第２高調波（緑色光）の吸収をも抑制し、出力の飽和及び結晶の破壊を回避することが可能となる。加えて、従来大きな出力を得るには、基本波出力を分配して複数の波長変換素子を用いて発生させていたが、この波長変換素子を用いることで、装置が簡略化され、複雑な調整を回避し、製造コストを低減することが可能となる。
【００２７】
具体的には、コングルエント組成（［Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）］比率０．０４６〜０．４８２：一致溶融組成）のニオブ酸リチウム単結晶に濃度にして５．１０ｍｏｌ％〜５．７０ｍｏｌ％程度のマグネシウムを添加することにより、又はコングルエント組成（Ｌｉ／Ｔａ比９４．２±２％）のタンタル酸リチウム結晶に濃度にして５．０ｍｏｌ％〜８．０ｍｏｌ％程度のマグネシウムを添加することにより、不要な第３高調波による第２高調波の吸収を抑制し、緑色高出力の飽和及び結晶の破壊を回避している。さらに、パルス発振時においても、励起用レーザへ入力される電流波形を調整することにより、結晶や光学部品の破壊を回避することが可能となっている。
【００２８】
上記の紫外光の波長は、３２０ｎｍ〜３８０ｎｍであることが好ましく、可視光の波長は、４００ｎｍ〜６６０ｎｍであることが好ましい。この場合、紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊を防止し、高出力の緑色光を出力することができる。
【００２９】
上記の基板の波長変換時の温度は、２０℃〜６０℃であることが好ましい。この場合、ヒータ等の加熱装置が不要となり、低コストの光源を実現することができる。
【００３０】
以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３１】
（第１の実施の形態）
本発明による第１の実施形態の波長変換素子は、波長変換に用いる非線形光学結晶として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したコングルエント組成ニオブ酸リチウム結晶を用い、赤外光を緑色光に変換する。以下、本波長変換素子について詳細に説明する。
【００３２】
本実施形態に用いられるニオブ酸リチウムは、例えば、結晶育成法の一つであるチョクラルスキー法を用いて作製される。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したニオブ酸リチウムの作製方法について以下に説明する。
【００３３】
まず、純度４Ｎの炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）及び酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を秤量し、１１００℃で１０時間仮焼する。この場合、酸化マグネシウム添加量のモル比は、ＭｇＯ／（ＬｉＮｂＯ３＋ＭｇＯ）により決定した。結晶のＭｇ濃度（Ｍｇ含有比）は、５．００ｍｏｌ％、５．３０ｍｏｌ％、５．６０ｍｏｌ％、５．８０ｍｏｌ％、６．００ｍｏｌ％、６．５０ｍｏｌ％とした。なお、本実施の形態において、結晶のＭｇ濃度は、後述する引き上げ後の状態における結晶の組成におけるモルパーセントを意味し、他の実施の形態でも同様である。
【００３４】
図１は、本発明の第１の実施の形態の波長変換素子に用いられるニオブ酸リチウムの単結晶育成装置の模式図である。上記のようにして作製した原料を直径１００ｍｍ、高さ１００ｍｍの白金るつぼ２０５に入れ、高周波誘導加熱により溶融させた。原料を補給しながら、溶融させる操作を繰り返し、原料融液がるつぼ２０５に満たされたところで、融液表面の温度を１２６０℃になるよう設定し、ニオブ酸リチウムの種結晶を導入した。また、パーソナルコンピュータ等から構成される制御部２０７により、引き上げられる単結晶２０４の太さが均一になるようにロードセル２０６で単結晶の重量を計測しながら、時間当たりの増加分が一定となるように、るつぼ２０５の温度（高周波電流値）を制御した。
【００３５】
本実施の形態では、引き上げ方向を結晶の誘電主軸であるＺ軸方向（結晶軸方向ではＣ軸）とし、２日間程度で、直径５０ｍｍ、長さ約５０ｍｍのＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３単結晶を得た。このときの軸回転方向ＲＡにおける種結晶の回転速度は２０ｒｐｍ、引き上げ速度は２ｍｍ／ｈであった。結晶の原料は、るつぼ２０５に満たされており、引き上げロッド２０１に固定された種結晶２０２を融液２０３に接触させ、徐々に引き上げることで単結晶２０４を成長させた。育成した結晶体は、上部（ショルダー）部分と下部（テール）部分とを切断し、単一分域化処理を行い、Ｚ軸と垂直な方向にカット及び表面の端面研磨を行うことでＭｇＯ：ＬＮウエハー（Ｚ板）を得た。
【００３６】
このようにして得られたウエハーの一般的な透過スペクトルを分光光度計により測定した。Ｍｇを添加しないＬｉＮｂＯ３結晶（ｎｏｎ−ｄｏｐｅ  ＬＮ）と、Ｍｇ濃度５．０ｍｏｌ％及び５．６ｍｏｌ％のＬｉＮｂＯ３結晶（５．０ｍｏｌ％ＭｇＬＮ及び５．６ｍｏｌ％ＭｇＬＮ）との透過スペクトルを図２に示す。図２から、通常の透過スペクトルは、いずれのＭｇ濃度においても差違が見られないことが分かる。
【００３７】
続いて、紫外線照射時における緑色光の透過率を可視光の一例として測定した。測定方法について図３を用いて説明する。それぞれのＭｇ濃度で、厚さ１ｍｍ、長手方向（ビームパス）２５ｍｍ、幅５ｍｍにカットし、両端面（１ｍｍ×５ｍｍの面）を光学研磨した測定サンプル４０３を作製した。作製したサンプル４０３に、グリーン光源４０１からのＹＡＧレーザ第２高調波（波長５３２ｎｍ、出力３０ｍＷ）をレンズ４０２により集光した後、測定サンプル４０３に入射する。このとき、ＵＶランプ４０５（波長３４０〜４００ｎｍ）の照射あり／なしの場合における、サンプル４０３の出射面からの第２高調波の光出力をフォトダイオード４０４でモニターすることにより、紫外光照射時の緑色光の吸収率を測定した。なお、この試験方法を以後、水銀ランプ照射試験と呼ぶ。
【００３８】
測定結果について図４にまとめた。まず、Ｍｇを添加しないＬｉＮｂＯ３（ｎｏｎ−ｄｏｐｅ  ＬＮ）結晶では、緑色光の透過率の低下が発生していない。ただし、Ｍｇを添加しないＬｉＮｂＯ３では、従来から問題となっている光損傷（フォトリフラクティブ：Photorefractive）が発生してしまうため、Ｗクラスの高出力緑色光の発生には適していない。また、光損傷が発生しないために従来良く用いられている、Ｍｇを５．０ｍｏｌ％添加したコングルエント組成ＬｉＮｂＯ３結晶では、紫外光を照射した場合、非照射時と比べて緑色光の透過率が１５％を超えて低下していることが分かる。また、Ｍｇを５．８ｍｏｌ％、６．０ｍｏｌ％及び６．５ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶（５．８ｍｏｌ％ＭｇＬＮ、６．０ｍｏｌ％ＭｇＬＮ及び６．５ｍｏｌ％ＭｇＬＮ）でも、非照射時と比べて緑色光の透過率が１５％を超えて低下していることがわかる。
【００３９】
一方、上記した紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊を防止するために今回新たに提案している、ＭｇＯを５．３ｍｏｌ及び５．６ｍｏｌ添加したＬｉＮｂＯ３結晶に関しては、可視光の一例である緑色光の透過率の低下量（吸収量）は、１５％以下であり、約８％〜約１２％程度に抑えられている。
【００４０】
上記の測定結果から、紫外光照射時の光吸収には、従来から言われている５ｍｏｌ以上添加すれば抑制することができるいわゆる光損傷だけでなく、この光損傷とは別の現象である紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊があり、ＭｇＯを５ｍｏｌ以上添加すれば一律に透過率低下を回避できるわけではなく、紫外光誘起緑色光吸収による透過率の低下を回避できるＭｇの濃度範囲（例えば、５．１ｍｏｌ％〜５．７ｍｏｌ％）が存在することが分かった。この濃度範囲でＭｇを添加することにより、紫外光が誘起する緑色光の吸収を抑制し、なおかつ従来から問題となっている光損傷も回避することができることが分かった。
【００４１】
次に、得られたＭｇ濃度の異なるウエハー（Ｍｇ添加ＬｉＮｂＯ３）に対しフォトプロセスにより電極を形成し、電界を印加することで分極反転処理を行った。まず、結晶の誘電主軸であるＺ軸方向が基板表面に垂直となるような（Ｚ板）、両面光学研磨された基板上（本実施形態では１ｍｍ厚）に電極材料となる金属膜を蒸着する。続いて、フォトレジストを塗布し、密着露光法により電極パターンをパターニングする。その後、ドライエッチング装置により金属電極を形成する。この金属電極に直流のパルス列（回数５０００回、パルス幅０．５ｍｓｅｃ）を引加することにより、結晶に分極反転構造を形成した。このときの反転周期は、例えば、１０８４ｎｍの第２高調波が発生する周期であるΛ＝７．３６μｍとし、素子長は２５ｍｍとした。
【００４２】
図５は、上記のようにして作成された本実施の形態による波長変換素子の構成図である。本実施の形態による波長変換素子においては、ＭｇドープＬｉＮｂＯ３基板１上に分極反転部２が周期状に形成されている。本波長変換素子は、周期状に形成された分極反転部２内に光を通すことで、位相整合条件を満足し、波長λの基本波を波長λ／２の第２高調波に変換する素子である。この素子に用いたＬｉＮｂＯ３基板１には、Ｍｇがドープされている。
【００４３】
上記のＭｇＬＴにおいて、高効率変換が可能な波長変換素子の構造について説明する。分極反転部２の反転幅はＷ、深さはＤ、周期はΛである。分極反転部２は、＋Ｚ面より−Ｚ面に向かって形成されている。分極反転部２のストライプ方向は、Ｙ軸方向である。分極反転部２のストライプ方向とＹ軸方向とは±５度以内の角度を有することが望ましい。この角度が５度を超えると、分極反転部２の不均一性が増大し、波長変換素子の変換効率が大幅に低下するからである。また、波長変換素子の表面は、結晶のＣ軸（Ｚ軸）とほぼ垂直な面を有するのが望ましい。分極反転構造がＣ軸に沿って成長するため、深い分極反転構造の形成が可能となり、波長変換素子を通過する基本波のビームとの重なりを十分大きくすることができるからである。
【００４４】
このようにして形成した素子を波長変換素子（分極反転素子）として使用する場合について、実際に波長変換特性の評価を行った。この評価に使用した波長変換特性光学系を図６に示す。基本波光源６０１には、発振波長１０８４ｎｍのＹｂドープファイバーレーザを用いた。出射した赤外光（平行光：ビーム径７６０μｍ）を集光レンズ６０２（ｆ＝３０ｍｍ）で分極反転素子６０３内に集光する。分極反転素子６０３は金属板に固定され、ベルチェ素子６０５により約２５℃に温度管理されている。この分極反転素子６０３から発生した第２高調波（緑色光）を波長分離フィルタ６０６で基本波（ω）と第２高調波（２ω）に分離し、分離した第２高調波をパワーメータで測定している。
【００４５】
図７に、本実施の形態による波長変換素子の特性評価結果をプロットした図を示す。図７中の破線は、Ｍｇを５．６ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた本実施の形態の波長変換素子の出力特性を示し、実線は、Ｍｇを５．０ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた従来の波長変換素子の出力特性を示している。
【００４６】
従来の結晶を用いた波長変換素子では、不用意に発生した紫外光による緑色光吸収により、入力が８Ｗを超えた付近から出力が飽和し始め、緑色高出力２．４〜２．８Ｗで結晶に内部ダメージ損傷が発生していた。一方、Ｍｇを５．６ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子については、入力が８Ｗを超えた付近からわずかに出力が飽和するものの、緑色光出力が２．４〜２．８Ｗを超え３Ｗ以上でも結晶のクラックは発生せず、Ｍｇ濃度５ｍｏｌ％添加と比較して出力飽和が抑えられている。この結果、紫外光による緑色光の吸収を低減したことによる効果が現れていることがわかった。
【００４７】
次に、上記の各波長変換素子について、出力と紫外光誘起緑色光吸収との関係について検討した。図８は、Ｍｇを５．０ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた従来の波長変換素子の入出力特性の測定値及び理論値を示す図であり、図９は、Ｍｇを５．６ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた本実施の形態の波長変換素子の入出力特性の測定値及び理論値を示す図である。なお、各図において、測定及び計算に用いた基本波の波長は１０８４ｎｍであり、素子長は２５ｍｍである。また、理論値の計算は、“Ｔ．Ｓｕｈａｒａ  ａｎｄ  Ｍ．Ｆｕｊｉｍｕｒａ  ：Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ−Ｏｐｔｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  （Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，Ｂｅｒｌｉｎ，２００３）  ｐ．２０８．”に記載されている方法を用い、変換効率等には各素子に応じた値を用いた。
【００４８】
まず、Ｍｇを５．０ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた従来の波長変換素子では、図８に示すように、理論値の入出力特性は曲線ＣＲとなり、入力と出力とがほぼ比例する。一方、測定値の入出力特性は曲線ＣＥとなり、緑色光出力が１Ｗ未満の区間ｒ１では、曲線ＣＲと曲線ＣＥとがほぼ一致するが、緑色光出力が１Ｗ以上となる区間ｒ２では、曲線ＣＥは曲線ＣＲから外れて緑色光出力が低下し、緑色光出力が１．７５Ｗ以上となる区間ｒ３では、曲線ＣＥは曲線ＣＲから大きく外れ、緑色光出力が不安定となった。この結果、従来の波長変換素子では、その出力が１Ｗ以上になると、紫外光誘起緑色光吸収が顕著に発生することがわかった。
【００４９】
次に、Ｍｇを５．６ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた本実施の形態の波長変換素子では、図９に示すように、理論値の入出力特性は曲線ＩＲとなり、上記と同様に入出力がほぼ比例する。一方、測定値の入出力特性は曲線ＩＥとなり、曲線ＩＲと曲線ＩＥとがほぼ一致する区間Ｒ１が、緑色光出力が１．５Ｗとなる範囲まで拡大され、曲線ＩＥが曲線ＩＲから外れるが安定に緑色光を出力できる区間Ｒ２も、緑色光出力が２．９Ｗとなる範囲まで拡大された。この結果、本実施の形態の波長変換素子では、出力が１Ｗ以上になると発生する紫外光誘起緑色光吸収を抑制することができ、緑色光の吸収が少ない分だけ波長変換効率を向上することができた。
【００５０】
上記の理論値及び測定結果から、本波長変換素子は、平均出力１Ｗ以上のレーザ光を出力することが好ましく、平均出力１．５Ｗ以上のレーザ光を出力することがより好ましく、出力１．７５Ｗ以上のレーザ光を出力することがさらに好ましい。この場合、紫外光誘起緑色光吸収を抑制することができ、緑色光の吸収を少なくして波長変換効率を向上することができる。
【００５１】
次に、高出力時の出力安定性について検討した。図１０に、Ｍｇ濃度５ｍｏｌ％、５．３ｍｏｌ％及び５．６ｍｏｌ％のＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子の高出力時の出力安定性をプロットした図を示す。Ｍｇ濃度５．６ｍｏｌ％のＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子では、３．０Ｗ発生時において素子劣化による出力低下が８時間にわたって発生していないことが分かる。また、Ｍｇ濃度５．３ｍｏｌ％のＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子では、４．３Ｗ発生時において素子劣化による出力低下が８時間にわたって発生していないことが分かる。一方、Ｍｇ濃度５ｍｏｌ％のＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子では、２．５Ｗ発生時においても不安定であった。このようにＭｇの添加濃度を５．３ｍｏｌ％及び５．６ｍｏｌ％にすることにより、緑色光吸収による発熱の影響を低減できるため、出力安定性をも向上することができた。
【００５２】
次に、図６に示す波長変換特定評価光学系を用いて、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子のＭｇ添加濃度の最適範囲について検討した。図１１は、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子のＭｇの濃度と緑色光の吸収率との関係を測定した結果を示す図であり、図中の黒丸は、各Ｍｇ添加濃度に対する緑色光の吸収率の実測結果を示し、実線は各測定点を滑らかに結んだ曲線である。
【００５３】
図１１に示すように、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇ濃度が５．１０〜５．７０ｍｏｌ％であるとき、可視光の一例である緑色光の透過率を８６．５％以上確保しながら、５５０ｎｍの緑色光を３Ｗレベルで出力することができた。また、Ｍｇ濃度が５．２０〜５．５４ｍｏｌ％であるとき、緑色光の透過率を９０．０％以上確保しながら、５４０ｎｍの緑色光を３Ｗレベルで出力することができた。さらに、Ｍｇ濃度が５．３０〜５．４０ｍｏｌ％であるとき、緑色光の透過率を９２．０％以上確保しながら、５３０ｎｍの緑色光を３Ｗレベルで出力することができた。なお、上記の範囲以外では、結晶にワレが生じた。
【００５４】
次に、上記の範囲でＭｇを添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子の分極反転部の深さＷの最適範囲について検討した。図１２は、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子のＭｇ濃度と分極反転部の深さＷとの関係を測定した結果を示す図である。
【００５５】
図１２に示すように、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇ濃度が６．００ｍｏｌ％のとき、分極反転部が十分な深さだけ成長しなかったが、Ｍｇ濃度が５．８０ｍｏｌ％のとき、２００μｍ以上の深さで成長し、Ｍｇ濃度が５．６０ｍｏｌ％、５．４０ｍｏｌ％、５．３０ｍｏｌ％のとき、約２５０μｍ以上の深さで成長し、Ｍｇ濃度が５．００ｍｏｌ％のとき、約５００μｍ以上の深さで成長した。
【００５６】
上記のＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子を分極反転素子として使用する場合、当該分極反転素子から出射されるビームの直径を１２０μｍにするためには、調整時の余裕を考慮すると、分極反転部の深さＷを２００μｍ以上にする必要がある。この条件を満たすためには、図１２に示す結果から、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子の分極反転部のＭｇ濃度は、５．８０ｍｏｌ％以下であることが好ましく、５．６０ｍｏｌ％以下であることがより好ましい。
【００５７】
上記の図１１及び図１２に示す実験結果から、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇ濃度が５．１０〜５．７０ｍｏｌ％であることが好ましい。この場合、波長変換素子から出射されるビームの直径を１２０μｍ以上確保するとともに、緑色光の透過率を８６．５％以上確保しながら、５５０ｎｍの緑色光を３Ｗレベルで出力することができる。
【００５８】
また、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇ濃度が５．２０〜５．５４ｍｏｌ％であることがより好ましい。この場合、波長変換素子から出射されるビームの直径を１２０μｍ以上確保するとともに、緑色光の透過率を９０．０％以上確保しながら、５４０ｎｍの緑色光を３Ｗレベルで出力することができる。
【００５９】
また、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇ濃度が５．３０〜５．４０ｍｏｌ％であることがさらに好ましい。この場合、波長変換素子から出射されるビームの直径を１２０μｍ以上確保するとともに、緑色光の透過率を９２．０％以上確保しながら、５３０ｎｍの緑色光を３Ｗレベルで出力することができる。
【００６０】
このように、本実施の形態の波長変換素子を使用することにより、従来実現が困難であった、光損傷の回避と紫外光誘起緑色光吸収の低減との双方の課題を同時に緩和することが可能となっている。また、図６に示した構成は、図３０に記載の特許文献３と比較して構成及び部材ともに簡略化されていることがわかる。したがって、本実施の形態の波長変換素子を用いることにより、装置の簡略化及び低コスト化を実現することができる。
【００６１】
（第２の実施の形態）
本発明による第２の実施形態の波長変換素子は、波長変換に用いる非線形光学結晶として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したコングルエント組成タンタル酸リチウム結晶を用い、赤外光を緑色光に変換する。以下、本波長変換素子について詳細に説明する。
【００６２】
本実施形態に用いられるタンタル酸リチウムは、第１の実施の形態と同様に作成される。結晶のＭｇ濃度（Ｍｇ含有比）は、引き上がった状態において、１．０ｍｏｌ％、３．０ｍｏｌ％、５．０ｍｏｌ％、５．３ｍｏｌ％、５．６ｍｏｌ％、６．０ｍｏｌ％、７．０ｍｏｌ％、１０．０ｍｏｌ％とした。
【００６３】
まず、結晶基板であるＭｇドープＬｉＴａＯ３の結晶組成について検討した。ＬｉＴａＯ３結晶は、Ｌｉ／Ｔａ比によりコングルエント組成とストイキオメトリック組成とに分類される。ストイキオメトリック組成は、Ｌｉ／Ｔａ比がほぼ５０／５０であり、完全結晶と呼ばれ、コングルエント組成は、Ｌｉ／Ｔａ比が５０／５０からずれている。
【００６４】
このため、ＭｇドープＬｉＴａＯ３結晶としては、コングルエント組成であることが好ましく、基板結晶に含まれるＬｉとＴａとのモル比であるＬｉ／Ｔａ比が９４．２±２％であることがより好ましい。この場合、コングルエント組成ではＬｉ／Ｔａ比が５０／５０からずれているため、結晶欠陥が多く、結晶欠陥に配置されるＭｇを高濃度で添加可能である。この結果、特性に必要な５ｍｏｌ％以上のＭｇ添加が容易となり、結晶性が高い高濃度ＭｇドープのＬｉＴａＯ３結晶を作製することができた。また、コングルエント組成のＬｉ／Ｔａ比は、９４．２±２％程度が好ましい。このコングルエント組成の結晶では、結晶の引き上げが容易であり、低コスト化が可能となった。
【００６５】
続いて、図３に示す評価装置を用いて、紫外線照射時における緑色光の吸収率を測定し、測定結果について図１３にまとめた。まず、Ｍｇを１．０ｍｏｌ％、３．０ｍｏｌ％、５．０ｍｏｌ％、５．３ｍｏｌ％、５．６ｍｏｌ％、６．０ｍｏｌ％、７．０ｍｏｌ％添加したコングルエント組成ＬｉＴａＯ３結晶（１．０ｍｏｌ％ＭｇＬＴ、３．０ｍｏｌ％ＭｇＬＴ、５．０ｍｏｌ％ＭｇＬＴ、５．３ｍｏｌ％ＭｇＬＴ、６．０ｍｏｌ％ＭｇＬＴ及び７．０ｍｏｌ％ＭｇＬＴ）では、紫外光を照射した場合、非照射時と比べて緑色光の透過率の低下が約５％以下に抑えられている。一方、Ｍｇを１０．０ｍｏｌ添加したＬｉＴａＯ３結晶（１０．０ｍｏｌ％ＭｇＬＴ）では、非照射時と比べて緑色光の透過率が５％以上低下していることがわかる。
【００６６】
次に、上記の結晶を用いて、図５に示す波長変換素子と同様にして、本実施の形態の波長変換素子を作成した。本実施の形態の波長変換素子の構成は、図５に示す波長変換素子と同様であるので、図５を参照してその構成を説明する。
【００６７】
本実施の形態による波長変換素子においては、結晶のＺ軸にほぼ垂直な主面を有するＭｇドープＬｉＴａＯ３基板１上に周期状に形成された分極反転部２が形成されている。本波長変換素子は、周期状に形成された分極反転部２内に光を通すことで、位相整合条件を満足し、波長λの基本波を波長λ／２の第２高調波に変換する素子である。ここで、λ／３は、４００ｎｍ以下であり、位相整合波長λは、９８０ｎｍ以下である。この素子に用いたＬｉＴａＯ３基板には、Ｍｇがドープされている。周期状の分極反転部２は、基板の＋Ｚ面に形成された周期状のパターン電極と、基板の−Ｚ面に形成された電極との間に電界を印加する工程により形成され、電極間の印加電界は、４ｋＶ／ｍｍ以下である。
【００６８】
上記の波長変換素子（ＭｇＬＴ）において、高効率変換が可能な波長変換素子の構造について説明する。分極反転部２の反転幅はＷ、深さはＤ、周期はΛである。分極反転部２は＋Ｚ面から−Ｚ面に向かって形成されている。分極反転部２のストライプ方向は、Ｙ軸方向であり、分極反転部２のストライプ方向とＹ軸とは、ほぼ平行である。分極反転部２のストライプ方向とＹ軸方向とは±５度以内の角度を有することが望ましい。この角度が５度を超えると、分極反転の不均一性が増大し、波長変換素子の変換効率が大幅に低下するからである。また、波長変換素子の表面は、結晶のＣ軸（Ｚ軸）とほぼ垂直な面を有するのが望ましい。分極反転構造がＣ軸に沿って成長するため、深い分極反転構造の形成が可能となり、波長変換素子を通過する基本波のビームとの重なりを十分大きくすることができるからである。
【００６９】
次に、図６に示す波長変換特定評価光学系を用いて、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子のＭｇ添加濃度の最適範囲について検討した。図１４は、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子のＭｇの濃度と緑色光の吸収率との関係を測定した結果を示す図であり、図中の黒丸は、各Ｍｇ添加濃度に対する緑色光の吸収率の実測結果を示し、実線は各測定点を滑らかに結んだ曲線である。
【００７０】
図１４に示すように、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇ濃度が５．０〜８．０ｍｏｌ％であるとき、緑色光の透過率を９５．２％以上確保しながら、５４０ｎｍの緑色光を１０Ｗレベルで出力することができた。また、Ｍｇ濃度が５．０〜７．０ｍｏｌ％であるとき、緑色光の透過率を９５．８％以上確保しながら、５３０ｎｍの緑色光を１０Ｗレベルで出力することができた。さらに、Ｍｇの濃度が５．０〜６．０ｍｏｌ％であるとき、緑色光の透過率を９６．７％以上確保しながら、５２５ｎｍの緑色光を１０Ｗレベルで出力することができた。一方、Ｍｇの濃度が５．０ｍｏｌ％未満の場合、光損傷（フォトリフラクティブ）が発生し、８．０ｍｏｌ％を超えると、結晶性が悪化し、いずれも好ましくないことがわかった。
【００７１】
また、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇの濃度が５．０ｍｏｌ％の場合に、実験によっては光損傷がわずかに観測されたため、上記各範囲は、５．１〜８．０ｍｏｌ％、５．１〜７．０ｍｏｌ％、５．１〜６．０ｍｏｌ％であることがより望ましい。この場合、光損傷を確実に抑制することができる。
【００７２】
また、上記と同様の実験から、紫外線誘起緑色光吸収による出力低下が起きるのは、基本波の波長が１２００ｎｍ以下、分極反転部２の周期Λが１１μｍ以下の波長変換素子であることが判明した。この場合、Ｍｇのドープ量が５．０〜８．０ｍｏｌ％の周期状分極反転構造を備えた波長変換素子では、Ｍｇドープによる光損傷耐性の向上、紫外線誘起緑色光吸収の増大が抑圧されるので、高出力及び高効率耐性を実現でき、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）光のパワー密度も１ＭＷ／ｃｍ２以上で約１０Ｗの高出力が安定的に得られた。
【００７３】
次に、上記の範囲でＭｇを添加したＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子の分極反転部の深さＷの最適範囲について検討した。図１５は、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子のＭｇ濃度と分極反転部の深さＷとの関係を測定した結果を示す図である。
【００７４】
図１５に示すように、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇ濃度が１０．０ｍｏｌ％のとき、分極反転部が十分な深さだけ成長しなかったが、Ｍｇ濃度が８．０ｍｏｌ％のとき、約２００μｍの深さで成長し、Ｍｇの濃度が５．６ｍｏｌ％、５．４ｍｏｌ％、５．３ｍｏｌ％、５．０ｍｏｌ％のとき、約２５０μｍ以上の深さで成長した。
【００７５】
上記のＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子を分極反転素子として使用する場合、当該分極反転素子から出射されるビームの直径を１２０μｍにするためには、調整時の余裕を考慮すると、分極反転部の深さＷを２００μｍ以上にする必要がある。この条件を満たすためには、図１５に示す結果から、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子の分極反転部のＭｇの濃度は、８．０ｍｏｌ％以下であることが好ましく、５．６ｍｏｌ％以下であることがより好ましい。
【００７６】
上記の図１４及び図１５に示す実験結果から、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇ濃度が５．０〜８．０ｍｏｌ％であることが好ましい。この場合、波長変換素子から出射されるビームの直径を１２０μｍ以上確保するとともに、緑色光の透過率を９５．２％以上確保しながら、５４０ｎｍの緑色光を１０Ｗレベルで出力することができる。
【００７７】
また、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇの濃度が５．０〜７．０ｍｏｌ％であることがより好ましい。この場合、波長変換素子から出射されるビームの直径を１２０μｍ以上確保するとともに、緑色光の透過率を９５．８％以上確保しながら、５３０ｎｍの緑色光を１０Ｗレベルで出力することができる。
【００７８】
また、ＬｉＴａＯ３結晶を用いた波長変換素子では、Ｍｇの濃度が５．０〜６．０ｍｏｌ％であることがさらに好ましい。この場合、波長変換素子から出射されるビームの直径を１２０μｍ以上確保するとともに、緑色光の透過率を９６．７％以上確保しながら、５２５ｎｍの緑色光を１０Ｗレベルで出力することができる。
【００７９】
このように、本実施の形態の波長変換素子を使用することにより、従来実現が困難であった、光損傷の回避と紫外光誘起緑色光吸収の低減との双方の課題を同時に緩和することが可能となっている。また、図６に示した構成は、図３０に記載の特許文献３と比較して構成及び部材ともに簡略化されていることがわかる。したがって、本実施の形態の波長変換素子を用いることにより、装置の簡略化及び低コスト化を実現することができる。
【００８０】
また、本実施の形態のように、ＬｉＴａＯ３結晶を用いる場合、非線形光学定数がＬｉＮｂＯ３結晶の約３分の１となり、可視光の吸収率がＬｉＮｂＯ３結晶より十分に小さいため、より多くの緑色光を発光することができる。この結果、本実施の形態の波長変換素子は、より高い波高値を有するパルスを発生することができるので、後述するパルス変調に有利となる。
【００８１】
次に、分極反転部２の形状について詳細に検討した。本実施の形態では、分極反転部２が裏面に貫通しないように分極反転部２の成長を基板の途中で止める方法を採用した。分極反転部２の成長を制御して貫通反転を防止することで、電極間の抵抗低下を抑圧して分極反転に必要な電界を電極面内に均一に印加することが可能となり、均一な分極反転構造が形成可能となった。
【００８２】
このように、分極反転構造として、分極反転部２の深さＤは、基板の厚さ（Ｚ方向の基板長）より小さいことが好ましく、分極反転部２が形成されている分極反転領域の９０％以上の領域が裏面まで貫通していないことが好ましい。すなわち、電極面積の９０％以上の領域で分極反転部２が貫通しない構成により、均一な分極反転構造の形成が可能となる。
【００８３】
また、分極反転部２が裏面まで貫通するのを防止するには、基板の厚さを大きくすることが好ましい。例えば、基板の厚さを１ｍｍ以上にすることで分極反転の貫通を防止し、均一な短周期構造の形成が可能となるため、高効率の波長変換素子が実現できた。
【００８４】
また、分極反転部２の深さＤの平均は、基板の厚さの４０〜９５％の範囲であることが好ましい。この範囲であれば、基板を有効に利用できる。一方、９５％を超えると分極反転部２の抵抗低下が激しくなるため、均一な分極反転構造の形成が困難になり、４０％未満になると、分極反転部２の不均一性が大きくなり、使用できる有効な分極反転部２の深さＤが大幅に低下する。
【００８５】
また、ＭｇＬＴにおいては、分極反転部２は、基板の表面から深さ方向に楔状となり、深くなるに従って、分極反転部２の幅が低下することがわかった。１次の分極反転周期を持った波長変換素子においては、分極反転部２の幅Ｗと周期Λとのデューティ比Ｗ／Λは５０％で最大となる。バルクの波長変換素子として、集光ビームを分極反転部２に入射する場合の有効な断面積は、分極反転部２の幅Ｗと周期Λとのデューティ比Ｗ／Λが５０％±１０％の領域となる。
【００８６】
ところが、分極反転部２の幅Ｗと周期Λとのデューティ比Ｗ／Λが基板の表面で５０％になった場合、図１６に示すように、基板の表面で第２高調波（ＳＨＧ）出力が最大となるが、深さＷ方向の有効断面積が小さくなる。これに対して、基板の表面でデューティ比Ｗ／Λが５０％を超えると、図１７に示すように、深さＷ方向の有効断面積が大幅に増加する。有効断面積が増加すると、ビームの調整が簡便になるだけでなく、使用できるビームを大きくできるため、基本波及び第２高調波のパワー密度を低減することが可能となり、高出力耐性が大幅に向上する。したがって、基板の主面における分極反転部２の幅Ｗは、非分極反転部の幅（Λ−Ｗ）より大きいことが好ましい。
【００８７】
また、分極反転部２のアスペクト比（Ｄ／Ｗ）は、２００以上であることが好ましい。アスペクト比が大きいと、分極反転を有効に使える領域が大きくなり、特に、短周期構造において必要となる。
【００８８】
次に、さらに高出力の波長変換素子を実現する構成について考察した。実験結果から、紫外線による緑色光の吸収増大は、紫外線の波長に依存することが明らかになった。紫外線としては３２０ｎｍ〜３８０ｎｍの波長範囲の紫外線に対して、緑色光の吸収が増大した。波長３２０ｎｍ以下の波長は、結晶の吸収端以下の波長であり、結晶を透過しないため、影響がないと考えられる。したがって、上記波長の紫外線が当たると、緑色光の吸収による高出力特性の劣化が観測された。
【００８９】
外部の紫外線による高出力特性劣化を防止するには、結晶を外部の紫外線から遮断する必要がある。高出力特性の劣化を防止するため、図１８に示すように、ＭｇＯ添加分極反転タンタル酸リチウム結晶（ＰＰＭｇＬＴ：Periodically Poled ＭｇＯ doped ＬｉＴａＯ３）６２が光源６６から出射された基本波６４を第二高調波（ＳＨＧ）６５に変換して出力する場合、ＰＰＭｇＬＴ６２の回りに波長２５０〜４００ｎｍの光が透過しない蔽い６１を設けて、外部からの紫外光を遮断するのが望ましい。すなわち、波長変換素子は、蔽い６１を備え、蔽い６１により外部光から遮蔽され、蔽い６１は、波長４００ｎｍ以下の光を透過しないことが好ましい。
【００９０】
次に、基本波と第二高調波との和周波による紫外光発生によって生じる高出力特性の劣化について説明する。外部からの紫外光を完全に遮断した場合でも、高出力の緑色光発生で、ダメージが発生する場合がある。この原因を調べたところ、図１９に示すように、ＰＰＭｇＬＴ７２では、光源７１からの基本波７４と第二高調波（ＳＨＧ）７５との和周波（ＳＦＧ：Sum Frequency Generation）７６がウォークオフ角７７を持って出射していることが判明した。ＳＦＧ７６の波長は、基本波７４の波長λの１／３であり、例えば１０６４ｎｍの基本波に対しては３５５ｎｍの紫外線となる。これが、ＳＨＧ７５の吸収の要因となって、高出力特性を劣化させていることが分かった。この特性を分析すると波長依存性を持っている。
【００９１】
図２０は、基本波の波長とウォークオフ角との関係を計算したものであるが、ＳＦＧは分極反転の周期に依存していくつかの波長でウォークオフ角度が０に近づく。ウォークオフ角が０に近づくと、ＳＦＧの強度が強くなり、高出力特性が大幅に低下することが分かった。特に、ウォークオフ角が１５度以下では、高出力特性の劣化が激しくなる。このため、基本波の波長としては、８２０ｎｍ以下、又は８５０〜９８０ｎｍ、又は１０２０ｎｍ以上であることが好ましい。これらの範囲では、内部で発生する和周波を低減することができるので、より高出力な特性が実現できる。
【００９２】
なお、基本波を出力する光源としては、固体レーザ光源、ファイバーレーザ光源が利用できる。また、本実施の形態の波長変換素子を固体レーザ共振器内に設置して内部共振器型の波長変換として利用することにより、高出力の短波長光源が実現できる。この場合、本実施の形態の波長変換素子（ＰＰＭｇＬＴ）は、透過特性が高いため、共振器内での損失が低減され、高効率の波長変換が可能となる。
【００９３】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態による波長変換素子を用いたレーザ光源装置について図２１を用いて説明する。図２１において、コヒーレント光源である光源８６から出た基本波８４は、集光光学系８５を通って、波長変換素子である非線形光学結晶８１、８２によって波長変換されＳＨＧ８３に変換される。本構成により高効率及び高出力な波長変換素子が実現できる。なお、基本波８４の光源８６としては、固体レーザ光源、ファイバーレーザ光源等が利用できる。ファイバーレーザ光源は、ビーム品質が高いため、シングルパスの構成で高効率変換が容易であり、本実施の形態の波長変換素子と組み合わせて高効率の短波長光源装置が実現できる。
【００９４】
ＭｇドープＬｉＮｂＯ３（ＭｇＬＮ）は、高い非線形光学効果を有し、ＭｇドープＬｉＴａＯ３（ＭｇＬＴ）の３倍の変換効率を実現できる。しかしながら、前述した紫外光発生により、高出力耐性に問題があるため、３Ｗ程度を超える高出力化が難しい。一方、ＭｇドープＬｉＴａＯ３の変換効率は、ＭｇドープＬｉＮｂＯ３に比べて低いが、Ｍｇドープにより光損傷の耐性及び高出力耐性が大幅に向上する。
【００９５】
そこで、この２つの結晶を組み合わせることで、変換効率が高くかつ高出力の波長変換素子が実現できる。なお、波長変換素子を長くして変換効率の向上を図ることも可能であるが、素子長を長くすると、変換できる基本波の波長許容度が狭くなるので、高効率変換が難しくなる。また、素子も大きくなり、小型化及び低コスト化に不利である。
【００９６】
図２１に示すように、非線形光学結晶８１として、周期状の分極反転構造を有するＭｇＬＮ（ＰＰＭｇＬＮ：Periodically Poled ＭｇＯ doped ＬｉＮｂＯ３）素子を用い、非線形光学結晶８２として、周期状の分極反転構造を有するＭｇＬＴ（ＰＰＭｇＬＴ）素子を用い、ＰＰＭｇＬＮ素子８１を前段階に配置して１０６４ｎｍの基本波８４を５３２ｎｍのＳＨＧ８３に変換した。このとき、ＰＰＭｇＬＮ素子８１によって３Ｗの緑色光を発生させ、次に、ＰＰＭｇＬＴ素子８２によってさらに波長変換を行うことにより、ＳＨＧ８３として１０Ｗの緑色光を発生させることができた。なお、ＰＰＭｇＬＮ素子８１とＰＰＭｇＬＴ素子８２との位相整合波長は一致させている。また、ＰＰＭｇＬＮ素子８１とＰＰＭｇＬＴ素子８２との接合部分で基本波８４とＳＨＧ８３の位相関係が一致するように結晶端での分極反転構造を調整している。
【００９７】
このように、本実施の形態の波長変換素子は、ＭｇドープＬｉＴａＯ３基板とともに、さらに周期状の分極反転構造を有するＭｇドープＬｉＮｂＯ３基板を備え、ＭｇドープＬｉＴａＯ３基板とＭｇドープＬｉＮｂＯ３とが隣接して配置され、ＭｇドープＬｉＴａＯ３基板とＭｇドープＬｉＮｂＯ３とがほぼ同じ位相整合条件を有している。
【００９８】
図２２にＰＰＭｇＬＮ素子８１及びＰＰＭｇＬＴ素子８２の素子長すなわち距離に対するＳＨＧ出力の増加の様子を示す。まず、ＰＰＭｇＬＮ素子８１では、変換効率が高いため、距離に対してのＳＨＧの増加量を大きくすることができた。また、ＰＰＭｇＬＴ素子８２では、変換効率はＰＰＭｇＬＮ素子８１に比べて低いが、高出力耐性に優れるため、高出力まで安定に出力できた。このように、２段の波長変換素子により高効率化と高出力化とが可能となり、１０Ｗ以上の高出力光源が実現できた。
【００９９】
上記のように、本実施の形態では、ＰＰＭｇＬＮ素子８１とＰＰＭｇＬＴ素子８２とを組み合わせることにより、短い素子長で高効率な波長変換が行えるので、波長許容度が拡大し、かつ小型のレーザ光源装置が実現できた。また、ＰＰＭｇＬＮ素子８１とＰＰＭｇＬＴ素子８２とを接着又は接合して短波長光源を構成すれば、よりコンパクトな短波長光源を実現できる。
【０１００】
（第４の実施の形態）
次に、上記のいずれかの波長変換素子を適用したレーザディスプレイ（２次元画像表示装置）の構成の一例について図２３を用いて説明する。レーザ光源装置には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のレーザ光源９０１ａ〜９０１ｃを用い、赤色光源９０１ａには、波長６３８ｎｍのＧａＡｓ系半導体レーザを用い、青色光源９０１ｃには、波長４６５ｎｍのＧａＮ系半導体レーザを用いている。また、緑色光源９０１ｂには、赤外レーザの波長を１／２にする波長変換素子を具備した波長変換緑色光源装置を用いており、この波長変換緑色光源装置の波長変換素子として、上記の第１乃至第３の実施の形態の波長変換素子を用いることができる。
【０１０１】
なお、本実施の形態では、色毎に１つの半導体レーザを使用しているが、バンドルファイバーにより２個〜８個の半導体レーザの出力を１本のファイバー出力で得られるような構造をとってもよい。その場合、波長スペクトル幅は、数ｎｍと非常にブロードな物となり、この広いスペクトルによりスペックルノイズの発生を抑制することができる。
【０１０２】
各光源９０１ａ、９０１ｂ、９０１ｃより発せられた各色のレーザビームは、反射型２次元ビーム走査部９０２ａ〜９０２ｃにより２次元的に走査され、ミラー９１０ａ、凹レンズ９１０ｂ及びミラー９１０ｃを透過した後、拡散板９０３ａ〜９０３ｃを照射する。拡散板９０３ａ〜９０３ｃ上を２次元的に走査される各色のレーザビームは、フィールドレンズ９０４ａ〜９０４ｃを通過した後、２次元空間光変調素子９０５ａ〜９０５ｃへ導かれる。
【０１０３】
ここで、画像データは、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれに分割されており、各信号が２次元空間光変調素子９０５ａ〜９０５ｃに入力され、ダイクロイックプリズム９０６で合波されることにより、カラー画像が形成される。このように合波された画像は、投射レンズ９０７によりスクリーン９０８に投影される。このとき、拡散板９０３ａ〜９０３ｃがスペックルノイズ除去部として２次元空間変調素子９０５ａ〜９０５ｃの手前に配置されており、拡散板９０３ａ〜９０３ｃを揺動することにより、スペックルノイズを低減することができる。
【０１０４】
なお、スペックルノイズ除去部としては、レンチキュラーレンズ等を用いてもよい。また、２次元空間変調素子９０５ａ〜９０５ｃとしては、超小型ミラーが集積された反射型空間変調素子（ＤＭＤミラー）を用いることができるが、液晶を用いた２次元空間変調素子や、ガルバノミラー、メカニカルマイクロスイッチ（ＭＥＭＳ）を用いた２次元空間変調素子を用いてもよい。
【０１０５】
図２４の色度図表内に、Ｓ−ＲＧＢ規格の色再現範囲と、緑色光として５４０ｎｍ及び５３０ｎｍのレーザ光を選択した場合における色再現範囲とを示す。緑色光として５４０ｎｍ及び５３０ｎｍのレーザ光を選択した場合における色再現範囲のいずれもが、従来の画像表示装置で再現可能なＳ−ＲＧＢ規格の色再現範囲よりも広がっていることがわかる。このように、本実施の形態による２次元画像表示装置では、その光源としてレーザ光を使用することにより、高精細な映像を再現することが可能となる。また、２次元画像表示に使用する緑色光の波長範囲としては、色再現性を考慮すると、４８８ｎｍ〜５５０ｎｍが望ましく、より望ましくは、５００ｎｍ〜５４０ｎｍの範囲内であることが適当である。また、緑色光の波長範囲は、５２６ｎｍ〜５２９ｎｍであることがさらに好ましい。５２６ｎｍ未満では、黄色が再現できず、５２９ｎｍを超えると、色再現範囲がＮＴＳＣ比で１４０％を切るからである。
【０１０６】
なお、緑色光源９０１ｂの構成は、上記の例に特に限定されず、上記の第１乃至第３の実施の形態の波長変換素子を波長変換結晶として用い、ファイバーレーザ光源の第２高調波を発生させる第２高調波発生装置（波長変換ファイバーレーザ光源装置）を用いてもよい。この第２高調波発生装置の構成について、図２５を用いて説明する。
【０１０７】
図２５に示す第２高調波発生装置は、励起用（ポンプ用）レーザ１００１、Ｙｂ添加クラッドポンプファイバー１００３、ポラライザ１００４、ファイバーグレーティング１００５、レンズ１００６、波長変換素子（ＳＨＧ結晶）１００７、スプリッタ１００８、フォトダイオード（ＰＤ）１００９、出力コントローラ１０１０、及び制御電流源（ＩＬ電流源）１０１１とを備える。
【０１０８】
励起用レーザ１００１としては、レーザダイオードが用いられ、Ｙｂ添加クラッドポンプファイバー１００３は、レーザ媒質として使用される。Ｙｂ添加クラッドポンプファイバー１００３は、励起用レーザ１００１（波長約１９５ｎｍ、最大出力３０Ｗ）で励起され、Ｙｂ添加クラッドポンプファイバー１００３の波長は、１０６０ｎｍ近辺に制御されている。ポラライザ１００４は、発振した基本波を直線偏光に変換する。直線偏光に変換された光は、ファイバーグレーティング１００５及びレンズ１００６を介して、波長変換素子１００７に入射される。
【０１０９】
このようにして、発振した光（波長約１０６０ｎｍ）は、非線形光学結晶（例えば、周期分極反転ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶、長さ１０ｍｍ）からなる波長変換素子１００７に入射され、１／２の波長である５３０ｎｍの緑色光に変換される。このとき、波長変換素子１００７は、結晶の温度により位相整合波長が変化するため、０．０１℃の精度で温度制御されており、発振した光の第２高調波を発生させる。
【０１１０】
発生した緑色光の一部は、スプリッタ１００８により分離されてＰＤ１００９へ入力される。ＰＤ１００９は、波長変換結晶１００６の出力をモニターして緑色光の強度を計測する。出力コントローラ１０１０は、ＰＤ１００９により検出された第２高調波出力を基に出力を一定にする制御を行い、制御電流源１０１１は、出力コントローラ１０１０からの制御信号を受けて励起用レーザ１００１の出力を制御する。このように、出力コントローラ１０１０がＰＤ１００９により計測された光の強度を換算することで、励起光源の出力電流をコントロールすることが可能となる。
【０１１１】
これまでＷクラスの出力を得る場合、波長変換素子の温度を１００℃以上に加熱することが一般的であったが、例えば、Ｍｇ５．６ｍｏｌ添加のＬｉＮｂＯ３結晶を用いた場合、第１実施の形態でも説明したように、室温に置いても安定した緑色光出力が得られる。このため、２０℃〜６０℃の範囲であっても使用することができ、装置の消費電力を低減することができる。加えて、結晶保持温度を室温以上（４０〜６０℃）に設定した場合、高価なペルチェ素子を使用しなくてもヒータで代替できるため、さらに部材コストを低減することができる。
【０１１２】
なお、本発明は、このような構成の２次元画像表示装置のほかに、スクリーンの背後から投影する形態（リアプロジェクションディスプレイ）を採用すること、一般的な液晶表示素子のバックライトに使用することも可能であり、これらの形態においても、上記と同様に、２次元画像表示装置の色再現性を向上することが可能となる。特に、リアプロジェクションディスプレイの形態をとる場合や液晶表示素子のバックライトとして用いる場合、視野角を大きくするためには、光源出力を大きくする必要があり、この場合、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれ２．５Ｗ以上望ましくは３Ｗ以上の光源が必要となる。
【０１１３】
このような２次元画像表示装置において、実用的といえる５００ｌｍ以上の明るさを得るには、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれ２Ｗ以上の光が必要となっている。一方、このようなＷクラスの緑色光を得るにはこれまで、ＬＢＯ（リチウムトリボレート：ＬｉＢ３Ｏ５）結晶を用いた第２高調波発生が一般的であった。しかしながら、このＬＢＯ結晶には潮解性があるため、結晶保持温度を１５０℃とする必要があり、加えて変換効率を左右する非線形光学定数がＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３の１／２０程度と小さいため、外部共振器など波長変換装置の構成が複雑になるうえ、装置の消費電力が増加するという問題があった。
【０１１４】
しかしながら、本実施の形態においては、Ｗクラスの緑色高出力を得ることが可能なＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３等を使用した波長変換緑色光源を使用しているので、結晶加熱や複雑な構成の光学系を必要とせずに、２次元画像表示装置を構成することができる。
【０１１５】
また、２次元画像表示装置として最低限必要な明るさを３００ｃｄ／ｍ２とすると、緑色光の強度は１．５Ｗ以上必要となる。この強度を実現するためには、基本波に対するＳＨＧの比率は、２５％〜６０％であることが好ましい。２５％未満では、変換効率が低下して消費電力が増大し、６０％を超えると、結晶破壊が発生したり、出力変動が大きくなりすぎるからである。
【０１１６】
なお、本実施の形態では、レーザディスプレイについて説明したが、本発明が適用される光学装置は、この例に特に限定されず、光ディスク装置や計測装置にも有効である。光ディスク装置に本発明のレーザ光源装置を用いた場合、コヒーレンスの高い、安定な高出力を得ることができ、ホログラム記録にも有効である。そのほか、液晶装置のバックライトへの応用も可能となる。本発明のレーザ光源装置を液晶のバックライト用の光源として用いれば、高い変換効率により高効率及び高輝度の液晶が実現できる。さらに、レーザ光によって広い色範囲が表現できるため、色再現性に優れたディスプレイが実現できる。
【０１１７】
また、本発明のレーザ光源装置は、照明光源としても利用できる。ファイバーレーザを基本波光源として用いれば、変換効率が高いため、電気−光の高効率変換が可能となる。また、ファイバーを用いることで、低損失で離れた場所に光を伝送することができる。この結果、光発生を特定の場所で行い、離れた場所へ光を送ることで、光のセントラル発生による室内の照明が可能になる。また、ファイバーレーザは、ファイバーとの結合が低損失で行えるため、光の配送に有効である。
【０１１８】
（第５の実施の形態）
次に、上記のいずれかの波長変換素子を適用したレーザ加工装置の一例について、図２６を用いて説明する。本実施の形態は、加工用レーザ光源１２０１として、上記の第１乃至第３の実施の形態の波長変換素子を用いたレーザ光源装置（緑色光：波長５３２ｎｍ）を使用しており、プリント基板などの銅加工に適したレーザ描画加工装置である。なお、緑色光源１２０１の構成は、第４の実施の形態と同様であるので、詳細な説明を省略する。
【０１１９】
加工用レーザ光源１２０１を出射した緑色光は、組レンズ１２０２によりコリメートされる。その後、スリット１２０３を通過してビーム径が調整され、ミラー１２０４などにより光軸を折り返した後、レンズ１２０５を介してガルバノミラー１２０６ａ、１２０６ｂへ導かれる。ガルバノミラー１２０６ａ、１２０６ｂは、レーザ光の光軸を加工方向（ｘ方向又はｙ方向）に動し、その後、ｆ−θレンズ１２０７により、ｘ−ｙステージ１２０９に取り付けられた加工対象物１２０８に垂直にビームが入射され、所望の加工が行われる。加工に用いられるレーザ光の波長範囲は、光ディスクのマスタリング等に使用できる４００ｎｍから樹脂の溶着に使用できる６００ｎｍまでの波長範囲であることが望ましい。
【０１２０】
従来、このようなレーザ加工装置に用いるレーザ光源には、ＬＢＯ結晶を用いたレーザ光源が用いられていたが、この結晶には潮解性があり、使用しない場合においても、結晶を１５０℃に加熱したり、乾燥雰囲気中で使用したりする必要がある上、結晶の持つ熱膨張係数の違いから表面コーティングが破壊されるという問題点があった。また、これまでに報告のあった、ＭｇＯ５ｍｏｌ添加：ＬｉＮｂＯ３は、潮解性がないという特長を持つが、２００〜３００ｍＷまでの出力を得た例がほとんどで、前述したように２Ｗ以上の緑色光出力を得ようとした場合、結晶が割れるなどの問題があった。
【０１２１】
しかしながら、本実施の形態においては、Ｗクラスの緑色高出力を得ることが可能なＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３等を使用しているので、３Ｗ以上の出力が安定して得られるとともに、潮解性がないため、装置を使用しない場合には、電源を遮断した状態でも結晶劣化をなくすことができる。その結果、ヒータを駆動する装置の消費電力を低減し、さらには装置の小型化が可能となる。
【０１２２】
また、本実施の形態では、基本波の波長を変化させることにより、アルゴンイオンレーザ（４８８ｎｍ、５１４ｎｍ）の波長を発生させることも可能である。この場合、ガラスチューブを用いた大型の光源であった従来の光源に比して、使用するレーザ光源装置の体積を２０〜３０％に小型化することができ、光造形装置や、パーティクル分析装置、血液分析装置など各種分析機器の小型化及び低消費電力化が実現できる。
【０１２３】
また、上記のレーザ加工装置では、加工用レーザ光源１２０１をパルス光源として使用する場合、一般的にパルス当たりのピークパワーは上昇する。そのため、紫外光誘起緑色光吸収が、連続光では平均出力２Ｗ以上の場合に発生するが、パルス発振では平均出力で１Ｗ以上で発生する。また、パルス発振では、レーザ光源装置に搭載される励起用レーザに供給する電流の波形を考慮しなければ、異常に高いピークパワーを持つ光が発生し、結晶やミラーにレーザダメージ（レーザ損傷）が生じ、緑色光の発生が停止してしまう。
【０１２４】
図２７の（ａ）〜（ｃ）に、従来のレーザ光源装置に矩形波を入力した場合における励起用レーザへの電流波形ＩＬ、波長変換素子へ入力される基本波の出力波形Ｐω、及び波長変換素子からの緑色光の出力波形Ｐｇｒｅｅｎを示す。
【０１２５】
図２７の（ａ）に示すように、電流波形ＩＬが矩形であっても、パルスの立ち上がりと同時にレーザ媒質である波長変換素子に形成された反転分布が光となって出力されるため、図２７の（ｂ）に示すように、予期せぬピークパワーを有する基本波Ｐωが１〜１０μｓのパルス幅で出力され、図２７の（ｃ）に示すように、高ピーク入力により波長変換素子等が破壊され、緑色光の出力波形Ｐｇｒｅｅｎとして高ピークの緑色光が一瞬出力されるが、その後、緑色光の出力が得られないという問題があった。
【０１２６】
このため、本実施の形態では、例えば、図２８の（ａ）に示すように、励起用レーザ１００１への電流波形ＩＬとして、最初の１〜１０μｓの間、所定の波高値の５〜３０％、より好ましくは１０〜２０％の電流値を与え、その後、電流波形ＩＬを所望の電流値（所定の波高値）にしている。この結果、図２８の（ｂ）に示すように、波長変換素子１００７へ入力される基本波の出力波形Ｐωは、パルスの立ち上がり時に高いピークを有すことなく、緩やかに所定のピーク値まで上昇し、高いピーク出力の発生を防止することができる。
【０１２７】
このように、基本波発生用光源の励起用レーザ１００１に供給される電流波形の立ち上がり時の電流値を、定常時の電流値に対して５〜３０％、より好ましくは１０〜２０％に制限することにより、図２８の（ｃ）に示す緑色光の出力波形Ｐｇｒｅｅｎのように、安定した緑色光の出力を得ることができる。また、定常時の電流値に対して５〜３０％、より好ましくは１０〜２０％に制限する期間は、１〜１０μｓの範囲であることが好ましい。
【０１２８】
なお、電流波形ＩＬは、図２８の（ａ）に示す例に特に限定されず、図２９の（ａ）や（ｂ）に示すように、波高値の５〜３０％、より好ましくは１０〜２０％の範囲の低電流で、励起用レーザ１００１を予備的に発光させておき、その後、所望の電流値とする方法（電流波形ＩＬとして小パルスと大パルスとを組み合わせる方法や電流波形ＩＬをステップ状に上昇させる方法）や、図２９の（ｃ）のように徐々に電流値を上昇させる方法（電流波形ＩＬをランプ関数的に上昇させる方法）でも、上記と同様の効果、つまり、高ピークパワー基本波による光学部品の損傷防止及び緑色光出力の安定化が実現でき、装置の信頼性向上及び長寿命化が可能となる。
【０１２９】
また、固体レーザやファイバーレーザの発振閾値に満たない電流値で直流バイアスを電流波形に印加しておき、変調信号を重畳するだけでは、パルス立ち上がり時の高ピーク出力の発生は回避できないことを確認している。また、励起用レーザの電流波形に２０ＭＨｚ以下の高周波信号を重畳してパルス立ち上がり時の高ピーク出力の発生を回避する場合、画面のちらつき（フリッカ）が発生するため、上記の第２高調波発生装置を２次元画像表示装置に使用するときには、変調深さは０〜５０％の範囲内であることがより望ましい。
【０１３０】
上記の駆動方法を用いたレーザ光源装置では、その出力を励起用レーザの電流波形で変調することが可能となるため、電気光学効果や音響光学効果を用いた変調素子が不要となり、光源の小型化及び低コスト化が可能になる上、ガルバノミラー、メカニカルマイクロスイッチ（ＭＥＭＳ）等を用いた２次元空間変調素子により実現された、明るさ１００ｌｍ以上の２次元画像表示装置やレーザ加工装置を構成する際に非常に有用となる。
【０１３１】
なお、以上の各実施の形態に例示した波長変換素子、レーザ光源装置、２次元画像表示装置及びレーザ加工装置は、あくまでも一例であり、他の態様をとることが可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１３２】
本発明に係る波長変換素子では、紫外光を照射した際の可視光透過特性を改善することにより、結晶の破壊を防止するとともに、出力特性の安定化を実現している。この効果により、紫外光である第３高調波が原因となって引き起こされる第２高調波（緑色光）の吸収をも抑制し、出力の飽和及び結晶破壊を回避することが可能となる。加えて、従来、基本波出力を分配して複数の波長変換素子を用い、大きな出力を発生させていたが、本発明に係る波長変換素子を用いることで、装置が簡略化され、装置の信頼性が向上するとともに複雑な調整を回避し、製造コストを低減することが可能となる。そのため、より単純な構成で、高輝度のレーザディスプレイ等を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１３３】
【図１】本発明の第１の実施の形態の波長変換素子に用いられる単結晶を育成する単結晶育成装置の模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の波長変換素子に用いられるＭｇ添加ＬｉＮｂＯ３単結晶の透過スペクトルを示す図である。
【図３】紫外光誘起緑色光吸収の評価装置の測定光学系を示す模式図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の波長変換素子に用いられるＭｇ添加ＬｉＮｂＯ３単結晶における不純物の種類及び濃度をパラメータとした紫外光誘起緑色光吸収の評価結果を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の波長変換素子の構成を示す斜視図である。
【図６】波長変換特性評価光学系を示す模式図である。
【図７】Ｍｇを５．６ｍｏｌ％及び５．０ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子を使用した場合における基本波入力と緑色光出力との関係を表す波長変換特性評価結果を示すプロット図である。
【図８】Ｍｇを５．０ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた従来の波長変換素子の入出力特性の測定値及び理論値を示す図である。
【図９】Ｍｇを５．６ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた本実施の形態の波長変換素子の入出力特性の測定値及び理論値を示す図である。
【図１０】Ｍｇを５．３ｍｏｌ％、５．６ｍｏｌ％及び５．０ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ３結晶を用いた波長変換素子を使用した場合における緑色光発生時の出力変動を示すプロット図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態の波長変換素子のＭｇの濃度と緑色光の吸収率との関係を測定した結果を示す図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態の波長変換素子のＭｇの濃度と分極反転部の深さとの関係を測定した結果を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態の波長変換素子に用いられるＭｇ添加ＬｉＴａＯ３単結晶における不純物の種類及び濃度をパラメータとした紫外光誘起緑色光吸収の評価結果を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態の波長変換素子のＭｇの濃度と緑色光の吸収率との関係を測定した結果を示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態の波長変換素子のＭｇの濃度と分極反転部の深さとの関係を測定した結果を示す図である。
【図１６】分極反転部の幅Ｗと周期Λとのデューティ比Ｗ／Λが基板の表面で５０％となる場合の深さＷ方向の有効断面積の一例を示す図である。
【図１７】分極反転部の幅Ｗと周期Λとのデューティ比Ｗ／Λが基板の表面で５０％を超える場合の深さＷ方向の有効断面積の一例を示す図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態の波長変換素子において外部の紫外線を遮断する構成例を示す模式図である。
【図１９】基本波と第二高調波との和周波がウォークオフ角を持って出射されることを説明するための模式図である。
【図２０】基本波の波長とウォークオフ角との関係を示す図である。
【図２１】本発明の第３の実施の形態による波長変換素子を用いたレーザ光源装置の構成を示す模式図である。
【図２２】図２１に示すＰＰＭｇＬＮ素子及びＰＰＭｇＬＴ素子の距離とＳＨＧ出力との関係を示す図である。
【図２３】本発明による波長変換素子を用いたレーザディスプレイ装置の一例を示す模式図である。
【図２４】Ｓ−ＲＧＢ規格の色再現範囲と、緑色光として５４０ｎｍ及び５３０ｎｍのレーザ光を選択した場合における色再現範囲とを示す図である。
【図２５】本発明による波長変換素子を用いた第２高調波発生装置の一例を示す模式図である。
【図２６】本発明による波長変換素子を用いたレーザ加工描画装置の一例を示す模式図である。
【図２７】従来のレーザ光源装置に矩形波を入力した場合の励起用レーザの電流波形、基本波の出力波形及び緑色光の出力波形を示す図である。
【図２８】図２６に示すレーザ加工描画装置に矩形波を入力した場合の励起用レーザの電流波形、基本波の出力波形及び緑色光の出力波形を示す図である。
【図２９】図２６に示すレーザ加工描画装置の励起用レーザに入力される電流波形の他の例を示す図である。
【図３０】従来の波長変換装置の構成を示す模式図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【国際調査報告】
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