CN101233449A - 波长转换元件、激光光源装置、2维图像显示装置及激光加工装置 - Google Patents

波长转换元件、激光光源装置、2维图像显示装置及激光加工装置 Download PDF

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Abstract

波长转换元件包括具有使极化结构周期性反转的非线性光学单晶体的基板，当在基板上照射了紫外光时，则基板的可见光的透过率为85％以上，所述波长转换元件对波长为640nm～2000nm的激光进行短波长化，以输出平均输出为1W以上的激光。这样，通过改善照射了紫外光时的可见光透过特性，既可防止晶体的损坏，又可实现高输出的输出特性的稳定性。其结果，可以抑制因紫外光而引起的绿色光的吸收，从而使回避输出的饱和及晶体的损坏成为可能。

Description

波长转换元件、激光光源装置、2维图像显示装置及激光加工装置
技术领域
本发明涉及一种用于光波长转换的使用了非线性光学晶体的波长转换元件、激光光源装置、2维图像显示装置以及激光加工装置。
背景技术
作为在激光加工装置或激光显示器等中所使用的光源，高输出激光光源极为引人注目。在红外线领域中，开发有YAG激光等的固体激光、使用掺杂Yb、Nd等稀土族(rareearths)的纤维的光纤激光等。而在红色及蓝色领域中，使用砷化镓、氮化镓等的半导体激光已被开发，高输出化也被进行探讨研究。
另一方面，在绿色领域中，从半导体直接产生绿色光依然是困难的，一般是通过非线性光学晶体将从上述的固体激光、光纤激光发出的红外光进行波长转换而产生绿色光的。而且，在氮化镓被开发之前，从可见光域到紫外光域的光，除了利用非线性光学晶体的波长转换以外，一般几乎没有获得的方法，因而有铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、三硼酸锂(LiB3O5:LBO)、β相偏硼酸钡(β-BaB2O4)、磷酸钛氧钾(KTiOPO4:KTP)、硼酸铯锂(CsLiB6O10:CLBO)等各种各样的非线性光学材料被开发的原委。
尤其是，使用铌酸锂晶体来作为非线性光学晶体时，高转换效率是通过较大的非线性光学常数来可以获得之技术已为公众所知，由于装置的结构也可以简单化，因此，对该晶体利用极化反转技术而形成的准相位匹配(quasi phase matched，QPM)波长转换元件，常被用于输出为200～300mW左右的装置。而且，在获得数W(瓦特)级的输出的装置中，LBO、KTP等非线性光学晶体也予以使用。
上述的LBO晶体，具备不易发生由基本波或产生的二次谐波所引起的晶体的损坏以及恶化的特征，但由于非线性光学常数较小，所以，为了获得较高的转换效率而需要装配谐振器并将晶体配置于其中，从而使得装置结构变得复杂而需要进行精密的调整。另一方面，KTP晶体与LBO晶体相比，其非线性光学常数较大，即使不装配谐振器也可以获得较高的转换效率，但却有容易发生由基本波或产生的二次谐波所引起的晶体的损坏以及恶化的缺点。
而且，还报告有这样一个例子，对于铌酸锂或钽酸锂，通过如专利文献1所述那样在晶体中导入掺杂物、或如专利文献2所述那样用可以让晶体组成接近理想的组成(化学计量组成，stoichiometry composition)的方法进行晶体培育，可以抑制作为晶体恶化的一种的由光引起的折射率变化，即光损伤。
如上所述，非线性光学晶体有长处短处，通过折衷选择(trade-off)来决定使用的晶体，或通过如专利文献3所述那样使用多个波长转换元件，使每一个波长转换元件的基本波的功率密度减小来抑制恶化也被加以研讨。关于该专利文献3所记载的波长转换装置的结构，用图30进行说明。
如图30所示，从基本波光源101射出的基本波，在波长转换部102a被进行波长转换之后，由分离镜103a将二次谐波(绿色光)105a分离出来，进而，透过了分离镜103a的基本波，在波长转换部102b被进行波长转换后，又由分离镜103b将二次谐波(绿色光)105b分离出来，剩下的则成为剩余基本波106。此时所存在的问题是，波长转换元件增加，随之会使得结构变得复杂，零部件的数目也倍增。
上述的专利文献1和专利文献2，对为了回避称为光损伤的现象而掺杂氧化镁的方法进行了记述，专利文献4～专利文献7以及非专利文献1，也对为了回避光损伤而掺杂氧化镁的方法进行了记述。例如，一般为公众所知的是，对于铌酸锂，若掺杂5mol以上的氧化镁则可以回避该光损伤。除此之外，通过将5mol的氧化镁掺杂的铌酸锂晶体加热到140℃而实现了1.7W绿色光的产生的例子，在非专利文献2中也有记载。
上述的光损伤指光诱发折射率变化现象(光折变：photorefractive)，即电子通过光电场而被激励，晶体所具有的电光学效应使激光束通过的位置周围的折射率发生变化。更具体地说，光损伤在成为基本波的红外光被转换成绿色光(二次谐波)时，只在该绿色光为数百mW级的低输出的情况下发生，并且在不掺杂氧化镁时也会发生。
而且，为了抑制上述晶体恶化之一的光折变，还提出有如下的一种方案，即：为了补偿在尽可能地将晶体中的使产生吸收峰值的不纯物去除之后，还发生的空孔、以及为了补偿因构成晶体的元素存在于不同于原来的位置的反位缺陷(antisite defect)而产生的电荷，通过掺杂氧化镁或氧化锌，抑制为透过率的吸收端成为更短的波长、或者改善(不是照射特定波长时的透过率)一般的可见域的透过率。
然而，实际的现状是，即使在上述的范围内掺杂氧化镁，也不能完全地抑制晶体的损坏及恶化，尤其是在获得数W级的高输出的高次谐波时，不能抑制晶体的损坏及恶化。
专利文献1：日本专利公报特许第3261594号
专利文献2：日本专利公报特许第3424125号
专利文献3：日本专利公开公报特开平11-271823号
专利文献4：日本专利公报特许第2720525号
专利文献5：日本专利公开公报特开平6-242478号
专利文献6：日本专利公开公报特开2003-267799号
专利文献7：日本专利公开公报特开2003-267798号
非专利文献1：Applied Physics letters，44，9，847-849(1984)
非专利文献2：Applied Physics letters，59，21，2657-5659(1991)
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过改善照射紫外光时的可见光的透过特性，既可以防止晶体的损坏，又可以实现使高输出的输出特性稳定的波长转换元件、激光光源装置、2维图像显示装置以及激光加工装置。
本发明的一个方面涉及一种波长转换元件，它包括具有使极化结构周期性反转的非线性光学单晶体的基板，其中：所述基板由铌酸锂或钽酸锂形成，在所述基板上照射紫外光时，所述基板的可见光的透过率为85％以上，所述波长转换元件对波长为640nm～2000nm的激光进行短波长化，以输出平均输出为1W以上的激光。
本发明的另一方面涉及一种激光光源装置，它包括上述的波长转换元件，其中，所述波长转换元件输出平均输出为2W以上且波长为400nm～660nm的连续光，或输出平均输出为1W以上且波长为400nm～660nm的脉冲光。
本发明的另一方面涉及一种2维图像显示装置，包括上述的激光光源装置，利用从所述激光光源装置发射出的激光来显示图像。
本发明的另一方面涉及一种激光加工装置，包括上述的激光光源装置，利用从所述激光光源装置发射出的激光对对象物进行加工。
上述的波长转换元件、激光光源装置、2维图像显示装置以及激光加工装置，通过改善照射紫外光时的可见光的透过特性，既可以防止非线性光学单晶体的损坏，又可以实现使高输出的输出特性稳定。
附图说明
图1是培育用于本发明第1实施方式的波长转换元件的单晶体的单晶体培育装置的模式图。
图2是表示用于本发明第1实施方式的波长转换元件的掺杂Mg的LiNbO3(掺镁铌酸锂)单晶体的透过光谱的图。
图3是表示紫外光诱发绿色光吸收的评价装置的测定光学系统的模式图。
图4是表示将用于本发明第1实施方式的波长转换元件的掺杂Mg的LiNbO3单晶体中的不纯物的种类及浓度作为参数的紫外光诱发绿色光吸收的评价结果的图。
图5是表示本发明第1实施方式的波长转换元件的结构的立体图。
图6是表示波长转换特性评价光学系统的模式图。
图7是表示使用分别掺杂了5.6mol％的Mg以及5.0mol％的Mg的LiNbO3晶体的波长转换元件被使用时的基本波输入和绿色光输出之间的关系的波长转换特性评价结果的坐标图。
图8是表示使用掺杂了5.0mol％的Mg的LiNbO3晶体的现有的波长转换元件的输出输入特性的测定值和逻辑值的图。
图9是表示使用掺杂了5.6mol％的Mg的LiNbO3晶体的本实施方式的波长转换元件的输出输入特性的测定值和逻辑值的图。
图10是表示使用分别掺杂了5.3mol％的Mg、5.6mol％的Mg以及5.0mol％的Mg的LiNbO3晶体的波长转换元件被使用时的绿色光发生时的输出变动的坐标图。
图11是表示测定本发明第1实施方式的波长转换元件的Mg的浓度和绿色光的吸收率之间的关系的结果的图。
图12是表示测定本发明第1实施方式的波长转换元件的Mg的浓度和极化反转部的深度之间的关系的结果的图。
图13是表示将用于本发明第2实施方式的波长转换元件的掺杂Mg的LiTaO3单晶体中的不纯物的种类及浓度作为参数的紫外光诱发绿色光吸收的评价结果的图。
图14是表示测定本发明第2实施方式的波长转换元件的Mg的浓度和绿色光的吸收率之间的关系的结果的图。
图15是表示测定本发明第2实施方式的波长转换元件的Mg的浓度和极化反转部的深度之间的关系的结果的图。
图16是表示极化反转部的幅宽W和周期Λ的占空比W/Λ在基板表面为50％时深度W方向的有效截面积的一个例子的图。
图17是表示极化反转部的幅宽W和周期Λ的占空比W/Λ在基板表面超过50％时深度W方向的有效截面积的一个例子的图。
图18是表示在本发明第2实施方式的波长转换元件中遮断外部紫外线的结构例子的图。
图19是用来说明基本波和二次谐波的和频波以离散角射出的模式图。
图20是表示基本波的波长和离散角的关系的图。
图21是表示使用了本发明第3实施方式的波长转换元件的激光光源装置的结构的图。
图22是表示图21所示的PPMgLN元件和PPMgLT元件的距离与SHG输出之间的关系的图。
图23是表示使用了本发明的波长转换元件的激光显示装置的一个例子的模式图。
图24是表示S-RGB规格的色再现范围和作为绿色光而选择了540nm及530nm的激光时的色再现范围的图。
图25是表示使用了本发明的波长转换元件的二次谐波发生装置的一个例子的模式图。
图26是表示使用了本发明的波长转换元件的激光加工描绘装置的一个例子的模式图。
图27是表示将矩形波输入到现有的激光光源装置中时的激励用激光的电流波形、波的基本波的输出波形以及绿色光的输出波形的图。
图28是表示将矩形波输入到图26所示的激光加工描绘装置中时的激励用激光的电流波形、波的基本波的输出波形以及绿色光的输出波形的图。
图29是表示被输入到图26所示的激光加工描绘装置的激励用激光中的电流波形的其他例子的图。
图30是表示现有的波长转换装置的结构的模式图。
具体的实施方式
为了解决上述的以往的问题，本发明的发明人对在产生数W级的高次谐波时所发生的晶体的损坏及恶化进行了专心研究，其结果查明了由完全不同于上述的光损伤的原理所导致的晶体的损坏和恶化的原因。下面，针对该新的晶体的损坏和恶化的原因进行详细的说明。
使用了铌酸锂晶体(LN)或钽酸锂(LT)的准相位匹配元件(QPM-LN元件)，由于具有比前面所述的LBO晶体或KTP晶体更大的非线性光学常数，所以，高效率及高输出的波长转换是可能的。然而，由于QPM-LN元件需要在狭窄的区域中聚焦光能，所以，实质上比KTP晶体更容易发生基本波或产生的二次谐波所引起的晶体的损坏及恶化。
上述较大的非线性光学常数成为原因，在获得数W级的高次谐波时，作为成为基本波的红外光和被转换了的绿色光(二次谐波)而形成的和频波(sum frequency)的紫外光(三次谐波)，即使在不符合相位匹配条件时也会产生。从而发现了产生的紫外光会引起作为可见光的一例的绿色光的吸收，并会引起绿色高输出的饱和及晶体损坏。
在本说明书中，将由该紫外光(三次谐波)引起的晶体损坏称作为因紫外光诱发绿色光吸收(UVIGA：ultraviolet induced green light absorption)的晶体损坏，以区别于上述的光损伤。因紫外光诱发绿色光吸收的晶体损坏，在绿色光(二次谐波)单独存在时不发生，而是在基本波和二次谐波组合的情况下才发生，而且，在无掺杂的铌酸锂晶体(LN)或钽酸锂(LT)的情况下也不发生，而是在掺杂镁(Mg)之后才发生。
虽然是随元件不同而各有相异，但在产生绿色光的情况下，当出现1W以上的输出时，则开始发生因紫外光诱发绿色光吸收的晶体损坏。而且，还知道了在产生短波长的蓝色光时，晶体损坏的阈值降低，在连续光的平均输出为2W以上的情况下，则开始发生因紫外光诱发绿色光吸收的晶体损坏。另外，在峰值较高的脉冲振荡的情况下，当平均输出为1W以上时，则发生因紫外光诱发绿色光吸收的晶体损坏。
并且，还通过实验判明了因紫外光诱发绿色光吸收的晶体损坏，即使是利用如专利文献1中所记载的掺杂了不纯物的LN晶体及LT晶体、或如专利文献2中所记载的化学计量组成的LN(SLN)及LT(SLT)，也不能得到抑制。另外，还有如专利文献3那样使用多个晶体来发生的方法，但却存在有调整变得复杂、制作成本提高等问题。
根据上述所见，本发明的发明人对防止因紫外光诱发绿色光吸收的晶体损坏的波长转换元件进行了专心研究，直至完成了本发明。即，本发明的波长转换元件包括：具有将极化结构周期性反转的非线性光学单晶体的基板，其中：该基板由铌酸锂或钽酸锂形成；在该基板上照射紫外光时，基板的导波方向的可见光的透过率为85％以上；所述波长转换元件对波长为640nm～2000nm的激光进行短波长化，以输出平均输出为1W以上的激光。
在该波长转换元件中，通过改善照射紫外光时的可见光的透过特性，既可以防止非线性光学单晶体的损坏，又可以实现高输出的输出特性的稳定。根据此效果，可以抑制因作为紫外光的三次谐波而产生的二次谐波(绿色光)的吸收，从而可以回避输出的饱和及晶体的损坏。以往为了获得较大的输出，对基本波输出进行分配，利用多个波长转换元件而使其发生，但通过使用该波长转换元件，可使装置更为简单，从而可以回避复杂的调整，降低制作成本。
具体地来说，通过在固液同成分配比(congruent composition，[Li/(Li+Nb)]比率为0.046～0.482：一致熔融组成)的铌酸锂单晶体中掺杂浓度为5.10mol％～5.70mol％左右的镁，或者在固液同成分配比(Li/Ta比率为94.2±2％)的钽酸锂晶体中掺杂浓度为5.0mol％～8.0mol％左右的镁，可以抑制不需要的由三次谐波引起的二次谐波的吸收，从而回避绿色高输出的饱和及晶体的损坏。而且，即使在脉冲振荡时，也可以通过调整向激励用激光输入的电流波形而回避晶体或光学零部件的损坏。
上述的紫外光的波长优选为320nm～380nm，可见光的波长优选为400nm～660nm。此时，可以防止紫外光诱发绿色光吸收引起的晶体损坏，并输出高输出的绿色光。
上述的基板在波长转换时的温度优选为20℃～60℃。此时，不需要进行加热等的加热装置，从而可以实现低成本的光源。
下面，参照附图对本发明的各实施方式进行说明。
第1实施方式
本发明的第1实施方式的波长转换元件，作为用于波长转换的非线性光学晶体，使用掺杂了氧化镁(MgO)的固液同成分配比的铌酸锂晶体，将红外光转换成绿色光。下面，对该波长转换元件进行详细的说明。
本实施方式中所使用的铌酸锂，例如，通过作为晶体培育法的一种的柴式长晶法(Czochralski method)制作而成。下面，对掺杂了氧化镁(MgO)的铌酸锂的制作方法进行说明。
首先，秤量纯度4N的碳酸锂(Li2CO3)、氧化铌(Nb2O5)及氧化镁(MgO)，用1100℃暂时烧结(temporarily sintering)10个小时。此时，氧化镁掺杂量的摩尔比由MgO/(LiNbO3+MgO)决定。晶体的Mg浓度(Mg含量比)取为5.00mol％、5.30mol％、5.60mol％、5.80mol％、6.00mol％、6.50mol％。另外，在本实施方式中，晶体的Mg浓度指的是下面将要说明的在把晶体提升后的状态下的晶体组成的摩尔百分率，其他的实施方式也相同。
图1是本发明第1实施方式的波长转换元件所使用的铌酸锂的单晶体培育装置的模式图。将如上所述那样制作而成的原料放入直径为100mm、高度为100mm的白金坩锅205中，通过高频感应加热使其熔化。一边补充原料一边反复进行使其熔化的操作，当坩锅205中装满了原料溶液时，将溶液表面的温度设定成1260℃，导入铌酸锂的籽晶(seedcrystal)。而且，还通过由个人计算机等构成的控制部207，一边用称重传感器(loadcell)206测量单晶体的重量以便使被提升后的单晶体204的粗细均一，一边控制坩锅205的温度(高频电流值)而使每时刻的增加量成为一定。
在本实施方式中，将晶体的感应主轴的Z轴方向(在晶体轴方向中为C轴)作为提升方向，用两天左右的时间得到了直径为50mm、长度为50mm的MgO:LiNbO3单晶体。此时在轴旋转方向RA上的籽晶的旋转速度为20rpm、提升速度为2mm/h。晶体的原料装满坩锅205，让固定在提升棒201上的籽晶202接触溶液203，通过缓缓地向上提升而使单晶体204成长。对培育后的晶体，切断其上部(肩部)的部分和下部(尾部)的部分，进行单畴(single domain)化处理，通过在与Z轴垂直的方向上进行切断及表面端面的研磨而得到了MgO:LN晶片(Z板)。
通过分光高度计测定了用这种方法得到的晶片的一般的透过光谱。不掺Mg的LiNbO3晶体(non-dope LN)、Mg浓度为5.0mol％及5.6mol％的LiNbO3晶体(5.0mol％MgLN及5.6mol％MgLN)的透过光谱如图2所示。由图2可知，通常的透过光谱，在各个Mg浓度的情况下，都没有差异。
其次，将紫外线照射时的绿色光的透过率作为可见光的一个例子进行了测定。对该测定方法参照图3进行说明。从各个Mg浓度的晶体，分别制作了切断成厚度为1mm、长度方向(射束路径)为25mm、宽度为5mm，且对两端面(1mm×5mm面)进行了光学研磨的测定样品403。对制作成的样品403，通过透镜402将来自绿色光源401的YAG激光二次谐波(波长为532nm、输出为30mW)聚光之后，射入测定样品403。此时，通过用光电二极管404监视在有/没有UV照射器(lamp)405(波长为340～400nm)的照射时的来自样品403的射出面的二次谐波的光输出，对紫外光照射时的绿色光的吸收率进行了测定。另外，以后将此试验方法称为水银灯照射试验。
图4对测定结果进行了归纳。首先，在不掺Mg的LiNbO3(non-dope LN)晶体中，不发生绿色光的透过率降低。但不掺Mg的LiNbO3，由于会发生到目前为止一直成为问题的光损伤(光折变：photorefractive)，所以不适合W级的高输出绿色光的发生。而且，还可知，在为了不发生光损伤而在以往常被使用的掺杂5.0mol％Mg的固液同成分配比的LiNbO3晶体上，照射了紫外光后，与没有照射时相比，绿色光的透过率的降低超过15％。而且，还可知，掺杂5.8mol％、6.0mol％及6.5mol％的Mg的LiNbO3晶体(5.8mol％MgLN、6.0mol％MgLN及6.5mol％MgLN)，与没有照射时相比，绿色光的透过率的降低也超过15％。
另一方面，关于为了防止上述的紫外光诱发绿色光吸收所引起的晶体损坏而在这次重新提出的掺杂5.3mol及5.6mol的MgO的LiNbO3晶体，作为可见光的一个例子的绿色光的透过率的降低量(吸收量)为15％以下，被控制在约8％～约12％左右。
由上述的测定结果可知，紫外光照射时的光吸收，不仅仅有以往所说的如果掺杂5mol以上的MgO则可以抑制的所谓光损伤，而且还会有不同于光损伤的其他现象、即因紫外光诱发绿色光吸收的晶体损坏，并且，也并不是说只要掺杂5mol以上的MgO就一律可以回避透过率降低，而是要有一个可以回避紫外光诱发绿色光吸收所引起的透过率降低的Mg的浓度范围(例如，5.1mol％～5.7mol％)。通过在此浓度范围内掺杂Mg，可以抑制紫外光诱发的绿色光的吸收，而且还可以回避到目前为止一直成为问题的光损伤。
接着，对所得到的Mg浓度各不相同的晶片(掺Mg的LiNbO3(掺镁铌酸锂))，通过光学处理(photo-process)而形成电极，并通过施加电场进行了极化反转处理。首先，在作为晶体的感应主轴的Z轴方向与基板表面垂直的(Z板)、两面被进行了光学研磨的基板上(本实施方式中其厚度为1mm)蒸镀作为电极材料的金属膜。然后，涂敷光致抗蚀剂(photo-resist)，通过接触式曝光法制作电极图案。之后，由干蚀刻装置形成金属电极。通过在该金属电极上施加直流的脉冲列(次数为5000次，脉宽为0.5msec)，在晶体上形成了极化反转结构。此时的反转周期，例如设成作为1084nm的二次谐波产生的周期的Λ＝7.36μm，元件长度设成25mm。
图5是用如上所述的方法制作而成的本实施方式的波长转换元件的结构图。在本实施方式的波长转换元件中，在掺Mg的LiNbO3基板1上，周期状地形成有极化反转部2。本波长转换元件，是通过使光透过周期状形成的极化反转部2，从而满足相位匹配条件，将波长为λ的基本波转换成波长为λ/2的二次谐波的元件。用于该元件的LiNbO3基板1中掺有Mg。
下面，对在上述的MgLT中可以高效率转换的波长转换元件进行说明。极化反转部2的反转幅度为W、深度为D、周期为Λ。极化反转部2从+Z面朝向-Z面而形成。极化反转部2的条纹方向为Y轴方向。极化反转部2的条纹方向和Y轴方向有±5度以内的角度为优选。这是因为，若该角度超过5度，极化反转部2的不均一性则会增大，波长转换元件的转换效率会大幅度地降低。而且，优选波长转换元件的表面具有与晶体的C轴(Z轴)基本上垂直的面。这是因为，由于极化反转结构沿着C轴成长，所以，使较深的极化反转结构的形成成为可能，可以足够地加大与通过波长转换元件的基本波的射束的重叠。
对于将以这样的方法形成的元件作为波长转换元件(极化反转元件)来使用的情况，实际进行了波长转换特性的评价。图6所示的是在该评价中所使用的波长转换特性光学系统。基本波光源601使用了振荡波长为1084nm的掺杂Yb的光纤激光。射出的红外光(平行光：射束直径为760μm)通过聚光透镜602(f＝30mm)而聚光在极化反转元件603内。极化反转元件603被固定在金属板上，其温度通过珀尔帖(Peltier)元件605而被管理为约25℃。将从该极化反转元件603产生的二次谐波(绿色光)，通过波长分离滤波器606分离成基本波(ω)和二次谐波(2ω)，并用功率测量计(power meter)测定被分离的二次谐波。
图7是表示本实施方式的波长转换元件的特性评价结果的坐标图。图7中的虚线表示使用了掺杂5.6mol％的Mg的LiNbO3晶体的本实施方式的波长转换元件的输出特性，实线表示使用了掺杂5.0mol％的Mg的LiNbO3晶体的现有的波长转换元件的输出特性。
在使用了现有的晶体的波长转换元件中，因无意中产生的紫外光所引起的绿色光的吸收，而使得从输入超过了8W的附近起输出开始饱和，在绿色高输出2.4～2.8W时晶体发生了内部损伤。另一方面，在使用了掺杂5.6mol％的Mg的LiNbO3晶体的波长转换元件中，从输入超过了8W的附近起输出虽然略为饱和，但是，即使绿色光输出超过2.4～2.8W而达到3W以上，也不发生晶体的破裂，与掺杂5.0mol％的Mg的情况相比，输出饱和被得到控制。其结果可知，显示出了降低紫外光引起的绿色光的吸收所产生的效果。
接着，对上述的各波长转换元件的输出和紫外光诱发绿色光吸收的关系进行了研讨。图8是表示使用了掺杂5.0mol％的Mg的LiNbO3晶体的现有的波长转换元件的输入输出特性的测定值和逻辑值的图。图9是表示使用了掺杂5.6mol％的Mg的LiNbO3晶体的本实施方式的波长转换元件的输入输出特性的测定值和逻辑值的图。另外，在各图中，在测定和计算中所使用的基本波的波长为1084nm、元件长度为25mm。而且，逻辑值的计算采用“T.Suhara and M.Fujimura：Waveguide Nonlinear-Optic Devices(Springer，Berlin，2003)p.208.”中所记载的方法，转换效率等使用了适应各元件的值。
首先，在使用了掺杂5.0mol％的Mg的LiNbO3晶体的现有的波长转换元件中，如图8所示，逻辑值的输入输出特性为曲线CR，输入和输出基本上成比例。另一方面，测定值的输入输出特性为曲线为CE，在绿色光输出不到1W的区间r1中，曲线CR和曲线CE基本上一致，但在绿色光输出为1W以上的区间r2中，曲线CE则偏离曲线CR，绿色光输出降低，而在绿色光输出为1.75W以上的区间r3中，曲线CE偏离曲线CR更多，绿色光输出变得不稳定。其结果可知，在现有的波长转换元件中，当其输出达到1W以上时，紫外光诱发绿色光吸收显著地发生。
其次，在使用了掺杂5.6mol％的Mg的LiNbO3晶体的本实施方式的波长转换元件中，如图9所示，逻辑值的输入输出特性为曲线IR，与上述相同，输入输出基本上成比例。另一方面，测定值的输入输出特性为曲线IE，曲线IR和曲线IE基本上一致的区间R1被扩大到绿色光输出达到1.5W的范围，而曲线IE偏离曲线IR但还可以稳定地输出绿色光的区间R2也被扩大到绿色光输出达到2.9W的范围。其结果可知，在本实施方式的波长转换元件中，当输出达到1W以上时，可以抑制发生的紫外光诱发绿色光吸收，绿色光的吸收减少，随之提高了波长转换效率。
根据上述的逻辑值及测定结果，本波长转换元件优选输出平均输出为1W以上的激光，进一步优选输出平均输出为1.5W以上的激光，更进一步优选输出平均输出为1.75W以上的激光。此时，可以抑制紫外光诱发绿色光吸收，从而可以减少绿色光的吸收，使波长转换效率提高。
然后，对高输出时的输出稳定性进行了讨论。图10是表示使用了Mg浓度为5mol％、5.3mol％及5.6mol％的LiNbO3晶体的波长转换元件的高输出时的输出稳定性的坐标图。由图可知，在使用了Mg浓度为5.6mol％的LiNbO3晶体的波长转换元件中，在发生3.0W的输出时，因元件恶化所引起的输出降低连续8个小时没有发生。还可知，在使用了Mg浓度为5.3mol％的LiNbO3晶体的波长转换元件中，在发生4.3W的输出时，因元件恶化所引起的输出降低连续8个小时没有发生。另一方面，使用了Mg浓度为5mol％的LiNbO3晶体的波长转换元件，即使在发生2.5W的输出时也不稳定。这样，由于通过设定Mg的掺杂浓度为5.3mol％及5.6mol％，可以减小绿色光吸收所引起的放热影响，因而也可以提高输出的稳定性。
接着，利用图6所示的波长转换特性评价光学系统，对使用了LiNbO3晶体的波长转换元件的Mg掺杂浓度的最适范围进行了讨论。图11是表示测定使用了LiNbO3晶体的波长转换元件的Mg的浓度和绿色光的吸收率之间的关系的结果的图。图中的黑圆点表示相对各Mg掺杂浓度的绿色光的吸收率的实际测定结果，实线表示平滑地将各测定点连起来的曲线。
如图11所示，在使用了LiNbO3晶体的波长转换元件中，在Mg浓度为5.10～5.70mol％时，作为可见光的一个例子的绿色光的透过率在86.5％以上的情况下，可以确保以3W的水平输出550nm的绿色光。并且，在Mg浓度为5.20～5.54mol％时，绿色光的透过率在90.0％以上的情况下，可以确保以3W的水平输出540nm的绿色光。进一步，在Mg浓度为5.30～5.40mol％时，绿色光的透过率在92.0％以上的情况下，可以确保以3W的水平输出530nm的绿色光。另外，在上述的范围以外，晶体发生了破损。
其次，对使用了在上述的范围中掺杂Mg的LiNbO3晶体的波长转换元件的极化反转部的深度W的最适范围进行了讨论。图12是表示测定使用了LiNbO3晶体的波长转换元件的Mg浓度和极化反转部的深度W之间的关系的结果的图。
如图12所示，使用了LiNbO3晶体的波长转换元件中，在Mg浓度为6.00mol％时，极化反转部没有以足够的深度成长，而在Mg浓度为5.80mol％时，则以200μm以上的深度成长，在Mg浓度为5.60mol％、5.40mol％、5.30mol％时，以大约250μm以上的深度成长，在Mg浓度为5.00mol％时，以大约500μm以上的深度成长。
在将上述的使用了LiNbO3晶体的波长转换元件作为极化反转元件来使用时，为了使从该极化反转元件射出的射束直径为120μm，若考虑调整时的灵活性，则需要将极化反转部的深度W设在200μm以上。为了满足此条件，根据图12所示的结果，使用了LiNbO3晶体的波长转换元件的极化反转部的Mg浓度优选为5.80mol％以下，进一步优选为5.60mol％以下。
根据上述的图11和图12所示的实验结果，在使用了LiNbO3晶体的波长转换元件中，Mg浓度优选为5.10～5.70mol％。此时，既可以确保从波长转换元件射出的射束直径在120μm以上，又绿色光的透过率在86.5％以上的情况下，可以确保以3W的水平输出550nm的绿色光。
而且，在使用了LiNbO3晶体的波长转换元件中，Mg浓度进一步优选为5.20～5.54mol％。此时，既可以确保从波长转换元件射出的射束直径在120μm以上，又绿色光的透过率在90.0％以上的情况下，可以确保以3W的水平输出540nm的绿色光。
而且，在使用了LiNbO3晶体的波长转换元件中，Mg浓度更进一步优选为5.30～5.40mol％g。此时，既可以确保从波长转换元件射出的射束直径在120μm以上，又绿色光的透过率在92.0％以上的情况下，可以确保以3W的水平输出530nm的绿色光。
这样，通过使用本实施方式的波长转换元件，可以同时缓和以往实现困难的光损伤的回避和紫外光诱发绿色光吸收的降低的两方面的问题。而且，图6所示的结构与图1所记述的专利文献3的结构相比较，可知结构及部件都得到了简化。因此，通过使用本实施方式的波长转换元件，可以实现装置的简单化及低成本化。
第2实施方式
本发明第2实施方式的波长转换元件，作为用于波长转换的非线性光学晶体，采用掺杂了氧化镁(MgO)的固液同成分配比的钽酸锂晶体，将红外光转换成绿色光。下面，对本波长转换元件进行详细的说明。
本实施方式所使用的钽酸锂，采用与第1实施方式相同的方法制作而成。设晶体的Mg浓度(Mg的含有比例)，在该晶体被提升出来的状态下，分别为1.0mol％、3.0mol％、5.0mol％、5.3mol％、5.6mol％、6.0mol％、7.0mol％、10.0mol％。
首先，对作为晶体基板的掺杂Mg的LiTaO3晶体组成进行了讨论。LiTaO3晶体，根据Li和Ta的比(Li/Ta比)而被分类成固液同成分配比的组成和化学计量组成。化学计量组成的晶体，其Li/Ta比基本上为50/50，称为完全晶体，而固液同成分配比的晶体，其Li/Ta比则偏离50/50。
因此，作为掺杂Mg的LiTaO3晶体，优选的是固液同成分配比的组成，进一步优选的是基板晶体中所含有的Li和Ta的摩尔比、即Li/Nb比为94.2±2％。此时，由于固液同成分配比中，其Li/Ta比偏离50/50，因此晶体欠缺较多，可以高浓度掺杂用来配置在晶体欠缺中的Mg。其结果使得在特性上所需要的5mol％以上的Mg的掺杂变得较为容易，从而可以制作结晶性较高的掺杂高浓度Mg的LiTaO3晶体。而且，优选的是固液同成分配比的Li/Ta比为94.2±2％左右。对于这种固液同成分配比的晶体，晶体的提升较为容易，低成本化成为可能。
接着，用图3所示的评价装置，对紫外线照射时的绿色光的吸收率进行了测定，并用图13归纳了测定结果。首先，对掺杂1.0mol％、3.0mol％、5.0mol％、5.3mol％、5.6mol％、6.0mol％、7.0mol％的Mg的固液同成分配比的LiTaO3晶体(1.0mol％MgLT、3.0mol％MgLT、5.0mol％MgLT、5.3mol％MgLT、6.0mol％MgLT、7.0mol％MgLT)，当照射了紫外光时，与非照射时相比，绿色光的透过率的降低被控制在大约5％以下。另一方面，掺杂10.0mol％的Mg的LiTaO3晶体(10.0mol％MgLT)，与非照射时相比，绿色光的透过率降低为5％以上。
其次，利用上述的晶体，与图1所示的波长转换元件同样地制作了本实施方式的波长转换元件。本实施方式的波长转换元件的结构与图1所示的波长转换元件相同，因此参照图1对其结构进行说明。
在本实施方式的波长转换元件中，在具有与晶体的Z轴基本上垂直的主面的掺Mg的LiTaO3基板1上，形成有周期状形成的极化反转部2。本波长转换元件，是通过光透过周期状形成的极化反转部2而满足相位匹配条件，将波长为λ的基本波转换成λ/2的二次谐波的元件。在此，λ/3为400nm以下，相位匹配波长λ为980nm以下。用于该元件的LiTaO3基板中掺有Mg。周期状的极化反转部2，通过在形成于基板的+Z面的周期状的图案电极和形成于基板的-Z面的电极之间施加电场的工序而予以形成，电极之间的施加电解为4kV/mm以下。
下面，对在上述的波长转换元件(MgLT)中，可以高效率转换的波长转换元件的结构进行说明。极化反转部2的反转幅度为，深度为D，周期为Λ。极化反转部2从+Z面朝向-Z面而形成。极化反转部2的条纹方向为Y轴方向，极化反转部2的条纹方向和Y轴方向基本上平行。极化反转部2的条纹方向和Y轴方向有±5度以内的角度为优选。这是因为，若该角度超过5度，极化反转部2的不均一性则会增大，波长转换元件的转换效率会大幅度地降低。而且，优选波长转换元件的表面具有与晶体的C轴(Z轴)基本上垂直的面。这是因为，由于极化反转结构沿着C轴成长，所以可以形成较深的极化反转结构，可以足够地加大与通过波长转换元件的基本波的射束的重叠。
其次，利用图6所示的波长转换特性评价光学系统，对使用了LiTaO3晶体的波长转换元件的Mg掺杂浓度的最适范围进行了讨论。图14是表示测定使用了LiTaO3晶体的波长转换元件的Mg的浓度和绿色光的吸收率之间的关系的结果的图。图中的黑圆点表示相对各Mg掺杂浓度的绿色光的吸收率的实际测定结果，实线表示平滑地将各测定点连起来的曲线。
如图14所示，在使用了LiTaO3晶体的波长转换元件中，在Mg浓度为5.0～8.0mol％时，绿色光的透过率在95.2％以上的情况下，可以确保以10W的水平输出540nm的绿色光。并且，在Mg浓度为5.0～7.0mol％时，绿色光的透过率在95.8％以上的情况下，可以确保以10W的水平输出530nm的绿色光。进而，在Mg的浓度为5.0～6.0mol％时，绿色光的透过率在96.7％以上的情况下，可以确保以10W的水平输出525nm的绿色光。另一方面，可知，当Mg的浓度不足5.0mol％时，会发生光损伤(光折变：photorefractive)，而超过8.0mol％时，结晶性会恶化，任一方都是不理想的。
而且，在使用了LiTaO3晶体的波长转换元件中，由于在Mg浓度为5.0mol％时，通过实验，光损伤略微被观测到，所以，上述的各个范围进一步优选为5.1～7.0mol％、5.1～6.0mol％、5.1～6.0mol％。此时，可以可靠地抑制光损伤。
而且，根据与上述相同的实验也判明了，发生因紫外光诱发绿色光吸收而引起的输出降低的是，基本波的波长为1200nm以下、极化反转部2的周期Λ为11μm以下的波长转换元件。此时，在Mg的掺杂量为5.0～8.0mol％的具有周期状极化反转结构的波长转换元件中，由于因Mg掺杂而使光损伤耐受性提高，紫外光诱发绿色光吸收的增大受到控制，因此，可实现高输出及高效率耐受性，SHG(Second Harmonic Generation，二次谐波产生)光的功率密度也可达到1MW/cm2以上，约10W的高输出可以稳定地获得。
接着，对使用了在上述的范围中掺杂Mg的LiTaO3晶体的波长转换元件的极化反转部的深度W的最适范围进行了讨论。图15是表示测定使用了LiTaO3晶体的波长转换元件的Mg浓度和极化反转部的深度W之间的关系的结果的图。
如图15所示，在使用了LiTaO3晶体的波长转换元件中，在Mg浓度为10.0mol％时，极化反转部没有以足够的深度成长，但在Mg浓度为8.0mol％时，则以大约200μm的深度成长，在Mg浓度为5.6mol％、5.4mol％、5.3mol％、5.0mol％时，以大约250μm以上的深度成长。
在将上述的使用了LiTaO3晶体的波长转换元件作为极化反转元件来使用时，为了将从该极化反转元件射出的射束直径设定在120μm，若考虑到调整时的灵活性，则需要将极化反转部的深度W设在200μm以上。为了满足此条件，根据图15所示的结果，使用了LiTaO3晶体的波长转换元件的极化反转部的Mg的浓度优选为8.0mol％以下，进一步优选为5.6mol％以下。
根据上述的图14和图15所示的实验结果，在使用了LiNbO3晶体的波长转换元件中，Mg浓度优选为5.0～6.0mol％。此时，既可以确保从波长转换元件射出的射束直径在120μm以上，又绿色光的透过率在95.2％以上的情况下，可以确保以10W的水平输出540nm的绿色光。
而且，在使用了LiTaO3晶体的波长转换元件中，Mg浓度进一步优选为5.0～7.0mol％。此时，既可以确保从波长转换元件射出的射束直径在120μm以上，又绿色光的透过率在95.8％以上的情况下，可以确保以10W的水平输出530nm的绿色光。
而且，在使用了LiTaO3晶体的波长转换元件中，Mg浓度更进一步优选为5.0～6.0mol％。此时，既可以确保从波长转换元件射出的射束直径在120μm以上，又绿色光的透过率在96.7％以上的情况下，可以确保以10W的水平输出525nm的绿色光。
这样，通过使用本实施方式的波长转换元件，可以同时缓和以往实现较为困难的光损伤的回避和紫外光诱发绿色光吸收的降低的两方面的问题。而且可知，图6所示的结构与图1所记述的专利文献3的结构相比较，其结构及部件都得到了简化。因此，通过使用本实施方式的波长转换元件，可以实现装置的简单化及低成本化。
而且，如本实施方式所述，在使用LiTaO3晶体的情况下，由于非线性光学常数为LiNbO3晶体的大约三分之一，可见光的吸收率充分地小于LiNbO3晶体的可见光的吸收率，所以可以射出更多的绿色光。其结果，本实施方式的波长转换元件，因可以发出具有更高的波高值的脉冲，因而非常有利于后面将要说明的脉冲调制。
其次，对极化反转部2的形状进行了详细的讨论。在本实施方式中，采用了让极化反转部2的成长停止在基板的中途以便使极化反转部2不至于贯穿到基板背面的方法。通过控制极化反转部2的成长来防止贯穿反转，可以抑制电极之间的阻抗降低，从而可在电极面内均匀地施加极化反转所需要的电场，从而可以形成均匀的极化反转结构。
这样，作为极化反转结构，优选极化反转部2的深度D小于基板的厚度(Z方向的基板长度)，优选形成有极化反转部2的极化反转区域的90％以上的区域不贯穿到背面。即，通过在电极面积的90％以上的区域中极化反转部2不贯穿的结构，可以形成均匀的极化反转结构。
而且，为了防止极化反转部2贯穿到背面，优选的是加大基板的厚度。例如，通过将基板的厚度设为1mm以上，则可以防止极化反转的贯穿，使得均匀的短周期结构的形成成为可能，从而可以实现了高效率的波长转换元件。
而且，极化反转部2的深度D的平均优选在基板厚度的40～95％的范围内。只要在此范围内，就可以有效地利用基板。另一方面，若超过95％，则极化反转部2的阻抗降低会变得剧烈，因而均匀的极化反转结构难以形成，而若不足40％，则极化反转部2的不均匀性变大，可以使用的有效的极化反转部2的深度D会大幅度地降低。
还可知，在MgLT中，极化反转部2从基板的表面向深度方向呈楔子状，随着深度变深，极化反转部2的幅度减小。在具有1次极化反转周期的波长转换元件中，极化反转部2的幅度W和周期Λ的占空比(duty ratio)W/Λ以50％为最大。从整个波长转换元件来说，在将聚光射束射入极化反转部2时的有效的截面积，为极化反转部2的幅度W和周期Λ的占空比W/Λ为50％±10％的区域。
然而，当极化反转部2的幅度W和周期Λ的占空比W/Λ在基板的表面上成为50％时，如图16所示，在基板表面二次谐波(SHG)输出达到最大，而深度W方向的有效截面积则变小。与此相对，在基板表面，当占空比W/Λ超过50％时，则如图17所示，深度W方向的有效截面积大幅度地增大。由于有效截面积增大，不仅仅使射束的调整变得简单，而且还可以加大可使用的射束，因而可以减小基本波和二次谐波的功率密度，从而可以大幅度地改善高输出耐受性。因此，基板主面的极化反转部2的幅度W优选大于非极化反转部的幅度(Λ-W)。
而且，极化反转部2的纵横比(aspect ratio，D/W)优选为200以上。若纵横比较大，可以有效地使用极化反转的区域会增大，尤其是在短周期的结构中是必要的。
其次，对实现更高输出的波长转换元件的结构进行了研究。根据实验结果，判明了紫外线引起的绿色光的吸收增大依赖于紫外线的波长。在紫外线中，在320nm～380nm波长范围内的紫外线增大了绿色光的吸收。波长320nm以下的波长是晶体的吸收端以下的波长，由于不透过晶体，因而认为不会产生影响。因此，当上述波长的紫外线照射时，绿色光的吸收所引起的高输出特性的恶化被观测到。
为了防止外部的紫外线所引起的高输出特性的恶化，需要将晶体与外部的紫外线隔绝。为了防止高输出特性的恶化，如图18所示，掺有MgO的极化反转钽酸锂晶体(PPMgLT：Periodically Poled MgO doped LiTaO3)62，把从光源66射出的基本波65转换成二次谐波(SHG)65而进行输出时，优选在PPMgLT62的周围设置波长为250～400nm的光不会透过的遮蔽61，以遮断来自外部的紫外光。即，波长转换元件优选具备遮蔽61，遮蔽61遮断外部光，并且遮蔽61不让波长为400nm以下的光透过。
接着，对因基本波和二次谐波的和频波的紫外光产生而引起的高输出特性的恶化进行说明。即使在将来自外部的紫外光完全遮断的情况下，也会因高输出的绿色光的产生而发生损坏。经过对该原因进行了调查而判明，如图19所示，在PPMgLT72中，来自光源71的基本波74和二次谐波(SHG)75的和频波(SFG：Sum Frequency Generation)76以离散角(walk-off angle)77而射出。SFG76的波长为基本波74的波长λ的1/3，例如，相对1064nm的基本波，则成为355nm的紫外线。这就是SHG75的吸收的重要原因，使高输出特性恶化。对该特性进行了分析，知道了具有波长依赖性。
图20是计算了基本波的波长和离散角的关系的图，SFG依赖于极化反转的周期，在几种波长上离散角接近于0。可知，当离散角接近0时，SFG的强度增强，高输出特性大幅度地下降。尤其是，离散角为15度以下时，高输出特性的恶化变得剧烈。由此，基本波的波长优选在820nm以下、或850～980nm或1020nm以上。在这些范围内，由于可以减少内部发生的和频波，因而可实现更高输出的特性。
另外，作为输出基本波的光源，可以利用固体激光光源、光纤激光光源。而且，通过在固体激光谐振器内设置本实施方式的波长转换元件，作为内部谐振器型的波长转换元件来利用，则可以实现高输出的短波长光源。此时，本实施方式的波长转换元件(PPMgLT)，由于透过特性高，因而振荡器内的损失得以减低，高效率的波长转换成为可能。
第3实施方式
下面，参照图21对使用了本发明第3实施方式的波长转换元件的激光光源装置进行说明。在图21中，从作为相干(coherent)光源的光源86射出的基本波84，透过聚光光学系统85，由作为波长转换元件的非线性光学晶体81、82进行波长转换而被转换成SHG83。根据本结构可以实现高效率及高输出的波长转换元件。另外，作为基本波84的光源86，还可以利用固体激光光源、光纤激光光源等。光纤激光光源，由于射束质量较高，因而以单光路(singlepath)的结构进行波长转换较为容易，通过和本实施方式的波长转换元件进行组合，可以实现高效率的短波长光源装置。
掺杂Mg的LiNbO3(MgLN)具有较高的非线性光学效果，可以实现掺杂Mg的LiTaO3(MgLT)的3倍的转换效率。然而，由于因上述的紫外光的产生而在高输出耐受性方面存在问题，因而难以实现超过3W的高输出。另一方面，虽然掺杂Mg的LiTaO3的转换效率与掺杂Mg的LiNbO3的相比较低，但通过掺杂Mg，可以大幅度地改善光损伤的耐受性及高输出耐受性。
因此，通过组合这两种晶体，可以实现转换效率较高且有高输出的波长转换元件。另外，虽然也可以将波长转换元件加长来谋求转换效率的提高，但由于加长元件长度，可进行转换的基本波的波长容许范围会减小，因而高效率转换变得困难。而且，元件也会变大而不利于小型化及低成本化。
如图21所示，作为非线性光学晶体81，使用具有周期状的极化反转结构的MgLN(PPMgLN：Periodically Poled MgO doped LiNbO3)元件，作为非线性光学晶体82，使用具有周期状的极化反转结构的MgLT(PPMgLT)元件，将PPMgLN元件81配置在前端，将1064nm的基本波84转换成532nm的SHG83。此时，由PPMgLN元件81可以产生3W的绿色光，接着，通过由PPMgLT元件82进一步进行波长转换，作为SHG83可以产生10W的绿色光。另外，使PPMgLN元件81和PPMgLT元件82的相位匹配波长取得一致。而且，还对晶体端部的极化反转结构进行调整，使得在PPMgLN元件81和PPMgLT元件82的接合部分，基本波84和SHG83的相位关系一致。
这样，本实施方式的波长转换元件，既包括掺杂Mg的LiTaO3基板，也包括具有周期状的极化反转结构的掺杂Mg的LiNbO3基板，掺杂Mg的LiTaO3基板和掺杂Mg的LiNbO3基板相邻配置，掺杂Mg的LiTaO3基板和掺杂Mg的LiNbO3基板具备基本上相同的相位匹配条件。
图22所示的是，SHG输出相对PPMgLN元件81和PPMgLT元件82的元件长度即距离的增加的情况。首先，在PPMgLN元件81中，由于转换效率较高，因而可以使SHG相对距离的增加量变大。而在PPMgLT元件82中，虽然与PPMgLN元件81相比其转换效率较低，但由于高输出耐受性较强，因而可以稳定地输出到高输出的水平。这样，通过两段的波长转换元件而使高效率化和高输出化成为可能，从而可实现10W以上的高输出光源。
如上所述，在本实施方式中，通过组合PPMgLN元件81和PPMgLT元件82，可以较短的元件长度进行高效率的波长转换，因此，波长容许范围扩大，小型的激光光源装置得以实现。而且，如果将PPMgLN元件81和PPMgLT元件82粘接或接合而构成短波长光源的话，则可以实现更小型的短波长光源。
第4实施方式
下面，参照图23对应用了上述的任一的波长转换元件的激光显示器(2维图像显示装置)的结构的一个例子进行说明。激光光源装置使用红(R)、绿(G)、蓝(B)三色的激光光源901a～901c，红色光源901a使用波长为638nm的GaAs系半导体激光，蓝色光源901c使用波长为465nm的GaN系半导体激光。而绿色光源901b，则使用具备了将红外激光的波长变成1/2的波长转换元件的波长转换绿色光源装置，作为该波长转换绿色光源装置的波长转换元件，可以使用上述的第1至第3实施方式的波长转换元件。
另外，在本实施方式中，分各个颜色各使用了一个半导体激光，但也可以采用通过束光纤(bundle fiber)由一条的光纤输出即可得到2个～8个半导体激光的输出的结构。此时，波长谱宽为数nm而成为非常宽的光谱，通过该较宽的光谱可以抑制斑点噪声的发生。
由各光源901a、901b、901c发出的各色的激光射束，通过反射型2维射束扫描部902a～902c而被进行2维扫描，透过反射镜910a、凹透镜910b及反射镜910c之后，照射扩散板903a～903c。在扩散板903a～903c上以2维扫描的各色的激光射束，通过场透镜(field lens)904a～904c之后，被导入到2维空间光调制元件905a～905c中。
在此，图像数据分别被分割成R、G、B，各信号被输入到2维空间光调制元件905a～905c，通过在分色棱镜(dichroic prism)906中合波，彩色图像得以形成。以这种方法合波的图像，通过投射透镜907而被投影到屏幕908上。此时，扩散板903a～903c作为斑点噪声除去部被配置在2维空间调制元件905a～905c的前面，通过摇动扩散板903a～903c，可以降低斑点噪声。
另外，作为斑点噪声除去部，也可以使用双凸透镜(lenticular lens)等。而且，作为2维空间调制元件905a～905c，可以使用超小型镜被集聚在一起的反射型空间调制元件(DMD镜)，但也可以采用使用了液晶的2维空间调制元件、或使用了检流镜、微机电系统(MEMS：Micro Electro Mechanical Systems)微型开关的2维空间调制元件。
在图24的色度图表内，所示的是S-RGB规格的色彩再现范围，以及作为绿色光选择了540nm和530nm的激光时的各色彩再现范围。可知，作为绿色光选择了540nm和530nm的激光时，各色彩再现范围分别比在以往的图像显示装置中可以再现的S-RGB规格的色彩再现范围还要大。这样，在本实施方式的2维图像显示装置中，通过使用激光作为光源，使得再现高清晰的图像成为可能。而且，作为2维图像显示装置所使用的绿色光的波长范围，若考虑色彩再现性，优选在488nm～550nm的范围内，进一步优选在500nm～540nm的范围内。而且，绿色光的波长范围更优选为526nm～529nm。这是因为，若不足526nm时，则黄色不能再现，而若超过529nm时，则色彩再现范围则以NTSC比就不达到140％。
另外，绿色光源901b的结构并不只限定于上述之例，也可以使用采用了上述的第1至第3实施方式的波长转换元件来作为波长转换晶体、且产生光纤激光光源的二次谐波的二次谐波发生装置(波长转换光纤激光光源装置)，。关于该二次谐波发生装置的结构，参照图25进行说明。
图25所示的二次谐波发生装置，包括激励用(泵浦用)激光1001、掺杂Yb的包层泵浦光纤(cladding pump fiber)1003、偏振器(polarizer)1004、光纤光栅(fibergrating)1005、透镜1006、波长转换元件(SHG晶体)1007、分束器(splitter)1008、光电二极管(PD：photodiode)1009、输出控制器1010以及控制电流源(IL电流源)1011。
作为激励用激光1001，激光二级管予以使用，掺杂Yb的包层泵浦光纤1003作为激光媒介而被使用。掺杂Yb的包层泵浦光纤1003，通过激励用激光1001(波长约为195nm、最大输出为30W)而被激励，掺杂Yb的包层泵浦光纤1003的波长被控制在1060nm附近。偏振器1004将振荡的基本波转换成直线偏振光。被转换成直线偏振光的光，经光纤光栅1005和透镜1006，被射入波长转换元件1007中。
这样，振荡的光(波长约为1060nm)被射入包括非线性光学晶体(例如，周期极化反转MgO:LiNbO3晶体，长度为10mm)的波长转换元件1007，被转换成1/2波长的530nm的绿色光。此时，波长转换元件1007，由于其相位匹配波长根据晶体的温度而发生变化，因而以0.01℃的精确度受到温度控制，使振荡的光的二次谐波产生。
产生的绿色光的一部分，通过分束器1008而被分离，被输入到PD1009。PD1009监视波长转换晶体1006的输出，测量绿色光的强度。输出控制器1010根据由PD1009检测出的二次谐波输出，对输出进行控制使其保持一定，控制电流源1011接收从输出控制器1010发出的控制信号，来控制激励用激光1001的输出。这样，通过输出控制器1010换算由PD1009测量的光的强度，使控制激励光源的输出电流成为可能。
到现在为止，一般是在获得W级的输出时，将波长转换元件的温度加热到100℃以上，但在使用了例如掺杂5.6mol的Mg的LiNbO3晶体时，则如第1实施方式所述的那样，即使放置在室温下也可以得到稳定的绿色光输出。因此，在20℃～60℃的范围也可以使用，从而可以减少装置的电消耗。并且，在将晶体保持温度设定成室温以上(40℃～60℃)时，由于可以不使用高价的珀尔帖元件而用加热器来代替，因而还可以降低零部件成本。
另外，本发明除了采用具有这种结构的2维图像显示装置之外，还可以采用从屏幕的背面进行投影的方式(背投式显示器)(rear projection display)，可以使用于通常的液晶显示元件的背光源(backlight)，在这些方式中，也与上述的相同，可以提高2维图像显示装置的色彩再现性。尤其是，在采用背投式显示器的方式时、或作为液晶显示元件的背光源而使用时，为了扩大视角(viewing angle)，需要加大光源的输出，此时需要R、G、B分别为2.5W以上、优选为3W以上的光源。
在这样的2维图像显示装置中，为获得可以说是实用的500lm以上的亮度，R、G、B分别需为2W以上的光。另一方面，为获得这样的W级的绿色光，到目前为止，一般二次谐波的产生使用LBO(三硼酸锂：LiB3O5)晶体。然而，由于该LBO晶体具有潮解性，因而必须将晶体保持温度设定在150℃，并且，还由于影响转换效率的非线性光学常数很小，为MgO∶LiNbO3的1/20左右，因此，存在外部谐振器等波长转换装置的结构变得复杂、而且装置的电消耗会增加的问题。
然而，在本实施方式中，由于采用的是使用了可以获得W级的绿色高输出的MgO:LiNbO3等的波长转换绿色光源，所以，不需要晶体加热或复杂结构的光学系统，即可形成2维图像显示装置。
而且，作为2维图像显示装置，若将最低限度所必需的亮度设定在300cd/m2，则绿色光的强度需要在1.5W以上。为了实现该强度，SHG相对基本波的比例优选为25％～60％。这是因为，在不足25％时，转换效率降低、电消耗增大，而超过60％，则会发生晶体损坏、或输出变动变得过大。
另外，在本实施方式中，对激光显示器进行了说明，但本发明所适用的光学装置并不只限于此例，对光盘装置或测量装置也是有效的。若在光盘装置中使用本发明的激光光源装置，则可以获得相干较大、稳定的高输出，对全息记录也是很有效的。除此之外，也可以应用于液晶装置的背光源。如果将本发明的激光光源装置作为液晶的背光源用的光源来使用，则可以因较高的转换效率而实现高效率及高亮度的液晶。而且，还由于通过激光可以表现较宽的色彩范围，因而可以实现色彩再现性优越的显示器。
本发明的激光光源装置也可以作为照明光源来利用。如果将光纤激光作为基本波光源来使用，则由于转换效率高，使得电和光的高效率转换成为可能。而且，通过使用光纤，可以低损失将光传输到偏离的地方。其结果，光在指定的地方产生，并通过向偏离的地方传输光，使得由光集中产生而带来的室内照明成为可能。而且，光纤激光，因与光纤的结合可以低损失进行，因而对光的配送也是有效的。
第5实施方式
下面，参照图26对应用了上述任一的波长转换元件的激光加工装置的一个例子进行说明。在本实施方式中，作为加工用激光光源1201，采用使用了上述第1至第3实施方式的波长转换元件的激光光源装置(绿色光：波长为532nm)，是适合于印刷基板等铜加工的激光描绘加工装置。另外，绿色光源1201的结构，与第4实施方式相同，因而省略其详细的说明。
从加工用激光光源1201射出的绿色光，经组透镜1202而被准直化。然后，通过狭缝(slit)1203，射束直径得以调整，由反射镜1204等将光轴折回后，通过透镜1205而被导向检流镜1206a、1206b。检流镜1206a、1206b，向加工方向(x方向或y方向)摇动激光的光轴，之后，通过f-θ透镜1207，射束垂直地射入到被安装在x-y平台1209上的加工对象物1208上，所希望的加工得以进行。用于加工的激光的波长范围，优选从在光盘的母盘制作等(mastering)中可使用的400nm到在树脂的焊接(resin welding)时可使用的600nm的波长范围。
以往，在这种激光加工装置中使用的激光光源，采用的是使用了LBO晶体的激光光源，但存在有如下的问题，即该晶体具有潮解性，不使用时也需要将晶体加热到150℃，或必需在干燥的空气中使用，而且，还由于晶体所具有的热膨胀系数不同而导致表面涂层受到损坏。另外，到目前为止所报告的掺杂5mol的MgO的LiNbO3，虽然具备没有潮解性的特长，但基本上都是获得200～300mW的输出的例子，如上所述，要获得2W以上的绿色光输出时，则存在晶体断裂等问题。
然而，在本实施方式中，由于使用的是可以获得W级的绿色高输出的MgO:LiNbO3等，所以，既可以稳定地获得3W以上的输出，由于没有潮解性，因而在不使用装置时，即使在切断电源的状态下，也可以避免晶体恶化。其结果，减少驱动加热器的装置的电消耗，进而使装置的小型化成为可能。
本实施方式中，也可通过改变基本波的波长，使氩离子激光(488nm、514nm)的波长产生。此时，与使用了玻璃管的大型光源的以往的光源相比，可以使所使用的激光光源装置的体积20～30％小型化，从而可以实现光造型装置、粒子分析装置、血液分析装置等各种分析设备的小型化及较低的电消耗。
而且，在上述的激光加工装置中，在将加工用激光光源1201作为脉冲光源来使用时，每一脉冲的峰值功率一般都有上升。因此，紫外光诱发绿色光吸收，虽然在连续光的情况下平均输出为2W以上时会发生，但在脉冲振荡的情况下平均输出为1W以上时即发生。而且，在脉冲振荡的情况下，若不考虑给载于激光光源装置中的激励用激光提供的电流的波形，则会产生具有非常高的峰值功率的光，晶体或反射镜会出现激光损坏(激光损伤)，绿色光的发生则会停止。
图27(a)～(c)所示的是，将矩形波输入到现有的激光光源装置中时流向激励用激光的电流波形IL、向波长转换元件输入的基本波的输出波形Pω，以及来自波长转换元件的绿色光的输出波形Pgreen。
如图27(a)所示，由于电流波形IL即使为矩形，也会在脉冲升高的同时，使形成于作为激光媒介的波长转换元件中的反转分布变成光而被输出，因此，存在如下的问题，如图27(b)所示，具有不可预想的峰值功率的基本波Pω以1～10μs的脉宽予以输出，如图27(c)所示，因高峰值输入而导致波长变换元件等受到损坏，虽然作为绿色光的输出波形Pgreen，高峰值的绿色光会一瞬间被输出，但之后则不能获得绿色光的输出。
因此，在本实施方式中，例如，如图28(a)所示，作为流向激励用激光1001的电流波形IL，在最初的1～10μs之间，施加指定的波高值的5～30％、优选10～20％的电流值，之后，使电流波形IL达到所希望的电流值(指定的波高值)。其结果，如图28(b)所示，向波长转换元件1007输入的基本波的输出波形Pω，不会在脉冲升高时有高峰值，而是缓慢地上升到指定的峰值，从而可以防止高峰值输出的发生。
如此，通过将提供给基本波发生用光源的激励用激光1001的电流波形升高时的电流值，限制在相对固定时的电流值的5～30％、优选限制在10～20％，则可以获得如图28(c)所示的绿色光的输出波形Pgreen那样的稳定的绿色光的输出。而且，限制在相对固定时的电流值的5～30％、优选10～20％的期间，理想的是在1～10μs的范围。
另外，电流波形IL并不只限于图28(a)所示之例，也可以象图29(a)或(b)所示的那样，以波高值的5～30％、优选10～20％的范围内的低电流，使激励用激光1001预备发光，之后，用设定所希望的电流值的方法(将小脉冲和大脉冲组合起来作为电流波形IL的方法或使电流波形IL以阶梯状上升的方法)、或如图29(c)所示那样逐渐地使电流值上升的方法(使电流波形IL按斜波函数(ramp function)上升的方法)，都可以实现与上述相同的效果，即，防止高峰值功率基本波引起的光学零部件的损伤以及绿色光输出的稳定化，从而使得装置的可靠性提高及长寿命化成为可能。
而且，还确认了，只是以不能满足固体激光或光纤激光的振荡阈值的电流值，将直流偏压(DC bias)施加到电流波形上，来叠加调制信号的话，则不能回避脉冲上升时的高峰值输出的发生。而且，在激励用激光的电流波形上叠加20MHz以下的高频信号来回避脉冲上升时的高峰值输出的发生时，由于发生画面的闪动(flicker)，因此，在将上述的二次谐波发生装置用于2维图像显示装置中时，调制深度优选在0～50％的范围内。
在采用了上述的驱动方法的激光光源装置中，由于可以用激励用激光的电流波形来调制其输出，因而，不需要利用电光学效果或音响效果的调制元件，不仅使光源的小型化及低成本化成为可能，而且，在构成通过使用了检流镜、微机电系统微型开关)等的2维空间调制元件而实现的、亮度达到100lm以上的2维图像显示装置或激光加工装置时，是非常有用的。
另外，在上述的各实施方式中举例说明的波长转换元件、激光光源装置、2维图像显示装置以及激光加工装置，都是一个例子，当然也可以采用其他的方式。
产业上的可利用性
本发明涉及的波长转换元件，通过改善照射紫外光时的可见光的透过特性，既可防止晶体的损坏，又可实现输出特性的稳定化。根据此效果，可以抑制因作为紫外光的三次谐波而引起的二次谐波(绿色光)的吸收，从而可以回避输出的饱和及晶体损坏。而且，以往是通过分配基本波输出并使用多个波长变换元件来产生较大的输出，但通过使用本发明的波长转换元件，装置得以简化，既可以提高装置的可靠性，又可以回避复杂的调整，从而可以降低制作成本。因此，可以更为简单的结构来实现高亮度的激光显示器等。

Claims (11)

1.一种波长转换元件，其特征在于包括，具有使极化结构周期性反转的非线性光学单晶体的基板，其中：
所述基板由铌酸锂形成；
在所述基板上照射紫外光时，所述基板的可见光的透过率为85％以上；
所述波长转换元件对波长为640nm～2000nm的激光进行短波长化，以输出平均输出为1W以上的激光。
2.根据权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述铌酸锂为固液同成分配比的掺杂Mg的铌酸锂，其中，Mg浓度为5.1mol％～5.7mol％。
3.一种波长转换元件，其特征在于包括，具有使极化结构周期性反转的非线性光学单晶体的基板，其中：
所述基板由钽酸锂形成；
在所述基板上照射紫外光时，所述基板的可见光的透过率为85％以上；
所述波长转换元件对波长为640nm～2000nm的激光进行短波长化，以输出平均输出为1W以上的激光。
4.根据权利要求3所述的波长转换元件，其特征在于，所述钽酸锂为固液同成分配比的掺杂Mg的钽酸锂，其中，Mg浓度为5.0mol％～8.0mol％。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的波长转换元件，其特征在于，所述紫外光的波长为320nm～380nm。
6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的波长转换元件，其特征在于，所述可见光的波长为400nm～660nm。
7.根据权利要求1～6中的任意一项所述的波长转换元件，其特征在于，所述基板在波长转换时的温度为20℃～60℃。
8.一种激光光源装置，其特征在于包括，权利要求1～7中的任一项所述的波长转换元件，其中，所述波长转换元件输出平均输出为2W以上且波长为400nm～660nm的连续光。
9.一种激光光源装置，其特征在于包括，权利要求1～7中的任意一项所述的波长转换元件，其中，所述波长转换元件输出平均输出为1W以上且波长为400nm～660nm的脉冲光。
10.一种2维图像显示装置，其特征在于包括，权利要求8或9所述的激光光源装置，其中，利用从所述激光光源装置发射出的激光来显示图像。
11.一种激光加工装置，其特征在于包括，权利要求8或9所述的激光光源装置，其中，利用从所述激光光源装置发射出的激光对对象物进行加工。
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