CN101646976A - 激光波长转换装置以及具备该激光波长转换装置的图像显示装置 - Google Patents

Abstract

在让红外光射入波长转换元件得到作为波长转换光的绿色光时，由于在所述波长转换元件中产生作为所述红外光和所述绿色光的和频的紫外光而发生所述绿色光的吸收，由此时产生的热会引起构成所述波长转换元件的晶体破坏。在本发明的激光波长转换装置中，通过采用一种使红外光在波长转换元件中聚光的位置偏离在忽视所述产生的热的影响时为最佳的位置的结构，能够实现所述晶体破坏的抑制和高效率的波长转换，从而能够获得在以往的波长转换元件中难以得到的、超过数W的高输出的波长转换光。

Description

激光波长转换装置以及具备该激光波长转换装置的图像显示装置

技术领域

本发明涉及一种利用采用非线性光学单结晶制作的波长转换元件的激光波长转换装置。

背景技术

作为用于激光加工或激光显示等的光源，超过数W的高输出激光光源受到关注。在红色、蓝色区域中，开发有使用砷化镓(gallium arsenide)、氮化镓(gallium nitride)等的半导体激光器，还对高输出化进行了研究。但是，从半导体直接产生绿色的激光仍然是困难的。

因此，一般使用通过将红外光等作为基波对其进行波长转换，得到作为第二谐波的绿色光的方法。具体而言，让从YAG激光器等固体激光器或者使用掺杂了Yb、Nd等稀土类的光纤的光纤激光器等发出的红外光射入非线性光学晶体，通过由所述非线性光学晶体进行的波长转换而得到绿色光。

尤其是，已知在铌酸锂或钽酸锂中使用极化反转技术形成准相位匹配(quasi-phasematching(QPM))结构的波长转换元件具有较大的非线性光学常数，能够以较高的转换效率从红外光得到绿色光。此外，通过在波长转换元件中掺杂氧化镁(magnesium oxide)，如Applied Physics letters，44，9，847-849(1984)、Applied Physics letters，59，21，2657-2659(1991)所示，能够抑制作为晶体劣化之一的光导致的折射率变化(光折变(photorefractive))，从而能够在常温下进行稳定的波长转换。

在采用掺杂了氧化镁的铌酸锂的波长转换元件中，当射入作为基波的红外光而产生作为第二谐波的绿色光时，虽然根据元件不同有所差异，但在产生超过2W的输出时，会出现在光束通道(beam path)的后半部开始产生晶体破坏的问题。此外，在峰值高的脉冲振荡的情况下，若平均输出超过0.5W，则会产生晶体破坏。

此外，即使在采用钽酸锂的波长转换元件中，高输出时产生的晶体破坏同样也成为问题。

在此，可认为，例如，为了得到5W的高输出的高谐波，像日本专利公开公报特开平11-271823号中所示那样使用多个波长转换元件，或者像日本专利公开公报特开2004-125943号中所示那样在一个波长转换元件内形成多个光路，但不管采用哪种结构，若考虑到晶体破坏的产生，则一条光路能生成的绿色输出最大为2W，因此，需要三个波长转换元件或光路。

发明内容

本发明鉴于上述问题，其目的在于提供一种能够抑制波长转换元件的晶体破坏，并可得到高谐波的激光波长转换装置以及图像显示装置。

本发明所涉及的一种激光波长转换装置包括射出激光的激光光源，和用于对来自所述激光光源的激光进行波长转换的波长转换元件，所述波长转换元件具备对所述激光的转换效率达到最大的最佳聚光条件，所述激光以较所述最佳聚光条件其转换效率降低的降低聚光条件入射到所述波长转换元件。

本发明所涉及的一种图像显示装置包括多个激光光源，和利用所述多个激光光源将图像形成在所述屏幕上的光学系统，所述多个激光光源至少包含射出红色光束的红色激光光源、射出绿色光束的绿色激光光源以及射出蓝色光束的蓝色激光光源，所述各激光光源中的至少绿色激光光源具有所述激光波长转换装置。

此外，本发明所涉及的另一种图像显示装置包括液晶显示面板，和从背面一侧照明所述液晶显示面板的背光照明装置，所述背光照明装置至少包含射出红色光束的红色激光光源、射出绿色光束的绿色激光光源以及射出蓝色光束的蓝色激光光源，所述各激光光源中的至少绿色激光光源具有所述激光波长转换装置。

根据本发明，能够抑制波长转换元件的晶体破坏，并可得到高谐波。

附图说明

图1是表示一般的激光波长转换装置的示意图。

图2是表示波长转换效率与M2的关系的图。

图3是表示聚光位置与波长转换效率的关系的图。

图4是表示图1所示的波长转换元件内的红外光与绿色光的输出变化的图。

图5是表示图1所示的波长转换元件内的红外光的光强度与距入射面的距离的关系的图。

图6是表示图1所示的波长转换元件内的绿色光的光强度与距入射面的距离的关系的图。

图7是表示图1所示的波长转换元件内的紫外光的光强度与距入射面的距离的关系的图。

图8是表示图1所示的波长转换元件内的绿色光的吸收量与距入射面的距离的关系的图。

图9是表示本发明的实施例1涉及的波长转换装置的示意图。

图10是表示图9所示的波长转换元件内的红外光与绿色光的输出变化的图。

图11是表示图9所示的波长转换元件内的红外光的光强度与距入射面的距离的关系的图。

图12是表示图9所示的波长转换元件内的绿色光的光强度与距入射面的距离的关系的图。

图13是表示图9所示的波长转换元件内的紫外光的光强度与距入射面的距离的关系的图。

图14是表示图9所示的波长转换元件内的绿色光的吸收量与距入射面的距离的关系的图。

图15是表示图9所示的波长转换元件的红外光的输入与绿色光的输出的关系的图。

图16是表示聚光位置与作为引起晶体破坏的阈值的绿色光的输出的关系的图。

图17是表示波长转换元件的温度与绿色光的输出的关系的图，是低输出波长转换时的例子。

图18是表示波长转换元件的温度与绿色光的输出的关系的图，是高输出波长转换时的例子。

图19是表示聚光位置与低温一侧的半值温度幅度的关系的图。

图20是表示实施例1涉及的波长转换装置的变形例的图。

图21是表示聚光位置的光束半径与发热量的峰值的关系的图。

图22是表示元件平均温度和光束通道部分的温度差与波长转换元件内的位置的关系的图。

图23是表示本发明的实施例2涉及的波长转换装置的示意图。

图24是表示本发明的实施例3涉及的波长转换装置的示意图。

图25是表示本发明的实施例4涉及的波长转换装置的示意图。

图26是分别表示图1所示的波长转换装置中的红外光以及绿色光的光强度分布的图。

图27是表示图1所示的波长转换元件内的绿色光的吸收率与紫外光的强度的关系的图。

图28是表示本发明的实施例5涉及的波长转换装置的示意图。

图29是放大表示图28中的圆锥透镜之间的光束光路的图。

图30是表示通过了图28所示的圆锥透镜的光束的光强度分布(R’＝1.5R)的图。

图31是放大表示图28所示的波长转换元件附近的图。

图32是表示透过图28的波长转换元件之后的红外光的光强度分布的测量结果的图。

图33是表示由图28所示的波长转换元件产生的绿色光的光强度分布的测量结果的图。

图34是表示在使用图28所示的波长转换装置时的波长转换效率与元件温度的关系的图。

图35是表示本发明的实施例6涉及的波长转换装置的概要图。

图36是表示本发明的实施例7涉及的波长转换装置的概要图。

图37是表示本发明的实施例8涉及的图像显示装置的示意性结构的一个例子的图。

图38是表示本发明的实施例9涉及的图像显示装置的示意性结构的一个例子的图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施例进行说明。此外，以下的实施例是将本发明具体化的一个例子，不具有限定本发明的技术范围的特性。

图1是本发明的实施例涉及的激光波长转换装置的示意图。首先，参照图1对激光波长转换装置中的最佳聚光条件进行说明。

激光波长转换装置包括：射出作为基波的激光(例如红外光)的激光光源1、用于使来自该激光光源1的激光2聚光的聚光透镜3，和用于将通过聚光透镜3而被聚光的激光2转换为第二谐波(the second harmonic)(例如绿色光)5的波长转换元件4。

在让平面波(plane wave)的激光2入射到波长转换元件4内的情况下，从激光2波长转换为第二谐波5的效率由数学式1给出。

(数学式1)

$\mathrm{\η}=8{\mathrm{\π}}^2{\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{\mathrm{\ϵ}}_0}\right)}^{\frac{1}{2}}\frac{d^2}{n^3}{\left(\frac{L}{\mathrm{\λ}}\right)}^2\frac{P_{\mathrm{\ω}}}{A}\frac{{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\ΔkL}}{2}\right)}{{\left(\frac{\mathrm{\ΔkL}}{2}\right)}^2}---\left(1\right)$

在此，μ₀为真空的磁导率(magnetic permeability)，ε₀为真空的介电常数(dielectricconstant)，d为有效非线性常数，n为元件的折射率，L为元件长度，λ为基波的波长，P_ω为基波的入射功率，A为光束的截面面积，Δk为基波的波数与第二谐波的波数的差(k_2ω-2k_ω)。

从数学式1可知，若达到相位匹配条件Δk＝0，则通过使所述波长转换元件内的激光2的光束在尽可能长的距离尽可能小地会聚，能够得到高的波长转换效率。

因此，作为所述波长转换元件4，能够让光以小的光束直径(beam diameter)长距离传播的光波导路型波长转换元件(optical waveguide type wavelength conversion element)被广泛使用。但是，在光波导路型波长转换元件中，由于晶体内的光强度变得过大，所以不适合用于得到高输出的第二谐波的波长转换。因此，为了得到高输出的第二谐波，作为波长转换元件多使用体型波长转换装置(bulk type wavelength converting element)。

并且，由于通过所述聚光透镜3而被聚光的激光2离聚光位置越远其光束直径越大，因此红外光的聚光位置6的最佳位置在波长转换元件4(或者形成在其中的极化反转结构)的中心部分。此外，如果为了减小光束截面面积(束腰径：beam waist diameter)而使NA过大，则由于光的衍射发散角会扩大，光无法长距离会聚，反而引起转换效率的降低。因此，根据元件的长度，分别存在最佳的聚光状态，如果设r0为束腰径，当由数学式2给出的共焦参数(confocal parameter)b满足L/b＝2.84时，可达到最佳聚光条件(参照AppliedPhysics letters，39，8，3597-3639(1968))。

(数学式2)

$b=\frac{2\mathrm{\π}\·n\·{r_0}^2}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

如前所述，较为理想的是在尽可能长的距离尽可能细地聚光光束。用于满足最佳聚光条件的激光2为M2＝1的理想的高斯光束(Gaussian beam)。例如，在使激光2为椭圆光束的情况下，其椭圆率越大(长轴相对于短轴的比越大)，则转换效率越低。此外，在激光2的聚光点具有像散差(astigmatic difference)的情况下，所述像散差越大，则转换效率越低。

以下，示意转换效率对M2或波长转换元件4内的聚光位置的依赖性的例子。

在图1所示的波长转换装置中，在将波长转换元件4的元件长度设为26mm，使束腰径为60μm(聚光位置为元件的中心)的情况下，相对于M2的转换效率如图2所示，当M2＝1时为最佳。

此外，在聚光位置处于波长转换元件4内的情况下，从波长转换元件4的入射面7到激光2的聚光位置的距离与波长转换效率的关系如图3所示。即，当聚光位置6处于波长转换元件4的长度方向(激光2的光轴方向)的中央位置(距入射面13mm)时，波长转换元件4内的光强度达到最高，波长转换效率达到最大。

以下，对波长转换元件4的晶体破坏的机理(mechanism)进行说明。

作为波长转换元件4，例如使用采用铌酸锂(lithium niobate)、钽酸锂(lithiumtantalite)的波长转换元件。已知这种波长转换元件4若要以高输出得到高谐波(例如绿色光)，则会被破坏。波长转换元件4的破坏，被认为是由高谐波吸收基波(激光2)所导致的热产生而引起的。因此，为了抑制波长转换元件4的破坏，认为增大基波的光束的截面面积以降低基波的功率密度是有效的。

但是，若增大基波的光束的截面面积，则波长转换元件的转换效率会大幅度下降，存在难以进行高效率的转换的问题。本申请的发明人发现，得到高输出的高谐波时产生热的主要原因并不是基波的吸收，而是由于基波与高谐波的和频(sum-frequency light)(例如紫外光)使高谐波被吸收的现象。此外，通过实验确认了和频的光强度越高，可见光的吸收率越高。

基于以上事实，在图1所示的波长转换装置中，认为得到高输出的高谐波时产生的晶体破坏的主要原因如下。以下，举例说明利用图1所示的波长转换装置的结构，向采用所述铌酸锂的波长转换元件(元件长度为26mm)4入射6W的红外光，将其波长转换为绿色光的情况。

红外光在波长转换元件4内渐渐地被转换为绿色光，因此波长转换元件4内的绿色光的输出如图4中的8所示增加，另一方面，红外光的输出如图4中的9所示减少。在图1所示的波长转换装置中，由于红外光的聚光位置被设定在波长转换元件4的中央位置附近，因此，红外光的光强度，如图5所示，在波长转换元件4的中央位置之前的位置达到最大，绿色光的光强度，如图6所示，在波长转换元件4的中央位置之后的位置达到最大。此外，此时与红外光的光强度和绿色光的光强度的乘积成比例地产生的紫外光的光强度如图7所示。

基于紫外光的光强度与绿色光的输出，波长转换元件4内的由紫外光导致的绿色光的吸收量如图8所示分布。并且，可以认为所述波长转换元件4的晶体破坏发生在图8中位于波长转换元件4的中心位置稍后的部分，在此绿色光的吸收量达到最大。此外，图8中绿色光的吸收量达到最大的部分与实验中产生的晶体破坏的位置基本一致。

根据上述内容，本申请的发明人发现，为了在不引起所述波长转换元件4的晶体破坏的情况下实现高输出的波长转换，降低紫外光的产生，或者使绿色光的光强度升高的位置与紫外光的光强度升高的位置错开这两点很重要。通过满足这两点中的至少一点，可以减轻紫外光与绿色光的重合，从而抑制波长转换元件4的局部发热。

此外，通过实验可知，在使用图1的波长转换装置输出超过1W的高谐波时，在所述基于紫外光的绿色光的吸收量达到最大的位置，波长转换元件4局部发热，由此波长转换元件4的折射率局部变化，产生光束劣化和波长转换效率的降低。并且，虽然波长转换元件4的发热量随着该波长转换效率的降低而降低，但波长转换效率又会随着该发热量的降低而再次恢复，由此可见，波长转换效率的增减会反复，光束劣化也会反复。因此，如果能够减轻波长转换元件4的局部的温度上升，则能抑制光束劣化或波长转换效率的周期性的变动。

于是，作为用于通过满足所述各条件来实现高转换效率的结构，提出以下结构。

(实施例1)

图9是表示本实施例的激光波长转换装置的概要图。

图9所示的波长转换装置包括：激光光源10，用于让来自该激光光源10的红外光(相干光)11聚光的聚光透镜12，以及用于将通过聚光透镜12而被聚光的红外光11转换为绿色光14的波长转换元件13。

所述波长转换装置使用聚光透镜12让由激光光源12射出的红外光11聚光，并入射到波长转换元件13。波长转换元件13对入射的基波(红外光)的一部分进行波长转换，生成绿色光14。

在此，所述波长转换装置与图1所示的装置不同，红外光的聚光位置15被设定在波长转换元件13的入射面16的附近。具体而言，从波长转换元件13到激光光源10的距离设定得比图1所示的距离大。

激光光源10包括将具有500μm的光束直径和1064nm的波长的红外光11作为平行光射出的固体激光器。从所述激光光源10射出的红外光11为直线偏振的高斯光束。

聚光透镜12为f 30的球面透镜。

波长转换元件13是使铌酸锂的极化方向以6.97μm的周期反转的元件，是已被准相位匹配(quasi-phase matching)的元件。而且，波长转换元件13的与激光12的光轴平行的方向即长度方向的尺寸为26mm。此外，波长转换元件13被设计成使得在红外光11以其偏振方向与波长转换元件的极化方向一致的状态入射时，在20度以上50度以下的温度范围内，绿色光14的转换效率达到最大。

在使用所述波长转换装置，从8.2W的红外光11波长转换到绿色光14的情况下，与图1所示的波长转换装置相同，在波长转换元件13内红外光渐渐被转换为绿色光。因此，波长转换元件13内的绿色光14的输出如图10的符号17所示那样增加，绿色光14的输出在波长转换元件13的出射面附近达到2W。此外，红外光11的输出如图10的符号18所示那样渐渐地减少。

在此，在本实施例的波长转换装置中，由于红外光11的聚光位置被设定在波长转换元件13的入射面16附近，因此，如图11所示，红外光在波长转换元件13的入射面16附近光强度达到最大。与此相应，绿色光14的光强度，也在与图1所示的波长转换装置(参照图6)相比更靠近波长转换元件13的入射面16的位置达到最大。因此，与红外光11的光强度和绿色光14的光强度的乘积成比例地产生的紫外光的光强度如图13所示那样分布。即，在绿色光14的输出增大而容易引起晶体破坏的波长转换元件13的后半部(红外光11的聚光位置之后的范围)的紫外光的光强度，能够大幅度降低到图1所示的波长转换装置中的紫外光的光强度的20％以下。

其结果是，在波长转换元件13内产生的基于紫外光的绿色光14的吸收量如图14那样分布。即，峰值吸收量能够减轻至图1所示的波长转换装置的峰值吸收量的约20％。因此，根据本实施例的波长转换装置，能够抑制波长转换元件13的晶体破坏，并可进行高输出的波长转换。此外，由于还能够抑制波长转换元件13的发热，因此也能减轻波长转换元件13的折射率变化，减轻红外光11以及绿色光14的光束劣化或转换效率的变动。

此外，在所述波长转换装置中，由于可以将波长转换元件13的后半部中的绿色光14的光束直径设为图1的波长转换装置的绿色光5的光束直径的约1.6倍，因此能够降低绿色光14的光强度。由此，能够使基于紫外光的绿色光14的吸收带来的热梯度(heatgradient)的峰值进一步降低32％，从而能够在不引起晶体破坏的情况下进一步增大可波长转换的绿色输出。

图15是表示实施例1涉及的波长转换装置中的红外光输入与绿色光输出的关系的图。通过本申请的发明人的实验可以确认，如图15所示，在入射14.4W的红外光的情况下，能够在不引起波长转换元件13的晶体破坏的情况下得到4.3W的绿色光输出。

图16是表示实施例1涉及的波长转换装置中从波长转换元件的入射面到红外光的聚光位置的距离与引起晶体破坏的绿色光的最大输出的关系的图。如图16所示，可知，随着红外光11的聚光位置远离波长转换元件13的中心位置并且靠近波长转换元件13的入射面16，引起晶体破坏的绿色光14的输出值变高(在红外光11聚光在入射面16的情况下，即使绿色光14的输出达到4.3W，也不发生波长转换元件13的晶体破坏)。此外，通过将红外光11的聚光位置移至波长转换元件13的外侧，即靠近波长转换元件13的入射面16的前面，能够在不引起晶体破坏的情况下进一步增大可输出的绿色光14的最大输出。

但是，如图3所示，红外光11的聚光位置越靠近波长转换元件13的中心位置，波长转换效率越高，因此较为理想的是，配合所需要的绿色光14的输出将红外光11的聚光位置调整为最佳位置。

例如，在将红外光11聚光于波长转换元件13的入射面16的情况下，能够从约10W的红外光11输出约2.3W的绿色光14(参照图9)。而如果将红外光11的聚光位置设定在距波长转换元件13的入射面16约2mm的波长转换元件13的内侧，则能够从约10W的红外光11得到约3W的绿色光14(波长转换效率为30％)，因此与将红外光11的聚光位置设定在入射面16的情况相比，能够将波长转换效率提高约30％。但是，如果使红外光11的聚光位置进一步接近波长转换元件14的中心位置，则会发生晶体破坏，因此在10W的红外光11的输入时能够效率最好地进行波长转换的红外光11的聚光位置是距波长转换元件14的入射面16约2mm内侧的位置。

例如，在将红外光11的聚光位置设定在自波长转换元件13的入射面16起5mm的内侧的位置的情况下，能够输出最大约2.5W的绿色光14，此时的波长转换效率为36％。而在图1所示的波长转换装置中，由于随着绿色光5的输出的增加波长转换元件4的内部产生温度分布，所以发生波长转换效率的降低。因此，为了使用图1所示的波长转换装置输出2W的绿色光5，在实验中需要约7W的红外光2的输入，此时的波长转换效率约为29％。根据该比较可知，通过像本实施例涉及的波长转换装置这样调整红外光11的聚光位置，能够提高波长转换效率。此外，在将红外光11的聚光位置设定在波长转换元件13的入射面16的内侧约10mm的位置的情况下，通过入射约7W的红外光11，能够得到约2.2W的绿色光。此时的波长转换效率为31％。

此外，在本实施例涉及的波长转换装置中，能够减轻波长转换时产生的波长转换元件13的发热，从而能够抑制因发热而导致的波长转换元件13的折射率的变化，因此能够防止折射率变化带来的转换效率的降低。即，本实施例涉及的波长转换装置的波长转换效率，随着红外光11的聚光位置越接近波长转换元件13的中心位置，越低于图3的转换效率，随着红外光11的聚光位置越接近波长转换元件13的入射面16，越接近图3的转换效率。因此，在将红外光11的聚光位置设定在波长转换元件13的中心位置附近的情况下，和设定在波长转换元件13的入射面16一侧的情况下，产生转换效率的反转。即，在得到高输出的绿色光14的情况下，通过采用本实施例涉及的波长转换装置，能够得到比图1所示的波长转换装置更高的转换效率。尤其是，如果将红外光11的聚光位置设定在波长转换元件13的入射面16与红外光11的聚光位置的距离为波长转换元件13的长度尺寸的40％以下的波长转换元件13的内侧位置，则与在波长转换元件13的中央位置聚光的情况相比，能够使绿色光14的最大输出增加10％以上，并且还能提高此时的转换效率。进而，如果将红外光11的聚光位置设定在波长转换元件13的入射面16与红外光11的聚光位置的距离为波长转换元件13的长度尺寸的25％以下的波长转换元件13的内侧位置则能够使绿色光14的最大输出增加约30％以上。

另外，在所述实施例中，是对波长转换元件13的长度尺寸为26mm的情况进行了说明，当然，无论长度尺寸如何，通过使红外光11的聚光位置移至波长转换元件13的入射面16一侧，都能够得到相同的效果。具体而言，在波长转换元件13的长度尺寸为5mm以上70mm以下的情况下，与所述实施例相同，通过使红外光11的聚光位置与波长转换元件13的入射面16的距离为波长转换元件13的长度尺寸的40％以下，能够实现约10％以上的输出提高。此外，通过使红外光11的聚光位置与波长转换元件13的入射面16的距离为波长转换元件13的长度尺寸的25％以下，能够实现约30％以上的输出提高。即使在波长转换元件13的长度尺寸不足5mm，或者长于70mm的情况下，通过使聚光位置和聚光直径都达到最佳，也能得到相同的效果。另外，从确保用于波长转换的红外光11的光路的观点出发，波长转换元件13的长度尺寸最好为10mm以上。

另外，可知，通过本实施例涉及的波长转换装置，也能改善在得到高输出的绿色光14时绿色光14的输出变得不稳定这一问题。图17是表示得到低输出的绿色光14时波长转换元件13的温度与绿色光14的输出的关系的图。图18是表示得到高输出的绿色光14时波长转换元件13的温度与绿色光14的输出的关系的图。

如图17所示，在进行用于得到大约数mW(图17所示的是约10mW的例子)的低输出的绿色光14的波长转换的情况下，绿色光14的输出以最佳温度T₀为中心，在高温一侧和低温一侧呈现出对称的温度特性。然而，如图18所示，在进行用于得到超过1W的高输出的绿色光14的波长转换的情况下，在红外光11的光路上波长转换元件13的发热量增加，红外光11的光路与其周围之间产生较大的温度差，因此，绿色光14的输出在相对于最佳温度T₀的高温一侧与低温一侧呈现出不对称的特性。在图17以及图18中，绿色光14的输出达到一半的低温一侧的温度T₁与最佳温度T₀的差为低温一侧的半值幅度，但可以看出，与图17所示的低输出时相比，图18所示的高输出时的半值幅度变窄。像这样，在高输出时半值幅度在低温一侧与高温一侧不同，由此绿色光14的输出变得不稳定。

如图19所示，在使红外光11的聚光位置接近波长转换元件13的入射面16的情况下，低温一侧的半值幅度随着红外光11的聚光位置接近入射面16而增大。例如，在红外光11的聚光位置与波长转换元件13的入射面16的距离达到波长转换元件13的长度尺寸的40％以下时，与将红外光11聚光在波长转换元件13的中央位置的情况相比，能够将低温一侧的半值幅度扩大20％以上。尤其是，在波长转换元件13的入射面16与红外光11的聚光位置的距离达到波长转换元件13的长度尺寸的25％以下时，低温一侧的半值幅度超过0.5℃，因此波长转换元件13的温度控制变得更为容易，从而能够实现使用廉价控制部件的控制。

另外，在所述实施例中，是对波长转换元件13的长度尺寸为26mm的情况进行了说明，当然，无论长度尺寸如何，通过使红外光11的聚光位置移至波长转换元件13的入射面16一侧，都能够得到相同的效果。具体而言，在波长转换元件13的长度尺寸为5mm以上70mm以下的情况下，与所述实施例相同，通过使红外光11的聚光位置与波长转换元件13的入射面16的距离为波长转换元件13的长度尺寸的40％以下，能够将低温一侧的半值幅度扩大20％以上。此外，通过使红外光11的聚光位置与波长转换元件13的入射面16的距离为波长转换元件13的长度尺寸的25％以下，则使低温一侧的半值幅度超过0.5℃。即使在波长转换元件13的长度尺寸不足5mm，或者长于70mm的情况下，通过使聚光位置和聚光直径都达到最佳，也能得到相同的效果。另外，从确保用于波长转换的红外光11的光路的观点出发，波长转换元件13的长度尺寸最好为10mm以上。

再次参照图18，在得到高输出的高谐波的情况下，在加热波长转换元件13的过程和冷却波长转换元件13的过程中，表示温度特性的曲线不一致。即，在图18所示的温度特性中，由于存在与波长转换元件的冷却过程或加热过程对应的滞后(hysteresis)，因此会产生难以将波长转换元件13产生的绿色光14的输出控制为恒定的问题。而经过实验可以确认，通过设定红外光11的聚光位置，以使红外光11的聚光位置与波长转换元件13的入射面16的距离为波长转换元件13的长度尺寸的15％以下，可以将所述滞后缓和为可控制的程度。

如上所述，红外光11的聚光位置越接近波长转换元件13的入射面16，得到高输出的绿色光14时的波长转换效率越高。但是，一般而言，晶体的入射面附近容易受到激光损伤，因此认为，即使在基于紫外光的绿色光的吸收的影响较少的情况下，也会在入射面发生晶体破坏。为了避免这种激光损伤，可以采用例如，图20所示的波长转换元件。图20是表示实施例1的变形例的概要图。

参照图20，波长转换元件包括：具有极化反转结构的极化反转部20，和从该极化反转部20向激光光源10一侧延伸而不具有极化反转结构的非极化反转部19。在图20所示的波长转换装置中，红外光11的聚光位置21被设定在极化反转部20的入射侧的端部附近，因此能够得到上述效果。

另外，所述非极化反转部19，只要设定其相位匹配周期以便不进行向绿色光的波长转换，也可以具有周期的极化反转结构。在此情况下，如果使所述非极化反转部19中的极化反转结构的平均周期与所述极化反转部20中的极化反转结构的平均周期相差0.01μm以上，则与没有形成极化反转周期的情况相同，在非极化反转部19中几乎不进行波长转。

此外，在包括极化反转部20和非极化反转部19的情况下，测量极化反转部20的入射侧的端部与聚光位置21的距离比较困难。对此，利用以下方法能够确定红外光11的聚光位置与极化反转部20的相对位置。首先，将红外光11的聚光位置适当地设定在波长转换元件内之后，通过使波长转换元件沿红外光11的光轴方向前后移动，确定转换效率最高的位置。由此，将红外光11的聚光位置设置在转换效率应达到最高的极化反转部20的中央位置。因此，通过使红外光11的聚光位置从该确定的位置起沿着红外光11的光轴方向向非极化反转部19一侧平行移动，能够将红外光11的聚光位置调节到如上所述的位置。

在本实施例的波长转换装置中，通过降低红外光11的M2，能够进一步提高会引起波长转换元件的晶体破坏的绿色光14的输出。具体而言，若降低红外光11的M2，则波长转换元件的后半部中的光束直径以及对红外光11的NA增大。扩大对红外光11的NA后，能够在几乎不降低转换效率的情况下大幅度地降低波长转换元件的后半部分产生的紫外光的强度。

在此，作为调整NA的方法，可以考虑变更聚光透镜12。具体而言，通过将聚光透镜12从上述的f 30的球面透镜变更为f 20的球面透镜，能够使NA为0.0125(最佳聚光条件的约1.5倍)。由此，如果例举将红外光11的聚光位置设定在距波长转换元件13的入射面16约0.92mm的内侧位置的情况，则能够使波长转换元件13的后半部中的紫外光的产生强度降低约45％，并可得到相同程度的绿色光14的输出。与之相伴，认为能得到更高输出的绿色光14。

在本实施例中例举了具有26mm的长度尺寸的波长转换元件，但波长转换元件的长度尺寸越短，因NA的扩大而带来的高输出化的效果会变得越大。例如，在使用具有13mm的长度尺寸的波长转换元件的情况下，通过利用f 10的聚光透镜，能够使NA为最佳聚光条件的约1.5倍(0.025)。由此，如果例举将红外光11的聚光位置设定在距波长转换元件13的入射面16约0.5mm的内侧位置的情况，则能够使波长转换元件13的后半部中的紫外光的产生强度降低约75％，并可得到相同程度的绿色光14的输出。

通过利用上述的结构，能够在不引起波长转换元件的晶体破坏的情况下得到4.3W的绿色光14的输出，但为了进行更高输出的波长转换，还可以采用以下手段。

即，即使在像上述那样使红外光11的聚光位置从波长转换元件13的中心位置向入射面16一侧偏离的情况下，也不能完全防止基于紫外光的绿色光14的吸收。认为其原因在于，由于因绿色光14的吸收而产生的热透镜效应(thermal lens effect)，红外光11、绿色光14被聚光在波长转换元件13的后半部分，与此相应，紫外光的光强度增加。

因此，为了缓和上述热透镜效应以得到高输出的绿色光14，更为理想的是，在入射的红外光11的纵向和横向(与传播方向垂直的两个轴方向)改变NA以形成椭圆光束。由此，在纵向和横向中，NA较大的方向上产生的波长转换元件13的温度坡度与NA较小的方向上产生的波长转换元件13的温度坡度相比更小。其结果是，能够减小基于热透镜效应的自聚焦效应(self-focusing effect)，因此能够在纵向和横向使红外光11与绿色光14会聚的位置错开。通过使用椭圆光束，能够抑制红外光11以及绿色光14在一个位置聚光，因此能够降低绿色光14、红外光11以及紫外光的峰值光强度，从而使波长转换元件13的晶体破坏难以产生。

此外，在上述实施例中，通过扩大透过波长转换元件13(极化反转部20)的红外光11的光束截面面积，能够实现绿色光14的输出的提高。一般而言，波长转换元件13在宽度方向上能够具有10mm以上的尺寸，但在厚度方向上被限制在大约数mm的尺寸。因此，透过波长转换元件13的红外光11的光束截面面积也在厚度方向上受到限制。在此，若利用椭圆光束，则作为宽度方向较大且厚度方向较小的面积的光束，能够使透过波长转换元件13的光束截面面积较大，因此能够得到高输出的绿色光14。具体而言，例如，能够使用椭圆的长轴朝向波长转换元件13的宽度方向，且椭圆的短轴朝向波长转换装置13的厚度方向的椭圆光束。并且，若将椭圆的长轴设为短轴的1.1倍的长度，则截面面积也为1.1倍，因此与它们成比例，能够得到与使用圆形光束时相同的最大光强度，从而认为绿色光14的最大输出也能增加到约1.1倍。

此外，通过让红外光11以像散差聚光，以便在纵向和横向上聚光位置不同，能够减小焦点处的红外光11的功率密度。因此，即使在波长转换元件13的后半部中由于热透镜效应而发生红外光11以及绿色光14聚光的情况下，也可以通过让聚光位置在纵向和横向上不同，抑制光强度集中在一个位置，从而缓和所述热透镜效应。因此，能够提高作为引起波长转换元件13的晶体破坏的阈值的绿色光14的输出。此外，即使在红外光11的径方向具有像散差的情况下，也能避免光强度集中在一个位置，能得到相同的效果。

此外，对于椭圆光束或者在纵横方向或径方向上具有像散差的光束，无论聚光位置如何，都能减轻光强度向一个位置的集中。因此，例如，即使聚光位置在元件中心附近，也能通过使用椭圆光束或者在纵横方向或径方向上具有像散差的光束，得到高输出的绿色光14。

此外，作为红外光11，虽然能够使用在光束截面内的中心光强度局部增高的高斯光束，但更为理想的是使用平坦光束(flat beam)、环形光束(doughnut beam)或包含高阶横模(high-order lateral mode)的光束。即，通过将这些光束作为基波入射到波长转换元件13，能够使光束截面内的发热位置分散，因此能够更有效地抑制波长转换元件13的晶体破坏，并可得到高输出的绿色光14。通过采用聚光位置的光束截面内的最大光强度达到相同输出的满足最佳聚光条件的高斯光束的0.9倍以下的红外光11，能够将绿色光14的输出提高至少10％以上。

此外，在红外光11的光束直径达到最小的聚光位置处，光强度增大，变得容易产生紫外光。因此，较为理想的是，通过扩大红外光11的聚光位置处的光束直径，减轻紫外光的产生，减轻基于紫外光的绿色光14的吸收。

图21是表示将红外光11的聚光位置设定在波长转换元件13的中心部分时光束半径与发热量的峰值的关系的图。另外，所述光束半径是红外光11在聚光位置的光束半径，发热量的峰值是在输出2W的绿色光14时的发热量的峰值。从图21可知，在聚光位置的红外光11的光束半径越大，波长转换元件的发热量变得越小。因此，在聚光位置的红外光11的光束半径越大，越能够提高绿色光14的输出。此外，扩大聚光位置处的红外光11的光束直径，能够减轻发热量，从而减轻波长转换元件内的温度分布，因此还能取得防止与温度分布相伴的波长转换效率的降低的效果。

具体而言，作为扩大聚光位置处的红外光11的光束直径的方法，可有各种方法予以考虑。例如，考虑使M2恒定，扩大聚光位置的光束直径。但是，在此情况下，由于NA降低，因此在容易产生晶体破坏的波长转换元件13的后半部的红外光11的光束直径变化不大，提高绿色光14的输出的效果甚微。而在增加M2的情况下，由于能够维持NA并可扩大红外光11的光束直径，所以能够有效地取得提高绿色光14的输出的效果。因此，作为扩大红外光11的光束直径的方法，M2的增加较为理想。

此外，如果仅扩大光束直径，波长转换元件13内整体中光强度会剧烈降低，因此转换效率的降低较为剧烈。如上所述，波长转换元件13的晶体破坏是起因于在波长转换元件内产生的光(绿色光)中由和频(紫外光)吸收的光的光强度的增加。因此，通过在基于和频的吸收较小的波长转换元件13的入射面16一侧减小红外光11的光束截面，有效确保绿色光14的转换效率，另一方面，通过扩大在基于和频的吸收增大的波长转换元件13的后半部中的红外光11的光束直径，抑制基于和频的绿色光14的吸收，从而能够实现高效率的波长转换，能够提高绿色光的输出。

此外，在所述实施例中，由于在从所述激光光源10脉冲振荡红外光11的情况下，能够提高所述波长转换元件内的电场强度，因此也能提高与电场强度成比例的波长转换效率。此外，在脉冲振荡红外光11的情况下，能够将波长转换元件13的后半部中的红外光11的输出抑制得较低，能够与红外光强度成比例地减轻紫外光的产生，能够增大作为引起晶体破坏的阈值的绿色光14的输出。

此外，在利用被脉冲振荡的红外光11进行波长转换的情况下，由于即使红外光11的平均输出较低，也能提高峰值光强度，所以不仅向绿色光14的转换效率增高，向紫外光的转换效率也增高。因此，在采用了减轻基于紫外光的绿色光14的吸收的方法的所述实施例中，与使红外光11作为连续光振荡的情况相比，能够更有效地抑制绿色光14的吸收造成的波长转换效率的降低，从而能够进一步增大绿色光14的输出。

在所述实施例中，举例说明了将红外光作为基波得到作为绿色光的第二谐波的结构。在此，可知，在将具有700nm以上1200nm以下的波长的基波入射到波长转换元件产生第二谐波的情况下，作为基波与第二谐波的和频而产生的第三谐波也会引起该第二谐波的吸收。在进行这样的波长转换的情况下，如果利用所述实施例涉及的波长转换装置，也能抑制波长转换元件的晶体破坏并可得到高输出的第二谐波。

此外，还可知，在将具有450nm以上800nm以下的波长的基波入射到波长转换元件，产生其第二谐波的情况下，第二谐波也会吸收基波。图9所示的波长转换装置，与图1所示的波长转换装置相比，能够使波长转换元件13的后半部中的第二谐波的峰值光强度为一半以下(参照图6、图12)，因此在进行上述那样的波长转换的情况下，也能抑制波长转换元件的晶体破坏并得到高输出的第二谐波。在将具有1200nm以上1600nm以下的波长的基波入射到波长转换元件，产生其第二谐波的情况下，虽然从第二谐波被波长转换的第四谐波会引起第二谐波的吸收，但同样也能有效地利用图9所示的波长转换装置。

此外，还可知，在将具有1200nm以上2000nm以下的波长的基波入射到波长转换元件，产生第四谐波的情况下，作为基波与第四谐波的和频而产生的第五谐波会引起该第四谐波的吸收。此外，还可知，在将具有1200nm以上2000nm以下的波长的基波入射到波长转换元件，产生第二谐波和第三谐波这两者的情况下，作为第二谐波与第三谐波的和频而产生的第五谐波会引起第三谐波的吸收。因此，在这些情况下，也能有效地利用图9所示的波长转换元件。

此外，采用铌酸锂或钽酸锂等非线性光学晶体的波长转换元件，具有根据晶体的组成比、掺杂物的种类、掺杂物的掺杂量或者入射的基波的波长不同，波长转换元件内发生的现象不同的特性。具体而言，在波长转换元件内，有时会产生高谐波的吸收或2光子吸收(two-photon absorption)等，即使在这种情况下也能有效地利用图9所示的波长转换元件。

即，从图6以及图12可知，在图9所示的波长转换装置中，与图1所示的结构相比，能够减轻第二谐波的光强度。根据波长转换元件13所使用的材料的组成或波长转换的光的波长，存在各种各样的光的吸收，但根据图9所示的波长转换装置，在通过降低作为入射基波的第二谐波的光的光强度来减少光吸收量的所有情况下，都能够既减轻波长转换元件13的发热又得到高输出的绿色光14。在此，作为通过降低第二谐波的光强度使光吸收量减少的光吸收，可以举出例如第二谐波的2光子吸收。即，在使用对作为第二谐波的光发生2光子吸收的波长转换材料的情况下，利用图9所示的波长转换装置能够实现高输出化。

此外，从图6、图12可知，在图9所示的波长转换装置中，还能减轻第三谐波的光强度。根据波长转换元件13所使用的材料的组成或波长转换的光的波长，存在各种各样的光的吸收，但根据图9所示的波长转换装置，在通过降低作为基波和第二谐波的和频而产生的第三谐波的光的光强度来减少光吸收量的所有情况下，都能减轻波长转换元件13的发热，并得到高输出的绿色光14。在此，作为通过降低第三谐波的光强度使光吸收量减少的光吸收，例如在使用发生第三谐波的2光子吸收的波长转换材料的情况下，利用图9所示的波长转换装置能够实现高输出化。

图22表示波长转换元件的平均温度与光束通道部分的温度差和波长转换元件的位置之间的关系。例如，在第二谐波的2光子吸收对波长转换元件的晶体破坏做出较大贡献的情况下，平均温度与光束通道部分的温度差如图22那样分布。在图22中，红外光11在波长转换元件13的中心以最佳光束直径聚光时的温度差用符号22表示。此外，使红外光11的聚光位置与波长转换元件13的入射面16的距离为波长转换元件13的长度尺寸的35％以下时的温度差用符号23表示。此外，使红外光11的聚光位置与波长转换元件13的入射面16的距离为波长转换元件13的长度尺寸的20％以下时的温度差用符号24表示。

参照图22，由于温度差23与温度差22相比降低约20％，因此图9的波长转换装置与图1的波长转换装置相比能够将绿色光14的输出提高约10％以上。此外，温度差24与温度差22相比降低约60％，因此图9的波长转换装置与图1的波长转换装置相比能够将绿色光14的输出提高约30％以上。

作为所述实施例涉及的波长转换元件，能够使用体型波长转换元件或板波导路型波长转换元件(slab waveguide type wavelength conversion element)。在所述实施例中，示意了体型波长转换元件，而以下对使用板波导路型波长转换元件的情况进行说明。

在板波导路型波长转换元件中形成波导路，该波导路具有在与红外光的光轴垂直的一个方向(以下称作较长方向)上较长、在与该较长方向垂直的另一方向(以下称作较短方向)上较短的截面。在使用该板波导路型波长转换元件的情况下，在所述较短方向，红外光聚光在波长转换元件的入射面上。另一方面，在所述较长方向，以前，是让红外光作为大致平行光入射到板波导路型波长转换元件的入射面上而很少聚光。在所述实施例中，如上所述，让红外光11在比波长转换元件的中央位置更靠近入射面一侧聚光，因此与以前相比能够实现高输出的波长转换。尤其是，在板波导路型波长转换元件中，与体型波长转换元件相比，光强度容易增高，因此，在所述较长方向，通过将红外光的聚光位置设在靠近波长转换元件的入射面的位置来入射红外光，能够实现超过数W的波长转换。此外，在使用板波导路型波长转换元件的情况下，发热部位在所述较长方向上扩展，因此也适于散热。

此外，以前，在使用板型波长转换元件时，通过扩大在所述较长方向的光束直径，使波长转换元件内的光强度降低以减轻局部发热，从而实现绿色光的输出的提高。但是，与体型波长转换元件相同，在仅扩大光束直径的情况下，波长转换元件内整体中光强度会剧烈降低，因此转换效率的降低较为剧烈。另一方面，如所述实施例那样，波长转换元件的晶体破坏是起因于在波长转换元件内产生的光(绿色光)中由和频(紫外光)吸收的光的光强度的增加。因此，通过在基于和频的吸收较小的波长转换元件的入射面一侧减小红外光的光束截面，有效地确保绿色光的转换效率，另一方面，通过扩大在基于和频的吸收增大的波长转换元件的后半部中的红外光的光束直径，能够抑制基于和频的绿色光的吸收，从而能够实现高效率的波长转换，能够提高绿色光的输出。

(实施例2)

图23是表示本发明的实施例2涉及的波长转换装置的概要图。实施例2涉及的波长转换元件(应为装置)使用多个波长转换元件。由此，未被波长转换而从第一个波长转换元件射出的基波能够通过第二个波长转换元件再次被进行波长转换。因此，与仅使用一个波长转换元件的波长转换装置相比，能够提高波长转换的效率。

具体而言，图23表示使用两个波长转换元件的波长转换装置。该波长转换元件(应为装置)包括：激光光源25，用于让来自该激光光源25的红外光26聚光的聚光透镜27，用于将通过聚光透镜27而被聚光的红外光26转换为绿色光31的波长转换元件28，用于使从波长转换元件28射出的光成为平行光的准直透镜29，反射绿色光31并让红外光26透过的分离镜30，让来自分离镜30的红外光26聚光的聚光透镜32，以及用于将通过聚光透镜32而被聚光的红外光26转换为绿色光的波长转换元件33。另外，激光光源25、聚光透镜27的结构与实施例1(图9)所示的激光光源10、聚光透镜12的结构相同。

从激光光源25射出的红外光26通过聚光透镜27而被聚光，并入射到波长转换元件28。从波长转换元件28射出的绿色光以及红外光通过准直透镜29被转换为平行光。并且，绿色光被分离镜30反射，而红外光透过分离镜。透过分离镜30的红外光通过聚光透镜32被聚光后入射到波长转换元件33，再次被波长转换。

具体而言，激光光源10射出10W的红外光26。

波长转换元件27与实施例1相同，采用铌酸锂，长度为26mm。而且，红外光26的聚光位置被设定在距波长转换元件27的入射面约2mm的内侧。其结果是，从波长转换元件27射出约3W的绿色光和约7W的红外光。

通过分离镜30将绿色光分离后，剩余的约7W的红外光入射到第二个波长转换元件33。波长转换元件33与波长转换元件27相同，采用铌酸锂，长度为26mm。而且，红外光的聚光位置是距波长转换元件33的长度方向的中央位置约4mm的入射面一侧的位置，且是距波长转换元件33的入射面约9mm的位置。其结果，从波长转换元件33射出约2.5W的绿色光。从两个波长转换装置27、33射出的绿色光的输出合计为5.5W。

本实施例的特征在于，具有两个波长转换元件27、33，并且入射到第一个波长转换元件27以及第二个波长转换元件33的红外光的输出各自不同，对应如此不同的红外光的输出，为每个波长转换元件27、33设定不同的红外光的聚光位置。其结果，能够提高作为波长转换装置整体的波长转换的效率。

当然，即使在使用三个以上的波长转换元件的情况下，同样也能通过为每个波长转换元件改变入射的红外光的聚光位置，实现作为波长转换装置整体的波长转换的效率化。

而且，不用说，即使在一个波长转换元件内设置多条光路的波长转换装置中，也能通过为每条光路改变聚光状态，得到与本实施例相同的效果。

(实施例3)

图24是表示本发明的实施例3涉及的波长转换装置的概要图。在本实施例的波长转换装置中，具有让从激光光源34射出的红外光35不通过透镜而入射到波长转换元件36，转换为绿色光37的结构。在本实施例涉及的波长转换装置中，由于红外光35作为放射光从激光光源34射出，因此在波长转换元件36的入射面，红外光35达到最聚光的状态，从而能够取得与上述实施例相同的效果。

而且，在本实施例中，通过省略用于让红外光35聚光的部件，能够减少部件数目，因此能够以更低的成本构成小型装置。此外，在本实施例中，能够缩短红外光的光学距离，因此能够实现波长转换装置的小型化。进而，通过将激光光源34和波长转换元件36直接接合，与激光光源34和波长转换元件36通过其他结构连接的情况相比，会大幅度提高绿色光的输出的稳定性。

另外，更为理想的是，在激光光源34和波长转换元件36之间可以设置GRIN透镜。这样，由于能够让红外光36聚光在GRIN透镜的端面，所以通过使波长转换元件36的端面和GRIN透镜的端面紧贴，能够将红外光36的聚光位置正确地定位在波长转换元件36的端面，从而能够稳定地得到绿色光。

作为激光光源34，能够使用红外光35的振荡效率高的YAG激光器等固体激光器或者使用了掺杂Yb、Nd等稀土类的光纤的光纤激光器。

(实施例4)

图25是表示本发明的实施例4涉及的波长转换装置的概要图。本实施例的波长转换装置包括：激光光源10，用于让来自激光光源10的红外光11聚光的聚光透镜12，用于将通过聚光透镜12而被聚光的红外光11转换为绿色光的波长转换元件40，以及配置在该波长转换元件40两侧的一对凹面镜38、39。

在本实施例涉及的波长转换装置中，从激光光源10射出的红外光11入射到聚光透镜13，并入射到在采用凹面镜38、39的反射镜之间设置的波长转换元件40。

凹面镜38被施以用于反射红外光和绿色光的涂层的处理。而凹面镜172被施以用于反射红外光并让绿色光透过的涂层的处理。

从所述激光光源10射出的红外光11中的一部分在波长转换元件40中被转换为绿色光，未被转换而剩余下来的红外光在凹面镜38、39之间多次往返。即，在各凹面镜38、39之间，设定多个通过波长转换元件40的红外光11的光路。

具体而言，红外光11的聚光位置41被设定为比波长转换元件40的中央位置更靠近入射端。因此，在从激光光源10到凹面镜39的第一光路中，即使在得到1W以上的高输出的绿色光的情况下，也能抑制波长转换元件40的晶体破坏的发生。由此，能够防止凹面镜39之后的光路中的波长转换效率降低。作为一种用于将红外光11的聚光位置41设定在波长转换元件40的入射面附近的方法，将约1W的红外光入射到波长转换元件40，使红外光11的聚光位置以及波长转换元件40的温度达到最佳，以使第一光路的绿色光的输出达到最大。随后，通过将波长转换元件40向出射端一侧移动，能够容易地将红外光11的聚光位置设定在波长转换元件40的入射侧。

接着，研究由凹面镜39反射的红外光从凹面镜38再次射向凹面镜39的第二光路。在来自激光光源10的红外光11的输出较高，所述第二光路中产生的绿色光超过1W的情况下，最好将第二光路的聚光位置43设定在波长转换元件40的靠入射面的位置。由此，在与第二光路对应的位置，也能抑制波长转换元件40的晶体破坏，其结果是能够得到高输出的绿色光。

进一步，研究来自第二光路由凹面镜39反射的红外光由凹面镜38反射后射向凹面镜39的第三光路。关于第三光路，与第一光路以及第二光路相同，在第三光路中产生的绿色光超过1W的情况下，也最好将聚光位置42设定在波长转换元件40的靠入射面的位置。其结果是，能够得到高输出的绿色光。

但是，在第一光路中产生超过1W的绿色光，在第二、第三光路中没有产生超过1W的绿色光的情况下，可以将聚光位置41设定在波长转换元件入射面附近，而将聚光位置42、43设定在波长转换元件40的中央附近。由此，能够有效地阻止波长转换元件40的晶体破坏，并提高波长转换效率。

此外，为了防止第二光路以后的转换效率的降低，更为理想的是将第一光路中生成的绿色光输出控制在1W以下。例如，通过将图25中用符号44表示的波长转换元件40的一部分作为没有形成极化反转部的部分，能够使第一光路中的波长转换效率降低。由此，能够减少第一光路中绿色光的输出。

在本实施例中，由于能够将第一光路中未被波长转换而剩余的红外光在第二以及第三光路中多次进行波长转换，因此即使降低第一光路中的转换效率，最终的转换效率的降低也比较少。并且，在本实施例中，由于能够在波长转换元件40中所设定的多条光路中分别进行波长转换，因此与在波长转换元件40中设定的光路为一条的情况相比，能够实现很高效率的波长转换。

本发明能够实现高效率并且高输出的波长转换。此外，通过在光束直径方向上减轻波长转换元件的温度上升，能够防止基波或通过波长转换而生成的光的光束劣化。

此外，在本发明中，减轻在基波的传播方向上发生的温度分布，能够实现输出变动较少的、稳定的波长转换。

另外，在以高效率为目标的图1所示的结构中，波长转换元件4内的红外光2以及绿色光5的光束通道一致。因此，如图26所示，红外光2的光强度18、20以及绿色光5的光强度19分别在光束中心达到最大。因此，产生量与红外光2、绿色光5的光强度成比例增加的紫外光在光束中心尤其增大。这样，由于紫外光的产生量与绿色光的光强度增加一起增加，因此所述基于紫外光的绿色光5的吸收的发生程度增大，而引起晶体破坏。此外，如图27所示，通过实验得以确认，随着紫外光的光强度增加，绿色光5的吸收率增加。因此，认为通过减轻入射到波长转换元件4的红外光2与在波长转换元件4内产生的绿色光5的重合，所述晶体破坏得以抑制。另外，在图2中，符号18是入射到波长转换元件4之前的红外光的光强度，符号19是在波长转换元件4内生成的绿色光5的光强度，符号20是通过波长转换元件4之后的红外光2的光强度。

(实施例5)

图28是表示本发明的实施例5涉及的波长转换装置的概要图。实施例5涉及的波长转换装置包括：激光光源48，用于将来自激光光源48的红外光49转换为环型(doughnut-shaped)光束的圆锥透镜51，用于使来自圆锥透镜51的红外光49成为平行光的圆锥透镜52，让来自圆锥透镜52的红外光49聚光的凸透镜53，用于将通过凸透镜53而被聚光的红外光49转换为绿色光56的波长转换元件50，以及用于将从波长转换元件50射出的光转换为平行光的凸透镜54。

从激光光源48射出的红外光49通过入射到相对而置的两个圆锥透镜51、52，被转换为光强度高的部分从光束中心移至光束周边的环型(圆环型)光束。即，红外光49被转换为光束截面的光强度分布偏集于周边部的光束。该环型光束通过凸透镜53聚光并入射到波长转换元件50。从波长转换元件50射出的红外光49以及绿色光15通过凸透镜54被转换为平行光。

图29是用于说明基于圆锥透镜51、52的红外光的光强度分布的转换的概要图。圆锥透镜51、52其各自的圆锥面的倾斜角被设定为θ，折射率被设定为n，两个透镜51、52之间的距离为d。圆锥透镜51的出射角(内角)θ1为圆锥面的倾斜角θ，因此圆锥透镜51的出射角(外角)θ2为sin^-1(n×sinθ)，到达圆锥透镜22的红外光49的光束直径R’为d×tan(sin^-1(n×sinθ)-θ)。由此，通过改变透镜间距离d，能够得到任意的R’。此外，通过调节R’，还能任意调整环形部分的内径与外径的比。例如，在设定d以使R’为1.5R时，入射到球面透镜的基波的光强度分布如图30所示那样。像这样呈环形状的光强度分布的红外光激光(环形光束)55通过凸透镜53而被聚光，并入射到所述波长转换元件50。

接着，用图31说明波长转换元件50内的红外光与绿色光的关系。在本实施例中，让环形光束55聚光在波长转换元件50的前部的区域57。可知环形光束55在聚光位置处，在光束中心具有高的峰值强度。并且，在波长转换元件50内，在所述环形光束55的具有高峰值强度的光束中心，生成在光束中心具有峰值强度的绿色光56。波长比红外光短的绿色光，其扩散角比红外光小，在波长转换元件50的后半部分的区域28中在红外光的内侧传播。因此，在本实施例中，能够减轻绿色光与红外光的重合，防止基于紫外光的绿色光的吸收。在区域28生成的绿色光具有与红外光接近的扩散角，但与高斯光束相比，相同输出的峰值光强度较低。具体而言，例如，在R’＝1.5R的情况下，与相同输出的高斯光束相比，峰值光强度为0.18倍，因此认为即使在约10W的绿色输出时，也能在不引起晶体破坏的情况下进行波长转换。

即，在波长转换元件50的前部27的区域，由于峰值光强度较高，因此与元件后部28相比波长转换效率较高，但在光强度集中的光束中心部分的晶体破坏在低输出波长转换时也容易产生。另一方面，在波长转换元件50的后部28的区域，即使在高输出时也不易引起晶体破坏，但因为光强度较低，所以波长转换效率较低。因此，较为理想的是，根据需要的绿色光输出，使元件前部27与元件后部28的比例达到最佳。

在本实施例中，使用了利用具有圆锥部的两片透镜的方法，但这是将高斯光束转换为环形光束的一种方法，不用说，也能够使用其他的环形光束生成方法。但是，基于相对而置的两个圆锥部的环形光束生成方法，通过调整圆锥部的距离能够任意调节图31中的用L所示的部分的长度。即，能够使元件前部27与元件后部28的比例达到最佳。因此，通过调整圆锥透镜的距离，能够对任意的绿色输出实现转换效率的最佳化。

此外，在使用具有极化反转周期结构的波长转换元件进行准相位匹配的情况下，在元件后部28，由于在红外光的光强度较高的部分波面(wave front)相对于极化反转周期倾斜，因此相位匹配周期变短。由此，最好在元件前部27和元件后部28独立地调节元件温度。具体而言，可以在元件前部27和元件后部28分别设置加热器，使用这些加热器进行温度调整。此外，如图31所示，根据所述相位匹配周期的差异，也能将元件后部27的极化反转周期设定得比元件前部27短。

此外，最好从激光光源11脉冲振荡红外光49。如果这样，则能够提高波长转换元件50内的电场强度。在此，使用非线性光学晶体的波长转换效率与基波的电场强度成比例，因此通过让红外光49脉冲振荡，不仅能提高基于所述波长转换元件50的波长转换的最大输出，而且能提高波长转换的效率。

此外，在使用通过施加电场形成了极化反转结构的波长转换元件的情况下，由于极化反转结构的形成范围受到限制，因此，为了得到均匀的波长转换效率必须照射红外光49的区域的宽度仅为大约200μm。由此，在使用光束直径超过200μm的环形光束的情况下，波长转换时的效率会降低。为了避免这种情况，在让光束直径超过200μm的环形光束入射的情况下，最好使用圆柱透镜将光束转换为椭圆形状。

此外，作为本实施例中的波长转换元件50，通过使用掺杂了氧化镁(magnesium oxide)的铌酸锂或者钽酸锂，能够以高效率进行波长转换。

接着，说明使用本实施例涉及的波长转换装置的实验结果。波长转换元件50采用掺杂了氧化镁的铌酸锂，具有26mm的元件长度，并且形成了周期为7μm的极化反转结构。激光光源10射出1064nm的红外光，对波长转换元件50的温度进行了调节使得绿色光56的输出达到最大。图32是表示从波长转换元件50射出的红外光的光强度分布的图。图33是表示在波长转换元件50内生成的绿色光56的光强度分布的图。可以确认，如图32以及图33所示，通过将在光束周边部具有高的光强度的环形光束55射入波长转换元件50，能够得到光束中心的光强度高的绿色光56。如上所述，认为在所述实施例涉及的波长转换装置中，在得到高输出的绿色光时，通过减少红外光与绿色光的重合，能够减轻基于紫外光的绿色光的吸收，因此能够在不引起晶体破坏的情况下得到高输出的绿色光。

另外，在图1所示的波长转换装置中存在如下问题，即在波长转换元件4的长度为26mm的情况下，通过使波长转换元件4的温度变化±0.3度，波长转换效率则降低至8成以下。但在本实施例涉及的波长转换装置中，可知，能够避免所述晶体破坏并且还能提高波长转换效率的温度稳定性。

图34是表示波长转换效率与元件温度的关系的图。图1所示的波长转换装置中的波长转换效率与元件温度的关系用线29表示。另一方面，本实施例涉及的波长转换装置中的波长转换效率与元件温度的关系用线30表示。可以看出，波长转换效率超过最佳温度时的8成的温度幅度在线29中约为0.6℃，而在线30中扩大为约2℃。

(实施例6)

图35是表示本实施例涉及的波长转换装置的概要图。本实施例涉及的波长转换元件在波长转换元件65的两端面上形成圆锥部，取代上述实施例5所示的圆锥透镜51、52。

具体而言，波长转换元件包括激光光源61，和用于将来自激光光源61的红外光62转换为绿色光64的波长转换元件65。

激光光源61以高斯光束射出平行光的红外光12。

波长转换元件65在入射面和出射面具有圆锥部。入射侧的圆锥部具有将来自激光光源61的红外光62转换为环型的光束，并让该光束聚光的结构。另一方面，出射侧的圆锥部具有将从波长转换元件65射出的环型的红外光62转换为平行光的结构。因此，通过让红外光入射以使入射面的圆锥部的顶点位于光束中心，并在出射面设置与入射面相同的圆锥部，波长转换元件内的红外光的光强度的分布则与实施例5相同，能够得到相同的效果。

本实施例与实施例5相比，由于可以减少所使用的透镜，因此具有能够进一步减少成本的优点。

(实施例7)

图36是表示本实施例涉及的波长转换元件的概要图。本实施例涉及的波长转换装置包括：可分别射出具有共同波长的激光的一对激光光源66、66，和用于将来自这些激光光源66、66的红外光67转换为绿色光69的波长转换元件68。

本实施例涉及的波长转换装置使来自各红外光光源66的红外光67在波长转换元件68内交叉。在各红外光67、67的交叉部分生成的绿色光69在两个红外光67、67之间传播。因此，能够减轻在元件后半部的红外光67、67和绿色光69的重合，因此能够抑制在波长转换元件68内生成作为红外光67、67与绿色光69的和频的紫外光。因此，与实施例5、6相同，能够在不引起晶体破坏的情况下增大可生成的绿色光的输出。

在本实施例涉及的波长转换装置中，通过聚光以使在两个红外光67、67的重合位置的后方出现各自的束腰，在得到数W左右的绿色光的情况下，实现高的转换效率。

而且，与本实施例相同，对于使用三个以上的激光光源的情况，能够得到相同的效果。

此外，也可以使用棱镜等让从一个激光光源射出的红外光分歧成射向多条光路的红外光激光，并使这些光路在波长转换元件内交叉。通过这样做，能够得到相同的效果。

(实施例8)

图37是表示使用实施例1至实施例7所示的波长转换装置的实施例8涉及的图像显示装置的示意性结构的一个例子的图。作为光源使用红色(R)、绿色(G)以及蓝色(B)三种颜色的激光光源71a、71b、71c。红色激光光源(R光源)71a使用射出波长为640nm的光束的采用铝镓铟磷/砷化钾系列材料(AlGaInP/GaAs material)制作的半导体激光装置。蓝色激光光源(B光源)71c使用射出波长为450nm的光束的采用氮化镓系列材料(GaNmaterial)制作的半导体激光装置。此外，绿色激光光源(G光源)71b使用包括使红外激光的波长变为1/2的波长转换元件的射出波长为530nm的光束的波长转换装置。

如图37所示，本实施例8的图像显示装置70包括：多个激光光源71a、71b、71c和让从激光光源71a、71b、71c射出的光束扫描的反射型二维射束扫描部72a、72b、72c。激光光源71a、71b、71c至少分别射出红色光(R光)、绿色光(G光)以及蓝色光(B光)。在这些激光光源71a、71b、71c中，至少射出绿色光的激光光源71b使用上述说明的实施例1至实施例7所示的波长转换装置而构成。

接着，对本实施例8的图像显示装置70的使用激光光源形成图像的光学系统的结构进行说明。从图像显示装置70的R、G以及B的各激光光源71a、71b、71c射出的激光光束通过聚光透镜79a、79b、79c而被聚光后，通过反射型二维射束扫描部72a、72b、72c扫描到扩散板73a、73b、73c上。

由扩散板73a、73b、73c扩散的激光光束通过场透镜74a、74b、74c而被会聚，并射入空间调制元件75a、75b、75c。图像数据被分割为R、G以及B的各自的数据，各数据被输入空间调制元件75a、75b、75c。由空间调制元件75a、75b、75c调制的激光光束通过分色棱镜(dichroic prism)76而被合波，彩色图像得以形成。像这样合波的彩色图像通过投影透镜77被投影到屏幕78。但在从G光源71b向空间调制元件75b入射的光路中，插入用于使在空间调制元件75b的G光的光点大小与R光及B光相同的凹透镜79。

这样，在本实施例8的图像显示装置70中，通过使用本发明的实施例1至实施例7所示的波长转换装置作为激光光源部，与使用通常的半导体激光装置的情况相比，即使在得到高输出的绿色光的情况下，也能抑制波长转换元件的晶体破坏。

(实施例9)

图38是表示应用包含实施例1至实施例7所示的半导体激光装置的背光照明装置的实施例9涉及的图像显示装置的示意性结构的一个例子的图。图38表示的是作为这种图像显示装置的一个例子的液晶显示装置80的示意性的结构图。

如图38所示，液晶显示装置80包括液晶显示面板86和从背面一侧照明液晶显示面板86的背光照明装置81。并且，背光照明装置81包含多个激光光源82，多个激光光源82包括至少分别射出红色、绿色以及蓝色的光源。即，多个激光光源82由射出红色激光的红色激光光源(R光源)82a、射出绿色激光的绿色激光光源(G光源)82b以及射出蓝色激光的蓝色激光光源(B光源)82c构成。多个激光光源82中，至少G光源82b使用上述说明的实施例1至实施例7所示的波长转换装置。

在此，R光源82a使用射出波长为640nm的红色光的采用AlGaInP/GaAs材料的半导体激光装置，B光源82c使用射出波长为450nm的蓝色光的采用GaN材料的半导体激光装置。此外，G光源82b使用包括使红外激光的波长变为1/2的波长转换元件的射出波长为530nm的光束的波长转换装置。

下面对本实施例9的液晶显示装置80的结构进行进一步说明。液晶显示面板86包括利用从背光照明装置81射出的R光、G光以及B光的各激光进行图像显示的偏振板87和液晶板88。图38所示的本实施例9的背光照明装置81包括多个激光光源82、将来自多个激光光源82的R光、G光以及B光的激光汇聚并通过导光部84引导到导光板85的光纤83，以及从被由导光部84引导的R光、G光以及B光均匀填满的主面(未图示)射出激光的导光板85。

这样，在本实施例9的液晶显示装置80中，通过使用本发明的实施例1至实施例9所示的波长转换装置作为背光照明装置81的激光光源部，与使用通常的半导体激光装置的情况相比，即使在得到高输出的绿色光的情况下，也能抑制波长转换元件的晶体破坏。

另外，上述的具体实施例中主要包含具有以下结构的发明。

本发明所提供的激光波长转换装置包括射出激光的激光光源，和用于对来自所述激光光源的激光进行波长转换的波长转换元件，所述波长转换元件具有对所述激光的转换效率达到最大的最佳聚光条件，所述激光以较所述最佳聚光条件其转换效率降低的降低聚光条件入射到所述波长转换元件。

根据本发明，在让作为基波的激光入射到波长转换元件以得到谐波时，由于激光的降低聚光条件被设为比最佳聚光条件的转换效率低，因此能够抑制基波与谐波的和频的产生，由此能够抑制发生波长转换元件的破坏。

即，在波长转换元件内产生基波与高谐波的和频的情况下，高谐波被该和频吸收，在该吸收位置处波长转换元件发热并破坏的现象得以确认。并且，在本发明中，通过使激光的聚光条件偏离最佳聚光条件，能够降低波长转换元件的转换效率，因此能够降低所述和频的产生效率，抑制波长转换元件的发热。

此外，作为波长转换元件的破坏的主要原因，认为是来自高谐波的2光子吸收导致的波长转换元件的发热，而在本发明中，由于将激光的聚光条件设定为与最佳聚光条件不同的条件，因此能够降减高谐波的光强度，抑制波长转换元件的发热。

因此，根据本发明，能够抑制波长转换元件的晶体破坏，并得到高输出的高谐波。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是还包括用于聚光所述激光的聚光部件，所述聚光部件让所述激光在与所述激光的光轴方向平行的所述波长转换元件的长度方向上聚光在与所述转换效率达到最大的最佳位置不同的位置。

根据该结构，通过在激光的光轴方向上调整该激光的聚光位置，能够使得最佳聚光条件不被满足。

具体而言，较为理想的是，在所述波长转换元件的至少一部分，形成与所述激光相位匹配地加以形成的极化反转结构，所述聚光部件让所述激光聚光在较所述极化反转结构的所述长度方向的中央位置更靠近所述激光光源之处。

根据该结构，在波长转换元件内的激光的光路中，与聚光位置之前的光路相比，能够使聚光位置之后的光路更长，因此能够减少在波长转换元件内产生的和频所吸收的高谐波，其结果是，能够更有效地抑制波长转换元件的发热。

即，在所述聚光位置稍后的范围内，所述和频的光强度达到最大，另一方面，激光的每单位面积的光强度随着远离所述聚光位置而减小。并且，在所述结构中，由于将聚光位置设定在极化反转结构的中央位置之前的位置，因此与将激光的聚光位置设定在所述极化反转结构的中央位置的情况相比，能够大幅度减小聚光位置之后的范围中的激光光强度，其结果是能够更可靠地抑制和频与高谐波的重合，从而能够大幅度降低基于和频的高谐波的吸收。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是，所述聚光部件让所述激光聚光在：距所述极化反转结构的入射侧的端部的距离为所述极化反转结构的所述长度方向的尺寸的40％以下的、所述极化反转结构的内侧位置。

根据该结构，与将激光的聚光位置设定在极化反转结构的中央位置的情况相比，能够将高谐波的输出提高10％以上。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是，所述聚光部件让所述激光聚光在：距所述极化反转结构的入射侧的端部的距离为所述极化反转结构的所述长度方向的尺寸的25％以下的、所述极化反转结构的内侧位置。

根据该结构，与将激光的聚光位置设定在极化反转结构的中央位置的情况相比，能够将高谐波的输出提高30％以上。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是，所述聚光部件让所述激光聚光在所述极化反转结构的入射侧的端面附近。

根据该结构，在极化反转结构的端面附近，激光的每单位面积的光强度达到最大，而在极化反转结构内，随着接近出射侧，光强度越来越小，因此能够更为可靠地抑制和频与高谐波的重合。

较为理想的是，在所述激光波长转换装置中，所述聚光部件让所述激光聚光在较所述极化反转结构的入射侧的端面更靠近所述激光光源之处。

在该结构中，极化反转结构内的激光的每单位面积的光强度也随着接近出射侧而越来越小，因此能够更为可靠地抑制和频与高谐波的重合。

例如，在波长转换元件中形成从所述极化反转结构的入射侧的端面向激光光源侧延伸的突出部分，如果在所述突出部分中没有形成极化反转结构，则能够在突出部分内设定激光的聚光位置。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是，聚光部件具有用于满足所述最佳聚光条件的NA的1.5倍以上的NA。

根据该结构，能够大幅度降低在激光的聚光位置之后的范围中产生的和频的光强度。具体而言，在将红外光作为基波以得到绿色光的情况下，如果采用最佳聚光条件的NA的1.5倍的NA，能够将作为和频产生的紫外光的光强度降低约45％。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是，所述聚光部件将所述激光聚光在实质上为椭圆形的范围内，所述实质上为椭圆形的长轴的长度被设定为短轴的长度的1.1倍以上。

根据该结构，即使在宽度尺寸比较大，厚度尺寸限制得比较小的波长转换元件中，也能通过使所述椭圆形的长轴沿着宽度尺寸，并使短轴沿着厚度方向，能够有效地利用受限的波长偏振元件内的空间，实现高谐波的高输出化。具体而言，通过使长轴的长度为短轴的长度的1.1倍，与具有短轴长度的半径的圆相比，能够使截面面积为约1.1倍，因此能够使高谐波的输出也增加约1.1倍。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是，所述聚光部件让所述激光以像散差聚光。

根据该结构，能够抑制激光的强度被集中在一处，因此能够减小在波长转换元件内产生的和频以及高谐波的光强度，由此能抑制波长转换元件的破坏。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是，所述激光光源射出光束截面内的最大光强度被设定为相同输出的达到最佳聚光条件的高斯光束的光强度的0.9倍以下的激光。

根据该结构，通过降低激光的光束截面中的最大光强度，能够减小在波长转换元件内产生的和频以及高谐波的光强度，由此能抑制波长转换元件的破坏，并实现高谐波的高输出化。

具体而言，在所述结构中，由于被设定为高斯光束的0.9倍的光强度，因此与将高斯光束入射到波长转换元件的情况相比，能够将作为使波长转换元件破坏的阈值的高谐波的光强度提高约10％。

虽然目的不在于限定波长转换元件的结构，但作为所述波长转换元件，能够采用体型波长转换元件。

较为理想的是，在所述激光波长转换装置中，所述激光的M2大于1.2。

根据该结构，M2并不设定为满足最佳聚光条件的1.0，而是设定为1.2，因此能够维持NA并增大在聚光位置的激光的光束直径。并且，所述基于和频的高谐波的吸收量随着激光的在聚光位置的光束直径增大而减少，因此通过采用所述结构，能够更有效地抑制波长转换元件的破坏。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是，具有多个所述波长转换元件，在所述各波长转换元件的至少其中之一，所述激光的聚光条件被设定为所述降低聚光条件。

根据该结构，能够抑制至少一个波长转换元件的破坏，并利用多个波长转换元件得到高输出的高谐波。例如，在所述结构中，能够使用两个波长转换元件以高效率生成超过5W的绿色光。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是，所述波长转换元件中设定有多条所述激光的光路，在所述各光路的至少之一中，所述激光的聚光条件被设定为所述降低聚光条件。

根据该结构，能够在设定于共同的波长转换元件中的多条光路中的至少一条光路中抑制波长转换元件的发热，并利用多条光路得到高输出的高谐波。例如，在所述结构中，能够使用两个光路以高效率生成超过5W的绿色光。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是，还包括配置在所述波长转换元件两侧的两个反射镜，所述多条光路被设定在各反射镜之间，所述反射镜中的至少之一聚光并反射所述激光。

根据该结构，通过使激光在两片反射镜之间被反复反射，能够进行多次基于波长转换元件的波长转换。并且，各反射镜的至少其中之一使激光聚光，因此通过将基于该反射镜的聚光条件设定为与所述最佳聚光条件不同的条件，能抑制波长转换元件的破坏。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是，激光光源将所述激光作为放射光入射到所述波长转换元件。

根据该结构，在使激光作为基波入射到波长转换元件以得到高谐波时，不用经过用于聚光的部件，将激光直接入射到波长转换元件，因此能够抑制基波与高谐波的和频的产生，由此能够抑制发生波长转换元件的破坏。

即，在波长转换元件内产生基波与高谐波的和频的情况下，由于该和频而使高谐波被吸收，在该吸收处波长转换元件发热并破坏的现象得以确认。并且，在本发明中，激光作为发散光入射到波长转换元件，因此基波的光强度在入射到波长转换元件的位置最大，该位置附近的和频的光强度也最大。另一方面，作为发散光的激光的光强度随着在波长转换元件中传播而变小，因此能够抑制所述和频与高谐波的重合，能够大幅降低基于和频的基波的吸收。

这样，根据本发明，能够抑制波长转换元件的晶体破坏，并得到高输出的高谐波。

具体而言，能够将所述激光光源与所述波长转换元件直接接合。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是，所述激光的降低聚光条件被设定成使所述激光的光强度在所述激光的聚光位置之后的范围内多处分布。

根据该结构，由于能够使激光的光强度在聚光位置之后的范围内多处分布，所以能够抑制作为基波的激光在聚光位置附近与光强度达到最高的和频重合。因此，能够抑制由于高谐波被和频吸收而产生的波长转换元件的发热，从而能够有效地抑制波长转换元件的破坏。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是，还包括设置在所述激光光源与所述波长转换元件之间，并用于使所述激光的光强度呈环型分布的分布部件。

根据该结构，通过使激光成为环型，能够在聚光位置之后的范围抑制和频与激光的重合。

在所述激光波长转换装置中，所述波长转换元件具有以圆锥形向所述激光光源突出的入射部，所述入射部使通过所述入射部入射到所述波长转换元件的所述激光的光强度呈环型分布，并让所述激光在所述波长转换元件内聚光。如果这样，则由于不用设置聚光部件就能让激光聚光，且呈环型分布，因此能够实现成本的降低。

在所述激光波长转换装置中，所述激光光源具有多个，所述各激光光源能够分别射出具有共同波长的激光，并且被配置成各个激光的光路在所述波长转换元件内相互交叉。

根据该结构，能够让从多个激光光源射出的激光在波长转换元件内聚光，各个激光的光路在相互交叉的位置(聚光位置)之后的范围中分别朝向不同的方向，因此能够抑制在波长转换元件内产生的和频与激光的重合。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是还包括将从所述激光光源射出的激光分歧为多束的分歧部件。

根据该结构，例如，通过利用分歧部件使从一个激光光源射出的激光分歧为多条光路，并设置调整所述各光路以使各激光的光路在波长转换元件内交叉的光学系统，能够使激光在波长转换元件内聚光，由于各个激光的光路在相互交叉的位置(聚光位置)之后的范围分别朝向不同的方向，因此能够抑制在波长转换元件内产生的和频与激光的重合。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是，在所述波长转换元件的至少一部分形成有用于对所述激光进行波长转换的极化反转结构，所述激光的降低的聚光位置，在从所述激光的入射侧的端面到所述高谐波的出射侧的端面的所述波长转换元件的长度方向上，被设定成较所述极化反转结构的中央位置更靠近激光光源。

根据该结构，能够使波长转换元件内的激光光路在聚光位置之后的光路比聚光位置之前的光路更长，因此能够减少在波长转换元件内产生的和频所吸收的激光的光量，其结果是，能够更有效地抑制波长转换元件的发热量。

即，在所述聚光位置稍后的范围内，所述和频的光强度达到最大，另一方面，激光的每单位面积的光强度随着远离所述聚光位置而变小。并且，在所述结构中，由于聚光位置被设定在极化反转结构的中央位置之前的位置，因此与将激光的聚光位置设定在所述极化反转结构的中央位置的情况相比，能够大幅度减小聚光位置之后的范围中的激光的光强度，其结果是能够更可靠地抑制和频与激光的重合，从而能够大幅度降低基于和频的高谐波的吸收。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是还包括能够在所述激光的聚光位置附近的范围和在所述聚光位置之后的范围分别调整所述波长转换元件的温度的温度调整部件。

根据所述结构，能够在聚光位置附近的范围和在聚光位置之后的范围分别调整波长转换元件的温度，因此能够进一步提高波长转换效率。

即，在聚光位置之后的范围中高谐波被和频吸收后，波长转换元件会发热，有时会由于该发热的影响而使极化反转结构的相位匹配条件被打乱，而在所述结构中，由于能够在聚光位置之后的范围进行波长转换元件的温度调整，因此能够将相位匹配条件维持为合适的条件。另一方面，在聚光位置附近的范围，基波的光强度达到最高，因此能够适当调整波长转换元件的温度从而使其达到适于进行波长转换的温度。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是，所述极化反转结构被设定成，与所述激光的聚光位置附近的范围相比，在所述聚光位置之后的范围的极化反转周期更短。

根据该结构，在激光的聚光位置之后的范围，能够将极化反转结构的周期设为适于进行波长转换的周期，因此能够提高波长转换的效率。即，在所述聚光位置之后的范围，由于激光的波面相对于极化反转结构倾斜，相位匹配周期会缩短，但在所述结构中，在聚光位置之后的范围使极化反转周期较短，因此能够有效地进行波长转换。

在所述激光波长转换装置中，较为理想的是，所述激光光源让所述激光脉冲振荡。

根据该结构，与从激光光源发出作为连续波的激光的情况相比，即使在平均输出较低的情况下也能提高峰值光强度，因此能够提高高谐波的转换效率。因此，根据该结构，通过将激光的聚光条件设为与最佳聚光条件不同的条件，能够抑制波长转换元件的破坏，并通过让脉冲激光振荡来提高谐波的输出。

在所述激光波长转换装置中，当所述波长转换元件的长度尺寸为30mm时，能够使激光在聚光位置的光束半径为30μm，当波长转换元件的长度尺寸为26mm时，能够使激光在聚光位置的光束半径为25μm。

在所述激光波长转换装置中，作为所述波长转换元件，能够采用在掺杂了氧化镁的铌酸锂或钽酸锂中形成了用于准相位匹配的周期性的极化反转结构的波长转换元件。

在所述激光波长转换装置中，能够生成平均输出为2W以上的高谐波。

在所述激光波长转换装置中，能够将具有从450nm到2000nm的波长的激光入射到所述波长转换元件并进行短波长化。

在所述激光波长转换装置中，作为所述激光光源，能够使用YAG激光器等固体激光器或者使用了掺杂Yb、Nd等稀土类的光纤的光纤激光器。

此外，本发明所提供的一种图像显示装置包括多个激光光源，和使用所述多个激光光源将图像形成在所述屏幕上的光学系统，所述多个激光光源至少包含射出红色光束的红色激光光源、射出绿色光束的绿色激光光源以及射出蓝色光束的蓝色激光光源，所述各激光光源中的至少绿色激光光源具有所述激光波长转换装置。

此外，本发明所提供的另一种图像显示装置包括液晶显示面板，和从背面一侧照明所述液晶显示面板的背光照明装置，所述背光照明装置至少包含射出红色光束的红色激光光源、射出绿色光束的绿色激光光源以及射出蓝色光束的蓝色激光光源，所述各激光光源中的至少绿色激光光源具有所述激光波长转换装置。

产业上的利用可能性

通过使用本发明的结构，能够以高效率从具有极化反转结构的非线性晶体得到高输出的第二谐波。此外，在输出绿色的第二谐波的情况下，能够实现小型的绿色激光光源，因此对于要求小型且高输出的光源的液晶电视的背光、投影电视、投影仪等是有用的。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

基于条约第19条(1)的声明

将权利要求7中的“让所述激光聚光在较所述极化反转结构的入射侧的端面更靠近所述激光光源之处”修改为“让所述激光聚光在所述极化反转结构的入射侧的端面和所述激光光源之间”。

将权利要求17中的“放射光”修改为“发散光”(修改依据为说明书第0190段落)。

1.一种激光波长转换装置，其特征在于包括：

射出激光的激光光源；和

用于对来自所述激光光源的激光进行波长转换的波长转换元件，其中，

所述波长转换元件，具备对所述激光的转换效率达到最大的最佳聚光条件，

所述激光，被以较所述最佳聚光条件其转换效率降低的降低聚光条件入射到所述波长转换元件。

2.根据权利要求1所述的激光波长转换装置，其特征在于还包括：用于让所述激光聚光的聚光部件，其中，

所述聚光部件，让所述激光在与所述激光的光轴方向平行的所述波长转换元件的长度方向上聚光在与所述转换效率达到最大的最佳位置不同的位置。

3.根据权利要求2所述的激光波长转换装置，其特征在于：

在所述波长转换元件的至少一部分，形成与所述激光相位匹配地加以形成的极化反转结构，

所述聚光部件，让所述激光聚光在较所述极化反转结构的所述长度方向的中央位置更靠近所述激光光源之处。

4.根据权利要求3所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述聚光部件，让所述激光聚光在所述极化反转结构的内侧位置，其中，所述极化反转结构的内侧位置是指自所述极化反转结构的入射侧的端部起的距离为所述极化反转结构的所述长度方向的尺寸的40％以下。

5.根据权利要求4所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述聚光部件，让所述激光聚光在所述极化反转结构的内侧位置，其中，所述极化反转结构的内侧位置是指自所述极化反转结构的入射侧的端部起的距离为所述极化反转结构的所述长度方向的尺寸的25％以下。

6.根据权利要求3所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述聚光部件，让所述激光聚光在所述极化反转结构的入射侧的端面附近。

7.(修改后)根据权利要求3所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述聚光部件，让所述激光聚光在所述极化反转结构的入射侧的端面和所述激光光源之间。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述聚光部件具有满足所述最佳聚光条件的NA的1.5倍以上的NA。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：

所述聚光部件，让所述激光聚光在实质上为椭圆形的范围，

所述实质上为椭圆形的长轴的长度被设定为短轴的长度的1.1倍以上。

10.根据权利要求2至9中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述聚光部件让所述激光附带像散差而聚光。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述激光光源，被设定为射出光束截面内的最大光强度为具有相同输出的达到最佳聚光条件的高斯光束的光强度的0.9倍以下的激光。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述波长转换元件为体型波长转换元件。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述激光的M2大于1.2。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：

所述波长转换元件有多个，

在所述各波长转换元件的至少其中之一，所述激光的聚光条件被设定为所述降低聚光条件。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：

在所述波长转换元件中，所述激光的光路被设定为多条，

在所述各光路的至少其中之一，所述激光的聚光条件被设定为所述降低聚光条件。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于还包括：配置在所述波长转换元件两侧的两个反射镜，其中，

所述多条光路被设定在各反射镜之间，

所述反射镜的至少其中之一，聚光并反射所述激光。

17.(修改后)根据权利要求1所述的激光波长转换装置，其特征在于：激光光源将所述激光作为发散光入射到所述波长转换元件。

18.根据权利要求17所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述激光光源与所述波长转换元件直接接合。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述激光的降低聚光条件，被设定成使所述激光的光强度在所述激光的聚光位置之后的范围内多处分布。

20.根据权利要求19所述的激光波长转换装置，其特征在于还包括：设置在所述激光光源与所述波长转换元件之间，让所述激光的光强度呈环型分布的分布部件。

21.根据权利要求19所述的激光波长转换装置，其特征在于：

所述波长转换元件，具有以圆锥形向所述激光光源突出的入射部，

所述入射部，使通过所述入射部入射到所述波长转换元件的所述激光的光强度呈环型分布，并让所述激光在所述波长转换元件内聚光。

22.根据权利要求19所述的激光波长转换装置，其特征在于：

所述激光光源具有多个，

所述各激光光源，能够分别射出具有共同波长的激光，且被配置成让各个激光的光路在所述波长转换元件内相互交叉。

23.根据权利要求19所述的激光波长转换装置，其特征在于还包括：将从所述激光光源射出的激光分歧为多束的分歧部件。

24.根据权利要求19至23中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：

在所述波长转换元件的至少一部分，形成有用于对所述激光进行波长转换的极化反转结构，

所述激光的降低的聚光位置，在从所述激光的入射侧的端面到所述高谐波的出射侧的端面的所述波长转换元件的长度方向上，被设定成较所述极化反转结构的中央位置更靠近激光光源。

25.根据权利要求24所述的激光波长转换装置，其特征在于还包括：能够在所述激光的聚光位置附近的范围和在所述聚光位置之后的范围分别调整所述波长转换元件的温度的温度调整部件。

26.根据权利要求24或25所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述极化反转结构被设定成，与所述激光的聚光位置附近的范围相比，在所述聚光位置之后的范围的极化反转周期更短。

27.根据权利要求1至26中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述激光光源让所述激光脉冲振荡。

28.一种图像显示装置，其特征在于包括：

多个激光光源；和

利用所述多个激光光源将图像形成在所述屏幕上的光学系统，其中，

所述多个激光光源，至少包含射出红色光束的红色激光光源、射出绿色光束的绿色激光光源以及射出蓝色光束的蓝色激光光源，

所述各激光光源中的至少绿色激光光源，具有如权利要求1至27中任一项所述的激光波长转换装置。

29.一种图像显示装置，其特征在于包括：

液晶显示面板；和

从背面一侧照明所述液晶显示面板的背光照明装置，其中，

所述背光照明装置，至少包含射出红色光束的红色激光光源、射出绿色光束的绿色激光光源以及射出蓝色光束的蓝色激光光源，

所述各激光光源中的至少绿色激光光源，具有如权利要求1至27中任一项所述的激光波长转换装置。

Claims (29)

1.一种激光波长转换装置，其特征在于包括：

射出激光的激光光源；和

用于对来自所述激光光源的激光进行波长转换的波长转换元件，其中，

所述波长转换元件，具备对所述激光的转换效率达到最大的最佳聚光条件，

所述激光，被以较所述最佳聚光条件其转换效率降低的降低聚光条件入射到所述波长转换元件。

2.根据权利要求1所述的激光波长转换装置，其特征在于还包括：用于让所述激光聚光的聚光部件，其中，

所述聚光部件，让所述激光在与所述激光的光轴方向平行的所述波长转换元件的长度方向上聚光在与所述转换效率达到最大的最佳位置不同的位置。

3.根据权利要求2所述的激光波长转换装置，其特征在于：

在所述波长转换元件的至少一部分，形成与所述激光相位匹配地加以形成的极化反转结构，

所述聚光部件，让所述激光聚光在较所述极化反转结构的所述长度方向的中央位置更靠近所述激光光源之处。

4.根据权利要求3所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述聚光部件，让所述激光聚光在所述极化反转结构的内侧位置，其中，所述极化反转结构的内侧位置是指自所述极化反转结构的入射侧的端部起的距离为所述极化反转结构的所述长度方向的尺寸的40％以下。

5.根据权利要求4所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述聚光部件，让所述激光聚光在所述极化反转结构的内侧位置，其中，所述极化反转结构的内侧位置是指自所述极化反转结构的入射侧的端部起的距离为所述极化反转结构的所述长度方向的尺寸的25％以下。

6.根据权利要求3所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述聚光部件，让所述激光聚光在所述极化反转结构的入射侧的端面附近。

7.根据权利要求3所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述聚光部件，让所述激光聚光在较所述极化反转结构的入射侧的端面更靠近所述激光光源之处。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述聚光部件具有满足所述最佳聚光条件的NA的1.5倍以上的NA。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：

所述聚光部件，让所述激光聚光在实质上为椭圆形的范围，

所述实质上为椭圆形的长轴的长度被设定为短轴的长度的1.1倍以上。

10.根据权利要求2至9中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述聚光部件让所述激光附带像散差而聚光。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述激光光源，被设定为射出光束截面内的最大光强度为具有相同输出的达到最佳聚光条件的高斯光束的光强度的0.9倍以下的激光。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述波长转换元件为体型波长转换元件。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述激光的M2大于1.2。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：

所述波长转换元件有多个，

在所述各波长转换元件的至少其中之一，所述激光的聚光条件被设定为所述降低聚光条件。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：

在所述波长转换元件中，所述激光的光路被设定为多条，

在所述各光路的至少其中之一，所述激光的聚光条件被设定为所述降低聚光条件。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于还包括：配置在所述波长转换元件两侧的两个反射镜，其中，

所述多条光路被设定在各反射镜之间，

所述反射镜的至少其中之一，聚光并反射所述激光。

17.根据权利要求1所述的激光波长转换装置，其特征在于：激光光源将所述激光作为放射光入射到所述波长转换元件。

18.根据权利要求17所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述激光光源与所述波长转换元件直接接合。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述激光的降低聚光条件，被设定成使所述激光的光强度在所述激光的聚光位置之后的范围内多处分布。

20.根据权利要求19所述的激光波长转换装置，其特征在于还包括：设置在所述激光光源与所述波长转换元件之间，让所述激光的光强度呈环型分布的分布部件。

21.根据权利要求19所述的激光波长转换装置，其特征在于：

所述波长转换元件，具有以圆锥形向所述激光光源突出的入射部，

所述入射部，使通过所述入射部入射到所述波长转换元件的所述激光的光强度呈环型分布，并让所述激光在所述波长转换元件内聚光。

22.根据权利要求19所述的激光波长转换装置，其特征在于：

所述激光光源具有多个，

所述各激光光源，能够分别射出具有共同波长的激光，且被配置成让各个激光的光路在所述波长转换元件内相互交叉。

23.根据权利要求19所述的激光波长转换装置，其特征在于还包括：将从所述激光光源射出的激光分歧为多束的分歧部件。

24.根据权利要求19至23中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：

在所述波长转换元件的至少一部分，形成有用于对所述激光进行波长转换的极化反转结构，

所述激光的降低的聚光位置，在从所述激光的入射侧的端面到所述高谐波的出射侧的端面的所述波长转换元件的长度方向上，被设定成较所述极化反转结构的中央位置更靠近激光光源。

25.根据权利要求24所述的激光波长转换装置，其特征在于还包括：能够在所述激光的聚光位置附近的范围和在所述聚光位置之后的范围分别调整所述波长转换元件的温度的温度调整部件。

26.根据权利要求24或25所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述极化反转结构被设定成，与所述激光的聚光位置附近的范围相比，在所述聚光位置之后的范围的极化反转周期更短。

27.根据权利要求1至26中任一项所述的激光波长转换装置，其特征在于：所述激光光源让所述激光脉冲振荡。

28.一种图像显示装置，其特征在于包括：

多个激光光源；和

利用所述多个激光光源将图像形成在所述屏幕上的光学系统，其中，

所述多个激光光源，至少包含射出红色光束的红色激光光源、射出绿色光束的绿色激光光源以及射出蓝色光束的蓝色激光光源，

所述各激光光源中的至少绿色激光光源，具有如权利要求1至27中任一项所述的激光波长转换装置。

29.一种图像显示装置，其特征在于包括：

液晶显示面板；和

从背面一侧照明所述液晶显示面板的背光照明装置，其中，

所述背光照明装置，至少包含射出红色光束的红色激光光源、射出绿色光束的绿色激光光源以及射出蓝色光束的蓝色激光光源，

所述各激光光源中的至少绿色激光光源，具有如权利要求1至27中任一项所述的激光波长转换装置。

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