CN101796457A - 波长转换装置、图像显示装置及加工装置 - Google Patents

波长转换装置、图像显示装置及加工装置 Download PDF

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Abstract

本发明的波长转换装置包括：射出具有2000nm以下的波长的基波的红外光光源(1)；采用具有周期状的极化反转结构的非线性光学晶体，将从红外光光源(1)射出的基波转换成谐波的波长转换元件(3)；以及加热波长转换元件(3)的加热器(4)。所述极化反转结构的周期被设计成使基波与谐波的准相位匹配的温度在40℃以上，加热器(4)将波长转换元件(3)加热到准相位匹配成立的温度，非线性光学晶体以含有Mg、In、Zn及Sc中的至少任一种添加物的铌酸锂或钽酸锂为主成分。由此，可抑制光损伤，并且可减少紫外光引起的可见光的吸收。

Description

波长转换装置、图像显示装置及加工装置
技术领域
本发明涉及一种将基波转换成谐波的波长转换装置、具备该波长转换装置的图像显示装置及具备该波长转换装置的加工装置。
背景技术
作为加工用途或激光显示器等中所使用的光源，超过数瓦的高输出激光光源受到关注。在产生红色或蓝色区域的光的方面，开发了使用砷化镓(gallium arsenide)、氮化镓(gallium nitride)等的半导体激光器，还对高输出化进行了探讨。但是，仍然难以直接从半导体激光器产生绿色区域的光。因此，一般采用以下方法，即，将从YAG激光器等固体激光器、或使用添加有Yb或Nd等稀土类的光纤的光纤激光器等发出的红外光作为基波射入到非线性光学晶体中，通过波长转换获得作为第二谐波(second harmonic wave)的绿色光。
尤其是，使用极化反转技术而形成的准相位匹配(QPM)(quasi phase matching)波长转换元件，具有在LiNbO3(以下称为LN)或LiTaO3(以下称为LT)系的非线性光学晶体中可产生高输出的短波长光的结构。对于LN或LT系非线性光学晶体，存在产生短波长光时会发生光损伤的问题。这是一种因短波长光在晶体内部形成的电场分布而导致折射率发生变化的现象，通过将需要量的Mg、In、Zn或Sc等添加到LN或LT系非线性光学晶体中，可以减轻该现象。另一方面，对于未添加这些添加物的无添加的晶体，众所周知的是通过在100℃以上的高温下保持晶体，可在某种程度上减少光损伤。
即，关于LN或LT非线性光学晶体，已知通过在高温下使用无添加的晶体或添加添加物，可减少光损伤造成的输出波动。例如，在“D.A.Bryan，Robert Gerson，H.E.Tomaschke，《Increased optical damage resistance in lithium niobate》，AppliedPhysics letters，44(9)，1984年，p.847-849”以及“D.H.Jundt，G.A.Magel，M.M.Fejer，R.L.Byer，《Periodically poled LiNbO3 for high-efficiency second-harmonicgeneration》，Applied Physics letters，59(21)，1991年，p.2657-2659”中，公开了通过添加摩尔浓度为5.0mol％以上的MgO，可抑制光损伤。
然而，即使在抑制了光损伤的晶体中，也发现了以下现象，例如超过数瓦的高输出的短波长光产生输出的不稳定、或产生晶体破坏。例如，如日本专利公开公报特开2006-308731号(以下称作“专利文献1”)所示，作为基波的红外光与转换的绿色光(第二谐波)的和频而产生的紫外光(第三谐波)会引起绿色光的吸收，当进行高输出波长转换时，会因绿色光的吸收而产生晶体破坏。在此情况下，难以进行超过数瓦的波长转换。
为了提供可生成医疗用、加工用或激光显示器用所需要的超过数瓦的绿色光的光源，强烈需求紫外光所引起的绿色光的吸收较少且不会引起光损伤的非线性光学晶体。
在以往的结构中，含有Mg、In、Zn或Sc等添加物的LN或LT系非线性光学晶体解决了光损伤造成的输出不稳定性。但是，在产生超过数瓦的高输出的短波长光方面，由光吸收造成的热透镜效应所引起的输出不稳定性及晶体破坏等现象尚未解决，存在含有添加物的非线性光学晶体难以实现高输出化的问题。
即，当使用采用MgLN(添加有Mg的LN系非线性光学晶体)的波长转换元件获得数瓦的谐波时，由于非线性光学常数大，即使在偏离相位匹配条件的情况下，也会产生作为基波的红外光与转换的绿色光(第二谐波)的和频即紫外光(第三谐波)。所产生的紫外光会引起绿色光的吸收，并产生热透镜效应。由此，存在以下问题，即，引起绿色光的光束劣化，进而引起高输出时转换效率的下降、及发热造成的晶体的热破坏。
虽然根据元件不同会有所差异，但在产生绿色光的情况下，当产生超过2.5W的输出时，会开始产生晶体破坏。已知在产生波长比绿色光短的蓝色光时，晶体破坏的阈值下降，如果以连续光平均输出超过2W，则会开始产生晶体破坏。另外，在峰值高的脉冲振荡的情况下，如果平均输出超过0.5W，则会产生晶体破坏。
另外，对于以往结构的无添加的LN或LT系非线性光学晶体，还有一种提高晶体温度以抑制光损伤的方法。但是，通过高温作业减少光损伤需要100℃以上的高温，为了实现高输出特性而需要140℃以上的高温。而且，即使在进行高温作业的情况下，也难以充分地减少光损伤。特别是在产生短波长光时，存在输出变得不稳定的问题。另外，对于超过140℃的高温作业而言，存在难以保持温度的均匀性且耗电增大等问题。而且，具有周期状极化反转结构的波长转换元件的温度允许度会随着温度变高而变小，因此，在高温下需要精密地控制温度，存在难以实现输出的稳定化的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述的问题，其目的在于提供一种可抑制光损伤，并且可减少紫外光引起的可见光的吸收的波长转换装置、图像显示装置及加工装置。
本发明所提供的波长转换装置包括：射出具有2000nm以下的波长的基波的基波光源；采用具有周期状的极化反转结构的非线性光学晶体，将从所述基波光源射出的基波转换成谐波的波长转换元件；以及加热所述波长转换元件的加热部，其中，所述极化反转结构的周期被设计成使基波与谐波的准相位匹配的温度在40℃以上，所述加热部将所述波长转换元件加热到所述准相位匹配成立的温度，所述非线性光学晶体以含有Mg、In、Zn及Sc中的至少任一种添加物的铌酸锂或钽酸锂为主成分。
根据本发明，由于在以含有Mg、In、Zn及Sc中的至少任一种添加物的铌酸锂(lithiumniobate：LN)或钽酸锂(lithium tantalite：LT)为主成分的非线性光学晶体中，形成周期状的极化反转结构，并在将非线性光学晶体加热到40℃以上的状态下进行波长转换，因此，可抑制光损伤，并且可减少紫外光引起的可见光的吸收。
通过以下详细的说明和附图，使本发明的目的、特征和优点更加明确。
附图说明
图1是表示本发明的实施例1所涉及的波长转换装置的结构的图。
图2是表示用来测量光吸收特性的实验装置的结构的图。
图3是表示添加有5.0mol％的MgO的LN的晶体温度与UVIGA率之间的关系的图。
图4是表示用以评估波长转换元件的波长转换特性的实验装置的结构的图。
图5是表示波长转换时的元件温度与产生晶体破坏时的绿色光输出之间的关系的图。
图6是表示添加有4.6mol％、4.9mol％、5.0mol％、5.3mol％及5.6mol％的MgO的LN的元件温度与UVIGA率之间的关系的图。
图7是表示65℃下的添加有MgO的LN的UVIGA率与Mg的摩尔浓度之间的关系的图。
图8是表示添加有5.0mol％的MgO的LN的UVIGA率与元件温度之间的关系、添加有1.5mol％的Sc2O3的LN的UVIGA率与元件温度之间的关系、及添加有7.5mol％的ZnO的LN的UVIGA率与元件温度之间的关系的图。
图9是表示长度为25mm的准相位匹配波长转换元件的温度与相位匹配温度允许范围之间的关系的图。
图10是表示准相位匹配波长转换元件中的周期性极化反转结构的图。
图11是表示绿色光的产生量及紫外光的产生量与占空比的关系的图。
图12是表示本发明的实施例1的变形例所涉及的波长转换装置的结构的图。
图13是表示本发明的实施例2所涉及的波长转换装置的结构的图。
图14是表示本发明的实施例3所涉及的波长转换装置的结构的图。
图15是表示本发明的实施例4所涉及的图像显示装置的结构的图。
图16是表示波长转换装置的波长转换元件周边部的结构的图。
图17是表示本发明的实施例5所涉及的图像显示装置的结构的图。
图18是表示本发明的实施例6所涉及的激光加工装置的结构的图。
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例，不具有限定本发明的技术范围的性质。
(实施例1)
本实施例是一种在LN或LT系非线性光学晶体中可产生高输出的短波长光的结构。LN或LT系非线性光学晶体产生短波长光时的光损伤成为问题。这是由短波长光导致晶体的折射率发生变化的现象，众所周知的是通过将必要量的Mg(镁)、In(铟)、Zn(锌)或Sc(钪)等添加到LN或LT系非线性光学晶体中，可减少光损伤。
因此，以往，当使用无添加的LN或LT系非线性光学晶体产生可见区域的光时，为了减少光损伤，非线性光学晶体一般以100℃以上的高温被加以使用。而当使用添加有Mg、In、Zn或Sc等的LN或LT系非线性光学晶体产生可见区域的光时，因为光损伤得以减少，所以无需提高温度后使用，非线性光学晶体一般在室温左右的温度下即可使用。
对此，我们发现通过使含有Mg、In、Zn及Sc中的至少任一种添加物的LN或LT系非线性光学晶体的晶体温度达到高温，可抑制高输出波长转换时产生的紫外光引起的绿色光吸收。在此情况下，与上述的添加有Mg、In、Zn或Sc等时的波长转换相比，由于晶体内的光吸收受到抑制，因此，热透镜效应(thermal lens effect)也减轻，光束劣化的程度也得以减轻。另外，通过将元件温度控制在100℃以下，与上述的无添加时的波长转换相比，每单位温度的折射率变化量减少，温度允许范围变窄的问题也被消除。
而且，我们还发现通过改变添加到以LN为主成分的晶体中的添加物的种类或添加量，能够在更低的温度下抑制紫外光引起的绿色光吸收。这样，可减少元件加热所需的耗电，从而可提高光源的启动速度。
图1是表示本发明实施例1所涉及的波长转换装置的结构的图。图1所示的波长转换装置包括红外光光源1、第1聚光透镜2、波长转换元件3、加热器4、隔热部件5、第2聚光透镜6及分离镜7。
红外光光源1射出具有2000nm以下的波长的基波。具体而言，红外光光源1采用振荡波长为1064nm的掺镱(Yb)光纤激光器。红外光光源1射出光束直径为500μm的平行红外光。第1聚光透镜2的f＝30mm，其将从红外光光源1射出的红外光8聚光到波长转换元件3上。此时，晶体的极化方向与入射的红外光的偏振方向一致。
波长转换元件3采用具有周期状的极化反转结构的非线性光学晶体，将从红外光光源1射出的基波转换成第二谐波。波长转换元件3采用添加有1.5mol％的Sc2O3的LN，并通过加热器4将其温度控制在80℃以上。而且，在波长转换元件3中形成有周期性的极化反转结构，其周期被加以设计，使得在40℃以上达到准相位匹配(quasi phase matching)。另外，为了减少加热器4的耗电，较为理想的是，加热器4与波长转换元件3除了基波入射的光入射面11和谐波射出的光出射面12以外，被隔热部件5所覆盖。加热器4将波长转换元件3加热到使准相位匹配成立的温度。
第2聚光透镜6使透过波长转换元件3的红外光和所产生的第二谐波(绿色光)恢复成平行光。分离镜7将从波长转换元件3射出的激光分离成透射红外光10和作为第二谐波的绿色光9。周期状的极化反转结构有助于在高温下使用元件时使输出稳定。
在提高LN或LT等的晶体温度后使用的情况下，因晶体的温度变化而产生热释电效应(pyroelectric effect)，从而在基板内部产生电场分布。由于LN晶体或LT晶体具有电光效应，所以会产生因电场而产生折射率分布从而导致相位匹配条件变得不稳定这种现象。对此，当在波长转换元件3中形成有周期状的极化反转结构时，在相邻的极化反转部与非极化反转部中产生的热释电效应的方向不同。因此，由相邻的极化反转部与非极化反转部抵消电场，从而可防止输出变得不稳定。
在本实施例中，红外光光源1相当于基波光源的一例，加热器4相当于加热部的一例。
这里对非线性光学晶体的光吸收特性的测量方法进行说明。图2是表示用来测量光吸收特性的实验装置的结构的图。图2所示的实验装置包括测量样品13、绿色光源14、聚光透镜15、光电二极管16及加热器17。
通过将非线性光学晶体切割成厚度1mm、长边方向(光束通道)的长度5mm及宽度10mm，并对两个端面(1mm×10mm的面)进行光学研磨，制成测量样品13。绿色光源14射出波长为532nm的绿色光。聚光透镜15进行聚光，使得测量样品13内的绿色光的光束直径约为200μm。光电二极管16测量透过测量样品13的绿色光的输出。加热器17加热测量样品13。紫外光照射机18对测量样品13的绿色光的光束通道照射波长为400nm至340nm的紫外光19。
实验中，在测量样品13、绿色光源14、聚光透镜15、光电二极管16及加热器17保持固定的状态下，使用加热器17改变测量样品13的温度，让从紫外光照射机18射出的紫外光19照射测量样品13的绿色光的光束通道。
通过光电二极管16监控照射紫外光19之前的绿色光输出以及紫外光19的照射过程中的绿色光输出，测量了基于紫外光照射的绿色光的吸收率。下面将该吸收率称为UVIGA(UltraViolet Induced Green Absorption、紫外光引起绿色光吸收)率。利用该测量方法，对基于紫外光的可见光(这里是532nm的光)的吸收率的增大进行了测量。UVIGA率的值与晶体对于晶体破坏的耐受性存在关联，UVIGA率下降意味着光吸收减少，即高输出耐受性提高。UVIGA率与晶体的高输出耐受性之间的关联试验性地得到确认，当UVIGA率为10％时，对于532nm的光的晶体破坏的耐受性为2.5W左右。当UVIGA率为5％左右时，晶体破坏的耐受性为3W以上。
图3是表示添加有5.0mol％的MgO的LN的晶体温度与UVIGA率之间的关系的图。使用添加有5.0mol％的MgO的同成分(congruent composition)(Li/(Li+Nb)比率为0.46至0.482：一致熔融成分)的LN作为测量样品13。然后，使测量样品13的温度从25℃变化到255℃，并监控UVIGA率的变化。
其结果如图3所示，已知在测量样品13的温度处于25℃到80℃的范围内，UVIGA率不发生变化，通过加热到80℃以上，UVIGA率下降。此外，当温度为145℃以上时，UVIGA率为1％以下，因此在图3中并未图示。由此，通过使元件温度达到80℃以上，基于紫外光照射的绿色光的吸收率会下降，因此，认为可实现超过数瓦的高输出波长转换。
下面，对添加有5.0mol％的MgO的LN，如专利文献1所示，通过光学处理形成电极，并通过施加电场进行极化反转处理。首先，在经过双面光学研磨的基板(Z板)上(本实施例中厚度为1mm)蒸镀作为电极材料的金属膜，作为晶体的介电主轴(dielectric mainaxis)的Z轴方向垂直于基板表面。接着，涂敷光刻胶，通过接触曝光法(contact exposuremethod)形成电极图案。然后，通过干式蚀刻装置(dry etching apparatus)形成金属电极。接着，在金属膜上形成介电体。通过对电极施加脉冲电场，在晶体中形成极化反转结构。关于此时的反转周期，当温度分别为30℃、60℃、90℃及120℃时，1064nm的第二谐波产生的周期A分别为6.95μm、6.90μm、6.85μm、6.80μm。另外，元件长度设为25mm。
通过在LN中形成周期性极化反转结构，并将其设为准相位匹配波长转换元件，可以实现高转换效率的波长转换。准相位匹配波长转换元件通过改变其周期，能够在任意的温度下进行波长转换，作为本实施例较为理想。
对以上述方式形成的波长转换元件实际评估了波长转换特性。图4是表示用于评估波长转换元件的波长转换特性的实验装置的结构的图。图4所示的实验装置包括红外光光源21、第1聚光透镜22、波长转换元件23、加热器24、第2聚光透镜25、分离镜26及功率测量计27。
红外光光源21采用振荡波长为1064nm的掺镱光纤激光器。红外光光源21射出光束直径为500μm的平行红外光。第1聚光透镜22的f＝30mm，其将从红外光光源21射出的红外光28聚光到波长转换元件23上。波长转换元件23通过加热器24而受到温度管理。此时，将室温设定为约25℃。第2聚光透镜25使透过波长转换元件23的红外光及所产生的第二谐波(绿色光)恢复成平行光。分离镜26将该平行光分离成红外光28和作为第二谐波的绿色光29。功率测量计27测量分离出的绿色光29。
图5是表示波长转换时的元件温度与产生晶体破坏时的绿色光输出之间的关系的图。当元件温度为30℃及60℃时，在2.2W附近产生晶体破坏，当元件温度为90℃时，在2.6W附近产生晶体破坏。然而，在元件温度为120℃的情况下，即使当生成3.4W的绿色光时，晶体也未被破坏。
根据以上内容，通过在UVIGA率下降的80℃以上进行波长转换，可实现以往难以实现的同时缓和避免光损伤和减少紫外光引起的可见光吸收这两个问题。
而且，通过实验已知导致UVIGA率下降的温度与添加到LN中的MgO的摩尔浓度有关。
图6是表示添加有4.6mol％、4.9mol％、5.0mol％、5.3mol％及5.6mol％的MgO的LN的元件温度与UVIGA率之间的关系的图。在图6中，温度变化101、102、103、104、105分别表示添加有4.6mol％、4.9mol％、5.0mol％、5.3mol％及5.6mol％的MgO的LN的UVIGA率的温度变化。在本实验中，使测量样品的温度从25℃变化到255℃，并监控UVIGA率的值。
当元件温度为25℃时，添加有5.3mol％的MgO的测量样品的UVIGA率最低为8％左右。但是可知，与添加有5.0mol％的MgO的测量样品的UVIGA率及添加有5.6mol％的MgO的测量样品的UVIGA率同样，即使元件温度上升到80℃左右，添加有5.3mol％的MgO的测量样品的UVIGA率也不会变化，而将元件温度设为80℃以上之后，该UVIGA率下降。
同样，当元件温度为25℃时，添加有4.6mol％的MgO的测量样品及添加有4.9mol％的MgO的测量样品的UVIGA率分别为11.2％和9.7％，均高于添加有5.0mol％以上的MgO的测量样品的UVIGA率。但是可知，添加有4.6mol％的MgO的测量样品及添加有4.9mol％的MgO的测量样品的UVIGA率温度越高则越低，在温度为40℃以上时，成为添加有5.0mol％以上的MgO的测量样品的一半以下。
图7是表示65℃时的添加有MgO的LN的UVIGA率与Mg的摩尔浓度之间的关系的图。如图7所示，当元件温度为65℃时，添加有4.6mol％的MgO的测量样品及添加有4.9mol％的MgO的测量样品的UVIGA率均为1.0％左右。另一方面，添加有5.0mol％的MgO的测量样品的UVIGA率急剧上升，达到9.3％左右。另外，添加有5.3mol％的MgO的测量样品及添加有5.6mol％的MgO的测量样品的UVIGA率分别为8.0％及8.2％左右。
如此可知，当元件温度为65℃时，通过在LN中添加4.6mol％的MgO或4.9mol％的MgO，可减少光吸收。
而且已知，以往的波长转换元件通过添加5.0mol％以上的MgO，可避免光损伤，而更详细而言，已知添加有4.8mol％以上的MgO的波长转换元件不会引起光损伤。
另外还可知，在LN中添加Sc2O3或ZnO的情况下，也可通过提高温度来解决避免光损伤及减少紫外光引起的绿色光吸收这两个问题。这里，添加有Sc2O3或ZnO的LN与添加有MgO的LN同样，利用乔克拉尔斯基法(Czochralski method)制作而成。
图8是表示添加有5.0mol％的MgO的LN的UVIGA率与元件温度之间的关系、添加有1.5mol％的Sc2O3的LN的UVIGA率与元件温度之间的关系、以及添加有7.5mol％的ZnO的LN的UVIGA率与元件温度之间的关系的图。在图8中，温度变化201、202、203分别表示添加有5.0mol％的MgO的LN的UVIGA率的温度变化、添加有1.5mol％的Sc2O3的LN的UVIGA率的温度变化、以及添加有7.5mol％的ZnO的LN的UVIGA率的温度变化。
如图8所示，在添加有Sc2O3或ZnO的情况下，也可证实在高温下UVIGA率的下降。尤其是对于添加有Sc2O3的测量样品，即使在30℃左右的温度下，与以往所使用的添加有5.0mol％的MgO的测量样品相比，其紫外光照射时的绿色光吸收率也可减少30％左右。添加有与MgO同样廉价的ZnO的测量样品的UVIGA率，低于以往在70℃以上所使用的添加有5.0mol％的MgO的测量样品的UVIGA率。而且，还可知添加有1.5mol％以上的Sc2O3的LN及添加有7.5mol％以上的ZnO的LN不会产生光损伤。
根据图6至图8的实验结果，已明确UVIGA率的温度特性分成UVIGA率在80℃以上的比较高的温度下开始下降的组和在40℃左右的低温下UVIGA率也会下降的组。可认为UVIGA率并非是逐渐地发生变化，而是具有两组的其中之一组的特性。该特性类似于LN及LT晶体对光损伤的耐受性。对光损伤的耐受性也并非逐渐地提高，具有耐受性的元件与不具有耐受性的元件以添加物的某一恒定量为界限而变化。在掺镁的LiNbO3的情况下，该界限存在于约4.8mol％附近。但是，已明确对光损伤的耐受性与UVIGA率的温度变化并非同时产生，对于掺镁的LN晶体而言，在4.8mol％以上且不足5mol％的微小的区域中，对光损伤的耐受性优异，并且UVIGA率即使在低温下也会下降。可知在该区域中，可实现能够在40℃至80℃的低温下减小UVIGA率且具有对光损伤的耐受性的波长转换元件。
而且，UVIGA率依赖于添加物的摩尔浓度，光损伤依赖于(添加物的原子价-1)×(摩尔浓度)。这里重要的是Sc。因为Sc是3价离子，所以能够以Mg的约一半的摩尔浓度实现对光损伤的耐受性。在Mg的情况下，为了提高对光损伤的耐受性，需要4.8mol％以上的Mg。然而，在Sc的情况下，以Mg的约一半的2.4mol％左右的添加量就可提高对光损伤的耐受性的强度。
另一方面，因为UVIGA率依赖于添加物的摩尔浓度，所以无论是Sc还是Mg，在添加量不足5.0mol％的情况下，均可在低温下减小UVIGA率。因此，在Sc的情况下，为了提高对光损伤的耐受性，需要2.4mol％以上的添加量，而为了减小UVIGA率，需要将Sc的添加量控制在5.0mol％以下。在实现对光损伤的耐受性与UVIGA率的减小的情况下，将添加量控制在2.4mol％至5.0mol％之间即可。
即，较为理想的是，非线性光学晶体为添加有1.2mol％以上的摩尔浓度的Sc2O3的铌酸锂。
在此情况下，对于添加有摩尔浓度为1.2mol％以上的Sc2O3的铌酸锂，通过在40℃以上的温度下使相位匹配条件成立，可同时实现光损伤的抑制和光吸收的减少。另外，与添加Mg的情况相比，由于可在添加量的较大的范围内维持高输出特性，因此易于控制添加量，并可降低晶体的制造成本。另外，添加有Sc的晶体，由于即使在低温下其高输出耐受性也优异，因此可在80℃以下使用。如果在80℃以下使相位匹配条件成立，那么与在100℃以上使相位匹配条件成立的情况相比，由于折射率分散的温度依赖性，可将相位匹配条件成立的温度允许度扩大10％左右。因此，即使温度发生波动，也可实现更稳定的特性。
另一方面，在同时添加Sc和其他添加物、例如Mg的情况下，例如当将Sc的摩尔浓度设为Amol％、将Mg的摩尔浓度设为Bmol％时，通过使2A+B的值为4.8mol％以上，并使A+B的值小于5.0mol％，可同时实现光损伤的耐受性及UVIGA率的减小。
在波长转换装置中，波长转换元件的温度越接近于周围的环境温度，越可以减少元件加热所需要的电力。
另外，根据我们的调查可知，采用形成有极化反转结构的LN及LT系材料的波长转换元件因反复经历100℃与25℃的热循环，会产生晶体内的红外光及绿色光的线性吸收率增加、转换效率下降的问题。因此，例如，在使用过程中加热到100℃，在不使用时降低到25℃左右的室温的条件下使用波长转换元件时，即使在本实施例中减少了紫外光引起的绿色光的吸收，也会产生热透镜效应造成的光束的劣化。为了避免该问题，较为理想的是，至少在80℃以下使用波长转换元件。或者，需要通过下述的实施例4所示的方法抑制晶体内的线性吸收率的增加。
另外，波长转换元件由于其晶体的折射率差(红外光的折射率与绿色光的折射率之差)因温度的变化而发生变化，并偏离相位匹配条件，所以会引起转换效率下降。因此，需要将温度保持在最佳温度。
图9是表示长度为25mm的准相位匹配波长转换元件的温度与相位匹配温度允许范围之间的关系的图。温度越低，相对于元件温度变化的折射率差的变化越小，通过在更低的温度下进行波长转换，如图9所示，温度允许范围扩大。因此，温度波动引起的输出波动幅度减小，输出变得稳定。通过将元件温度设为80℃以下，与将元件温度设为100℃的情况相比，可将温度允许范围扩大5％以上。这里，因为温度允许范围与元件长度成反比例，所以计算出元件长度为25mm。然而，由于低温化引起的温度允许范围的扩大率并不依赖于元件长度，所以较为理想的是，与元件长度无关地将元件温度设为80℃以下。
另外，在LN系非线性光学晶体内，绿色光的光吸收为0.025cm-1至0.045cm-1。因此，即使在使用减少紫外光引起的绿色光吸收的波长转换装置的情况下，当进行大约数瓦的高输出波长转换时，因吸收光而产生的发热量也会增加。由于在该发热引起的温度分布下会产生热透镜效应，光束发生劣化，因此，向高品质的高输出激光的转换较为困难。
热透镜效应的程度与热导率成反比例，并与相对于温度的折射率变化率成正比例。通过将元件温度设为80℃以下，与将元件温度设为100℃的情况相比，输出时的折射率变化率下降5％以上。而且可知，LN及LT系晶体的热导率与元件温度成反比例。因此，通过将元件温度设为80℃(353K)以下，与将元件温度设为100℃(373K)的情况相比，热导率进一步增加5.6％以上，如果组合两种效果，则可实现11％左右的高输出波长转换。
根据以上，可以说较为理想的是，通过在80℃以下，更为理想的是在70℃以下的低温下进行波长转换，实现对避免光损伤与减少紫外光引起的绿色光吸收这两个问题的解决。
另外，在波长转换元件的温度低于环境温度的状态下，会在波长转换元件的光入射出射面上产生冷凝液(结露)(dew condensation)，致使激光散射，因此，较为理想的是，将波长转换元件的温度设为40℃以上。
因此，较为理想的是，添加到LN中的MgO的摩尔浓度为4.8mol％以上且不足5.0mol％，或者较为理想的是，在LN中添加Sc2O3，并在40℃以上且80℃以下的温度下使用波长转换元件。
在Mg的情况下，难以准确地控制4.8mol％至5.0mol％的添加量，会产生晶体制作产出的下降的问题。作为解决该问题的方法，有一种少量地添加Sc的方法。在添加了Sc的情况下，由于Sc的mol浓度达到Mg的一半的量就可避免光损伤，因此，与仅添加Mg的情况相比，可减小为减少光损伤所需要的Sc与Mg的mol浓度的合计值，添加物的mol浓度的允许范围扩大。通过添加0.3mol％以上的Sc，为提高对光损伤的耐受性并减少紫外光引起的绿色光吸收所需要的Mg的添加摩尔浓度为4.2mol％至4.7mol％，Mg浓度偏差允许范围为0.5mol％。因此，易于控制Mg的添加浓度。
另外，如果Mg浓度偏差允许范围在1.4mol％以下，则最为理想，从控制Mg的添加浓度的观点来看，不需要在1.4mol％以上。即，Sc的添加摩尔浓度可以在1.2mol％以下。Sc的添加摩尔浓度越低，则因所使用的Sc的量的削减所带来的成本降低效果越大。另外，通过添加原子序数(atomic number)较大的Sc可减少产生的晶体缺陷(crystal fault)，并可在极化方向的宽广的区域中形成细微且均匀的极化反转结构。因此，添加Sc对于需要在宽广的区域中均匀且细微的极化反转结构的块型波长转换元件(bulk-type wavelengthconverting device)的制作较为理想。
由于晶体缺陷的数目会使晶体内的红外光的吸收率增加，因此，在提高晶体内的红外光强度的共振器型的波长转换装置的情况下，会成为导致转换效率下降的原因。因此，更为理想的是，Sc的添加浓度为0.9mol％以下。
另外，由于杂质的摩尔浓度越低，导热率越高，因此，在减小热透镜效应方面也能发挥效果。
关于可添加到LN中以抑制光损伤的Zn及In的氧化物，也可通过使这些氧化物的摩尔浓度不足5.0mol％，以解决在低温下避免光损伤与减少紫外光引起的绿色光吸收这两个问题。
另外，通过将2价的Mg、In及Zn中的至少任一种与3价的Sc均添加到LN中，当两种添加物的合计摩尔浓度不足4.8mol％时可抑制光损伤。在此情况下，与仅添加Sc的氧化物的情况相比，可减少材料价格高的Sc的添加量，从而能够以更低廉的价格解决两个问题。
另外，在本实施例中，以同成分(congruent composition)(Li/(Li+Nb)比率为0.46至0.482：一致熔融成分)的LN为主成分，并添加Mg、Zn、In及Sc中的至少任一种的氧化物，但本发明并不特别地限定于此。也可以通过使LN接近于化学计量比成分(stoichiometric composition)(Li/(Li+Nb)比率为0.500)，进一步减少添加物的添加量，因此，更易于解决两个问题。
由于通过在Li/(Li+Nb)比率为0.484至0.500的LN中添加4.5mol％以上的Mg可避免光损伤，因此，通过使Mg的添加量为4.5mol％以上且不足5.0mol％，可实现低温下的高输出波长转换。在此情况下，Mg的添加量的允许范围为0.5mol％，晶体成长的产出(crystal growth yield)大幅提高，因此较为理想。另外，通过将LN设为化学计量比成分，导热率会增加。较为理想的是，将LN设为化学计量比成分(Li/(Li+Nb)比率0.496至0.500)，这样，导热率会增加21％。由于当Sc的摩尔浓度的二倍与Mg、In及Zn中的至少任一种的摩尔浓度的合计为1.0mol％以上时可消除光损伤，因此，可减少添加物的量，从而可使成本更低。
另外，通过在波长转换装置的结构中增加加热部(加热器)，可使非线性光学晶体维持高温，从而可实现高输出光的稳定化。而且，通过将形成了周期状的极化反转结构的非线性光学晶体用作波长转换元件，可实现任意温度下的相位匹配，在高输出耐受性所需要的高温条件下，可满足高效率的相位匹配条件，从而可实现高效率化。
此外，与LN同样，对于作为可通过添加Mg、Zn、In及Sc中的至少任一种的氧化物来避免光损伤的非线性光学晶体，且产生紫外光引起的绿色光吸收的LT而言，认为通过减小添加物的摩尔浓度并提高晶体温度，作为准相位匹配波长转换元件而加以使用，也可解决两个问题。
接着，说明通过对波长转换元件的结构加以改良，可在更低的温度下解决避免光损伤与减少光吸收这两个问题的结构。
如专利文献1所述，准相位匹配波长转换元件的极化方向周期性地发生反转。图10是表示准相位匹配波长转换元件中的周期性极化反转结构的图。
如图10所示，可知，当红外光302射入到波长转换元件301中生成绿色光时，绿色光的产生量依赖于在波长转换元件301内的红外光所通过部分极化反转部303占整体的比例(占空比(＝b/a)％)。然而，当产生作为红外光和绿色光的和频(sum frequency)的紫外光时，其相位匹配周期成为由红外光生成绿色光时的相位匹配周期的约四分之一，因此可知元件内生成的紫外光的产生量也依赖于占空比。
图11是表示绿色光的产生量及紫外光的产生量与占空比之间的关系的图。可知紫外光的光强度越高，紫外光引起的绿色光吸收率则越高。因此，如图11所示，较为理想的是，让红外光射入到绿色光的产生量401多、紫外光的产生量402少的占空比为45％以上且55％以下的范围的波长转换元件中进行波长转换。这里，将红外光的输入设为6W，将占空比为50％时的绿色光的输出设为2W，并考虑了由波长转换造成的红外光衰减所引起的效率下降(泵浦下降(pump depression))的影响。
另外，在本实施例中，说明了从作为基波的红外光向作为第二谐波的绿色光的转换，但可知，一般在添加有Mg、Zn、Sc及In中的至少任一种的LN中，波长为400nm至800nm的可见光会被波长为400nm以下的紫外光所吸收。即，当波长为800nm至1200nm的基波射入到波长转换元件中并生成第二谐波时，作为基波与第二谐波的和频而产生的第三谐波会引起第二谐波的吸收。
另外，当波长为400nm至800nm的基波射入到波长转换元件中并生成第二谐波时，第二谐波引起基波的吸收。而且，当波长为1200nm至1600nm的基波射入到波长转换元件中并生成第二谐波时，从第二谐波经过波长转换而成的第四谐波也会引起第二谐波的吸收。
另外，当波长为1200nm至2000nm的基波射入到波长转换元件中并产生第四谐波时，作为基波与第四谐波的和频而产生的第五谐波会引起第四谐波的吸收。同样地，当波长为1200nm至2000nm的基波射入到波长转换元件中并产生第二谐波和第三谐波时，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。
在本实施例中，因为可减少由紫外光引起的可见光吸收率，所以在所述任一种波长转换中均不会引起晶体破坏，从而可实现高输出化。
在图1中，较为理想的是，在波长转换元件3的光入射面11涂上至少可防止基波反射的反射防止涂层(anti-reflection coating)，这样，可减少基波在光入射面11上的透射损失，从而可实现更高效率的波长转换。
而且，较为理想的是，在波长转换元件3的光出射面12涂上至少防止作为第二谐波的绿色光及作为第三谐波的紫外光的反射的反射防止涂层，这样，可减少绿色光在光出射面12上的透射损失，并且可减小元件内的紫外光及绿色光的光强度。
当然，这种做法在射入800nm至1200nm的基波并生成基波的第二谐波的情况下，也会同样地发挥效果。另外，基于同样的理由，在射入400nm至800nm的基波并生成其第二谐波的情况下，较为理想的是，在光入射面11涂上至少防止基波反射的反射防止涂层，并在光出射面12涂上至少防止基波与第二谐波的反射的反射防止涂层。
此外，在使用加热器对元件进行加热时，因元件无冷却能力，且周围由隔热部件所覆盖，所以冷却所需要的时间变长。因此，更为理想的是，利用一种APC(自动功率控制)控制，即由光电二极管监控经过波长转换的绿色光输出的一部分，通过调整基波的入射电力使绿色光输出变得稳定。
图12是表示本发明实施例1的变形例所涉及的波长转换装置的结构的图。图12所示的波长转换装置包括红外光光源1、第1聚光透镜2、波长转换元件3、加热器4、隔热部件5、第2聚光透镜6、分离镜(separation mirror)7、分束器(beam splitter)121、光电二极管(photodiode)122及控制部123。在图12所示的波长转换装置中，对与图1所示的波长转换装置相同的结构标注相同符号，并省略说明。
分束器121反射由分离镜7分离的绿色光的一部分，并使另一部分透过。光电二极管122接受被分束器121反射的绿色光，并测量绿色光的输出。控制部123控制输入到红外光光源1的电流量，使得由光电二极管122测量的绿色光的输出为恒定。
因为波长转换元件3与加热器4的周边部被隔热部件5覆盖，所以可抑制加热波长转换元件3时的耗电。另外，通过光电二极管122测量谐波(绿色光)的输出，并通过控制部123对输入到红外光光源1的电流量进行控制，使得所测量的谐波的输出保持恒定。因此，可使谐波的输出变得稳定。
另外，在本实施例中，作为加热部使用的是加热器4，但本发明并不特别限定于此，也可使用珀尔帖元件。通过使用具有冷却功能的珀尔帖元件调节元件温度，可控制更稳定的输出。在使用珀尔帖元件调节元件温度的情况下，较为理想的是，将珀尔帖元件的表面设置在波长转换元件3上，用隔热部件5覆盖除了珀尔帖元件的背面以及波长转换元件3的光入射出射面11、12之外的部分。
另外，在本实施例中，因为可解决紫外光引起的绿色光吸收与避免光损伤这两个问题，所以可进一步提高元件内的光强度。对于波长转换元件而言，元件内的光强度越高，转换效率也越增加，因此，较为理想的是，使光强度达到作为晶体破坏的阈值的360W/mm2以上。
另外，通过将光强度设为720W/mm2以上，虽然也取决于红外光的输入或元件长度，但转换效率会进一步达到约两倍以上。
而且，较为理想的是，红外光光源1向波长转换元件3射出脉冲振荡的基波。通过使入射的基波发生脉冲振荡，可提高从基波转换成谐波的转换效率。
在脉冲光入射的情况下，相对于红外光及绿色光，产生的紫外光量增加，紫外光引起的绿色光吸收增加。因此，与连续波振荡相比，在低输出时便产生了晶体破坏。但是，根据本实施例，在减少了紫外光引起的绿色光的吸收的情况下，即使在发生脉冲振荡时，也可实现高输出波长转换。在使用了非线性光学晶体的波长转换中，由于元件内的光强度越高，转换效率越增加，因此，较为理想的是，将脉冲振荡的占空比设为50％以下，转换效率可达到约两倍以上。进而，通过将占空比设为30％以下，转换效率可达到约3倍。
(实施例2)
下面，说明如图13所示的通过使用多个波长转换元件而可实现更高效率的波长转换的波长转换装置。本实施例的结构是避免光损伤且减少光吸收以实现高输出的短波长光源的结构。通过减少光吸收，可大幅提高透过波长转换元件的基波及谐波的光束品质。其结果，可在利用本发明的激光光源的结构中大幅改善特性，下面对此进行说明。
图13是表示本发明实施例2所涉及的波长转换装置的结构的图。图13所示的波长转换装置包括红外光光源1、第1聚光透镜2、波长转换元件3、加热器4、隔热部件5、第2聚光透镜6、分离镜7、第3聚光透镜31、波长转换元件32、珀尔帖元件33、第4聚光透镜34及分离镜35。在图13所示的波长转换装置中，对与图1所示的波长转换装置相同的结构标注相同符号，并省略说明。
对于波长转换元件32而言，添加到铌酸锂中的物质、添加物的摩尔浓度、相位匹配温度及元件长度的至少其中之一与波长转换元件3不同。
另外，在本实施例中，波长转换元件3相当于第1波长转换元件的一例，波长转换元件32相当于第2波长转换元件的一例。
在未实施光吸收减小措施的以往的激光光源中，不仅在输出不稳定的数瓦的高输出时，在大约1W的输出水平时，也会产生光吸收引起的热透镜效应。因此，当输出为1W以上时，透过波长转换元件的基波及谐波的波面会变乱，光束品质发生劣化。因此，难以以较高的光束品质利用从波长转换元件输出的基波及谐波。而在本实施例的波长转换装置中，因可大幅减少光吸收，所以可抑制光束品质的劣化，从而可实现光束的高利用效率。下面说明具体例。
图13所示的波长转换装置的结构为，将从波长转换元件输出的谐波或基波的至少其中之一，通过波长转换元件再次波长转换为和频或谐波。在以往的结构中，当输出1W以上的谐波时，从第一波长转换元件输出的谐波及基波的光束品质已大幅地劣化，当通过第2波长转换元件进行波长转换时，效率已大幅度下降至理论效率的1/2以下。而本实施例的结构，示出了即使通过第2波长转换元件进行波长转换，转换效率也基本与理论效率一致，第一波长转换元件的光束品质几乎没有发生劣化。
在本实施例的波长转换装置中，由第3聚光透镜31将透过分离镜7的透射红外光10再次聚光到波长转换元件32内。此时，使晶体的极化方向与入射的透射红外光10的偏振方向一致。但第二段的波长转换元件32是采用添加有4.8mol％以上且5.2mol％以下的MgO的LN的准相位匹配波长转换元件，准相位匹配温度设为40℃左右。
当将射入第一段的波长转换元件3中的红外光的输出设为10W，将波长转换元件3、32的元件长度都设为25mm时，从第一段的波长转换元件3射出的绿色光9的输出约为4W，射入第二段的波长转换元件32的透射红外光10的输出约为6W。由此，在第二段的波长转换元件32内生成的绿色光36约为2W左右。较为理想的是，波长转换元件32在元件温度为30℃左右时，使用经常使用的添加有5.0mol％的MgO的LN。
这样，第二段的波长转换元件32通过使用添加有比Sc2O3更廉价的MgO或ZnO的LN，则比第一段的波长转换元件3更廉价。而且，在添加MgO的情况下，与添加物的摩尔浓度被设在4.8mol％以上且不足5.0mol％的范围内的情况相比，通过将摩尔浓度的允许范围增大至以5.0mol％为中心的4.8mol％以上且5.2mol％以下的程度，可提高晶体成长的产出(crystal growth yield)，实现更廉价的波长转换元件。另外，通过将波长转换元件32设计成准相位匹配温度达到40℃左右，还可减少用于元件加热的电力。
由于第二段的波长转换元件32接近于室温，所以较为理想的是使用具有冷却功能的珀尔帖元件33来调节温度，使射出的绿色光与红外光通过第4聚光透镜34，并由分离镜35抽出绿色光36。本实施例的波长转换装置可从10W的红外光中获得约6W的绿色光。同样地，对于使用了三个以上的波长转换元件的波长转换装置而言，也可通过根据生成的绿色光的输出而改变波长转换元件的材质及相位匹配温度的设计，实现高输出、高效率且廉价的波长转换装置。
另外，通过将波长转换元件3的元件长度设成短于波长转换元件32，可使第一段的波长转换元件3所生成的绿色光9的输出与第二段的波长转换元件32所生成的绿色光36的输出为相同程度，当使用波长转换装置作为显示器用光源时，能够以更简单的结构确保面内的光均匀性。
另外，在本实施例中，仅让红外光射入波长转换元件32中，但本发明并不特别限定于此，可以由波长转换元件3将作为基波的红外光和由基波转换而成的谐波即绿色光一起射出至波长转换元件32，也可由波长转换元件32产生基波与谐波的和频。此时，波长转换装置的结构是从图13的波长转换装置中除去了分离镜7的结构。
本波长转换装置减少了紫外光引起的绿色光吸收，但较为理想的是晶体内的紫外光及绿色光的光强度低。较为理想的是，在波长转换元件3的光出射面12涂上至少防止作为基波的红外光、作为第二谐波的绿色光以及作为第三谐波的紫外光反射的反射防止涂层。这样，可减少红外光及绿色光在光出射面12上的透射损失，并且可减小波长转换元件3内的紫外光及绿色光的光强度。
另外，在本波长转换装置中，较为理想的是，在波长转换元件3、32的光入射面11、38涂上至少防止作为基波的红外光反射的反射防止涂层。这样，可减少基波在光入射面11、38上的透射损失，从而可实现更高效率的波长转换。
而且，较为理想的是，在波长转换元件32的光出射面39涂上至少防止作为第二谐波的绿色光、作为第三谐波的紫外光反射的反射防止涂层。这样，可减少绿色光在光出射面39上的透射损失，并且可减小波长转换元件32内的紫外光及绿色光的光强度。
另外，在本实施例的波长转换装置中，通过多个波长转换元件反复地对谐波或基波进行波长转换，此外，波长转换装置也可具备引导光的光纤，将从波长转换元件输出的基波或谐波输入到光纤中。由于从本实施例的波长转换元件射出的光的输出光束的品质劣化小，所以可高效率地与光纤激光耦合。
(实施例3)
在实施例1的波长转换装置中，通过波长转换元件3将基波转换成谐波，但在作为内部共振器型的波长转换装置而加以利用时也是有效的。在实施例3中，对使用实施例1所示的波长转换元件的共振器型波长转换装置进行说明。
图14是表示本发明实施例3所涉及的波长转换装置的结构的图。图14所示的波长转换装置包括半导体激光芯片41、固体激光器(solid-state laser)42、波长转换元件43、加热器44及凹面镜45。
半导体激光芯片41生成具有808nm的波长的激光49，并向固体激光器42射出所生成的激光49。固体激光器42采用Nd:YVO4等，由激光49激发产生具有1064nm的波长的激光50。
在固体激光器42的入射面46和凹面镜45内侧的面48涂上1064nm的HR涂层(HR-coating)，使激光共振。此外，在凹面镜45与固体激光器42之间设置波长转换元件43，波长转换元件43射出具有532nm的波长的激光51。此时，在固体激光器42的出射面47、波长转换元件43的光入射面52及光出射面53涂上1064nm的AR涂层(AR-coating)，在固体激光器42的出射面47涂上532nm的HR涂层，在固体激光器42的入射面46涂上808nm的AR涂层。另外，还在凹面镜45的两个端面涂上532nm的AR涂层。
波长转换元件43采用包含Mg、In、Zn及Sc中的至少任一种的LN或LT的非线性光学晶体。非线性光学晶体具有周期状的极化反转结构。加热器44将波长转换元件43加热到40℃以上。
在以往的内部共振器型的波长转换装置中，由于透过波长转换元件的基波及谐波的光束品质的劣化，导致共振器内部的光损失增大，转换效率下降。而如果使用本实施例3的结构，则可大幅减少非线性光学晶体的光吸收。其结果，可抑制共振器内部的光束品质劣化，即使在高输出时，也可实现高效率的转换特性。
此外，在本实施例中，半导体激光芯片41相当于泵浦激光器的一例，固体激光器42相当于激光介质的一例，凹面镜45及固体激光器42的入射面46相当于一对共振器镜的一例。
本实施例3的波长转换装置即使在将波长转换元件43的元件长度缩短到3mm以下的情况下，也可获得高转换效率。此时，因为可确保±4℃以上的较大的温度允许范围，所以，本实施例的结构对于在装置内温度的变化剧烈而需要严格地控制温度的图像显示装置内部使用波长转换装置的情况是特别理想的。
另外，当将元件长度设为1mm以下时，可获得±12℃以上的较大的温度允许范围，因此更为理想。而且，本实施例3的波长转换装置可实现光源尺寸的小型化，适合于便携式图像显示装置。
此外，在本实施例3中，波长转换元件43内的1064nm的红外光的光强度较高，UVIGA率的减小则变得更为重要。为了使用本实施例3的波长转换装置获得图像显示装置所需要的0.5W以上的绿色光输出，需要使UVIGA率为7％以下。当UVIGA率为7％以上时，因为会产生波长转换元件43内的发热造成的热失控，所以难以控制温度。当UVIGA率为5％以下时，由于可生成1W以上的绿色光，因此更为理想。
(实施例4)
在实施例4中，说明使用从图1的波长转换装置获得的绿色光的扫描型的图像显示装置。图15是表示本发明实施例4所涉及的图像显示装置的结构的图。图15所示的图像显示装置包括红色激光光源61、蓝色激光光源62、绿色激光光源63、分色镜(dichroicmirror)64、65及二维扫描镜66。
如图15所示，将红色激光光源61、蓝色激光光源62及绿色激光光源63作为光源。这里，使用图1所示的激光波长转换装置作为绿色激光光源63。红色、蓝色及绿色的激光通过分色镜64、65而合成。二维扫描镜66将激光扫描在屏幕67上来显示图像。
对于图像显示装置，正确的激光位置和小光束直径是必要的。在本实施例中，减少了紫外光引起的绿色光吸收，从而可防止产生以往所产生的热透镜效应。因此，光束直径稳定，也适合于如上所述需要小光束直径的图像显示装置。此外，当应用于医疗等用途让出射光射入到光纤中时，由于可减小因射出绿色光的热透镜造成的光束劣化，因此，还可提高射入到光纤中的效率。
另外，要求图像显示装置实现约1秒至2秒的快速启动。即，使用波长转换装置的绿色激光光源63需要在1秒至2秒左右将元件温度加热到最佳温度(相位匹配温度)并保持稳定。因此，较为理想的是，如图16所示，将波长转换元件71加工得较细，尽可能地使加热器73与光束通道接近。例如，当将加热器73的加热功率设为4W时，在长度为25mm的波长转换元件的情况下，通过将垂直于光束通道的剖面积设为2mm2以下，从20℃加热到80℃时的启动时间约为2秒。进一步，通过将剖面积设为1mm2以下，可实现约1秒的启动速度。
另外，在本实施例中，在启动时，波长转换元件的温度必须急剧上升。根据我们的独立调查得知，形成有极化反转结构的非线性光学晶体因温度变化的影响，其晶体内的红外光及绿色光的线性吸收率会增加，较为理想的是采取如下所述的对策。
即，较为理想的是，如图16所示，用绝缘性物质72覆盖除波长转换元件71的光入射面及光出射面以外的波长转换元件71的侧面，且较为理想的是，用绝缘性物质72覆盖至少与极化方向所成的角度为90°±10的面(包含+Z面及-Z面)。这样，即使有温度变化，也可抑制波长转换元件71内的光吸收率的增加。
另外，较为理想的是，绝缘性物质72的电阻率为1×108Ω·cm以上。这样，即便用于频繁地使波长转换元件71的温度发生变化的显示器用途中时，也可抑制光吸收率的增加。
另外，由于以溅镀成膜堆叠而成的薄膜在成膜过程中会混入杂质，因此，当施加了直流电场(DC electric field)时会产生导致电荷在膜内移动的DC漂移(DC drift)，光吸收抑制效果不充分。因此，较为理想的是，在绝缘性物质72中不会产生DC漂移。绝缘层最好是不通过溅镀成膜形成，而是通过不会产生DC漂移的化学气相沉积(CVD：ChemicalVapor Deposition)法等形成。另外，绝缘层也可以通过粘贴更加易于制作的绝缘片而形成。
另外，例如，在将具有波长转换元件71的可见光光源用于显示器的情况下，更为理想的是，减小波长转换元件71的温度变化。如果使用中的波长转换元件的温度为50℃，则最好使其温度在待机过程中也为50℃，在此情况下，为了减少待机时的耗电，最好用隔热部件74将波长转换元件71、绝缘性物质72及加热器73全部覆盖。
另外，当待机时间比使用时间更长时，最好让使用中的波长转换元件71的温度接近于常温。即，如果是在室温接近平均25℃的室内使用的装置，那么将待机时的温度调节到25℃，即使是在使用中装置内要达到50℃的装置，也将其冷却到25℃后使用。这样，虽然使用时的耗电增加，但是可减少待机时的耗电。
在此情况下，较为理想的是，加热器73将待机中的波长转换元件71的温度恒定地保持在接近于室内温度的10℃以上且30℃以下的范围内。这样，可减少待机时的耗电。
另外，在用于显示器时，较为理想的是，使待机时与使用时的温度差在50℃以下。这样，一般认为可承受1000次以上的接通/断开。更为理想的是，使待机时与使用时的温度差在30℃以下。这样，一般认为可承受10000次以上的接通/断开。
另外，波长转换装置除了用于将图像投影到屏幕上的图像显示装置之外，还可以用于从屏幕背后投影图像的图像显示装置(实时投影显示器)或普通的液晶显示元件的背光等。在这些图像显示装置中，也可同样地提高色再现性。
本实施例的波长转换元件71减小了生成绿色光时所产生的热透镜效应造成的光束劣化，从而可生成扫描型的激光投影仪所需要的高品质的激光。另外，本实施例的波长转换元件71还减小了光吸收造成的输出的不稳定，从而可生成显示器用途所需要的输出稳定的光。
而且，本实施例的波长转换元件71还可减小光吸收造成的晶体破坏，可抑制对晶体施加最大负荷的启动时所产生的晶体破坏，可以说是适合于接通/断开的切换频率较高的显示器用的波长转换元件。
作为用于二维图像显示的绿色光的波长范围，488nm至550nm的范围较为理想，而500nm至540nm的范围更为理想。另外，在作为实时投影显示器的光源使用时或作为液晶显示元件的背光使用时，为了增大视角，需要增大光源输出。在此情况下，分别需要2.5W以上，最好是3W以上的红色、蓝色及绿色的激光光源。
另外，较为理想的是，波长转换元件形成有周期为10μm以下的周期性极化反转结构。这样，可高效率地获得使用激光光源的显示器所需要的可见光。
(实施例5)
图17是表示实施例5所涉及的图像显示装置的结构的图，该图像显示装置使用了具备实施例1至3中所示的波长转换装置的背光照明装置。在图17中，表示了液晶显示装置80的示意性结构图来作为这种图像显示装置的一例。
图17所示的液晶显示装置80包括液晶显示面板86和从背面一侧对液晶显示面板86进行照明的背光照明装置81。而且，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、绿色及蓝色的光的光源。即，多个激光光源82包括射出红色激光的红色激光光源82a、射出绿色激光的绿色激光光源82b及射出蓝色激光的蓝色激光光源82c。
采用AlGaInP/GaAs系材料的射出波长为640nm的红色光的半导体激光装置被用来作为红色激光光源82a，采用GaN系材料的射出波长为450nm的蓝色光的半导体激光装置被用来作为蓝色激光光源82c。而绿色激光光源82b包含将红外光转换成绿色光的波长转换装置822，射出波长为530nm的绿色光。此外，波长转换装置822使用上述的实施例1至3中所示的波长转换装置。
下面进一步说明本实施例5的液晶显示装置80的结构。液晶显示面板86包括利用从背光照明装置81射出的红色光、绿色光及蓝色光的各激光进行图像显示的偏振板87和液晶板88。图16(应为17)所示的本实施例5的背光照明装置81包括多个激光光源82、光纤83及导光板85，该光纤83将来自多个激光光源82的红色光、绿色光及蓝色光的激光通过导光部84全部引导至导光板85，该导光板85从被由导光部84导入的红色光、绿色光及蓝色光均匀布满的主面(未图示)射出激光。
如此，在本实施例5的液晶显示装置80中，通过使用本发明的实施例1至3中所示的波长转换装置作为背光照明装置81的激光光源部，可以抑制光损伤，并且可减少紫外光引起的可见光的吸收。
(实施例6)
通过将上述的实施例1至3的波长转换元件用于通过照射激光来加工对象物的加工装置，可发挥更大的效果。图18是表示本发明实施例6所涉及的激光加工装置的结构的图。图18所示的激光加工装置90包括激光光源91、聚光透镜92、光纤93及加工头94。
激光光源91使用上述的实施例1至3中所示的波长转换装置。聚光透镜92将从激光光源91射出的激光聚光到柔韧的光纤93的入射面。光纤93是纤芯直径较大的多模光纤(multi-mode optical fiber)，可将激光传输到加工对象95附近。另外，光纤93的纤芯直径可配合从激光光源91输出的激光的光束品质加以设定。加工头94具有多个光学透镜，可将激光聚光在加工对象95上，形成小的圆形光点。
如此，在本实施例6的激光加工装置90中，通过使用本发明的实施例1至3中所示的波长转换装置作为激光光源，可以抑制光损伤，并且可减少紫外光引起的可见光的吸收。
在加工用途中，让脉冲振荡的占空比为2％以下且峰值光强度超过1kW的高峰值强度的红外光入射。因此，所产生的绿色光的光强度也高，由于紫外光的产生量增大，所以紫外光引起的绿色光吸收也尤其增大。因此，波长转换时所产生的热透镜效应和伴随热透镜效应的光束劣化与连续波振荡的情况相比，变得更大。
另外，当对用于加工用途的脉冲宽度为100ns以下的较窄的脉冲激光进行波长转换时，所产生的热透镜效应的透镜光学能力(lens power)从脉冲上升到脉冲下降而逐渐地增大。这意味着从脉冲激光的前半到后半，聚光位置逐渐地变化。
在加工用途中，因为要求将光束在加工对象面上聚光成很小的光点，所以在脉冲激光的前半与后半，聚光位置会改变，这成为加工性能上的致命的问题。在本实施例中，因为抑制了吸收量随着光强度的增大而增大的由紫外光引起的绿色光吸收，所以通过用在加工用途中，可实现加工性能高的激光光源。
在上述具体实施例中，主要包含具有以下结构的发明。
本发明所提供的波长转换装置包括：射出具有2000nm以下的波长的基波的基波光源；采用具有周期状的极化反转结构的非线性光学晶体，将从所述基波光源射出的基波转换成谐波的波长转换元件；以及加热所述波长转换元件的加热部，其中，所述极化反转结构的周期被设计成使基波与谐波的准相位匹配的温度在40℃以上，所述加热部将所述波长转换元件加热到所述准相位匹配成立的温度，所述非线性光学晶体以含有Mg、In、Zn及Sc中的至少任一种添加物的铌酸锂或钽酸锂为主成分。
根据该结构，由于在以含有Mg、In、Zn及Sc中的至少任一种添加物的铌酸锂或钽酸锂为主成分的非线性光学晶体中，形成有周期状的极化反转结构，并在将非线性光学晶体加热到40℃以上的状态下进行波长转换，因此可抑制光损伤，并且可减少紫外光引起的可见光的吸收。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，所述非线性光学晶体是添加有摩尔浓度为5.0mol％以上的MgO的铌酸锂，所述加热部将所述非线性光学晶体加热到80℃以上。
根据该结构，对于添加有摩尔浓度为5.0mol％以上的MgO的铌酸锂，通过在80℃以上的高温下使相位匹配条件成立并进行波长转换，可减少紫外光引起的可见光的吸收，从而可稳定地输出高输出的短波长光。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，所述非线性光学晶体是添加有摩尔浓度为4.8mol％以上且不足5.0mol％的MgO的铌酸锂。
根据该结构，通过稍微降低Mg的添加量，并添加摩尔浓度为4.8mol％以上且不足5.0mol％的MgO，很明显减少光吸收的晶体温度急剧下降，耐受性从大约40℃起提高。如果不足4.8mol％，那么输出会因光损伤而变得不稳定，因此，为了在高输出下稳定地加以利用，通过添加4.8mol％以上且不足5.0mol％的MgO，并在40℃以上的温度下使相位匹配条件成立，可以稳定地输出高输出的短波长光。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，所述非线性光学晶体是添加有摩尔浓度为1.2mol％以上的Sc2O3的铌酸锂。
根据该结构，对于添加有摩尔浓度为1.2mol％以上的Sc2O3的铌酸锂，通过在40℃以上的温度下使相位匹配条件成立，可同时实现光损伤的抑制和光吸收的减少。而且，与添加Mg的情况相比，由于可在添加量的较大的范围内维持高输出特性，因此容易控制添加量，可降低晶体的制造成本。另外，添加有Sc的晶体即使在低温下，其高输出耐受性也很优异，因此可在80℃以下使用。如果在80℃以下使相位匹配条件成立，那么与在100℃以上使相位匹配条件成立的情况相比，由于折射率分散的温度依赖性，可将相位匹配条件成立的温度允许度扩大10％左右。因此，即使温度发生波动，也可实现更稳定的特性。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，所述非线性光学晶体以铌酸锂为主成分，在含有Sc的同时还含有Mg、In及Zn中的至少任一种添加物，所述添加物的摩尔浓度的合计不足5.0mol％。
根据该结构，当在铌酸锂或钽酸锂中添加Sc、以及Mg、Zn或In时，可通过实验推测出抑制光损伤所需要的添加物的摩尔浓度的边界、以及产生光吸收的添加物的摩尔浓度的边界存在于5.0mol％左右的区域中。
即，提高光损伤的耐受性所需要的添加物的量必须大于5.0mol％左右，为了在低温下减少光吸收，必须使添加物的量小于5.0mol％左右。在Mg的情况下，满足两个条件的区域存在于4.8mol％至5.0mol％之间。另一方面，Sc是3价离子，以其他添加物的约一半的量就可减少光损伤。因此，在Sc的情况下，满足光损伤的抑制和光吸收的减少的区域存在于2.4mol％至5.0mol％之间。因此，通过将Sc与Mg、Zn及In中的至少任一种添加物混合，可使减少光损伤的添加物的摩尔浓度合计为5.0mol％以下，可容易地实现光吸收的减少。
另外，因为Sc昂贵，所以通过与其他添加物混合地使用，可降低晶体成本。另外，通过在Mg等添加物中混合少量Sc，可降低Mg的摩尔浓度，因此，可降低晶体所含的添加物的量，从而可改善晶体性。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，所述波长转换元件包括：采用铌酸锂的第1波长转换元件；以及在铌酸锂中添加的物质、添加物的摩尔浓度、相位匹配温度及元件长度中的至少其中之一与所述第1波长转换元件不同的第2波长转换元件。
根据该结构，从采用铌酸锂的第1波长转换元件射出的基波射入第2波长转换元件中，该第2波长转换元件的添加在铌酸锂中的物质、添加物的摩尔浓度、相位匹配温度及元件长度中的至少其中之一与第1波长转换元件不同。接着，输出由第1波长转换元件转换而成的谐波和由第2波长转换元件转换而成的谐波。
因此，即使在通过第2波长转换元件进行波长转换时，也可使转换效率大致与理论效率一致，从而可抑制光束品质的劣化，并可稳定地输出高输出的短波长光。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，所述波长转换元件至少包括采用铌酸锂的第1波长转换元件、和与所述第1波长转换元件不同的第2波长转换元件，所述第1波长转换元件将所述基波和从所述基波转换而成的谐波一起射出至所述第2波长转换元件，所述第2波长转换元件产生所述基波与所述谐波的和频。
根据该结构，透过第1波长转换元件的基波、和由第1波长转换元件转换而成的谐波一起射入第2波长转换元件中。接着，通过第2波长转换元件产生基波与谐波的和频。因此，可生成从第1波长转换元件射入的基波与谐波的和频。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，在所述波长转换元件内的基波所通过部分，极化反转部占元件整体的比例为45％以上且55％以下。
根据该结构，通过将波长转换元件设计成，在波长转换元件内的基波所通过的部分，极化反转部占元件整体的比例为45％以上且55％以下，可抑制基波与谐波的和频的产生。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，所述波长转换元件的剖面积为2mm2以下。根据该结构，通过将波长转换元件的剖面积设计成2mm2以下，可在启动时使波长转换元件的温度急剧上升。
另外，较为理想的是，上述波长转换装置还包括与所述波长转换元件的至少+Z面和-Z面接触的绝缘性物质。根据该结构，因为绝缘性物质与波长转换元件的至少+Z面和-Z面接触，所以即使温度发生变化，也可抑制波长转换元件内的光吸收率的增加。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，所述绝缘性物质的电阻率为1×108Ω·cm以上。根据该结构，通过将绝缘性物质的电阻率设为1×108Ω·cm以上，即使当波长转换装置被用于频繁地使波长转换元件的温度发生变化的显示器用途中时，也可抑制光吸收率的增加。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，在所述绝缘性物质中不产生DC漂移。根据该结构，因为在绝缘性物质中不产生DC漂移，所以可抑制光吸收率的增加。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，所述绝缘性物质为由CVD法形成的绝缘层。根据该结构，通过利用由CVD法所形成的绝缘层构成绝缘性物质，可抑制DC漂移的产生。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，所述加热部将待机时的所述波长转换元件的温度恒定地保持在10℃以上且30℃以下的范围内。根据该结构，因为待机时的波长转换元件的温度被恒定地保持在接近于室内温度的10℃以上且30℃以下的范围内，所以可抑制待机时的耗电。
另外，较为理想的是，上述波长转换装置还包括：覆盖所述波长转换元件与所述加热部的周边部的隔热部件；测量所述谐波的输出的测量部；以及控制输入到所述基波光源的电流量，使得由所述测量部测量的所述谐波的输出保持恒定的控制部。
根据该结构，因为波长转换元件与加热部的周边部被隔热部件所覆盖，所以可抑制加热波长转换元件时的耗电。另外，通过测量部测量谐波的输出，并通过控制部控制输入到基波光源中的电流量，使得所测量的谐波的输出保持恒定。因此，可使谐波的输出稳定。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，所述基波光源射出具有800nm至1200nm的波长的基波，所述波长转换元件将所述基波转换成第二谐波，并且上述波长转换装置还包括设置在所述波长转换元件的光入射面用来防止所述基波反射的第1反射防止膜、以及设置在所述波长转换元件的光出射面用来防止第二谐波和第三谐波反射的第2反射防止膜。
根据该结构，由基波光源射出具有800nm至1200nm的波长的基波，通过波长转换元件基波被转换成第二谐波。接着，通过设置在波长转换元件的光入射面的第1反射防止膜，基波的反射得以防止，通过设置在波长转换元件的光出射面的第2反射防止膜，第二谐波和第三谐波地反射得以防止。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，所述基波光源射出具有400nm至800nm的波长的基波，所述波长转换元件将所述基波转换成第二谐波，并且上述波长转换装置还包括设置在所述波长转换元件的光入射面用来防止所述基波反射的第1反射防止膜、以及设置在所述波长转换元件的光出射面上用来防止所述基波和所述第二谐波反射的第2反射防止膜。
根据该结构，由基波光源射出具有400nm至800nm的波长的基波，通过波长转换元件基波被转换成第二谐波。接着，通过设置在波长转换元件的光入射面的第1反射防止膜，基波的反射得以防止，通过设置在波长转换元件的光出射面的第2反射防止膜，基波和第二谐波的反射得以防止。
因此，可减少基波在波长转换元件的光入射面的透射损失，从而可实现更高效率的波长转换。另外，可减少第二谐波在波长转换元件的光出射面的透射损失，并且可减小元件内的基波及第二谐波的光强度。
因此，可减少基波在波长转换元件的光入射面的透射损失，从而可实现更高效率的波长转换。另外，可减少第二谐波在波长转换元件的光出射面的透射损失，并且可减小元件内的第二谐波及第三谐波的光强度。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，所述基波光源包含泵浦激光器和激光介质，上述波长转换装置还包括一对共振器镜，所述激光介质和所述波长转换元件被设置在所述一对共振器镜内部，所述激光介质由所述泵浦激光器激发而产生所述基波，所述基波在所述一对共振器镜内部，通过所述波长转换元件而被波长转换。
根据该结构，因为由一对共振器镜使激光共振，所以可提高从基波转换成谐波的转换效率，可缩短波长转换元件的长度，从而可实现装置的小型化。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，所述波长转换元件内的光强度超过360W/mm2。根据该结构，通过使波长转换元件内的光强度大于360W/mm2，可提高从基波转换成谐波的转换效率。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，所述基波光源向所述波长转换元件射出脉冲振荡的基波。根据该结构，因为向波长转换元件射出脉冲振荡的基波，所以可提高元件内的光强度，并可提高从基波转换成谐波的转换效率。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，由所述基波光源脉冲振荡的基波的占空比为50％以下。根据该结构，通过将脉冲振荡的基波的占空比设为50％以下，可提高从基波转换成谐波的转换效率。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，所述非线性光学晶体以铌酸锂为主成分，且含有Sc、Mg、In及Zn中的至少任意两种添加物，所述添加物的摩尔浓度的合计不足5.0mol％，所述加热部将所述非线性光学晶体加热到80℃以下。
根据该结构，以铌酸锂为主成分的非线性光学晶体含有Sc、Mg、In及Zn中的至少任意两种添加物。而且，非线性光学晶体被设计成Sc、Mg、In及Zn中的至少任意两种添加物的摩尔浓度的合计不足5.0mol％，并且非线性光学晶体被加热到80℃以下。在此情况下，可抑制光损伤，并且可减少光吸收。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，所述非线性光学晶体以铌酸锂为主成分，在含有Sc的同时还含有Mg、In及Zn中的至少任一种添加物，所述Sc的摩尔浓度的二倍与Mg、In及Zn中的至少任一种的摩尔浓度的合计为4.8mol％以上，所述加热部将所述非线性光学晶体加热到80℃以下。
根据该结构，以铌酸锂为主成分的非线性光学晶体在含有Sc的同时还含有Mg、In及Zn中的至少任一种添加物。而且，非线性光学晶体被设计成Sc的摩尔浓度的二倍与Mg、In及Zn中的至少任一种的摩尔浓度的合计为4.8mol％以上，非线性光学晶体被加热到80℃以下。在此情况下，可抑制光损伤，并且可减少光吸收。
另外，在上述波长转换装置中，较为理想的是，铌酸锂晶体的Li/(Li+Nb)比率为0.484至0.500。根据该结构，由于在Li/(Li+Nb)比率为0.484至0.500的铌酸锂晶体中，通过例如添加4.5mol％以上的Mg可减少光损伤，因此可实现低温下的波长转换。
本发明所涉及的图像显示装置包括将基波转换成谐波的如上所述的波长转换装置、屏幕、以及利用通过所述波长转换装置而被转换成谐波的激光在所述屏幕上形成图像的光学系统。
根据该结构，由于在以含有Mg、In、Zn及Sc中的至少任一种添加物的铌酸锂或钽酸锂为主成分的非线性光学晶体中，形成有周期状的极化反转结构，并在将非线性光学晶体加热到40℃以上的状态下进行波长转换，因此，可以提供可以抑制光损伤并且可减少紫外光引起的可见光的吸收的图像显示装置。
本发明所涉及的图像显示装置包括液晶显示面板、及将基波转换成谐波且从背面一侧照明所述液晶显示面板的上述波长转换装置。
根据该结构，由于在以含有Mg、In、Zn及Sc中的至少任一种添加物的铌酸锂或钽酸锂为主成分的非线性光学晶体中，形成有周期状的极化反转结构，并在将非线性光学晶体加热到40℃以上的状态下进行波长转换，因此，可提供可以抑制光损伤并且可减少紫外光引起的可见光的吸收的图像显示装置。
本发明所涉及的加工装置包括将基波转换成谐波的上述波长转换装置、及用于将从所述波长转换装置输出的激光聚光到加工对象上的加工头。
根据该结构，由于在以含有Mg、In、Zn及Sc中的至少任一种添加物的铌酸锂或钽酸锂为主成分的非线性光学晶体中，形成有周期状的极化反转结构，并在将非线性光学晶体加热到40℃以上的状态下进行波长转换，因此，可提供可以抑制光损伤并且可减少紫外光引起的可见光的吸收的加工装置。
产业上的利用可能性
本发明所涉及的波长转换装置、图像显示装置及加工装置可以从具有极化反转结构的非线性光学晶体中获得高输出、高效率的谐波。另外，当输出绿色光作为第二谐波时，可实现绿色光源的小型化，对于光源紧凑且需要高输出的液晶电视的背光、投影电视及投影仪等是有用的。

Claims (28)

1.一种波长转换装置，其特征在于包括：
基波光源，射出具有2000nm以下的波长的基波；
波长转换元件，采用具有周期状的极化反转结构的非线性光学晶体，将从所述基波光源射出的基波转换成谐波；以及
加热部，加热所述波长转换元件，其中，
所述极化反转结构的周期，被设计成使基波与谐波的准相位匹配的温度在40℃以上，
所述加热部，将所述波长转换元件加热到所述准相位匹配成立的温度，
所述非线性光学晶体，以含有Mg、In、Zn及Sc中的至少任一种添加物的铌酸锂或钽酸锂为主成分。
2.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：
所述非线性光学晶体为添加有摩尔浓度为5.0mol％以上的MgO的铌酸锂，
所述加热部将所述非线性光学晶体加热到80℃以上。
3.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：所述非线性光学晶体为添加有摩尔浓度为4.8mol％以上且不足5.0mol％的MgO的铌酸锂。
4.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：所述非线性光学晶体为添加有摩尔浓度为1.2mol％以上的Sc2O3的铌酸锂。
5.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：
所述非线性光学晶体以铌酸锂为主成分，在含有Sc的同时还含有Mg、In及Zn中的至少任一种添加物，
所述添加物的摩尔浓度的合计不足5.0mol％。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换元件至少包括：
采用铌酸锂的第1波长转换元件；和
在铌酸锂中添加的物质、添加物的摩尔浓度、相位匹配温度及元件长度的至少其中之一与所述第1波长转换元件不同的第2波长转换元件。
7.根据权利要求2至5中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：
所述波长转换元件至少包括采用铌酸锂的第1波长转换元件和与所述第1波长转换元件不同的第2波长转换元件，其中，
所述第1波长转换元件将所述基波和由所述基波转换而成的谐波一起射出至所述
第2波长转换元件，
所述第2波长转换元件产生所述基波与所述谐波的和频。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：在所述波长转换元件内的基波所通过部分，极化反转部占元件整体的比例为45％以上且55％以下。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：所述波长转换元件的剖面积为2mm2以下。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的波长转换装置，其特征在于还包括：与所述波长转换元件的至少+Z面和-Z面接触的绝缘性物质。
11.根据权利要求10所述的波长转换装置，其特征在于：所述绝缘性物质的电阻率为1×108Ω·cm以上。
12.根据权利要求11所述的波长转换装置，其特征在于：在所述绝缘性物质中不产生DC漂移。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：所述绝缘性物质为由CVD法形成的绝缘层。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：所述加热部将待机时的所述波长转换元件的温度恒定地保持在10℃以上且30℃以下的范围内。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的波长转换装置，其特征在于还包括：
隔热部件，覆盖所述波长转换元件与所述加热部的周边部；
测量部，测量所述谐波的输出；以及
控制部，控制输入到所述基波光源的电流量，使得由所述测量部测量的所述谐波的输出保持恒定。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：
所述基波光源射出具有800nm至1200nm波长的基波，
所述波长转换元件将所述基波转换成第二谐波，
所述波长转换装置还包括：
设置在所述波长转换元件的光入射面上用来防止所述基波反射的第1反射防止膜；和
设置在所述波长转换元件的光出射面上用来防止第二谐波和第三谐波反射的第2反射防止膜。
17.根据权利要求1至15中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：
所述基波光源射出具有400nm至800nm波长的基波，
所述波长转换元件将所述基波转换成第二谐波，
所述波长转换装置还包括：
设置在所述波长转换元件的光入射面用来防止所述基波反射的第1反射防止膜；和
设置在所述波长转换元件的光出射面用来防止所述基波和所述第二谐波反射的第2反射防止膜。
18.根据权利要求1至15中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：
所述基波光源包含泵浦激光器和激光介质，
所述波长转换装置还包括一对共振器镜，其中，
所述激光介质和所述波长转换元件被设置在所述一对共振器镜内部，
所述激光介质由所述泵浦激光器激发而产生所述基波，
所述基波，在所述一对共振器镜内部由所述波长转换元件而被波长转换。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：所述波长转换元件内的光强度超过360W/mm2。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：所述基波光源向所述波长转换元件射出脉冲振荡的基波。
21.根据权利要求20所述的波长转换装置，其特征在于：由所述基波光源脉冲振荡的基波的占空比为50％以下。
22.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：
所述非线性光学晶体以铌酸锂为主成分，含有Sc、Mg、In及Zn中的至少任意两种添加物，
所述添加物的摩尔浓度的合计不足5.0mol％，
所述加热部将所述非线性光学晶体加热到80℃以下。
23.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：
所述非线性光学晶体以铌酸锂为主成分，在含有Sc的同时还含有Mg、In及Zn中的至少任一种添加物，
所述Sc的摩尔浓度的二倍与Mg、In及Zn中的至少任一种的摩尔浓度的合计为4.8mol％以上，
所述加热部将所述非线性光学晶体加热到80℃以下。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的波长转换装置，其特征在于：铌酸锂晶体的Li/(Li+Nb)的比率为0.484至0.500。
25.一种图像显示装置，其特征在于包括：
将基波转换成谐波的如权利要求1至24中任一项所述的波长转换装置；
屏幕；以及
利用通过所述波长转换装置而被转换成谐波的激光在所述屏幕上形成图像的光学系统。
26.一种图像显示装置，其特征在于包括：
液晶显示面板；和
将基波转换成谐波且从背面一侧照明所述液晶显示面板的如权利要求1至24中任一项所述的波长转换装置。
27.根据权利要求25或26所述的图像显示装置，其特征在于：所述波长转换装置生成具有488nm至550nm波长的3瓦以上的绿色光。
28.一种加工装置，其特征在于包括：
将基波转换成谐波的如权利要求1至24中任一项所述的波长转换装置；和
用于将从所述波长转换装置输出的激光聚光到加工对象上的加工头。
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