CN102308445A - 波长转换激光光源、光学元件以及图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种波长转换激光光源，包括：用于产生基波光的固体激光介质；将所述基波光转换为频率高于所述基波光的第二谐波光的波长转换元件；以及与该波长转换元件相接触的导电性材料，该波长转换元件具备形成有多个极化反转区域的极化反转结构和与所述极化反转区域垂直相交的第一侧面，所述导电性材料与所述第一侧面相接触。

Description

波长转换激光光源、光学元件以及图像显示装置
技术领域
本发明涉及一种利用非线性光学效应对激光光源发出的激光进行波长转换的波长转换激光装置。
背景技术
用于获得可见激光或紫外激光的各种波长转换激光光源正在得到开发和实用化。这种波长转换激光光源例如通过利用非线性光学效应的波长转换，将从Nd:YAG激光器或Nd:YVO4激光器发出的光转换为作为可见光的绿色光。或者，波长转换激光光源将转换后的绿色光进一步转换为紫外光。这些可见激光或紫外激光用于例如物质的激光加工或激光显示器等的光源等。
这种激光光源包括Nd:YVO4等固体激光介质与铌酸锂等波长转换元件。专利文献1至3提出了具备不使用粘合剂而光学接合的固体激光介质以及波长转换元件的微芯片型的波长转换激光光源(光学接触型(optical contact-type)的波长转换激光光源)。微芯片型的波长转换激光光源的输出最大也仅为10mW左右。微芯片型的波长转换激光光源例如作为激光指向器(laser pointer)或瞄准器(collimator)用的光源加以使用。
专利文献1的微芯片型的波长转换激光光源以提高固体激光介质与波长转换元件的光学接合的制造成品率为目的。专利文献1为了实现该目的，提出扩大固体激光介质与波长转换元件的接合面积的方案。
专利文献2的微芯片型的波长转换激光光源具备设置在固体激光介质与波长转换元件的分界面上的光学薄膜。专利文献2提出用于抑制光的散射的固体激光介质与波长转换元件的接合方法。根据现有文献，需要尽可能地减少在固体激光介质与波长转换元件的分界面(接合面)上的传播的光的散射和损失。
如果激光长时间射入组合固体激光介质与波长转换元件而形成的光学元件，从光学元件输出的激光的输出随着时间的经过而降低。
图50是说明上述激光的输出降低的问题的标绘图。用图50说明激光的输出降低。
图50的标绘图的纵轴表示来自光学元件的激光输出强度(高谐波输出)。图50的标绘图的横轴表示光学元件的驱动时间。图50例示具备处于光学接触的固体激光元件及波长转换元件的光学元件的特性。为了得到图50的标绘图而使用的光学元件对从外部射入的激励激光进行波长转换，并输出绿色激光。
根据图50的标绘图，绿色激光输出的降低从光学元件射出绿色激光起数十小时后开始。该射出光的输出降低在波长转换后的激光的输出为100mW左右时几乎观察不到。但是，当光学元件输出500mW以上(尤其是1000mW以上)的峰值输出的光时，显著的输出降低得到确认。
专利文献1：日本专利公开公报特开2008-102228号
专利文献2：日本专利公开公报特开2008-16833号
专利文献3：日本专利公开公报特开2000-357834号
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于抑制因光学元件的长时间驱动而引起的激光的输出降低的光学元件、具备该光学元件的波长转换激光光源以及利用该波长转换激光光源的图像显示装置。
本发明所提供的一种波长转换激光光源包括：用于产生基波光的固体激光介质；将所述基波光转换为频率高于所述基波光的第二谐波光的波长转换元件；以及与所述波长转换元件相接触的导电性材料，其中，所述波长转换元件具备形成有多个极化反转区域的极化反转结构，所述导电性材料与和所述极化反转区域垂直相交的第一侧面相接触。
本发明所提供的一种光学元件包括：用于产生基波光的固体激光介质；以及将所述基波光转换为频率高于所述基波光的第二谐波光的波长转换元件，其中，所述固体激光介质具有处于与所述波长转换元件光学接触的状态的接合面、以及位于该接合面相一侧的相对面，所述接合面的面积S1大于所述相对面的面积S2。
本发明所提供的其他的波长转换激光光源包括：发出光的激励光源；上述光学元件；以及将所述光聚光于所述光学元件的聚光光学构件，其中，在所述光学元件上形成有沿着所述光的偏振方向延伸的凸起部。
本发明所提供的其他的波长转换激光光源包括：发出光的激励光源；上述光学元件；以及将所述光聚光于所述光学元件的聚光光学构件，其中，所述光学元件具有用于输出基于所述光生成的激光的输出镜，掺杂在所述固体激光介质中的激光活性物质的浓度从所述激励光源朝着所述输出镜而降低。
本发明所提供的其他的光学元件包括：具有至少局部被镜面研磨的第一主面的第一光学部件；具有通过氢键结合与所述第一主面光学接触、并与所述第一主面一起形成能够让激光透过的光学接触面的第二主面的第二光学部件；以及密封所述光学接触面的密封部件，其中，所述第二主面至少局部被镜面研磨，在所述第一光学部件以及由与该第一光学部件不同的物质形成的所述第二光学部件中的至少其中之一上，形成有与所述光学接触面的外缘邻接的凹部或缺口部，设置在所述凹部或缺口部的所述密封部件覆盖所述光学接触面的所述外缘。
本发明所提供的其他的波长转换激光光源包括：发出光的激励光源；以及上述光学元件，其中，所述光学元件的所述光学接触面作为对在所述光学元件中传播的所述光进行激光振荡横模控制的光学窗口发挥作用。
本发明所提供的其他的波长转换激光光源包括：发出光的激励光源；以及上述光学元件，其中，所述第一光学部件以及所述第二光学部件中至少其中之一的形状沿着所述光的传播方向呈锥形，与所述传播方向垂直的所述光学元件的剖面作为对在所述光学元件中传播的所述光进行激光振荡横模控制的光学窗口发挥作用。
本发明所提供的图像显示装置包括：发出光的激光光源；对所述激光光源供应电流的激光驱动电路；调制所述光以形成图像的调制元件；反射从所述调制元件射出的光的反射镜；以及驱动所述调制元件的控制器，其中，所述激光光源具备上述的波长转换激光光源。
附图说明
图1是概略表示一般的光学接触型的波长转换激光光源的图。
图2是对输出光的远场光束形状进行拍摄的照片。
图3是概略表示根据实施方式1的波长转换元件以及使用波长转换元件的波长转换激光光源的结构的图。
图4是表示激光光源的工作时间与高谐波输出的关系的标绘图。
图5是表示具有覆盖具备极化反转结构的铌酸锂的“y面”的导电性材料的激光光源连续运转时的输出变化的标绘图，以及表示从连续运转的激光光源输出的激光的横模形状的照片。
图6是汇总了导电性材料的种类、导电性材料的电阻率以及对激光光源的输出降低的抑制效果的表。
图7是概略表示根据实施方式2的波长转换元件以及使用波长转换元件的波长转换激光光源的结构的图。
图8是图7所示的波长转换激光光源所具备的第一光学元件的概略立体图。
图9是表示激光光源连续运转以便向第一光学元件输入波长为808nm的激励光，并从第一光学元件输出1000mW的绿色光时伴随工作时间的输出变动的标绘图，以及对激光光源的连续运转过程中的横模形状进行拍摄的照片。
图10是概略表示根据实施方式3的波长转换激光光源所使用的光学元件的结构的示意图。
图11是表示透镜部的曲率半径“r”与透镜部的加工高度的关系的标绘图。
图12是对激光光源的连续运转过程中的横模形状进行拍摄的照片以及表示激光光源连续运转时随着工作时间的输出变动的标绘图。
图13是表示连续点灯试验的结果的标绘图。
图14概略示出由于在高输出下的连续点灯而发生了输出降低或输出停止时的光学元件。
图15是具有排成列的多个光学元件的光学元件列的立体图。
图16是图15所示的光学元件列的俯视图。
图17是从图15所示的光学元件列分离出的光学元件的立体图。
图18是例示条形的光学元件列以及使用光学元件的波长转换激光器的结构的图。
图19是表示对光学元件输入了波长为808nm的激励光时光学元件的光输入输出特性的标绘图。
图20是表示光学元件的剖面积与针对指定的高谐波输出所需要的接合强度的关系的曲线图。
图21是表示组装有光学元件的激光光源连续工作时的工作时间与高谐波的输出强度的关系的标绘图。
图22是条形的光学元件列的照片。
图23是根据实施方式5的光学元件列的概略的立体图。
图24是图23所示的光学元件列的俯视图。
图25是图23所示的光学元件列的正视图。
图26是概略表示根据实施方式6的激光光源的图。
图27是概略表示固体激光介质以及固体激光介质内的激光活性物质的浓度分布的图。
图28是将用异种材料形成的光学部件进行光学接触而制作成的光学元件的立体图。
图29概略示出图28所示的剖面A。
图30是概略表示MgO:LN晶体的C轴方向上以及Nd:YVO4晶体的C轴方向上的热膨胀系数的差异、以及由热膨胀系数的差异引起的晶体膨胀量的差异的计算结果的曲线图。
图31示出MgO:LN晶体基板以及Nd:YVO4晶体基板。
图32例示出组装有光学元件的共振器型的波长转换激光光源。
图33是概略表示光学接触前的第一光学部件和第二光学部件的立体图。
图34是具备处于光学接触的第一光学部件和第二光学部件的光学元件的立体图。
图35概略示出图34所示的剖面B。
图36是具有分散在设置有封止部件的区域内的光学接触区域的光学元件的概略的立体图。
图37概略示出图36所示的剖面C。
图38(A)是具有处于光学接触的两个光学部件的光学元件的概略的立体图，(B)概略示出(A)中的剖面D，(C)示出从(A)中的箭头方向看到的光学元件。
图39(A)是具备处于光学接触的锥形光学部件和长方体光学部件的光学元件的概略的立体图，(B)概略示出(A)中的剖面E，(C)示出从(A)中的箭头方向看到的光学元件。
图40是概略表示具备作为光学窗口发挥作用的光学接触面的光学元件的立体图。
图41概略示出图40所示的剖面F。
图42(A)示出在直径
Figure BDA0000081730420000051
为1mm的光学接触面上观察到的光束点的像，(B)示出在直径
Figure BDA0000081730420000052
为300μm的光学接触面上观察到的光束点的像。
图43是光学元件的概略的立体图。
图44概略示出图43中所示的剖面G。
图45(A)概略示出在第一光学部件上形成沟的工序，(B)概略示出对形成沟后的第一光学部件和第二光学部件进行光学接触的工序，(C)概略示出在处于吸附状态的光学接触装配体的沟形成部分中填充密封部件并进行固化的工序，(D)概略示出用于沿着填充有密封部件的沟形成部分，利用切割来截取光学元件的工序，(E)是小片化的光学元件的立体图。
图46是光学接触装配体的实体显微镜图像。
图47是表示通过切割加工而被小片化的光学接触装配体的实体显微镜的观察像的照片。
图48是表示将激光作为光源的激光投影仪的图。
图49是概略表示使用激光的平视显示装置的图。
图50是说明激光的输出降低的问题的标绘图。
具体实施方式
以下，用附图说明波长转换激光光源、光学元件以及图像显示装置的各种实施方式。图中，对相同的要素标注相同的标号。与相同的要素有关的说明会变得冗余，因而省略其说明。
在以下的说明中，作为波长转换激光光源及/或光学元件，例示出块型(bulk-type)的波长转换固体激光元件。块型的波长转换固体激光元件是处于光学接触(optical contact)的功能性光学元件。作为处于光学接触的两个光学部件，例示有Nd:YVO4(掺钕钒酸钇)晶体以及强介电晶体MgO:LiNbO3(掺氧化镁铌酸锂)晶体(以下简称为MgLN晶体)。Nd:YVO4晶体作为固体激光介质而被例示。另外，MgLN晶体作为波长转换元件而被例示。取而代之，波长转换激光光源及/或光学元件也可以用其他合适的物质形成。
图1概略示出一般的光学接触型的波长转换激光光源。用图1说明一般的光学接触型的波长转换激光光源所存在的问题。
图1所示的光学接触型的波长转换激光光源称为端面激励型(端面泵浦型)激光器。激励光从激光介质的端面输入。
图1所示的激光光源100包括激励光源110、准直透镜120、聚光透镜130、以及光学元件140。激励光源110使激励光PL向准直透镜120照射。激励光PL依次在准直透镜120、聚光透镜130、以及光学元件140中传播。
光学元件140包括固体激光介质141和波长转换元件142。射入有激励光PL的光学元件输出输出光OL。
激光光源100还包括形成在固体激光介质141的端面(激励光PL射入的端面)上的光学膜150。固体激光介质141具有位于形成有光学膜150的端面相反一侧的第一接合面143。第一接合面143与波长转换元件142接合。
波长转换元件142具有射出输出光OL的射出端面144、以及位于射出端面144相反一侧的第二接合面145。第二接合面145与第一接合面143接合。固体激光介质141的第一接合面143处于与波长转换元件142的第二接合面145光学接触的状态。通过使第一接合面143和第二接合面145光学接触，形成光学元件140。
本实施方式以及后述的各种实施方式中使用的“光学接触(optical contact)”的术语以及与其类似的术语是指满足以下条件的“状态”。
(1)在不借助树脂材料等粘合材料的情况下光学构件彼此直接接合的状态。
(2)在光学构件彼此之间不存在空气层的情况下光学构件彼此吸附/贴紧的状态。
如果在采用光学晶体、陶瓷或介电膜(dielectric film)等同种材料或异种材料的光学构件之间，通过电性的力(van der Waals force、范德华力)、氢键结合(hydrogen bonding)或机械的外压力等力，形成满足上述条件的状态，则该状态为光学接触状态。
在以下的说明中，“光学接触/处于光学接触”的术语是指处于上述状态的一种状态。另外，“进行光学接触/使光学接触”的术语是指成为/使成为上述状态(方法/动作)。
在以下的说明中，“光学接触面”的术语是指处于上述状态下的光学构件间的界面。“光学接触装配体”的术语是指由已处于上述状态的光学构件形成的装配体。
下面，对激光光源100的功能以及动作进行说明。
如上所述，激光光源100发出激励光PL。准直透镜120使激励光PL成为平行光。然后，聚光透镜130将光聚光于构成光学元件140的固体激光介质141。
如上所述，在激励光PL射入的固体激光介质141的端面上，形成有光学膜150。光学膜150对1060nm频带的光进行高反射，作为共振镜之一发挥作用。在波长转换元件142的射出端面144上，也形成有高反射光学膜(未图示)。在射出端面144上形成的高反射光学膜也对1060nm频带的光进行高反射，作为另一个共振镜发挥作用。
在固体激光介质141的第一接合面143与波长转换元件142的第二接合面145的分界处，没有形成光学膜，第一接合面143和第二接合面145光学接触。在固体激光介质141的端面上形成的光学膜150(光反射光学膜)与在波长转换元件142的射出端面144上形成的光反射光学膜作为共振镜使用。在这些高反射光学膜之间，1060nm频带的光被反复反射，进行共振。这样，光学元件140作为光共振器发挥作用，振荡1060nm频带的激光。
如上所述，如果作为固体激光介质141使用Nd:YVO4晶体，作为波长转换元件142使用MgO:LiNbO3晶体，则固体激光介质141的折射率与波长转换元件142的折射率的差为0.1以下。其结果，即使在第一接合面143与第二接合面145之间不形成光学薄膜，处于光学接触的固体激光介质141以及波长转换元件142也能实现光学上的低损失。这样，如果固体激光介质141和波长转换元件142光学接触，则光学薄膜的形成工序以及制造激光光源时的调整工序得以简化。
如果振荡的1060nm频带的光通过波长转换元件142，则1060nm频带的光被波长转换为一半波长的530nm频带的光。波长转换后的530nm频带的光作为输出光OL，从波长转换元件142的射出端面144输出。此外，光学元件140可以通过激光介质保持具(未图示)而被保持。
本发明人已经确认，利用包括具有处于光学接触的固体激光介质141和波长转换元件142的光学元件140的激光光源100(光学接触型的激光光源)，进行例如连续输出峰值输出为1W的530nm频带的光的连续点灯试验后，从激光光源100射出的输出光OL(激光)的输出在大约80小时时发生降低。
上述图50的标绘图表示连续点灯试验的结果。作为输出的波长转换后的光(高谐波)的横模形状(lateral mode shape)的观测结果，已经确认，在激光光源100点灯开始时为大致圆形的高谐波的横模形状随着时间的经过发生变形，最终变化成纺锤形。观测到伴随着上述的横模变化射出的激光的输出降低。从表示高谐波输出与工作时间的关系的图50可知，输出与横模形状变化相对应地发生降低。
图2是对输出光OL的远场光束形状进行了拍摄的照片。图2的与“(1)”对应的照片是表示激光光源100点灯开始时的高谐波的横模形状的照片。图2的与“(2)”对应的照片是表示激光光源100从点灯开始起经过65小时后的高谐波的横模形状的照片。图2的与“(3)”对应的照片是表示激光光源100从点灯开始起经过85小时后的高谐波的横模形状的照片。图2的与“(1)”、“(2)”以及“(3)”对应的照片分别与图50中的记号“(1)”、“(2)”以及“(3)”所示的工作时刻相对应。
不仅仅是包括具有固体激光介质141和波长转换元件142的光学元件140的光学接触型的激光光源100，在包括用分散/分离配置的光学部件(即固体激光介质、波长转换元件以及输出镜)形成的共振器的激光光源中，也观察到同样的输出降低现象。另外，激光输出的降低量在光学接触型的激光光源100中尤其增大。如果固体激光介质和波长转换元件没有被光学接触，则与光学接触型的激光光源100相比，激光输出的降低量为1/3左右。但是，即使在具备没有被光学接触的固体激光介质和波长转换元件的激光光源中，也有必要进行对上述输出降低的改善。
认为输出降低现象是由于高谐波激光(在图1所示的激光光源100中，是530nm频带的绿色激光)被构成波长转换元件142的铌酸锂或钽酸锂吸收而引起的。认为铌酸锂或钽酸锂对激光的吸收引起局部的折射率变化，其结果，激光振荡的基波光的波面紊乱(光束形状发生变化)，使来自激光光源100的输出降低。铌酸锂或钽酸锂对激光的吸收使波长转换元件142内的基波光的功率密度和束腰(beam waist)位置发生变化。其结果，从基波光向高谐波光的转换效率降低，绿色光的输出降低。另外，一直以来，对铌酸锂或钽酸锂进行可见光至紫外线光的照射所引起的折射率变化(“光诱发折射率变化(photoinducedrefractive index change)”)为公知。一般众所周知通过在铌酸锂或钽酸锂中掺杂氧化镁(以下称为MgO)作为添加物来避免“光诱发折射率变化”。但是，并不知道激光光源以高输出长时间连续工作时产生的输出降低现象。本发明人发现了利用在波长转换元件材料中掺杂MgO的方法不能充分抑制激光输出的降低，高激光输出无法长时间保持的问题。
根据以下所示的各种实施方式说明的光学元件、具备光学元件的波长转换激光光源以及使用波长转换激光光源的图像显示装置适当地解决了上述的问题。以下，对光学元件、具备光学元件的波长转换激光光源以及使用波长转换激光光源的图像显示装置进行说明。
(实施方式1)
图3是概略表示根据实施方式1的波长转换元件以及使用波长转换元件的波长转换激光光源的结构的示意图。用图3说明波长转换元件以及波长转换激光光源。
图3的部分(a)概略示出激光光源200。与结合图1进行说明的激光光源100同样，是激励光PL从固体激光介质240的端面输入的端面激励型的激光光源。
激光光源200除了上述的固体激光介质240以外，还包括激励光源210、准直透镜220、聚光透镜230、波长转换元件250、以及输出镜280。输出光OL从波长转换元件250通过输出镜280被输出。固体激光介质240随着激励光PL的入射产生基波光。另外，波长转换元件250将基波光向频率高于基波光的第二谐波光转换。
激光光源200包括形成在激励光PL射入的固体激光介质240的入射端面上的光学膜260。固体激光介质240具有位于形成有光学膜260的端面相反一侧的第一端面241。
波长转换元件250具有射出第二谐波的射出端面251、以及位于射出端面251相反一侧的第二端面252。与波长转换元件250的射出端面251相对置的输出镜280的面(曲面281)形成凹面形状。
图3的部分(b)是概略表示波长转换元件250的立体图。波长转换元件250具备周期状的极化反转结构253。极化反转结构253形成于波长转换元件250的内部。
波长转换元件250具有在射出端面251与第二端面252之间延伸的第一侧面254。形成有极化反转区域的极化反转结构253露出于平行于z轴(c轴)的第一侧面254。第一侧面254与极化反转区域垂直相交。在本实施方式中，极化反转结构253露出于第一侧面254。取而代之，极化反转结构也可以不在波长转换元件的第一侧面上露出。
如图3的部分(d)所示，激光光源200还包括导电性材料270。在本实施方式中，导电性材料270与露出于第一侧面254的极化反转结构253直接接触。取而代之，导电性材料也可以与极化反转结构没有露出的第一侧面接触。
以下，说明根据实施方式1的激光光源200的功能以及动作。
激励光源210发出激励光PL。准直透镜220使激励光PL成为平行光。聚光透镜230将激励光PL聚光到固体激光介质240。至激励光PL聚光到固体激光介质240为止的工序与结合图1说明的激光光源100相同。但是，本实施方式的激光光源200与包括由一体化的光学部件形成的激光共振器的激光光源100不同，包括由分别配备的光学部件形成的激光共振器。
形成在固体激光介质240的入射端面上的光学膜260对振荡的1060nm频带的光及其高谐波的530nm频带的光进行高反射。另外，在固体激光介质240的第一端面241(与波长转换元件250相对置的端面)、波长转换元件250的第二端面252、以及波长转换元件250的射出端面251上，形成有具有防反射(antireflection)特性的光学膜。形成在第一端面241、第二端面252以及射出端面251上的光学膜让振荡的1060nm频带的光及其高谐波的530nm频带的光透过。
在输出镜280(凹面镜)的曲面281上形成有光学膜。形成在输出镜280上的光学膜对振荡的1060nm频带的光进行高反射，另一方面，让作为其高谐波的530nm频带的光透过。这样，在形成在固体激光介质240的入射端面上的光学膜260与输出镜280之间，形成光学共振器。通过该光学共振器，使1060nm频带的光激光振荡。
激光振荡的1060nm频带的光每次通过波长转换元件250，1060nm频带的光的一部分被波长转换为高谐波的530nm频带的光。最终，波长转换后的光作为输出光OL，从输出镜280向共振器外部输出。
如结合图50所说明的那样，具备固体激光介质与波长转换元件的波长转换激光光源被长时间驱动后，绿色输出降低的现象得以确认。另外，认为激光的横模的形状发生变化的原因是因波长转换元件(例如铌酸锂)内部的光电效应而产生的电荷。产生的电荷积蓄在激光光束的周围，由于电光效应而产生波长转换元件内部的折射率变化。其结果是，波长转换激光光源的横模发生变化。
如图3的部分(d)所示，本实施方式的光学元件以及激光光源200的特征在于覆盖垂直于y轴的第一侧面254(y面)的导电性材料270。覆盖露出极化反转结构253的第一侧面254的导电性材料270对波长转换元件250的内部积蓄的电荷的有效除去作出贡献。
用图3进一步说明波长转换元件250。
本实施方式的波长转换元件250具被设置在铌酸锂中的周期状的极化反转结构253。波长转换元件250是产生第二谐波的准相位匹配型(quasi phase matching-type)的波长转换元件。另外，也可以在波长转换元件250的材料中掺杂氧化镁(以下记为MgO)。氧化镁的掺杂适于抑制上述的“光诱发折射率变化”(波长转换元件材料的折射率的变化)。
图3的部分(b)是概略表示周期状的极化反转结构的铌酸锂的结构的示意图。图3的部分(b)所示的坐标表示在铌酸锂内光感觉到的介电主轴(dielectric main axis)，介电主轴的z轴与由晶体结构决定的晶体轴的c轴一致。本实施方式所示的具有极化反转结构(polarization inverted structure)的波长转换元件250称为“块型”，在晶体基板内也具备极化反转结构253。在形成极化反转结构253的期间，极化反转结构253从垂直于z轴(c轴)的平面(z面)起向z轴坐标的负方向生长，成为图3的部分(b)所示的结构。如果波长转换元件250在与y轴垂直的适当的面被截断，则在波长转换元件250的第一侧面254露出周期状的极化反转结构253。另外，如上所述，对露出极化反转结构253的第一侧面254，可以利用化学抛光进行研磨，及/或，可以实施化学的蚀刻处理。这样，在与垂直于y轴的面(y面)(第一侧面254)上，露出能够利用显微镜等观察器具进行目视确认的极化反转结构253(周期性地变化的极化反转的结构)。
图3的部分(c)表示用于防止在z面(垂直于z轴(c轴)的平面)上的两个面的电荷积蓄(热电效应(pyroelectric effect))引起的激光输出的降低的公知方法。为了防止在z面上的两个面的电荷积蓄，沿着波长转换元件250a的上表面与下表面配置导电性材料270a。
与图3的部分(c)所示的导电性材料270a的配置不同，在本实施方式中，导电性材料270覆盖露出周期性变化的极化反转结构253的第一侧面254(在铌酸锂中是“y面”)。另外，安装有导电性材料270的“y面”是指与波长转换元件250的材料的c轴平行的面。另外，“y面”是平行于极化反转结构253的极化反转轴(极化方向)的面。另外，在波长转换元件的结构不是立方体(或长方体)时，也可以根据上述的定义配置导电性材料。只要由导电性材料覆盖的面相对于极化反转结构的剖面的极化反转区域大致垂直地形成便可。
图4是表示激光光源的工作时间与高谐波输出的关系的图。图4中，“(1)”所示的曲线表示不具备导电性材料的激光光源的工作时间与高谐波输出的关系。用图3以及图4说明激光光源的工作时间与高谐波输出的关系。
图4中，“(2)”所示的曲线表示具备安装在“z面”上的导电性材料270a(参照图3的部分(c))的激光光源的工作时间与高谐波输出的关系。图4中，“(3)”所示的曲线表示具备安装在“y面”上的导电性材料270(参照图3的部分(d))的激光光源200的工作时间与高谐波输出的关系。
<(1)不具备导电性材料的激光光源>
在导电性材料未被安装在波长转换元件的表面上时，来自激光光源的输出在约80小时时开始降低。
<(2)具备安装在“z面”上的导电性材料的激光光源>
来自具备安装在“z面”上的导电性材料270a的激光光源的输出在约150小时时开始降低。虽然相对于不具备导电性材料的激光光源的改善得以确认，但是安装在“z面”上的导电性材料270a，并未实现充分的改善。
<(3)具备安装在“y面”上的导电性材料的激光光源>
来自具备安装在“y面”上的导电性材料270a的激光光源200的输出经过200小时后也不发生降低。因此，从图4所示的绘图可知，覆盖“y面”的导电性材料270最有效地抑制了输出降低。
图5示出表示具备覆盖具有极化反转结构253的铌酸锂的“y面”的导电性材料270的激光光源200连续运转时的输出变化的图示，以及表示从连续运转的激光光源200输出的激光的横模形状的照片。图5的部分(a)是表示输出变化的图示。图5的部分(b)是表示激光的横模形状的照片。另外，在铌酸锂中掺杂有MgO。用图3以及图5说明激光光源200的输出变化以及激光的横模形状。
图5的部分(b)中的照片(1)对应于图5的部分(a)的图中所示的记号“(1)”，是从激光光源200点灯起经过10小时后的照片。图5的部分(b)中的照片(2)对应于图5的部分(a)的图中所示的记号“(2)”，是从激光光源200点灯起经过100小时后的照片。图5的部分(b)中的照片(3)对应于图5的部分(a)的图中所示的记号“(3)”，是从激光光源200点灯起经过190小时后的照片。
从图5的部分(b)的照片(1)至(3)明显看出，横模的激光形状几乎未发生变化。另外，来自连续运转的激光光源200的输出变化(输出降低)在经过200小时后在1％以内。因此，激光光源200的输出降低较好地得到了抑制。
针对在沿着z面的两个面(波长转换元件250的上面255以及下面256)上电荷积蓄的热电效应，覆盖波长转换元件250的z面(上面255以及下面256)的导电性材料是有效的。覆盖波长转换元件250的z面(上面255以及下表256)的导电性材料适于使在波长转换元件250的z面(上面255以及下面256)上产生的电荷释放，从而有效地抑制了激光光源200的输出降低。
高谐波光的横模形状的变化不仅由在“z面”的表面上产生的电荷引起，还由通过波长转换元件250的光束路径周边区域的极化反转分界附近(即波长转换元件250的内部)产生的局部电荷引起。因此，仅仅利用覆盖“z面”的导电性材料，无法充分防止横模形状的变化。另一方面，覆盖波长转换元件250的“y面”的导电性材料270能够使波长转换元件250的内部的电荷充分地释放到外部。
另外，在本实施方式中，极化反转结构253并未从波长转换元件250的一个“z面”(上面255)贯通至另一个“z面”(下面256)。在波长转换元件250的沿着“z面”的上面255和下面256的其中一面(在图3中为下面256)上，没有形成极化反转结构253。没有形成极化反转结构253的面(下面256)与极化反转结构253相距指定的距离。
由于极化反转结构253在“z面”(上面255以及下面256)之间没有被贯通，因而在形成周期上的极化反转结构253的工序中，可保持极化反转/非反转的比(占空比(dutyratio))的均匀性，从而提高从1060nm频带的光向高谐波的530nm频带的光的转换效率。另外，极化反转的界面(反转壁)的电阻率与其他部分相比减小，使得电荷容易通行。因此，如果极化反转结构253不贯通至其中之一的“z面”(在图3中为下面256)，覆盖“y面”的导电性材料270能够较为容易地提取出波长转换元件250中积蓄的电荷。
由导电性材料270覆盖的一对“y面”(第一侧面254)与极化反转结构253的极化方向平行，并且与波长转换元件250的晶体轴相交。一对第一侧面254彼此最好被电连接(短路)。其结果，在波长转换元件250的内部产生的电荷被适当地消除。只要“y面”(第一侧面)被导电性材料覆盖，导电性材料也可以具有其他形状以及结构。例如，导电性材料也可以覆盖波长转换元件的周面(“z面”以及“y面”)整体。其结果，波长转换元件250中积蓄的电荷被适当地消除。在本实施方式中，一对第一侧面254的其中一面作为第一短路面而被例示，另一面作为第二短路面而被例示。
本发明人发现，对激光光源200的输出降低的抑制性能依赖于导电性材料270的电阻值。
图6是汇总了导电性材料270的种类、导电性材料270的电阻率以及对激光光源200的输出降低的抑制效果的表。用图3以及图6说明导电性材料270的种类及/或电阻率与对激光光源200的输出降低的抑制效果的关系。另外，在以下的说明中，“输出降低”的术语是指在激光光源200连续运转了100小时的时候，高谐波输出降低了1％以上。
根据图6，导电性材料270的电阻值为10×10-5Ω·cm以下时，激光光源200的输出降低较好地得到抑制。在本实施方式中得到验证的导电性材料270中，铟(与波长转换元件250的表面(第一侧面254)接触的状态)、铝(溅射膜)、金(溅射膜)、以及铜(与波长转换元件250的表面(第一侧面254)接触的状态)发挥了较好的抑制效果。
导电性材料270的电阻值只要为10×10-5Ω·cm以下，则导电性材料270既可以是在波长转换元件250的第一侧面254上形成的金属膜，也可以是单纯与波长转换元件250的第一侧面254物理接触的板片。附着于第一侧面254的金属膜状的导电性材料270，以及与第一侧面254物理接触的导电性材料270均发挥了较好的抑制效果。
如果激光光源的波长转换元件具有分离(应为分极)反转结构，则根据本实施方式说明的原理，激光光源的输出降低适当地得到抑制。作为能够形成极化反转结构的材料，除了例示了掺MgO的铌酸锂(MgO-doped lithium niobate)以外，还例示掺MgO的钽酸锂(MgO-doped lithium tantalite)、定比组分(fixed ratio composition)的掺MgO的铌酸锂、定比组分的掺MgO的钽酸锂、或磷酸钛氧钾(通称为KTP、KTiOPO4)。对于用这些非线性光学材料形成的具有分离(应为分极)反转结构的波长转换元件，也能适合应用本实施方式说明的原理，得到对上述输出降低的较好的抑制效果。
(实施方式2)
图7是概略表示根据实施方式2的波长转换元件以及使用波长转换元件的波长转换激光光源的结构的示意图。图8是图7所示的波长转换激光光源所具备的第一光学元件的概略立体图。用图7以及图8说明波长转换元件以及波长转换激光光源。
作为本实施方式的波长转换激光光源所具备的固体激光介质的材料，例示有Nd:YAG激光器或Nd:YVO4晶体。作为波长转换元件的材料，例示有能够形成极化反转结构的各种非线性光学材料(例如，第一实施方式的波长转换元件所使用的掺MgO的铌酸锂、掺MgO的钽酸锂、定比组分的掺MgO的铌酸锂、定比组分的掺钽酸锂、磷酸钛氧钾(通称为KTP、KTiOPO4))。另外，在本实施方式中，固体激光介质使用Nd:YVO4晶体。另外，波长转换元件使用MgO:LiNbO3晶体。以下对具备用上述材料形成的固体激光介质以及波长转换元件的波长转换激光光源进行说明。
图7概略示出根据实施方式2的激光光源200A。图8概略示出激光光源200A所具备的第一光学元件300。与根据实施方式1的激光光源200相同的要素用相同的标号表示。对这些相同的要素，引用实施方式1中的说明。
激光光源200A包括激励光源210、准直透镜220、聚光透镜230、以及第一光学元件300。第一光学元件300具备固体激光介质240A和波长转换元件250A。激光光源200A还包括导电性材料270A。导电性材料270A被安装在第一光学元件300上。
如图8所示，固体激光介质240A和与固体激光介质240A光学接触的波长转换元件250A形成第一光学元件300。固体激光介质240A具有让从激励光源210射出的激励光PL射入的入射端面242，以及位于入射端面242相反一侧的第一接合面241A。波长转换元件250A具有射出第二谐波的射出端面251、以及位于射出端面251相反一侧的第二接合面252A。固体激光介质240A的第一接合面241A处于例如与波长转换元件250A的第二接合面252A光学接触的状态，并通过紧贴而成一体。这样，形成具有处于光学接触的固体激光介质240A和波长转换元件250A的第一光学元件300。
以下，说明根据实施方式2的激光光源200A的功能以及动作。
激励光源210发出激励光PL。准直透镜220使激励光PL成为平行光。聚光透镜230将激励光PL聚光到固体激光介质240A。
与结合实施方式1说明的波长转换元件250同样，本实施方式的波长转换元件250A具有与极化反转结构253垂直相交的第一侧面254。固体激光介质240A具有与第一侧面254连续的第二侧面244。本实施方式的激光光源200A的特征在于导电性材料270A与第一侧面254以及第二侧面244接触。
如上所述，第一光学元件300具备固体激光介质240A和波长转换元件250A。固体激光介质240A的第一接合面241A与波长转换元件250A的第二接合面252A光学接触，固体激光介质240A与波长转换元件250A之间的光学接触不需要粘合剂，而通过作用于固体激光介质240A和波长转换元件250A各自的材料彼此之间的分子间力或范德华力等力而得以维持。
固体激光介质240A的第一接合面241A为Nd:YVO4晶体的a-c面。波长转换元件250A的第二接合面252A为MgO:LiNbO3晶体的z-y面。固体激光介质240A的第一接合面241A与波长转换元件250A的第二接合面252A被接合成使MgO:LiNbO3晶体的z轴和Nd:YVO4晶体的c轴平行。
激励光PL射入固体激光介质240A的入射端面242后，从波长转换元件250A的射出端面251输出绿色激光。在固体激光介质240A的入射端面242上，形成有对1060nm频带的激光和高谐波的530nm频带的激光进行99.8％反射的光学膜。在波长转换元件250A的射出端面251上，形成有对1060nm频带的激光进行99.8％反射，而让高谐波的530nm频带的激光透过的光学膜。这样，在固体激光介质240A的入射端面242与波长转换元件250A的射出端面251之间，1060nm频带的光进行共振以及激光振荡。其结果，只有通过波长转换元件250A而被波长转换后的绿色光从射出端面251输出。
本实施方式的激光光源200A的导电性材料270A与实施方式1的导电性材料270同样，覆盖波长转换元件250A的第一侧面254(“y面”)。本实施方式的激光光源200A的特征在于导电性材料270A还连续地覆盖固体激光介质240A的第二侧面244。
使用Nd:YVO4晶体形成的固体激光介质240A的线膨胀系数与使用MgO:LiNbO3晶体形成的波长转换元件250A的线膨胀系数不同。本发明人发现，利用具备如上所述的由线膨胀系数不同的异种材料形成的固体激光介质以及波长转换元件的光学元件，使激光振荡后，固体激光介质发热，对波长转换元件附加应力，产生激光光源的输出降低。
由于导电性高的材料一般导热性也高，因而将固体激光介质产生的热高效地散热，从而有效地抑制绿色光的输出降低。在本实施方式中，作为导电性材料270A使用铝的溅射膜(厚度为100至300nm)，对绿色光的输出降低的有效的抑制作用得到了确认。
图9表示在激光光源200A连续运转以便向第一光学元件300输入波长为808nm的激励光PL，并从第一光学元件300输出1000mW的绿色光时伴随工作时间的输出变动，以及对激光光源200A的连续运转过程中的横模形状进行拍摄的照片。图9的部分(a)是对激光光源200A的连续运转过程中的横模形状进行拍摄的照片。图9的部分(b)是表示激光光源200A连续运转时伴随工作时间的输出变动的标绘图。用图7至图9来说明伴随工作时间的输出变动以及横模形状的变化。
图9的部分(a)的照片(1)对应于图9的部分(b)的图中所示的记号“(1)”，是激光光源200A点灯开始时(点灯初期)的横模形状的照片。图9的部分(a)的照片(2)对应于图9的部分(b)的图中所示的记号“(2)”，是从点灯初期起经过100小时后的横模形状的照片。图9的部分(a)的照片(3)对应于图9的部分(b)的图中所示的记号“(3)”，是从点灯初期起经过190小时后的横模形状的照片。
在从点灯初期到经过100小时后的期间内，未观察到输出降低以及横模的变化。从点灯初期经过190小时后，横模形状的微小变化得到确认，但输出降低量在1％以内。从图9可知，覆盖第一光学元件300的第一侧面254以及第二侧面244的导电性材料270A有效地抑制了激光光源200A连续运转时的输出降低。
在本实施方式中，第一光学元件300具备一体化的固体激光介质240A以及波长转换元件250A。波长转换元件250A在相对置的“y面”(第一侧面254)上接触有导电性材料270A。其结果，根据结合实施方式1说明的原理，波长转换元件250A的内部产生的电荷适当地被消除。进一步，导电性材料270A延伸至固体激光介质240A的第二侧面244。其结果，能够将固体激光介质240A中产生的热高效地散热。这样，有效地抑制第一光学元件300的长时间驱动所引起的激光的输出降低。
(实施方式3)
根据本实施方式的波长转换激光光源可抑制结合上述实施方式2说明的第一光学元件300(具备一体化的固体激光介质240A以及波长转换元件250A的光学接触的元件)的横模变化。其结果，根据本实施方式的波长转换激光光源长时间运转时的输出降低得到较好的抑制。
图10是概略表示根据本实施方式的波长转换激光光源使用的光学元件的结构的示意图。图10的部分(a)例示出包括被一体化的固体激光介质、波长转换元件以及用于维持横模的维持机构的光学元件的结构。图10的部分(b)例示出维持机构的形状。与根据实施方式1及/或实施方式2的激光光源200、200A相同的要素用相同的标号表示。对这些相同的要素，引用实施方式1及/或实施方式2中的说明。
图10所示的光学元件400包括固体激光介质240A与波长转换元件250B。固体激光介质240A和波长转换元件250B例如处于光学接触状态，成为一体。其结果，形成具有处于光学接触的固体激光介质240A和波长转换元件250B的第一光学元件300B。
与实施方式2的激光光源200A同样，导电性材料270A与波长转换元件250B的第一侧面254以及固体激光介质240A的第二侧面244接触。导电性材料270A消除波长转换元件250B的内部的电荷，并且促使固体激光介质240A的散热。
光学元件400包括维持横模的维持机构290。维持机构290具有与波长转换元件250B接合的第三接合面291。波长转换元件250B具有与第三接合面291接合的第四接合面251B、以及与固体激光介质240A接合的第二接合面252A。固体激光介质240A具有与第二接合面252A接合的第一接合面241A。
维持机构290包括具有第三接合面291的基台部293、以及形成于第三接合面291的相反一侧的透镜部292。激光从透镜部292射出。透镜部292被加工成透镜形状。在本实施方式中，维持机构290作为第二光学元件而被例示。另外，透镜部292作为射出部而被例示。
以下，说明根据实施方式3的光学元件400的功能以及动作。
固体激光介质240A的第一接合面241A与波长转换元件250B的第二接合面252A相接合，固体激光介质240A和波长转换元件250B成为一体，关于这一点，本实施方式的光学元件400与结合实施方式2说明的第一光学元件300是共同的。但是，光学元件400与实施方式2不同之处在于具备维持机构290。
维持机构290的透镜部292使用具有与波长转换元件250B大致相等的折射率的材料形成。本实施方式中说明的光学元件400的特征在于，维持机构290的第三接合面291与波长转换元件250B的第四接合面251B光学接触，维持机构290以及波长转换元件250B成为一体。
维持机构290的透镜部292例如形成直径为500至800μm(微米)的球面凸透镜形状，具有曲率半径为“r”的外表面。透镜部292以0.1至0.5μm(微米)的高度从基台部293突出。
如果将光学元件400用于波长转换激光光源，则曲率半径“r”适宜地设定在100至1000mm(毫米)的范围。如果曲率半径“r”不足100mm，则固体激光介质240A内的激励光与1060nm频带的光的重叠积分减小，可输出的绿色光过于减少。若曲率半径“r”超过1000mm，则横模的维持效果减小，对连续运转时的输出降低的抑制功能受损。
透镜部292能够利用例如通过干式蚀刻(dry etching)转印抗蚀剂掩膜(resist mask)的形状的方法、光学研磨的方法、或对具有大致相等的折射率的玻璃材料进行压模的方法等各种加工方法进行加工。
图11是表示透镜部292的曲率半径“r”与透镜部292的加工高度的关系的曲线图。在图11所示的曲线图中，透镜部292的直径“L”作为参数使用。
根据图11所示的曲线图，较为理想的是，透镜部292的加工高度为0.5μm以下。另外，如果透镜部通过干式蚀刻制作，则透镜部292的加工高度还依赖于透镜部292使用的材料与抗蚀剂掩膜的选择比。
图12是表示本实施方式说明的具备光学元件400的波长转换激光光源连续动作时的输出变化的图。图12的部分(a)是对激光光源连续运转过程中的横模形状进行了拍摄的照片。图12的部分(b)是表示激光光源连续运转时伴随工作时间的输出变动的标绘图。用图9、图10以及图12说明波长转换激光光源连续动作时的输出变化。
如图9所示，根据实施方式2的激光光源200A在经过190小时后产生了横模的形状的微小变化。而本实施方式的组装有具备维持机构290的光学元件400的波长转换激光光源的横模形状的变化以及输出降低并没有被观察到。从本实施方式的激光光源能够稳定地得到高输出的波长转换光。
在本实施方式中，如图10所示，维持机构290被配置成使维持机构290的第三接合面291与波长转换元件250B的第四接合面251B接合。取而代之，也可以将维持机构设置在波长转换元件与固体激光介质之间。进一步取而代之，还可以将固体激光介质的入射端面形成能够维持横模的曲面形状。根据维持机构的设计(例如，形状尺寸)和配置，例如，固体激光介质内的光束直径可被扩大，波长转换元件中的光束直径可被缩小。与固体介质中的功率密度相比，波长转换元件中的功率密度相对增大，因而在波长转换元件内，1060nm频带的光被较好地聚光。其结果，提高了波长转换效率。因此，用于维持横模的透镜结构与固体激光介质的入射端面接合更为适宜。
结合实施方式3说明的原理也适合用于实施方式1及/或实施方式2。
(实施方式4)
结合图1说明的激光光源100(光学接触型的波长转换激光光源)除了上述的输出降低的问题以外，还包含有关引起输出停止的其他错误模式的问题。本实施方式中说明的波长转换激光光源以及光学元件适当地消除与输出停止有关的问题。
本发明人在使用结合图1说明的激光光源100，例如进行连续点灯以输出1W的500nm频带的光的试验时，发现在约80小时的时候激光光源100的输出停止的问题。
图13是表示上述连续点灯试验的结果的标绘图。使用图1以及图13说明输出停止的问题。
图13所示的输出停止与结合实施方式1说明的波长转换元件的折射率变化所引起的转换效率降低/输出降低不同，是因共振状态崩溃所引起的剧烈且大幅的输出降低或输出停止。本发明人也确认，这种输出的大幅降低或停止在来自激光光源100的输出为500mW以上时容易产生。根据本发明人的详细研究已经明确发现，如果激光光源100工作期间的光学元件140的温度超过40℃，激光光源100的剧烈且大幅的输出降低或输出停止尤其容易产生。
图14概略示出由于在上述的高输出下的连续点灯而发生了输出降低或输出停止时的光学元件。对结合图1说明的相同要素附加相同的标号，对这些要素引用结合图1进行的说明。用图1以及图14说明输出降低或输出停止的原因。
光学元件140C与结合图1说明的光学元件140同样，包括固体激光介质141C和波长转换元件142C。固体激光介质141C与波长转换元件142C光学接触。
固体激光介质141C具有让激励光射入的入射端面146，以及位于入射端面146相反一侧的第一接合面143C。波长转换元件142C具有射出输出光的射出端面144、以及位于射出端面144相反一侧的第二接合面145C。
第一接合面143C和第二接合面145C在连续点灯试验前紧贴着。但是，在连续点灯试验后，第一接合面143C与第二接合面145C之间形成空隙147。
图14示出通过光学元件140C的光束的路径(激光光束路径，以下称为光束路径BP)。另外，图14还示出连续点灯试验后观察到的堆积物DP。堆积物DP在第一接合面143C与第二接合面145C之间的空隙147中被观察到。
作为分析引起输出停止的光学元件140C的结果，已判明由于光学接合的第一接合面143C以及第二接合面145C的面精度等原因，在第一接合面143C与第二接合面145C之间产生空隙147。而且还判明了，在第一接合面143C以及第二接合面145C，堆积物DP附着在激光通过的光束路径BP上。堆积物DP包含通过空隙147进入界面(第一接合面143C与第二接合面145C之间的分界)内的空气中浮游的含碳成分。已经判明，含碳成分由于激光捕获而集聚的结果是，在光束路径BP横穿的接合面(第一接合面143C及/或第二接合面145C)上作为堆积物DP而附着。已经判明，由于空隙147和堆积物DP的产生，导致在光学接触面(第一接合面143C与第二接合面145C之间的分界)处的基波光的传播损失增大，作为激光共振器使用的光学元件140C的内部损失增大。认为这种光学元件140C的内部损失的增大引起上述输出停止。
本发明人进一步进行研究，发现第一接合面143C和第二接合面145C的接合面积狭窄是引起空隙147的原因。已经确认，如果固体激光介质141C发热并且膨胀，则波长转换元件142C的第二接合面145C从固体激光介质141C的第一接合面143C剥离。通过实验已确认，如果增大第一接合面143C与第二接合面145C的接合面积，空隙147几乎不会产生。
但是，本发明人发现了单纯地增大第一接合面143C和第二接合面145C的接合面积会引起输出特性劣化的新问题。有关输出特性劣化的新问题是起因于没有对在固体激光介质141C吸收激励光时固体激光介质141C内的光束路径BP中产生的热进行充分的散热。例如，如果为了得到500mW以上的高谐波输出，对固体激光介质141C输入较强的激励光，则输出特性的劣化变得显著，产生无法得到需要的输出的问题。
固体激光介质141C一般导热度较低。因此，为了将伴随着固体激光介质141C对激励光的吸收而产生的热高效地散热，较为理想的是，将激励光通过的部分与保持固体激光介质141C的保持器部分的距离设定得较短。激励光的约8成的光量在固体激光介质141C的入射端面146附近被吸收。因此，较为理想的是，将在固体激光介质141C的入射端面146附近产生的热高效地传递，以促使散热。
在本实施方式中，说明用于解决上述相互矛盾的问题的光学元件。
图15是具有排成列的多个光学元件的光学元件列的立体图。图16是图15所示的光学元件列的俯视图(图15中从箭头A看到的图)。图17是从图15所示的光学元件列分离出的光学元件的立体图。用图15至图17对光学元件进行说明。另外，在图17中，未示出图15所示的密封部件(后述)。与结合实施方式1至实施方式3说明的要素相同的要素用相同的标号表示。对这些相同的要素，引用实施方式1至实施方式3中的说明。
条形的光学元件列500包括排成列的多个光学元件300C。条形的光学元件300C例如通过将光学元件列500的一部分截断并分离而形成。
每个光学元件300C具有用于产生基波光的固体激光介质240C、以及将基波光转换为频率高于基波光的第二谐波的波长转换元件250C。固体激光介质240C具有让激励光射入的入射端面242、以及位于入射端面242相反一侧的第一接合面241C。波长转换元件250C具有射出输出光的射出端面251、以及位于射出端面251相反一侧的第二接合面252C。固体激光介质240C的第一接合面241C和波长转换元件250C的第二接合面252C例如光学接触，使固体激光介质240C和波长转换元件250C成为一体。在图16以及图17中，第一接合面241C与第二接合面252C之间的分界作为接合位置CP示出。
如图15以及图16所示，光学元件列500还包括密封第一接合面241C与第二接合面252C之间的分界的密封部件245。密封部件245沿着接合位置CP配置。在本实施方式中，密封部件245作为密封部件而被例示。密封部件245抑制外气或水分向第一接合面241C与第二接合面252C之间的侵入。
在光学元件列500中的光学元件300C的固体激光介质240C之间，形成有第一切口部246。另外，在光学元件列500中的光学元件300C的波长转换元件250C之间，形成有第二切口部257。
以下，说明根据实施方式4的光学元件300C的功能以及动作。
如上所述，固体激光介质240C的第一接合面241C和波长转换元件250C的第二接合面252C光学接触。根据本实施方式的条形的光学元件300C(以及条形的光学元件列500)的特征在于第一接合面241C与第二接合面252C的接合面积大于固体激光介质240C的入射端面242的面积。在本实施方式中，第一接合面241作为接合面而被例示。另外，位于第一接合面241相反一侧的入射端面242作为相对面而被例示。
(光学元件的结构)
以下，说明具备固体激光介质240C和波长转换元件250C的光学元件300C的结构。光学元件300C的形成方法在后面描述。
如上所述，光学元件300C具备固体激光介质240C和波长转换元件250C。作为固体激光介质240C的材料，例示出Nd:YAG激光器或Nd:YVO4晶体等各种材料。作为波长转换元件250C的材料，例示出LiNbO3、LiTaO3、KTP等各种材料。根据本实施方式的光学元件300C的固体激光介质240C例如由Nd:YVO4晶体形成。根据本实施方式的光学元件300C的波长转换元件250C例如由MgO:LiNbO3晶体形成。以下，说明具备由这样的材料形成的固体激光介质240C和波长转换元件250C的光学元件300C。
如上所述，固体激光介质240C的第一接合面241C和波长转换元件250C的第二接合面252C光学接触。固体激光介质240C和波长转换元件250C之间的光学接触状的态在不存在粘合剂的情况下，通过作用于固体激光介质240C和波长转换元件250C各自的材料彼此之间的分子间力或范德华力等力而维持。
固体激光介质240C的第一接合面241C为Nd:YVO4晶体的a-c面。波长转换元件250C的第二接合面252C为MgO:LiNbO3晶体的z-x面。固体激光介质240C的第一接合面241C和波长转换元件250C的第二接合面252C光学接触成使MgO:LiNbO3晶体的z轴与Nd:YVO4晶体的c轴平行。第一接合面241C(以及第二接合面252C)的面积大于固体激光介质240C的入射端面242(第一接合面241C相反一侧的端面)的面积。
由于固体激光介质240C和波长转换元件250C的接合面积被设定得比较大，因而实现了固体激光介质240C与波长转换元件250C之间的较高的接合强度。另外，由于固体激光介质240C的入射端面242的面积小于固体激光介质240C与波长转换元件250C的接合面积，因而固体激光介质240C对激励光的吸收所产生的热有效地被散热。因此，兼顾了光学元件300C的较高的接合强度以及射出光的良好的输出特性。
本实施方式的光学元件300C的长度(l)为“2.5mm”，厚度(t)为“1.0mm”，宽度(w)为“1.0mm”。光学元件300C的“2.5mm”的长度(l)包含“0.5mm”的波长转换元件250C的长度和“2.0mm”的固体激光介质240C的长度。形成接合面的第一接合面241C以及第二接合面252C的厚度(l)分别为“1.5mm”。
在本实施方式中，波长转换元件250C的射出端面251的面积小于固体激光介质240C与波长转换元件250C的接合面积。取而代之，波长转换元件的射出端面的面积也可以等于固体激光介质与波长转换元件的接合面积。
(激光光源)
图18例示出条形的光学元件列500以及使用光学元件300C的波长转换激光器的结构。图18的部分(a)是光学元件列500的概略的俯视图。图18的部分(b)是光学元件300C的概略的立体图。图18的部分(c)示出被收容在元件保持器(element holder)中的光学元件300C。图18的部分(d)是波长转换激光器的概略的示意图。用图15至图18对波长转换激光器进行说明。在图18中，与结合实施方式1至实施方式3说明的要素相同的要素用相同的标号表示。对这些相同的要素，引用实施方式1至实施方式3中的说明。
如图18的部分(d)所示，激光光源200C包括发出激励光PL的激励光源210、准直透镜220、聚光透镜230、以及光学元件300C。如上所述，光学元件300C具备固体激光介质240C与波长转换元件250C。固体激光介质240C与波长转换元件250C例如如上所述处于光学接触状态，并通过贴紧而成一体。其结果，形成具备光学接触的固体激光介质240C以及波长转换元件250C的光学元件300C。
如图18的部分(a)所示，光学元件列500包括排成列的多个光学元件300C。如图18的部分(a)以及(b)所示，光学元件300C构成条形的光学元件列500的一部分。将光学元件300C例如从光学元件列500截断并且分离，组装到激光光源200C中。
如图17所示，光学元件300C具有垂直于第一接合面241C及/或第二接合面252C的侧面310(垂直于y轴的面)、以及从侧面310凸出的凸条320。凸条320沿着侧面310上出现的接合位置CP延伸。
如图18的部分(c)以及(d)所示，激光光源200C还包括收容从光学元件列500分离出的光学元件300C的元件保持器270C。元件保持器270C可以与结合实施方式1以及实施方式2说明的导电性材料270、270A同样具有导电性。
如图18的部分(c)所示，光学元件300C固定在元件保持器270C内。然后，如图18的部分(d)所示，将其配置在激光光源200C内，作为激光光源200C的要素发挥作用。
以下，说明根据实施方式4的激光光源200C的功能以及动作。
激励光源210发出激励光PL。准直透镜220使激励光PL成为平行光。随后，聚光透镜230将激励光聚光于固体激光介质240C内。当激励光PL聚光于固体激光介质240C内时，在光学元件300C内产生1060nm频带的激光振荡。波长转换元件250C随后进行波长转换。经过波长转换后的530nm频带的光从光学元件300C射出。在本实施方式中，聚光透镜230作为聚光光学构件而被例示。
图19是表示对光学元件300C输入了波长为808nm的激励光PL时的光学元件300C的光输入输出特性的标绘图。用图17至图19对光学元件300C的光输入输出特性进行说明。
图19的标绘图的横轴表示激励光PL的输入强度。图19的标绘图的纵轴表示从光学元件300C发出的输出光的强度。从图19可知，能够得到1W的高谐波输出(绿色光)。
本发明人进一步调查了接合位置CP的剖面积、固体激光介质240C与波长转换元件250C之间的接合强度以及与高谐波输出的关系。
图20是表示光学元件300C的剖面积与对于指定的高谐波输出所需要的接合强度的关系的曲线图。用图14、图18以及图20，说明接合位置CP的剖面积、固体激光介质240C与波长转换元件250C之间的接合强度以及与高谐波输出的关系。
为了得到500mW以上的高谐波输出(绿色光)，作为可确保能够抵抗由上述固体激光介质240C与波长转换元件250C的热膨胀系数差产生的应力的足够的接合强度的接合面积，需要1mm2以上的接合剖面积(以下，假设接合剖面积为1mm2以上时的接合强度为“1”)。另外，已经发现，为了得到1W以上的高谐波输出，需要1.5以上的接合强度。另一方面，还发现为了得到500mW以上的高谐波输出，如果固体激光介质240C的剖面积不在0.75mm2以下，则从作为激光的通过位置的光束路径BP到固体激光介质240C的外周面的距离增大，因此散热特性恶化，输出饱和。
在以下的说明中，与波长转换元件250C接合的固体激光介质240C的第一接合面241C的面积用记号“S1”表示。固体激光介质240C的在第一接合面241C相反一侧的入射端面242的面积用记号“S2”表示。如果使面积S1大于面积S2，则能够获得指定的散热效果。从接合强度以及散热效果的观点出发，较为理想的是，面积S1与面积S2的关系满足以下所示的不等式的关系。
0.75×S1＞S2(数式1)
从接合强度的观点出发，接合位置CP的光学元件300C的剖面积需要为至少1mm2以上，较为理想地，需要为1.5mm2以上。另一方面，从散热特性的观点出发，固体激光介质240C中的垂直于光束路径BP(光束传播方向)的剖面积在0.75mm2以下较为理想。根据本发明人的研究已经发现，从接合强度的观点出发所需要的剖面积的大小以及从散热特性的观点出发所需要的剖面积的大小相反。
基于上述研究结果，在本实施方式中，固体激光介质240C的第一接合面241C的剖面积(以及波长转换元件250C的第二接合面252C的剖面积)为至少1mm2以上，更为理想的是为1.5mm2以上。另外，固体激光介质240C的剖面积(除了形成凸条320的部位的部分的剖面积)为0.75mm2以下。其结果是，即使输出具有500W以上的输出强度的高谐波，也能良好地保持光学元件300C的散热特性以及元件强度(固体激光介质240C与波长转换元件250C的接合强度)。
图21是表示组装有根据本实施方式的光学元件300C的激光光源200C(波长转换激光光源)连续工作时的工作时间与高谐波的输出强度的关系的标绘图。用图1、图13、图18以及图21说明工作时间与高谐波的输出强度的关系。
如结合图13所说明的那样，图1所示的一般的激光光源100开始工作后，在不到100小时的时候便观测到了激光振荡的停止。另一方面，如图21所示，从组装有本实施方式所涉及的光学元件300C的激光光源200C，在65℃的温度环境下超过900小时的长时间的工作期间内，能够稳定地得到500mW以上的输出。
上述说明中描述了在射出500mW以上的高谐波的光学系统中，光学元件300C发挥出有利的效果，而在射出不足500mW的高谐波的光学系统中也能得到同样的效果。在高谐波的输出强度比较小的光学系统中，光学接触状态的光学元件300C的强度的确保以及良好的散热也能得到兼顾。根据本实施方式的原理，适合形成500mW以上的输出、并且工作最高温度为40℃以上的激光光源。
(凸条)
再次用图17对光学元件300C的更多特征进行说明。
如图17所示，比较固体激光介质240C的第一接合面241C与入射端面242，在宽度(w)方向上，第一接合面241C的一边的长度与入射端面242的一边的长度大致相等。另一方面，在厚度(t)方向上，第一接合面241C的一边的长度比入射端面242的一边的长度长。第一接合面241C和入射端面242在z轴方向上的长度大致相等，另一方面，在y轴方向上，第一接合面241C的一边比入射端面242长。
沿着固体激光介质240C与波长转换元件250C的接合位置CP，形成平行于z轴(以及波长转换元件250C的c轴)延伸的凸条320。通过在一个方向上延伸的凸条320，使用者能够容易知道晶体轴的方向。例如，通过YVO4或GdVO4等钒酸盐系的晶体的激励光需要以具有平行于c轴的偏振方向的方式输入。使用者通过光学元件300C的凸条320(在激励光的偏振方向上延伸的凸条320)能够知道c轴的方向。在本实施方式中，凸条320作为凸起部而被例示。
在本实施方式中，沿着出现在光学元件300C的一对侧面310的接合位置CP形成凸条320。也可以额外地沿着出现在光学元件的上表面以及下表面(相对于z轴垂直的光学元件的面)的接合位置形成凸条。即，突条320可以被形成使第一接合面的各边的长度比固体激光介质的入射端面的各边的长度长，并且从入射端面来看固体激光介质时的第一接合面的投影图覆盖入射端面的投影图。这样，固体激光介质与波长转换元件的接合部位在z轴以及y轴方向的两个方向上凸出，固体激光介质与波长转换元件之间的接合面积形成得比固体激光介质的入射端面更大。
(密封部件)
再次用图14至图17对密封部件进行说明。
光学接触的固体激光介质240C的第一接合面241C与波长转换元件250C的第二接合面252C之间的界面若接触外气，则会促使第一接合面241C与第二接合面252C的剥离。沿着固体激光介质240C与波长转换元件250C的接合位置CP设置的密封部件245抑制外气接触第一接合面241C与第二接合面252C之间的界面。因此，光学元件300C的接合强度可长时间维持较高的水准。覆盖第一接合面241C以及第二接合面252C的外缘的密封部件245不仅抑制外气接触第一接合面241C与第二接合面252C之间的界面，还抑制碳等堆积物DP在光束路径BP周围的附着(参照图14)。
(光学元件的制作方法)
再次用图15至图18对光学元件300C的制作方法进行说明。另外，也可以用以下说明的光学元件300C的制作方法以外的方法来制作光学元件300C。
如图15所示，条形的光学元件列500包括光学接合的固体激光介质240C以及波长转换元件250C。光学元件300C从光学元件列500分离而制作。固体激光介质240C与波长转换元件250C的光学的接合位置CP通过密封部件245而被密封。条形的光学元件列500的厚度(t)为1mm，长度(l)为2.5mm，宽度(w)为10mm。光学元件列500的长度(l)包含0.5mm的波长转换元件250C的长度尺寸与2.0mm的固体激光介质240C的长度尺寸。
在将固体激光介质240C的材料和波长转换元件250C的材料进行接合时，不形成第一切口部246以及第二切口部257。在固体激光介质240C的材料与波长转换元件250C的材料被接合后，使用例如切割锯(dicing saw)从固体激光介质240C侧和波长转换元件250C侧刻上切口，分别形成第一切口部246以及第二切口部257。第一切口部246以及第二切口部257分别到达接合位置CP跟前200μm至500μm的位置。从将光学元件300C从条形的光学元件列500分离时的生产成品率的观点出发，较为理想的是，将固体激光介质240C的材料以及波长转换元件250C的材料分别刻上切口(第一切口部246、第二切口部257)，直到切割锯的刀尖到达与接合位置CP相距100至200μm的位置为止。
图22是条形的光学元件列500的照片。图22的部分(a)整体示出光学元件列500。图22的部分(b)是光学元件列500的接合位置CP、第一切口部246以及第二切口部257的周围的放大照片。用图15至图18以及图22，对光学元件300C的制作方法进一步进行说明。
如上所述，固体激光介质240C由Nd:YVO4晶体形成。另外，波长转换元件250C由形成有极化反转结构的MgO:LiNbO3形成。固体激光介质240C与波长转换元件250C光学接合，形成要被加工成光学元件列500的部件。
如图22的部分(b)所示，使用切割锯，形成第一切口部246以及第二切口部257使它们不到达接合位置CP。对切割锯的刀片宽度以及切口间距选择适当的值，将与光的传播方向垂直的方向的固体激光介质240C的剖面积设定为期望的值。
如图18的部分(a)以及(b)所示，如上所述，形成有第一切口部246以及第二切口部257的光学元件列500的一部分在切口部分被分离，成为光学元件300C。连接邻接的光学元件300C的狭窄部(参照图22的部分(b))例如通过加压/弯折容易断裂，从而使光学元件300C分离。
利用密封部件245，将从分离的光学元件300C的侧面310凸出的凸条320进行密封(参照图22的部分(a))。然后，光学元件300C如图18的部分(c)所示，由元件保持器270C保持，从而激光光源200C得以形成。
本发明人测定了如上述那样制作的光学元件300C的剖面积。光学元件300C的接合位置CP的剖面积为1.5mm2(厚度1.00mm×宽度1.50mm)。另外，固体激光介质240C的入射端面(激励光PL射入的端面)的剖面积为0.75mm2(厚度1.00mm×宽度0.75mm)。
通过上述的制作方法，多个光学元件300C被同时制作。在制作条形的光学元件列500时，进行固体激光介质240C的z轴与波长转换元件250C的c轴的位置调整，固体激光介质240以及波长转换元件250C得以接合。这样，与各个光学元件300C的固体激光介质240C与波长转换元件250C之间的轴调整相比，容易确定固体激光介质240与波长转换元件250C的接合方向。
在本实施方式中，光学元件300C所使用的MgO:LiNbO3晶体的z-x面以及Nd:YVO4晶体的a-c面被接合。调整MgO:LiNbO3晶体与Nd:YVO4晶体的接合，以使MgO:LiNbO3晶体的z轴和Nd:YVO4晶体的c轴达到平行。由于形成在光学元件300C的侧面310的凸条320的长度方向被形成为与MgO:LiNbO3晶体的z轴以及Nd:YVO4晶体的c轴平行，所以使用者根据凸条320的形状能够知道光学元件300C的方向。
从图18的部分(b)所示的侧面310凸出的凸条320形成在MgO:LiNbO3晶体的y-z面和Nd:YVO4晶体的a-c面上。凸条320的长度方向与MgO:LiNbO3晶体的z轴方向以及Nd:YVO4晶体的c轴方向一致。在使用YVO4或GdVO4等钒酸盐系的晶体时，激励光PL需要以具有平行于c轴的偏振方向的方式输入，由于使用者通过凸条320能够知道光学元件300C的方向，因而能够比较容易地安装光学元件300C。
光学元件300C也可以利用上述的制作方法以外的方法来制作。例如，也可以预先形成固体激光介质以便使第一接合面大于位于第一接合面相反一侧的入射端面。然后，可以使固体激光介质与波长转换元件光学接触，从而形成光学元件。
(实施方式5)
在本实施方式中，说明固体激光介质的第一接合面与固体激光介质的入射端面的面积比大于根据实施方式4的光学元件300C的光学元件。
图23是根据实施方式5的光学元件列的概略的立体图。图24是图23所示的光学元件列的俯视图(从图23中的箭头B所示的方向看到的图)。图25是图23所示的光学元件列的正视图(从图23中的箭头C所示的方向看到的图)。用图23至图25对光学元件列进行说明。与结合实施方式4说明的要素相同的要素用相同的标号表示。对这些相同的要素，引用实施方式4中的说明。
条形的光学元件列500D包括固体激光介质240D、波长转换元件250D、以及密封部件245。在图24中，固体激光介质240D与波长转换元件250D的接合部作为接合位置CP而被示出。密封部件245沿着接合位置CP配置。
固体激光介质240D具有激励光射入的入射端面242，以及与波长转换元件250D接合的第一接合面241D。在固体激光介质240D上，形成有从入射端面242向接合位置CP延伸的第一切口部246。
波长转换元件250D具有射出输出光的射出端面251、以及与固体激光介质240D的第一接合面241D接合的第二接合面252D。在波长转换元件250D上，形成有从射出端面251向接合位置CP延伸的第二切口部257。
通过第一切口部246以及第二切口部257的形成，光学元件300D得以形成。
固体激光介质240D的第一接合面241D和波长转换元件250D的第二接合面252D例如光学接触，从而使固体激光介质240D和波长转换元件250D为一体。
在图25中，固体激光介质240D的切削部分(上侧切削部分247以及下侧切削部分248)用虚线表示。
密封部件245密封光学接合的固体激光介质240D与波长转换元件250D的接合位置CP的周围。与实施方式4同样，通过利用切割锯而形成的第一切口部246以及第二切口部257，使光学元件300D容易从光学元件列500D中分离。
在本实施方式中，固体激光介质240D由YVO4晶体形成。与实施方式4不同，如图25所示，YVO4晶体(固体激光介质240D)的a-a面内也被切割，c轴方向的厚度减小。图25的上侧切削部分247以及下侧切削部分248表示通过切割被切削的部分。上侧切削部分247以及下侧切削部分248被切除，使除了固体激光介质240处于光学接触的接合位置CP以外的剖面积(从光束路径到固体激光介质240D的外周面的距离)减小。其结果，促使从光束路径上的固体激光介质240的部分产生的热的散热。
将条形的光学元件列500D，从波长转换元件250D侧以及固体激光介质240侧两次使用切割锯刻上切口(第一切口部246以及第二切口部257)。其结果，防止固体激光介质240D的入射端面242以及波长转换元件250D的射出端面251的被切削物附着于切割锯的刀尖上的碎屑产生。这样，提高光学元件列500D的制造中的生产成品率。
切割锯的刀片宽度可根据目的适当地进行选择。例如，较为理想的是，可以将形成于固体激光介质240D的第一切口部246的宽度设定得大于形成于波长转换元件250D的第二切口部257的宽度，从而提高固体激光介质240D的散热性能。
也可以将实施方式4以及实施方式5的光学元件300C、300D的射出端面251的面积设定得大于入射端面242的面积。这样，光学元件300C、300D的方向容易通过图像处理自动识别。
在实施方式4以及实施方式5中，固体激光介质240C、240D由Nd:YVO4晶体形成。另外，波长转换元件250C、250D由形成有极化反转结构的MgO:LiNbO3晶体形成。取而代之，只要是不通过光学薄膜，便使固体激光介质和波长转换元件的材料光学接触，并且两种材料的折射率的差为0.1以下，则Nd:GdVO4晶体和MgO:LiTaO3晶体等其他材料也可用于固体激光介质以及波长转换元件。具备用其他材料形成的固体激光介质以及波长转换元件的光学元件也可获得结合实施方式4以及实施方式5说明的效果。
固体激光介质以及波长转换元件也可以通过光学薄膜而被接合。如果利用被设计并成膜以便适应固体激光介质与波长转换元件之间的折射率的差的光学薄膜来接合固体激光介质以及波长转换元件，则会充分减少固体激光介质与波长转换元件的接合部的光反射。例如，固体激光介质也可以用YAG或其他石榴石系陶瓷激光介质、YAG晶体、或者陶瓷YAG以外的陶瓷材料(例如，陶瓷Y2O3等各种透光性陶瓷材料)形成。具备用这些材料形成的、并且通过光学薄膜接合的固体激光介质的光学元件也可获得结合实施方式4以及实施方式5说明的效果。
波长转换元件也可以用KTP(KTiOPO4)或KTA(KTiOAsO4)等各种材料形成。具备用这些材料形成的波长转换元件的光学元件也可获得结合实施方式4以及实施方式5说明的效果。
在本实施方式中，固体激光介质240D用掺杂了Nd的YVO4晶体形成。取而代之，固体激光介质也可以用利用了Nd以外的激光活性离子的材料形成。具备用利用了Nd以外的激光活性离子的材料形成的固体激光介质的光学元件也可获得上述的优良效果。
本实施方式的原理也可以适用于陶瓷YAG以外的陶瓷材料(例如，陶瓷Y2O3等各种透光性陶瓷材料)。
(实施方式6)
图26是概略表示根据实施方式6的激光光源的示意图。与结合实施方式4说明的要素相同的要素用相同的标号表示。对这些相同的要素，引用实施方式4中的说明。
激光光源200E包括发出激励光PL的激励光源210、准直透镜220、聚光透镜230、光学元件300E以及保持光学元件300E的元件保持器270C。光学元件300E包括波长转换元件250C和固体激光介质240E。
激励光源210发出激励光PL。准直透镜220使激励光PL成为平行光。然后，聚光透镜230将激励光聚光于固体激光介质240E内。如果激励光PL聚光于固体激光介质240E内，则在光学元件300E内产生激光振荡。波长转换元件250C随后进行波长转换。波长转换后的光通过波长转换元件250C后射出。在本实施方式中，波长转换元件250C作为射出部而被例示。
图27概略示出固体激光介质240E以及固体激光介质240E内的激光活性物质的浓度分布。用图1、图26以及图27进一步说明激光光源200E。
固体激光介质240E具有激励光PL射入的入射端面242，以及与波长转换元件250C接合的第一接合面241C。固体激光介质240E包含从入射端面242朝着第一接合面241C排成列的三个区域(第一区域261、第二区域262、第三区域263)。第一区域261是接近入射端面242的区域。第三区域263是接近第一接合面241C的区域。第二区域262是第一区域261与第三区域263之间的区域。
在本实施方式中，固体激光介质240E中，掺杂Nd作为激光活性物质。激光活性物质的浓度在第一区域261、第二区域262以及第三区域263之间阶段性地变化。其结果，根据固体激光介质240E的周围的环境温度，吸收激励光的区域(固体激光介质240E中的沿着光束的传播方向的位置)发生变动，工作温度范围扩大。若将具有图27所示的浓度分布(在第一区域261中为最高的Nd浓度，在第二区域262中为次高的Nd浓度，在第三区域263中为最低的Nd浓度)的固体激光介质240E用于激光光源200E，则由于环境温度而使激励光源210的振荡波长发生移动，即使存在在从入射端面242起0.5mm的区域(即第一区域261)中未被吸收的激励光PL，该激励光PL也会在接下来的第二区域262及/或第三区域263中被吸收。这样，固体激光介质240E对激励光PL的吸收量大致为恒定。
图27所示的固体激光介质240E的第一区域261的Nd的浓度为2.5％。另外，第一区域261是从入射端面242起厚度为0.5mm的区域。与第一区域261邻接的第二区域262的厚度设定为1mm，第二区域262中的Nd的浓度设定为1.5％。与第二区域262邻接的第三区域263的厚度设定为0.5mm，第三区域263中的Nd浓度设定为0.5％。这样，固体激光介质240E中的Nd的浓度从激励光源210向波长转换元件250C阶段性地降低。
根据本实施方式的光学元件300E具有结合实施方式4及/或实施方式5说明的形状(促进散热的形状)。因此，结合图1说明的激光光源100的工作温度范围为20至40℃左右，而本实施方式所涉及的激光光源200E的工作温度被扩大至0至70℃的范围。
Nd浓度的阶段性的变动也可以通过采用GdVO4或YVO4等不同的单晶体的介质的贴合或接合来实现。在此情况下，也可获得激光光源的工作温度范围的扩大效果。
例如，若单纯地增加固体激光介质中的激光活性物质的浓度，则产生激光活性物质吸收振荡的光的现象，作为结果，存在激光振荡无法进行的问题。根据本实施方式的原理，若使用具有多个掺杂剂浓度分布的固体激光介质，则适于消除上述问题。
(实施方式7)
在本实施方式中，说明具有较高的耐环境性(尤其是较高的耐温度特性)的异种材料的光学接触装配体(optical contact assembly)(具有光学元件结构的光学接触装配体)。
作为用于利用多个光学部件形成光学元件的技术，存在使用粘合剂贴合多个光学部件的技术以及直接接合多个光学部件的技术。以下，说明直接接合技术相对于使用粘合剂的贴合技术的优越性。
包括被一体化的光学部件的功能性光学元件对光学元件的小型化以及低成本化是有效的。光学部件的一体化可固定光学部件间的相对位置，对光学元件的功能稳定性作出贡献。
为了进行光学部件的一体化，一般采用利用粘合剂的贴合技术。例如，贴合面上配置有功能性薄膜的光学部件彼此粘接，形成进行波长分离或偏振分离的光学元件。
作为用于进行光学部件的一体化的其他方法，直接接合技术已为公知。直接接合技术是在不使用粘合剂的情况下坚固地接合光学部件的技术。通过直接接合技术，用例如玻璃、半导体、强介电体或压电陶瓷等各种材料形成的光学部件高精度地被接合。本实施例中描述的“光学接触/光学接触状态”是广义的直接接合技术之一。以下，对一般的直接接合技术的概要以及本实施方式所示的光学接触进行描述。
通过上述直接接合技术形成的直接接合体例如作为光波导(optical waveguide)而加以利用。光波导是通过使被直接接合的不同的两个光学部件的其中之一薄板化，然后进行脊形加工(ridge processing)而形成的。这种光波导的形成作为用于制作光学元件的有效手段受到关注。
提出有使用LiNbO3晶体(以下称为LN晶体)、LiTaO3晶体(以下称为LT晶体)、MgO:LN晶体或蓝宝石等各种氧化物晶体基板进行的同种基板间的直接接合或具有大致相等的折射率及/或热膨胀系数的异种基板间的直接接合。
还提出有通过薄膜的上述基板的接合。作为用于该接合的薄膜材料，可举出SiO2、SiN、低熔点玻璃、金属氧化物等各种材料。
如果以被接合的面为基准面，要求至光学部件的表面为止的加工厚度、距离、面的倾斜度或平坦度，则由于使用粘合剂的贴合技术中产生的粘合剂的厚度分布会引起光学元件的功能性的劣化，因而直接接合技术与使用粘合剂的贴合技术相比更为有利。
此外，如果激光透过光学部件的贴合面，粘合剂(例如环氧系树脂或丙烯酸系树脂)会引起因光吸收/光散射导致的光功率损失。另外，如果高功率激光透过光学部件的贴合面，则会潜在地引起贴合面的粘合剂层的劣化(例如剥离、烧热或变色)。因此，在激光透过光学部件间的情况下，不使用粘合剂等中间部件而使光学部件一体化的直接接合技术也是有利的。
如上所述，高精度并且坚固地将光学部件彼此进行接合，制作具有各种特性的功能性器件是直接接合技术的有利的用途之一。尤其在接合不同性质的光学部件的情况下，直接接合技术尤其有利。
作为包含使用强介电晶体的异种部件的直接接合体，例示有包含玻璃与LN晶体的异种基板的直接接合体或包含玻璃与LT晶体的异种基板的直接接合体。上述异种基板一般受到数百℃至1000℃左右的加热热处理后被直接接合。因此，包含上述异种部件的直接接合体的形成要求接合的基板间的大致相等的热膨胀系数。因此，与上述的玻璃与LN晶体的直接接合或玻璃与LT晶体的直接接合相比，认为LN晶体与MgO:LN晶体等热膨胀率大致相等，并且折射率不同的部件彼此直接接合较为容易。
如果将同种材料或同一材料系(例如LN晶体和MgO:LN晶体)的部件进行直接接合，作为上述加热处理的结果，在被直接接合的部件的分界处使晶体结构一体化(处于在结构上不存在接合分界的块型晶体的状态)，从而形成具有较高的接合强度的接合体。
在异种材料晶体之间，由于存在晶体结构或光栅常数的不匹配，因而，例如，即使为了直接接合采用异种材料晶体的光学部件而进行了上述加热处理，光学部件间的晶体结构的一体化也较为困难。因此，尤其在使采用异种材料的多个部件一体化的光学元件中，不包含“以形成材料间的坚固的接合状态为目的的热处理等工序”、部件间的贴紧/吸附状态(在本实施例中将该状态定义为“光学接触状态”)下的光学特性与耐环境性能的确保变得重要。
此外，异种光学部件间的热膨胀系数的差异在加热处理时会引起紧贴着的光学部件的膨胀量的差异。其结果，如果因紧贴着的光学部件中所产生的应力而引起接合面的剥离，及/或光学部件在结构上较为脆弱，则会产生光学部件的断裂。
本发明人详细地研究了用于提高通过将采用异种材料的光学部件进行光学接触而形成的光学元件结构的耐环境性(主要是耐热性)的技术。如本实施方式中说明的那样，本发明人发现，通过在光学接触面的外周形成凹部或缺口部，利用设置在凹部或缺口部的密封部件覆盖接合面的缘部，从而形成具有较高的耐环境性的光学元件结构。
根据本实施方式的原理，在不依赖于材料的情况下，制作具有多个光学部件的光学接触装配体。本实施方式的原理扩大了材料以及光学部件的选择性，有利地应用于各种光学元件的制作。
以下，对本实施方式的光学元件进行说明。图28是根据本实施方式、通过将用异种材料形成的光学部件进行光学接触而制作成的光学元件的立体图。图29概略示出图28所示的剖面A。
光学元件600包括第一光学部件610与第二光学部件620。第一光学部件610和第二光学部件620光学接触，形成光学接触面640。在本实施方式中，作为第一光学部件610，例示了采用Nd:YVO4的激光晶体，作为第二光学部件620，例示了MgO:LN晶体。取而代之，只要是第一光学部件以及第二光学部件由不同材料形成，第一光学部件和第二光学部件也可以用其他材料形成。
光学元件600包括密封部件630。密封部件630用紫外线固化树脂形成。第二光学部件620具有切开MgO:LN晶体的一部分而形成的缺口部621(参照图29)。密封部件630设置在缺口部621中。
如图28以及图29所示，第一光学部件610以及第二光学部件620通过光学接触加工，不需要树脂等粘合剂层的介入便在光学接触面640被接合。第一光学部件610具有与第二光学部件620接合的第一主面612。第二光学部件620具有与第一光学部件610的第一主面612接合、形成光学接触面640的第二主面622。第一主面612以及第二主面622至少局部被光学研磨(镜面研磨)。第二主面622通过氢键结合与第一主面612分子结合，从而第二光学部件620吸附于第一光学部件610。
对与第二光学部件620的第二主面622相接触的MgO:LN晶体的一部分实施阶差加工(stepping process)从而形成包围第二主面622的外周部的缺口部621。在形成有与光学接触面640邻接的缺口部621的部分，第一光学部件610与第二光学部件620不接触。将密封部件630所用的紫外线固化树脂填充到缺口部621中。其结果，形成覆盖光学接触面640的外缘、密封光学接触面640的密封部件630。在本实施方式中，缺口部621形成在第二光学部件620。取而代之，缺口部也可以形成在第一光学部件。另外，也可以在第一光学部件及/或第二光学部件形成用来设置密封部件的凹部来代替缺口部。
在本实施方式中，作为第一光学部件610使用的激光晶体(Nd:YVO4晶体)以及作为第二光学部件620使用的MgO:LN晶体都是单轴性的各向异性晶体(anisotropic crystals)。如图28所示，作为第一光学部件610使用的激光晶体的C轴以及作为第二光学部件620使用的MgO:LN晶体的C轴(即Z轴)均与光学接触面640平行。另外，作为第一光学部件610使用的激光晶体的C轴以及作为第二光学部件620使用的MgO:LN晶体的C轴朝着大致相同的方向(即它们的C轴大致平行)。
为了制作图28以及图29所示的光学元件600，在作为第二光学部件620使用的MgO:LN晶体中形成缺口部621。缺口部621可以利用各种方法形成。在本实施方式中，缺口部621的形成利用切割加工。
第二光学部件620除了具有处于光学接触状态的第二主面622以外，还具有位于第二主面622相反一侧的射出端面623。第二光学部件620的第二主面622以及射出端面623均被镜面研磨。第二光学部件620是第二主面622与射出端面623之间的高平行度(相对于第二主面622与射出端面623之间的1mm的厚度，例如在0.1微米以下)得以保持的晶体基板。
在第二光学部件620上形成有切割沟，并形成有处于光学接触状态的正方形或长方形的第二主面622(数百微米×数百微米至数mm×数mm)。切割沟的宽度(w)(从与光传播方向平行的第二光学部件620的侧面到第二主面622的外缘的距离)例如为0.2至1mm左右。距离第二主面622的阶差(规定第一光学部件610与第二光学部件620的相距距离的深度(d))为10至300微米左右。取而代之，切割沟的深度(d)也可以设定在1微米以上500微米以下的范围。
留下切割沟中与第二主面622相接触的部分，将作为第二光学部件620使用的MgO:LN晶体完全切断。这样，形成包含缺口部621的块状的第二光学部件620(MgO:LN晶体)。
第一光学部件610除了具有处于光学接触状态的第一主面612以外，还具有位于第一主面612相反一侧的入射端面613。第一光学部件610的第一主面612以及入射端面613均被镜面研磨。第一光学部件610是第一主面612与入射端面613之间的高平行度(相对于第一主面612与入射端面613之间的1mm的厚度，例如在0.1微米以下)得以保持的晶体基板。
作为第一光学部件610使用的激光晶体通过切割被切断成块状，形成具有大于第二主面622的第一主面612的第一光学部件610。另外，第一光学部件610的外形与第二光学部件620的外形大致相等。
然后，对第一光学部件610的第一主面612和第二光学部件620的第二主面622进行亲水性处理。对第一光学部件610的第一主面612以及第二光学部件620的第二主面622例如使用丙酮进行超声波洗涤。之后，将第一光学部件610的第一主面612以及第二光学部件620的第二主面622在被升温至约60至70℃的氨水∶过氧化氢水∶纯水＝1∶1∶6的混合溶液(以下称为氨水溶液(ammonia hydroxide))中浸泡15分钟以上。然后，用纯水进行清洗处理后，对第一光学部件610的第一主面612以及第二光学部件620的第二主面622进行干燥处理。
干燥处理后，使第一光学部件610的第一主面612与第二光学部件620的第二主面622相接触，以便使作为第一光学部件610使用的激光晶体的晶体轴与作为第二光学部件620使用的MgO:LN晶体的晶体轴的方向一致。随后，对第一主面612以及第二主面622稍微加压，实现第一主面612和第二主面622之间的吸附。由此形成光学接触面640。
在形成为包围光学接触面640的外缘的缺口部621中，涂敷并填充作为密封部件630使用的紫外线固化树脂。其结果，密封部件630实质上将光学接触面640的外缘与外气隔断。然后，使数十毫焦耳左右的紫外线照射到紫外线固化树脂。其结果，紫外线固化树脂发生固化，成为密封部件630。以此方式，制作根据本实施方式的具有多个光学部件的光学接触装配体(一体化光学元件)。
本实施方式的特征在于沿着光学接触面640的外缘形成的缺口部621以及设置在缺口部621中的密封部件630。以下，说明缺口部621以及密封部件630所带来的有利效果。
本发明人使用Nd:YVO4晶体(第一光学部件610)和MgO:LN晶体(第二光学部件620)，进行对第一主面612以及第二主面622的亲水性处理，以及使第一主面612与第二主面622相吸附的吸附工序，从而制作了具有1mm×1mm至15mm×15mm左右的异种材料间的面积(光学接触面的面积)的晶体基板的光学接触装配体。本发明人对制作成的光学接触装配体的接合强度以及耐热性等耐环境性能进行了评价。
一般而言，面彼此的贴合或接合的接合强度(简单而言，相对于张力剥离发生的比例)依赖于贴合面/接合面的面积的大小。即，贴合面/接合面的面积越大，接合强度越大。
本发明人在常温下进行拉伸强度试验，确认了用分别具有被吸附的第一主面612、第二主面622的异种材料部件形成的光学接触装配体(光学元件600)的接合强度随着光学接触面640的面积的增大而增加。
本发明人还进一步确认了，在制作光学接触装配体(光学元件600)时，第一主面612和第二主面622之间的吸附状态形成的容易程度也依赖于光学接触面640的面积。在制作具有较大的光学接触面640的光学接触装配体(光学元件600)时，在比较小的压力下，容易达到光学接触面640的整体的吸附状态。另外，即使在处于光学接触状态的第一光学部件610的第一主面612与第二光学部件620的第二主面622之间存在数微米左右大小的异物(污染)，除了异物的周边部(数十微米的区域)之外，也能够实现吸附状态。随着光学接触面640的面积减小，为了获得第一主面612与第二主面622之间的吸附而需要的压力增大。另外，处于光学接触状态的第一光学部件610的第一主面612与第二光学部件620的第二主面622之间的数微米左右大小的异物的存在常常妨碍第一主面612与第二主面622之间的吸附。尤其是，如果光学接触面640的大小为2mm×2mm以下，则上述的倾向变得显著，需要对第一光学部件610的第一主面612与第二光学部件620的第二主面622的充分的洗涤/清洁以及数kgf/cm2以上的压力。
本发明人还调查了来自外部的气体或水分侵入吸附状态的光学接触面640时光学接触面640的剥离的发生。本发明人用采用异种材料的晶体基板制作了具有不同的光学接触面640的面积的多种光学接触装配体。然后，本发明人将光学接触装配体浸入纯水中，观察了由来自光学接触面640的外缘的水的侵入所造成的光学接触面640的剥离的发生以及加剧。
观察的结果，判明了如果光学接触面640的面积较小(例如为3mm×3mm左右以下)，则光学接触面640的整体容易发生剥离。如果光学接触面640的面积为10mm×10mm以上，则即使在光学接触面640的外缘附近发生了剥离，到该剥离扩大至光学接触面640的整体为止也需要比较长的时间。尤其是，与外缘相距约3mm以上的光学接触面640的中心区域的剥离几乎未被观察到。
可以想见，在采用异种材料的光学部件(第一光学部件610以及第二光学部件620)处于光学接触状态时，这些部件间的热膨胀系数的差异对光学接触面640的剥离或这些部件的断裂等缺陷产生较大的影响。表1示出Nd:YVO4晶体(第一光学部件610)以及MgO:LN晶体(第二光学部件620)的物理特性值的比较。另外，表1所示的物理特性值是公知的值。
(表1)
从表1中的光栅常数的差异可知，例如，相对于环境温度变化，在C轴方向上MgO:LN晶体表示出Nd:YVO4晶体的约1.5倍左右的膨胀。因此，可以想见，如果在常温下使Nd:YVO4晶体和MgO:LN晶体吸附，则对光学接触装配体(光学元件600)的光学接触面640会施加较大的压力。
图30是概略表示MgO:LN晶体在C轴方向上以及Nd:YVO4晶体在C轴方向上的热膨胀系数的差异、以及由热膨胀系数的差异引起的晶体膨胀量的差异的计算结果的图。参照图30，可容易理解对光学接触面640施加的压力。
图30示出以下所示的两个计算结果。
(1)将MgO:LN晶体以及Nd:YVO4晶体在20℃时的光栅常数(单位晶体光栅的长度)设为1时，相对于从20℃至1000℃的环境温度变化的光栅常数变化。
(2)从基准点(由在常温下被吸附的MgO:LN晶体以及Nd:YVO4晶体形成的光学接触面640中的任意一点)起沿着C轴相距100μm处的MgO:LN晶体以及Nd:YVO4晶体的表面(第一主面612以及第二主面622)上的点相对于至1000℃的环境温度变化发生膨胀时的膨胀量的差。
根据图30所示的计算结果，推测出随着温度上升对光学接触面640施加的压力(要维持基于氢键结合的吸附状态的力以及由晶体的热膨胀的差异产生的应力)增大，从而引起光学接触面640的剥离的结果。
本发明人从图30所示的计算结果中注意到，膨胀量的差异相对于数百摄氏度的温度上升，不超过数个百分比左右。
图31示出MgO:LN晶体基板以及Nd:YVO4晶体基板。图31的上图是概略表示在常温下重合并处于相互吸附状态的MgO:LN晶体基板以及Nd:YVO4晶体基板的示意图。图31的下图是概略表示温度上升时的贴合基板(MgO:LN晶体基板以及Nd:YVO4晶体基板)的状态的示意图。用图31说明因热膨胀系数的差异产生对光学接触面的压力的C轴方向的膨胀。
图31例示C轴方向的长度约为10mm的MgO:LN晶体基板以及Nd:YVO4晶体基板。将图31所示的光学接触面的中央的点X表示为基准点。MgO:LN晶体基板以及Nd:YVO4晶体基板的外缘存在于从点X起左右相距5mm的位置。在图31中，将Nd:YVO4晶体基板的外缘上的点表示为点Y，将MgO:LN晶体基板的外缘上的点表示为点Y’。
MgO:LN晶体基板以及Nd:YVO4晶体基板在常温下被调整了位置并重合后(未吸附的状态)，如图31的上图所示，点Y与点Y’的位置一致。相对于从常温到200℃的环境温度的膨胀量的差异相对于每100微米的C轴方向的长度为1微米，因此，当MgO:LN晶体基板以及Nd:YVO4晶体基板的温度达到200℃时，点Y和点Y’之间产生约50微米的位置偏差。
当MgO:LN晶体基板以及Nd:YVO4晶体基板在常温下被吸附时，为了维持该吸附状态，需要用于抵消上述位置偏差的应力。
图31中，在与基准点(点X)相距约2mm左右的位置示出点Z和点Z’。点Z是Nd:YVO4晶体基板上的点，点Z’是MgO:LN晶体基板上的点。当Nd:YVO4晶体基板以及MgO:LN晶体基板的温度达到200℃时，点Z与点Z’的位置偏差仅为约10微米。因此，施加于被吸附的MgO:LN晶体基板以及Nd:YVO4晶体基板上“点Z-点Z’”的应力与“点Y-点Y’”相比较小。即，作用于光学接触面的应力并不依赖于接合的部件(MgO:LN晶体基板以及Nd:YVO4晶体基板)之间的膨胀率的差，而是依赖于膨胀位移量的差，所以，膨胀位移量的差越大，则应力压力越大。
本发明人基于上述的考察，导出如下的假说，即具有小面积的光学接触面的光学接触装配体，与具有大面积的光学接触面的光学接触装配体相比，由于在相同的环境温度的变化下，作用于光学接触面的压力较小，因而由热变动引起的剥离的概率较小。
本发明人为了验证上述的假说，将具有上述各种大小的光学接触面的光学接触装配体放入烤炉内，观察了由环境温度造成的剥离、断裂的发生。
将处于吸附状态的光学接触装配体(样本)载置到铝制的浅底盘上，并设置到烤炉内。烤炉内的温度从室温以2℃/分钟的升温速度上升至所期望的温度(60℃至200℃)。随后，使烤炉内的温度以期望的温度维持20分钟，然后再以2℃/分钟左右的降温速度恢复至室温。然后，从烤炉中取出样本，用显微镜观察了光学接触面。
从上述试验的结果可以判明，光学接触面的面积越大，发生剥离或断裂的发生温度越低。尤其是，用从大概70至75℃的试验温度得到的样本，观察到具有10mm×10mm以上的面积的光学接触面的剥离。另外，试验温度超过约100℃后，如果光学接触面的面积为10mm×10mm以上，则处于光学接触状态的第一主面612(参照图29)上的断裂发生得较多。具有5mm×5mm以下的面积的光学接触面的光学接触装配体的剥离发生温度约为90至110℃左右。尤其是，具有2mm×2mm以下的面积的光学接触面的光学接触装配体的剥离发生温度约为120至130℃左右。
根据上述的结果，本发明人得到如下结论，即通过减小光学接触面的面积(即，减小处于光学接触的部件(第一光学部件610以及第二光学部件620)间的热膨胀量的差)，能够提高在光学接触面中发生剥离或断裂的发生温度。本发明人基于该结论，成功地实现了用于承受环境温度变化的光学接触装配体的特性提高。
如上所述，用于提高具有采用异种材料的部件的光学接触装配体的接合强度的条件，与对于相对于热变动的光学接触面的耐剥离性以及断裂发生的减少的条件，具有相反的方向性。即，从接合强度的提高以及抑制由气体或水分的侵入引起的剥离等观点出发，较大面积的光学接触面较为理想。另一方面，从降低由热变动引起的光学接触面的剥离或断裂等观点出发，较小面积的光学接触面较为理想。
本发明人研究出了与具备由异种材料形成的多个光学部件的光学接触装配体的光学接触面的外缘邻接而形成的凹部或缺口部，以及在该凹部或缺口部覆盖光学接触面的外缘的密封部件。作为本实施方式的原理的特征的凹部或缺口部以及密封部件获得以下的效果。
(1)由于不仅利用光学接触面的接合力(形成基于氢键结合的吸附状态的力)，而且还利用密封部件使光学部件彼此接合，因而光学部件间的接合强度得到增强/提高。
(2)由于邻接于光学接触面的外周形成有凹部或缺口部，因而使光学接触面的面积减小。其结果，上述的由热变动引起的光学接触面的剥离/断裂得以降低。
(3)覆盖光学接触面的外缘的密封部件将光学接触面与外部氛围隔断，产生密封状态。因此，适于抑制气体或水分的侵入，减小了光学接触面的剥离的可能性。其结果，光学元件的长期的可靠性以及耐环境性大幅提高。
如图28以及图29所示，根据本实施方式的原理形成的光学元件600的光学接触面640允许激光的透过。通过在不存在粘合剂等中间层的情况下形成的光学接触面640，第一光学部件610和第二光学部件620被贴紧固定。因此，与具有使用粘合剂等中间层贴合的光学部件的光学元件不同，由激光的照射引起的中间层的劣化以及与伴随中间层劣化的光吸收/散射等缺陷在原理上不会发生。
结合图28以及图29说明的光学元件600的第一主面612与第二主面622之间不存在空气层。因此，对于图28以及图29所示的光传播，在光学接触面640中光感觉到的折射率阶差为第一光学部件610的折射率n1与第二光学部件620的折射率n2的差Δn＝|n1-n2|。例如，如果在光学元件600内传播的波长为1064nm的激光相对于光学接触面640垂直入射，则相对于第一光学部件610(激光晶体)的异常光折射率为ne1(1064nm)＝2.1652，第二光学部件620(MgO:LN晶体)的异常光折射率为ne2(1064nm)＝2.15，因而Δne＝|ne1-ne2|≈0.015。
基于折射率阶差的菲涅耳反射率R用R＝{(n1-n2)÷(n1+n2)}2表示。因此，上述光学接触面640中的菲涅耳反射至多不超过0.012％。该菲涅耳反射对大多数光学用途而言，小到不需要在第一光学部件610和第二光学部件620的光学接触面640上形成防反射膜(antireflection film)的程度。
因此，如果将具有近似的折射率的光学部件用光学接触技术进行一体化来制作功能性光学元件，则不需要在光学部件间的光学接触面上形成防反射膜。
图32例示装入有结合图28以及图29说明的光学元件600的共振器型的波长转换激光光源。激光透过被装入图32所示的激光光源的光学元件。光学元件600与根据实施方式1的光学元件140同样，是具有激光晶体和波长转换元件的光学接触装配体。用图28、图29以及图32，来说明激光光源。
激光光源700包括光学元件600。光学元件600具备第一光学部件610和第二光学部件620。第一光学部件610是采用Nd:YVO4的激光晶体。另外，第二光学部件620是MgO:LN晶体。第一光学部件610具有第一主面612、以及位于第一主面612相反一侧的入射端面613。第二光学部件620具有第二主面622、以及位于第二主面622相反一侧的射出端面623。第一主面612和第二主面622光学接触，形成光学接触面640。
光学元件600还具备密封部件630。密封部件630由紫外线固化树脂形成。用于第二光学部件620的MgO:LN晶体的一部分被切开，从而形成缺口部621。密封部件630设置在缺口部621中。
激光光源700还包括用于激励激光晶体(第一光学部件610)的激励用半导体激光器装置(以下称为泵浦LD710)、用于将从泵浦LD710射出的激励激光聚光于激光晶体(第一光学部件610)的聚光透镜720、光学元件600、以及固定有泵浦LD710及聚光透镜720的底座730。在本实施方式中，泵浦LD710作为激励光源而被例示。
作为第二光学部件620使用的MgO:LN晶体中形成有周期状的极化反转结构。期望的基波激光射入后，第二光学部件620产生具有基波波长的一半的波长的第二谐波(SecondHarmonic Generation：以下称为SHG)。例如，如果将上述的周期状的极化反转结构的周期设定为在射入的基波的光轴方向上约7微米左右，则波长为1064nm的基波被波长转换为波长为532nm的绿色光。这种功能性光学元件一般被称为波长转换元件(尤其是，进行向SHG光的波长转换的元件被称为SHG元件)。另外，如果用被研磨加工而得到高平行度的激光晶体(第一光学部件610)以及MgO:LN晶体(第二光学部件620)形成光学接触装配体(光学元件600)，第一光学部件610的入射端面613(聚光透镜720侧的端面)与第二光学部件620的射出端面623(位于与第一光学部件610光学接触的第二主面622相反一侧的端面)成为大致平行的位置关系。
也可以根据需要，将防反射膜或高反射膜成膜在第一光学部件610以及第二光学部件620上。尤其是，在第一光学部件610的入射端面613上，成膜有介电多层膜(dielectricmulti-layered film)，该介电多层膜满足针对808nm的波长的激光的防反射特性(例如1％以下的反射率)、针对1064nm的波长的激光的高反射特性(例如99.5％以上的反射率)、以及针对532nm的波长的激光的高反射特性(例如96％以上的反射率)等反射透射特性。在第二光学部件620的射出端面623上成膜有表现出对1064nm的波长的激光的高反射特性(例如99.5％以上的反射率)以及对532nm的波长的激光的防反射特性(例如96％以上的反射率)的特性的介电多层膜。
泵浦LD710射出波长为808nm的激励激光。聚光透镜720将激励激光聚光于激光晶体(第一光学部件610)。如上所述，利用设在第一光学部件610的入射端面613上的膜的针对808nm的光的防反射特性，激励激光几乎无损失地照射到激光晶体(第一光学部件610)。以高功率密度聚光的激励激光在激光晶体(第一光学部件610)内被吸收后，作为1064nm的基波激光(以下称为基波)射出。
利用平行设置的第二光学部件620的射出端面623的高反射特性膜与第一光学部件610的入射端面613的高反射特性膜，第一光学部件610和第二光学部件620形成对1064nm光的共振器结构。因此，由激光晶体(第一光学部件610)射出的波长为1064nm的基波以共振模式振荡。共振模式的基波在共振器(光学元件600)内部被放大。其结果，作为共振器内部功率产生数kW强度的高功率激光。这种高功率的基波照射到MgO:LN晶体(第二光学部件620)，以较高的波长转换效率得到波长为532nm的SHG。
共振器(光学元件600)内部的基波包含图32中朝向右方向的光与朝向左方向的光。因此，产生的SHG同样也包含两个方向的成分。但是，利用形成在第一光学部件610的入射端面613的膜的针对532nm波长的光的高反射特性，向着聚光透镜720的SHG输出得到抑制。这样，产生的SHG光的绝大部分从第二光学部件620的射出端面623射出。
使用根据本实施方式的光学元件600，形成图32所示的非常紧凑的波长转换激光光源(激光光源700)。尤其是，与上述的采用异种材料的多个光学部件(激光晶体(第一光学部件610)和MgO:LN晶体(第二光学部件620))的光学接触装配体(光学元件600)的光学接触面640的外周邻接而形成有缺口部621，进而在缺口部621填充配置有覆盖光学接触面640的外缘的密封部件630(紫外线固化树脂)。其结果，实现了光学元件600的接合强度的提高、光学接触面640的面积的减小以及基于密封部件630(紫外线固化树脂)的对来自外部的气体和水分的侵入防止。这样，适于形成可靠性高的波长转换激光光源(激光光源700)。
在本实施方式中，在两个由异种材料形成的光学部件(第一光学部件610和第二光学部件620)的其中之一上形成有缺口部621。取而代之，也可以在这两个光学部件上形成缺口部。
在本实施方式中，较为理想的是，在第二光学部件620及/或第一光学部件610的侧面(与极化反转区域垂直相交的面)上接触有导电性材料。其结果，与实施方式1至实施方式7同样，适当地进行第二光学部件620的电荷的除去及/或第一光学部件610的散热。
(实施方式8)
图33是概略表示光学接触前的第一光学部件和第二光学部件的立体图。图34是具备处于光学接触的第一光学部件和第二光学部件的光学元件的立体图。图35概略示出图34所示的剖面B。用图33至图35对根据实施方式8的光学元件进行说明。对与实施方式7相同的要素标注相同的标号。另外，对这些要素引用实施方式7中的说明。
光学元件600A具有第一光学部件610A和第二光学部件620。如图33所示，第一光学部件610A具有第一主面612A、以及位于第一主面612A相反一侧的入射端面613。第二光学部件620具有第二主面622、以及位于第二主面622相反一侧的射出端面623。第一主面612A和第二主面622光学接触，从而形成光学接触面640A(参照图34以及图35)。
在光学元件600A中，形成有与光学接触面640A邻接的缺口部621A。缺口部621A是通过对第一光学部件610A以及第二光学部件620这两者使用切割加工而形成的。光学元件600A还包括设置在缺口部621A中的密封部件630A。密封部件630A覆盖光学接触面640A的外缘。
由于密封部件630A填充于横跨第一光学部件610A和第二光学部件620这两者的缺口部621A，因而通过第一光学部件610A或第二光学部件620与密封部件630A的边界，到达光学接触面640A的气体或水分的路径变长。因此，本实施方式的光学元件600A具有对气体或水分的侵入的较高耐性。
(实施方式9)
图36是具有在设置密封部件的区域内分散的光学接触区域的光学元件的概略的立体图。图37概略示出图36所示的剖面C。在本实施方式中，在光学接触面的周围，例如对光学部件(第一光学部件及/或第二光学部件)实施用于形成特殊的缺口部或凹部的光刻工序(photolithography process)以及干式蚀刻工序(dry etching process)，从而形成柱状或板状的结构体。然后，执行第一光学部件和第二光学部件的光学接触处理。其结果，形成在设置密封部件的区域内分散的多个光学接触区域。对与实施方式7相同的要素标注相同的标号。另外，对这些要素引用实施方式7中的说明。
光学元件600B包括第一光学部件610B和第二光学部件620B。第一光学部件610B和第二光学部件620B光学接触，从而形成光学接触面640。光学元件600B还包括覆盖光学接触面640的外缘的密封部件630B。
在第2光学部件620B上形成有缺口部621B。缺口部621B通过对第二光学部件620B的一部分实施例如光刻工序以及干式蚀刻工序等形状加工而形成。其结果，形成在缺口部621B的区域内分散的光学接触区域。
通过在缺口部621B内分散的光学接触区域，例如密封部件630B的填充量得以减少。
在结合实施方式7说明的光学元件600的情况下，如果相对于光学元件600的外形尺寸(将沿着光学接触面640的光学元件的剖面积、或者在任意的径方向的光学接触面640的剖面积加上光学元件600的缺口部621的宽度尺寸所得到的尺寸)，让激光透过的光学接触面640的尺寸(光学接触面640的面积)较小，则由于密封部件630固化时的收缩或膨胀，在缺口部621中对光学部件(第一光学部件及/或第二光学部件)施加的张力应力或膨胀应力会过于增大。过大的张力应力或膨胀应力对光学接触面640产生不需要的力，潜在地引起第一光学部件610与第二光学部件620之间的吸附状态的劣化或剥离。
在根据本实施方式的光学元件600B的情况下，通过在光学接触面640周围的缺口部621B内分散的多个光学接触区域，可减少密封部件630B的填充量。因此，上述的对光学接触面640施加的不需要的力得以减小。这样，光学接触面640的剥离或第一光学部件610B和第二光学部件620B的位置偏差不易发生。
在实施方式7至实施方式9中，作为第一光学部件610、610A、610B，例示了Nd:YVO4晶体(激光晶体)。作为固体激光晶体，Nd:YVO4或Nd:GdVO4是较为理想的。如果使这些固体激光晶体中的Nd的掺杂量增加，则吸收系数增大。由于在光的传播轴方向以较短的距离吸收激励激光，发出基波，因而可提供小型的微芯片激光装置。
如果将Nd:YVO4或Nd:GdVO4用于第一光学部件610、610A、610B，则由于固体激光器的激励效率相对于晶体轴具有各向异性，因而在以单一偏振进行激光振荡的方面是有利的。尤其是，本实施方式中例示的非线性光学晶体的波长转换具有偏振依赖性，因而以单一偏振进行的振荡带来转换效率的大幅提高。具有周期状的极化反转结构的晶体的双折射的光轴和相位匹配的光轴一致，因而由温度产生的偏振的变化减少。另外，如果将单一偏振的激光晶体进行组合，则转换效率提高，实现偏振的稳定化。另外，与Nd:YVO4晶体相比，Nd:GdVO4晶体的热膨胀系数与MgO:LN晶体的热膨胀系数更为近似，因此如果将非线性光学晶体和激光晶体进行光学接触，则由于晶体的温度变化而引起的光学接触面的变形减小。因此，相对于外部的环境温度变化稳定的接合状态得以维持。
作为第一光学部件，也可以使用GdScGa系、YScGa系或YAG系等陶瓷激光介质。这些激光介质同样也可以用于上述的激光晶体。例如，可以制作具备处于光学接触的上述激光介质和作为波长转换元件的强介电晶体的光学元件，或具备该光学元件的波长转换激光光源。调配、成形、烧结等陶瓷加工与晶体提拉相比量产性较好，因而陶瓷激光介质与激光晶体相比在以非常低的成本制作的方面较为有利。尤其是，称为精细陶瓷的功能性陶瓷多用于光学用途，较为有用。
为了使密封部件覆盖光学接触面的外缘，缺口部或凹部的深度(图29所示的尺寸“d”(距离光学接触面的阶差))为1微米左右足矣。因此，也可以利用光刻和干式蚀刻形成缺口部或凹部。如果光刻以及干式蚀刻用于缺口部或凹部的形成，则光学接触面的形状以及大小得到精密地控制。另外，与切割加工相比，由于光刻以及干式蚀刻能够进行大面积的镶配槽加工，因而在削减用于形成缺口部或凹部的工序的方面，光刻以及干式蚀刻是有利的。
如上所述，密封部件带来了将光学接触面的外缘与外部氛围隔断的效果。密封部件的该重要作用/效果受到光学接触面的外缘与外部氛围的实际距离的较大影响。
本发明人利用使缺口部或凹部的深度(图29所示的尺寸“d”(距离光学接触面的阶差))发生变动的样本、以及使缺口部或凹部的宽度(图29所示的尺寸“w”(从光学接触面到密封部件的外周缘的距离))发生变动的样本，调查了光学接触面的外缘与外部氛围的实际距离的变动的影响(对阻断效果的影响)。
从上述调查结果明确，基于密封部件的光学接触面与外部氛围的隔断效果并不依赖于缺口部或凹部的深度以及宽度的其中之一，存在通过密封部件与光学部件的边界到达光学接触面的实际距离越大，隔断效果越大的倾向。如果上述的实际距离为500微米以上，密封部件处于充分填充/固化的状态，则以实用上不存在问题的水准长时间防止来自外部的气体或水分的侵入。
在实施方式7至实施方式9中，作为密封部件，例示了紫外线固化树脂。在能够根据光学元件的使用环境选择具有各种特性的紫外线固化树脂的方面，由紫外线固化树脂形成的密封部件是有利的。例如，根据粘度、固化后的折射率、耐热性或耐药品性等各种要求，选择适当的紫外线固化树脂。取而代之，作为用于光学元件的密封部件，也可以例如使用热固化性树脂来代替紫外线固化树脂。
作为密封部件，也可以使用硅酸钠(Sodium silicat)(Na2SiO3)或对硅酸钠进行了凝胶化所得的硅酸。高浓度的硅酸钠水溶液是一般作为水玻璃而为公知的糖稀状的高粘度液体。将高浓度的硅酸钠水溶液溶于水，成为适度的粘度。然后，将适当粘度的硅酸钠水溶液涂敷到设置密封部件的光学元件的缺口部以便覆盖光学接触面的外周缘。随后，使用移液管等适当的工具，将适量的稀盐酸加入硅酸钠水溶液。其结果，发生硅酸钠与盐酸的化学反应，硅酸钠发生凝胶化(成为无流动性的非晶质的状态)而成为硅酸(H2SiO3)。如果将以此方式凝胶化的硅酸作为密封部件使用，则适当地防止气体或水分向光学接触面的侵入。另外，通过凝胶化，光学部件彼此被坚固地粘合固定，从而提高耐加工性或耐热变化性。另外，由于凝胶化的硅酸成为具有比树脂系的密封部件更高的硬度的非晶质体(类似玻璃的特性)，因此例如在切割加工时不易发生切割刀片的堵塞。因此，可以使用与光学部件相同的刀片进行切断加工。
另外，为了提高密封部件的粘合效果，较为理想的是，设置密封部件的缺口部或凹部的加工表面不形成镜面，而是形成凹凸面。其结果，密封部件与光学部件的接触面积实质上增大，粘合效果增大。
根据本发明人的研究，如果作为密封部件使用紫外线固化树脂，则以10微米以上的表面粗糙度(Ra)形成缺口部或凹部，会提高密封部件的粘合力。
本发明人将1.2mm×1.2mm的光学接触面(即，形成缺口部或凹部使从光学接触面的外周缘到光学部件的最外周面的距离约为400微米左右)形成在具有2mm×2mm左右的外形尺寸的光学元件中。对于距离光学接触面的最大阶差量(d)为500微米左右的缺口部，形成宽度为10至50微米左右、高度为100微米左右以上的微小的凹凸。此时，显著地表现出上述粘合力的提高效果。另外，在上述结构中，由于通过密封部件与光学部件的边界到达光学接触面的外周缘的距离增大，因此适当地防止了外部氛围中的气体或水分向光学接触面的侵入。
在上述说明中，紫外线固化树脂作为密封部件使用。取而代之，密封部件也可以使用其他的介电薄膜(例如由SiO2形成的薄膜)形成。
(实施方式10)
作为用于设置将光学接触面与外部氛围隔断的密封部件的方法，考虑在不形成上述一系列实施方式中所说明的缺口部或凹部(与光学接触面的外缘邻接形成的缺口部或凹部)的情况下制作光学接触装配体，并沿着光学接触装配体的光学接触面的外缘设置密封部件。在此情况下，密封部件从第一光学部件及/或第二光学部件的最外部向外侧露出。如果将这种形状的光学元件例如配置固定到图32所示的底座730的平面部上，则密封部件与底座730的平面部相干扰，光学部件不易水平配置。因此，需要对底座730实施加工用于避免与从第一光学部件及/或第二光学部件的最外部向外侧露出的密封部件的干扰的凹部等应对措施。
图38(A)至图39(C)例示出具有用于消除与从第一光学部件及/或第二光学部件的最外部向外侧露出的密封部件相关联的缺陷的形状的光学元件。图38(A)至图39(C)均示出具备处于光学接触的两个光学部件的光学元件。两个光学部件均具有至少一个平坦的外面。缺口部被形成以便与该平坦的外面及光学接触面这两者相接触。此外，光学元件还包括覆盖光学接触面的外缘的密封部件。密封部件也覆盖与缺口部不相邻的光学接触面的外缘。图38(A)至图39(C)所示的光学元件的结构除了结合实施方式7至实施方式9说明的优点/效果以外，还带来平坦的外表面被用作为光学元件安装时的基准面的效果。光学元件的光学接触面的形状可以是圆形或矩形。或者，光学元件的光学接触面的形状也可以是用直线截取圆所成的大致半圆形，或者多边形。这样，在本实施方式中，光学元件的光学接触面可以呈各种形状，本实施方式的光学部件的外周面具有至少一个平坦的面。
图38(A)至(C)概略示出包括具有大致半圆形的剖面的两个光学部件的光学元件。图38的(A)是具备处于光学接触状态的两个光学部件的光学元件的概略的立体图，(B)概略示出图38(A)中的剖面D，(C)示出从(A)中的箭头方向看到的光学元件。
图38(A)至(C)所示的光学元件600C包括第一光学部件610C和第二光学部件620C。第一光学部件610C以及第二光学部件620C均形成大致半圆柱形。第一光学部件610C具有大致平坦的底面615、以及处于与第二光学部件620C光学接触的状态的第一主面612C。另外，第二光学部件620C具有大致平坦的底面625、以及与第一主面612C光学接触的第二主面622C。将第一光学部件610C的第一主面612C和第二光学部件620C的第二主面622C接合成使第一光学部件610C的底面615和第二光学部件620C的底面625处于大致同一面，从而形成光学接触面640。第一主面612C以及第二主面622C形成大致相同形状相同大小。
光学元件600C还包括覆盖光学接触面640C的外缘的密封部件630C。在第2光学部件620C上形成有缺口部621C。缺口部621C通过将第二光学部件620C的一部切开而形成，与底面615、625以及光学接触面640C邻接。密封部件630C不仅设置在占据从光学接触面640C的下缘起到底面615、625的区域的缺口部621C中，还设置在第一光学部件610C以及第二光学部件620C的弯曲面上。
图39(A)至(C)概略示出具备形成光学接触面的主面的大小不同的两个光学元件的光学元件。图39的(A)是具备处于光学接触的锥形(tapered)光学部件和长方体光学部件的光学元件的概略的立体图，(B)概略示出(A)中的剖面E，(C)示出从(A)中的箭头方向看到的光学元件。
图39(A)至(C)所示的光学元件600D包括第一光学部件610D和第二光学部件620D。第一光学部件610D是向着第二光学部件620D变窄(即向着光的传播方向变窄)的锥形六面体。另外，第二光学部件620D是长方体。
第一光学部件610D具有大致平坦的底面615D、以及与第二光学部件620D光学接触的第一主面612D。另外，第二光学部件620D具有大致平坦的底面625D、以及与第一主面612D光学接触的第二主面622D。将第一光学部件610D的第一主面612D和第二光学部件620D的第二主面622D接合成使第一光学部件610D的底面615D和第二光学部件620D的底面625D处于同一面，从而形成光学接触面640D。此时，相对于光学接触面640D，底面615D、625D为大致直角。
光学元件600D还包括覆盖光学接触面640D的外缘的密封部件630D。在第一光学部件610D上形成有缺口部621D。缺口部621D通过将第一光学部件610D的一部切开而形成与底面615D、625D以及光学接触面640D邻接。密封部件630D不仅设置在占据从光学接触面640D的下缘起到底面615D、625D的区域的缺口部621D中，还沿着由第一光学部件610D与第二光学部件620D形成的角落部设置。
在实施方式7至实施方式10中，作为具备采用异种材料的光学部件的光学接触装配体，例示了具备激光晶体与波长转换元件的光学元件以及具备该光学元件的波长转换激光光源。上述一系列实施方式所涉及的原理也可以适用于其他的光学元件(例如，组合有激光晶体与表现出电光效应的非线性光学晶体的调制器一体型激光光源、组合有陶瓷激光器与具有电极的TeO2等音响光学元件的光强度调制器一体型激光光源、以及组合有表现出基于电压施加的透镜效果或衍射效果的多个光学元件的光电路元件等各种光学元件)。
(实施方式11)
在上述实施方式7至实施方式10中，作为由异种材料形成的光学接触装配体，例示了Nd:YVO4晶体(激光晶体)与MgO:LN晶体(非线性光学晶体)的光学接触装配体以及具备使用该光学接触装配体的共振器结构的波长转换激光光源。在本实施方式中，光学接触装配体的光学接触面被用作为用于控制激光的横模(lateral mode)的光学窗口。本实施方式的原理的特征在于利用所期望的大小/形状的光学接触面，对作为共振模式成立的横模进行控制。
图40以及图41例示本实施方式的光学元件。图40以及图41所示的光学元件适用于具有包括处于光学接触状态的固体激光介质和共振镜的光学晶体的共振器型的固体激光光源。
图40是概略表示具有作为光学窗口发挥作用的光学接触面的光学元件的立体图。图41概略示出图40所示的剖面F。对与实施方式7相同的要素标注相同的标号。另外，对这些要素引用实施方式7中的说明。
光学元件600E包括用作为第一光学部件610E的激光晶体、以及用作为第二光学部件620E的MgO:LN晶体。第一光学部件610E具有与第二光学部件620E光学接触的第一主面612E、以及位于第一主面612E相反一侧的入射端面613。第二光学部件620E具有与第一主面610E光学接触的第二主面622E、以及位于第二主面622E相反一侧的射出端面623。第一主面612E和第二主面622E处于光学接触状态，形成光学接触面640E。
在第二光学部件620E上，形成有通过将MgO:LN晶体的一部分切开而形成的缺口部621。光学元件600E还包括设置在缺口部621的密封部件630。密封部件630覆盖光学接触面640E的外缘。光学元件600E能够按照结合实施方式7说明的加工处理而制成。
在本实施方式中，从光学元件600E的入射端面613(第一光学元件(激光晶体)的位于第一主面612E相反一侧的端面)射入波长为808nm的激励用激光。随后，在用作为第一光学部件610E的激光晶体中被激励的波长为1064nm的激光通过光学接触面640E传播到第二光学部件620E。然后，波长为1064nm的激光由用作为第二光学部件620E的MgO:LN晶体的射出端面623(第二光学部件620E的位于第二主面622E相反一侧的端面)反射。进而，波长为1064nm的激光被用作为第一光学部件610E的激光晶体的入射端面613再次反射。这样，在光学元件内产生共振模式的振荡。
为了实现上述的共振模式的振荡，在用作为第一光学部件610E的激光晶体的入射端面613上，层膜有表现出对波长为1064nm的激光的高反射特性(例如99.8％以上的反射率)的介电多层膜等反射膜。另外，在用作为第二光学部件620E的MgO:LN晶体的射出端面623上，也层膜有表现出对波长为1064nm的激光的高反射特性(例如99.8％以上的反射率)的介电多层膜等反射膜。
例如，激光从高输出的激励用半导体激光器等光源射入用作为第一光学部件610E的激光晶体。其结果，产生在第一光学部件610E内的光吸收以及与能级(energy level)相对应的波长的激光射出。例如，若作为激光晶体使用Nd:YVO4晶体，作为泵浦光使用波长为808nm的激励激光，则从Nd:YVO4晶体射出波长为1064nm的光。此时，如果作为激励激光器使用半导体激光器，则泵浦光束的截面(profile)(横模)呈椭圆形。另外，Nd:YVO4晶体的照射区域(即激光激励区域的剖面形状)也为椭圆形。其结果，被激励的1064nm的波长的光的横模也呈椭圆形。
用作为第一光学部件610E的激光晶体内的从808nm光到1064nm光的转换通过模式结合(模式耦合，也简称为耦合)而成立。在808nm波长的光与1064nm波长的光的耦合中，例如，从808nm波长的光的单模(single mode)到1064nm波长的光的多模(multimode)的耦合效率变得良好时被激励的1064nm光为多横模。这在输出光束的利用方面引起各种不足。例如，为了得到波长为532nm的SHG，如果波长为1064nm的激光射入波长转换元件，则与单模相比，转换效率大幅降低。对多横模的光束而言，由于作为光束质量的指标的所谓M2(M的平方)较大，因而聚光特性较差。例如，具备MEMS器件的扫描型显示装置的利用受到限制。
关于这种共振器结构中的光束横模的单模化，为了提供对多模的损失，提出在共振器内设置光学窗口(例如光圈)。但是，在组合有小型光学部件以构成紧凑的共振器的情况下，需要例如用于在光学部件间插入光圈的结构。因此，产生部件数目的增多、与光圈的插入位置相关的控制的必要性、或光圈的固定不稳定性等各种问题。
关于上述问题，在本实施方式中，通过对光学元件的光学接触面的形状以及大小的控制，在光学元件内通过的激光的横模得以控制。如上所述，在本实施方式中，通过利用处于光学接触的光学部件形成共振器，并且将光学接触面用作为光学窗口，不仅实现了结构部件数的削减和共振器结构的稳定性，还不需要进行光学窗口的位置调整。
上述的光学窗口的形状以及大小例如通过光刻或干式蚀刻加工等加工方法，以亚微米单位的精度得到控制。
本发明人使波长为808nm的激励激光实际射入结合图40以及图41说明的光学元件600E中，并观察了光学接触面640E中的1064nm的激光的光束点。另外，光学接触面640E为聚光位置。而且，调整激励激光，使在聚光位置的光束横模的最大直径达到100μm左右。
图42(A)以及(B)示出在光学接触面640E中观察到的光束点的像。图42(A)示出在直径
Figure BDA0000081730420000501
的光学接触面640E上观察到的光束点的像，(B)示出在直径
Figure BDA0000081730420000502
的光学接触面640E上观察到的光束点的像。
根据对具有不作为光学窗口发挥作用的大面积(
Figure BDA0000081730420000503
左右)的光学接触面640E的光学元件600E的光束点的观察结果，光学接触面640E上的光束的M2在单轴方向上为1.39，在长轴方向上为2.3。本发明人使用光学接触面640E的面积不同的光学元件600E，确认了光学接触面640E的作为光学窗口的作用。其结果，在的光学接触面640E中观察到的光束的M2分别在单轴方向上为1.07，在长轴方向上为1.58，得到了大幅改善。进而，在
Figure BDA0000081730420000505
的光学接触面640E中观察到的光束的M2分别在单轴方向上为1.01，在长轴方向上为1.04。因此，在
Figure BDA0000081730420000506
的光学接触面640E上，观察到了近似于大致圆形的光束形状。本发明人进一步使用具有
Figure BDA0000081730420000507
以下的光学接触面640E的光学元件600E进行了观察。作为该观察的结果，本发明人确认，在
Figure BDA0000081730420000508
以下的光学接触面640E中，光束的大部分被光学窗口弹了出去(bounced off)，1064nm光的激励效率实质上发生了极端的降低。因此，将光学接触面640E的大小设定为光学接触面640E中的光束直径的约3至4倍左右较为理想。
(实施方式12)
图43以及图44示出具备锥形光学部件的光学元件。光学元件作为共振器使用，与实施方式11同样，光学元件的光学接触面作为光学窗口发挥作用。
图43是光学元件的概略的立体图。图44概略示出图43中所示的剖面G。用图43以及图44对光学元件进行说明。对与实施方式11相同的要素标注相同的标号。另外，对这些要素引用实施方式11中的说明。
光学元件600F包括作为第一光学部件610F使用的激光晶体、以及作为第二光学部件620F使用的MgO:LN晶体。第一光学部件610F具有与第二光学部件620F光学接触的第一主面612F、以及位于第一主面612F相反一侧的入射端面613。第二光学部件620F具有与第一主面612F光学接触的第二主面622F、以及位于第二主面622F相反一侧的射出端面623。第一主面612F和第二主面622F光学接触，形成光学接触面640F。第二主面622F大于第一主面612F。因此，在第一光学部件610F的周壁(在入射端面613与第一主面612F之间延伸的倾斜的壁部)与第二主面622F之间形成角落部。光学元件600F还包括设置在角落部的密封部件630F。密封部件630F密封由第一主面612F与第二主面622F形成的光学接触面640F的外缘。
对作为第一光学部件610F使用的激光晶体实施形状加工，形成缺口部621F。通过从入射端面613至第一主面612F进行的形状加工，第一光学部件610F呈锥形形状，朝着第二光学部件620F逐渐变窄。因此，与从入射端面613射入的光的光轴大致垂直的第一光学部件610F的剖面沿着光轴发生变化。相对于呈锥形的第一光学部件610F，第二光学部件620F大致为长方体。作为第二光学部件620F使用的MgO:LN晶体的第二主面622F大于作为第一光学部件610F使用的激光晶体的第一主面612F。对作为第一光学部件610F使用的激光晶体的第一主面612F以及呈锥形的激光晶体的周壁的形状以及大小进行控制，使得第一主面612F以及周壁实质上作为针对激光的光学窗口而发挥作用。在锥形形状加工中设定的锥形角度(即，由作为第一光学部件610F使用的光传播方向的长度、第一主面612F的剖面形状以及入射端面613的剖面形状决定的第一光学部件610F的周壁面各自的倾斜角度)根据所使用的激光波长、光学部件的特性或光束向光学元件600F的入射条件等光学条件适当地进行设定。
对第一光学部件610F的锥形加工可以通过切割、研磨或蚀刻等各种加工处理进行。另外，由于加工成锥形形状的面的状态(例如面粗糙度)可使所使用的光束的损失发生增减，因而可以适当地控制加工成锥形形状的面的状态，从而有效地除去不需要的横模。对图44所示的光学元件600F的光学接触面640F的形状以及大小进行控制，从而实现在光学元件600F内通过的激光的横模控制。由于使光学部件(第一光学部件610F、第二光学部件620F)处于光学接触状态构成共振器，并且光学接触面640F作为光学窗口使用，因而可削减结构部件数并获得共振器结构的稳定性。而且，几乎不需要进行光学窗口的位置调整。
(实施方式13)
在本实施方式中，说明有关结合实施方式7说明的光学元件的制作所涉及的量产性以及光学元件的安装的有利特征。
如结合实施方式7所说明的那样，在光学元件的制作时，准备小片化的光学部件。在对光学部件实施了缺口加工后，进行亲水性处理和光学接触面的形成(第一主面与第二主面的贴合)。然后，进行密封部件的涂敷以及固化。这种小片的光学部件的光学接触的工序中的不利之处如下所示。
(1)制作光学接触装配体时的吸附状态形成的容易性依赖于接合面的面积。具有较大光学接触面的光学接触装配体以比较小的压力容易形成遍及光学接触面整体的吸附状态，另一方面，随着光学接触面的面积减小，用于形成吸附状态所需的压力增大。
(2)被进行光学接触的光学部件的表面间如果存在数微米左右大小的异物，则不易形成吸附状态。因此，进行光学接触的光学部件的表面的充分的洗涤/清洁是必需的。
上述不足的倾向尤其在使用具有2mm×2mm以下面积的光学接触面的小片的光学部件形成光学接触装配体时变得较为显著。
本发明人为了解决上述的问题，研究了在将具有大面积的光学接触面的光学部件进行了光学接触后，容易形成具有微小面积的光学接触面的光学元件的方法。本发明人通过以下所示的工序制作了结合上述实施方式7以及实施方式11说明的光学元件。以下，说明本发明人使用的工序。
(1)对要成为光学接触状态的光学部件的大面积主面，利用切割加工或干式蚀刻等加工技术形成沟结构(宽度：W1)。此时，进行切割加工或干式蚀刻，以便使沟结构的至少一部分到达光学部件的主面的外缘。
(2)对形成有沟的光学部件的主面进行亲水性处理。然后，使形成有沟的光学部件的主面与其他光学部件光学接触(形成光学部件之间的吸附状态)，从而形成光学接触面。
(3)在通过上述的沟结构在光学部件之间形成的间隙(空隙)中填充密封部件。然后使密封部件固化。
(4)使用小于上述沟宽度W1的刀片宽度W2的切割锯等工具将密封部件小片化，形成光学部件。另外，密封部件的一部分保持覆盖光学接触面的外缘的状态。
利用上述光学元件的制作工序与结合实施方式7以及实施方式11说明的光学元件的结构(即，与光学接触面的外缘邻接形成有凹部或缺口部，设置在该凹部或缺口部中的密封部件覆盖光学接触面的外缘的结构)，适于解决具备小片化的光学部件的光学接触装配体的制作所涉及的问题。
图45(A)至(E)概略示出用于制作光学元件的工序。通过图45(A)至(E)所示的工序，使Nd:YVO4晶体(激光晶体)和MgO:LN晶体(非线性光学晶体)处于光学接触状态，从而形成光学元件。
图45(A)概略示出在第一光学部件上形成沟的工序，(B)概略示出将沟形成后的第一光学部件(经过图45(A)的工序的第一光学部件)与第二光学部件进行光学接触(贴合)的工序，(C)概略示出在处于吸附状态的光学接触装配体的沟形成部分(空隙)中填充密封部件并进行固化的工序，(D)概略示出用于沿着填充有密封部件的沟形成部分，利用切割来截取光学元件的工序，(E)是已被小片化的光学元件的立体图。
图45(A)示出作为第一光学部件810使用的激光晶体910(Nd:YVO4晶体)和形成在激光晶体910的表面上的沟结构921。另外，形成有沟结构921的激光晶体910的表面作为第一主面812用于光学接触面840的形成。另外，位于第一主面812相反一侧的激光晶体910的表面作为入射端面813使用。
图45(B)除了示出形成有沟结构921的激光晶体910以外，还示出作为第二光学部件820使用的MgO:LN晶体920。在图45(B)中，与激光晶体910的第一主面812相对置的MgO:LN晶体920的表面作为第二主面822使用。位于第二主面822相反一侧的MgO:LN晶体920的表面作为射出端面823使用。使第一主面812和第二主面822处于光学接触状态，从而形成图45(E)所示的光学接触面840。
图45(C)除了示出形成有沟结构921的激光晶体910以及MgO:LN晶体920以外，还示出填充在通过沟结构921和MgO:LN晶体920的第二主面822而形成的空隙中并被固化的密封部件830。以下，说明详细的制作处理以及制作处理的特征。
如图45(A)所示，准备厚度为2mm、面积为12mm×12mm、a-轴切割(a-axis cut)的激光晶体910。对激光晶体910的主面(上面以及下面)进行镜面研磨。将激光晶体910的主面(上面以及下面)的其中一面作为要进行光学接触的第一主面812使用。另一面作为入射端面813使用。对作为第一主面812使用的激光晶体910的第一主面812，通过切割形成沟结构921。在沟结构921的形成中，例如可以使用具有300微米左右的切割刀片宽度的切割具。沟结构921中的沟的间距例如可以设定为1.2mm。另外，沟的宽度可以为400至700微米左右。沟的深度可以为30微米左右。通过这种沟结构921的形成，使图45(E)所示的小片化的光学元件800的光学接触面840为500微米×500微米左右至800微米×800微米左右的矩形。另外，图45(E)所示的光学元件800的外形剖面尺寸约为1mm×1mm左右。
对形成有沟结构921的激光晶体910进行充分的有机洗涤，以除去沟结构921的加工中所使用的树脂粘合剂或其他污浊成分。然后，对激光晶体910以及MgO:LN晶体920的基板(厚度为0.5mm、面积为12mm×12mm、X切割板)进行亲水性处理。亲水性处理与结合实施方式7说明的处理相同。
如图45(B)所示，形成有沟结构921的激光晶体910的第一主面812和MgO:LN晶体920的应该光学接触的主面(即第二主面822)光学接触。在激光晶体910的第一主面812与MgO:LN晶体920的第二主面822的贴合期间，调整激光晶体910的基板和MgO:LN晶体920的基板的方向，使激光晶体910的晶体轴(C轴)与MgO:LN晶体920的晶体轴达到平行。
通过形成在激光晶体910上的沟结构921而被划分的光学接触面840的面积为500μm×500μm左右至800μm×800μm左右，非常小，但贴合基板(激光晶体910以及MgO:LN晶体920)整体的面积为12mm×12mm，第一主面812与第二主面822的吸附(光学接触状态)比较容易实现。本发明人确认，通过上述的贴合工序，吸附状态形成的容易性不仅依赖于各个被划分的光学接触面的面积，还依赖于用于形成光学接触装配体的光学部件(激光晶体910以及MgO:LN晶体920)整体的面积。如果使用于形成光学接触装配体的光学部件(激光晶体910以及MgO:LN晶体920)整体的面积增大，则比较容易形成吸附状态，这一倾向是本发明人首次明确的特征。
图46示出经过上述工序所得到的光学接触装配体的实体显微镜图像。图46的图像是从作为射出端面823使用的MgO:LN晶体920的表面一侧对光学接触面840进行拍摄的照片。图46的部分(a)所示的光学接触面840具有500μm×500μm的尺寸。图46的部分(b)所示的光学接触面840具有800μm×800μm的尺寸。
图46中，明亮的矩形部分表示由激光晶体910与MgO:LN晶体920形成的光学接触面840。图46中，较暗的格子形状部分表示由沟结构921与MgO:LN晶体920形成的空隙。
光学接触面840中的彩虹颜色的干涉条纹意味着在光学接触面840的吸附状态的形成不良，但在图46中未观察到在光学接触面840的干涉条纹。因此可知，经过上述的工序，在光学接触面840形成良好的吸附状态。
在光学接触面840的良好的吸附状态形成后，将紫外线固化树脂作为密封部件830填充在由沟结构921以及MgO:LN晶体920形成的空隙中，然后进行固化。在本实施方式中，能够适用各种种类的紫外线固化树脂。本发明人使用了epotek公司制造的低粘度的OG146(40cp)和CHEMITECH公司制造的较高粘度的U1541K(60000cp)。
虽然粘度的差异导致填充速度的差异，但两种树脂材料都适当地填充了由沟结构921与MgO:LN晶体920形成的空隙。另外，两种树脂材料均通过至2000mJ/cm2左右的紫外线照射量而被固化。本发明人针对两种树脂材料未观察到因树脂固化时的收缩引起的填充不良。
在树脂的填充/固化后，通过图45(D)所示的切割加工，使光学接触装配体小片化。为了小片化的差异所使用的切割具的刀片宽度比填充密封部件830的沟结构921的宽度(400至700μm)薄。本发明人为了将光学接触装配体小片化，使用了150微米宽度的切割刀片宽度。
将光学接触装配体小片化后，便形成图45(E)所示的光学元件800。填充空隙的密封部件830在小片化后仍覆盖光学接触面840的外缘。由于包含切割加工时的刀片宽度在内的切除宽度为180微米左右，因而密封部件830残留在从光学接触面840的外缘起到切割部分的宽度(根据形成的沟结构921的宽度，约为100至约500微米左右的宽度)为止的区域内。
图47示出通过上述切割加工而被小片化的光学接触装配体的实体显微镜的观察像。
根据图47所示的观察像，未观察到在切割加工期间水对填充有密封部件830的区域以及光学接触面840的侵入、或由切割刀片对光学接触装配体施加的机械压力引起的光学接触面840的剥离。因此，从图47的观察像可知，最终适宜地形成了具有约1mm×1mm的射入射出面和2.5mm的长度的小片化的光学元件800。
如上所述，通过根据本实施方式的加工工序，形成小片化的光学接触装配体所存在问题(即与光学接触时的吸附状态形成的容易性的确保相关的问题)得到适当地解决。另外，填充的紫外线固化树脂(密封部件830)抑制水或气体对光学接触面840的侵入。进而，由于填充的紫外线固化树脂(密封部件830)使光学接触装配体的接合强度增大，因此光学接触装配体对切割加工时的机械压力的耐性增大。这样，在小片化的光学接触装配体的形成工序中，也取得实用的效果。
本实施方式的加工工序能够主要适用于实施方式7及/或实施方式11所示结构的光学元件。通过本实施方式的加工工序，容易并且高效地制作实施方式7及/或实施方式11所示结构的光学元件。
在本实施方式中，为了形成光学元件800，仅在激光晶体910上形成沟结构921。取而代之，也可以仅在MgO:LN晶体上形成沟结构。或者，也可以在构成光学元件800的两个光学部件上均形成沟结构。无论哪一种情况都可获得上述相同的效果。
在本实施方式中，作为密封部件830，使用紫外线固化树脂。取而代之，也可以使用热固化性的树脂作为密封部件。使用热固化性树脂也可取得相同的效果。另外，热溶性蜡等要求同时进行加热的填充的树脂不适合本实施方式的加工工序。如果将要求同时进行加热的填充的树脂用作密封部件，则处于光学接触的光学部件间的热膨胀的差异导致的翘曲有可能产生吸附状态的劣化。
作为密封部件，也可以使用结合实施方式7说明的硅酸钠(Na2SiO3)或包含凝胶化的硅酸钠的硅酸。将高浓度的硅酸钠水溶液溶于水，调整为适当的粘度。然后，与上述的紫外线固化树脂同样，硅酸钠水溶液从面向光学接触装配体的外缘的空隙部的开口部被填充。然后，使用移液管，将稀盐酸适量地添加到上述开口部周边。其结果，生成填充部(空隙部)的硅酸钠固化(凝胶化)后的硅酸。通过凝胶化，光学部件彼此坚固地粘合固定。其结果，提高了光学接触装配体的耐加工性或耐热变化性。另外，由于生成的硅酸为具有比树脂系的密封部件更高的硬度的非晶质体(类似玻璃的特性)，因而，例如在切割加工时较少发生切割刀片的堵塞。因此，也可以使用与光学部件所使用的刀片相同的刀片进行切断加工。
(实施方式14)
在本实施方式中，说明使用了结合上述实施方式1至实施方式13说明的光学元件或波长转换激光光源的图像显示装置。
图48示出将激光作为光源的激光投影仪(作为二维调制元件使用了强介电体LCOS的激光投影仪)。在本实施方式中，激光投影仪作为图像显示装置而被例示。
激光投影仪1000包括蓝色激光光源1100b、红色激光光源1100r以及绿色激光光源1100g。激光投影仪1000还包括分别与蓝色激光光源1100b、红色激光光源1100r以及绿色激光光源1100g对应的准直透镜1110b、1110r以及1110g。从蓝色激光光源1100b、红色激光光源1100r以及绿色激光光源1100g发出的激光分别通过准直透镜1110b、1110r以及1110g被准直为平行光。在本实施方式中，蓝色激光光源1100b、红色激光光源1100r及/或绿色激光光源1100g可以是具备上述一系列实施方式所示的光学元件的激光光源及/或上述一系列实施方式所示的波长转换激光光源。
激光投影仪1000还包括分别反射由准直透镜1110b、1110r以及1110g准直的激光的镜1120b、1120r以及1120g。镜1120b、1120r以及1120g分别为在蓝色(波长为400至460nm)、红色(波长为600nm以上)以及绿色(波长为520至560nm)区域具有反射特性的介电多层镜。调整准直透镜1110b、1110r以及1110g以及镜1120b、1120r以及1120g，使得在紧接着镜1120g之后，蓝色激光光源1100b、红色激光光源1100r以及绿色激光光源1100g的光束路径成为同轴。
激光投影仪1000还包括扫描光束的扫描镜1130。在图48中，扫描镜1130使来自镜1120b、1120r以及1120g的激光向右方折射，并进行扫描。
激光投影仪1000还包括将光束整形为线状的亮线的透镜1140。作为透镜1140，可以使用柱面透镜(cylindrical lens)。
激光投影仪1000还包括透镜1150、1160以及配置在透镜1150、1160之间的扩散板1170。透镜1150、1160是一对中继透镜/场透镜。扩散板1170使通过透镜1140(柱面透镜)被整形为亮线的光束进一步成为带状。
激光投影仪1000还包括作为偏振分束器(polarization beam splitter)使用的棱镜1180和强介电体液晶显示设备(LCOS1190)。通过光的偏振方向的旋转，进行LCOS1190的开/关控制。因此，棱镜1180作为偏振分束器发挥作用。
光束在扫描镜1130之前被合波。然后，通过扫描镜1130光路偏向的光束以S偏振射入棱镜1180。棱镜1180内的反射膜被设计成以S偏振进行反射。因此，S偏振的光照明LCOS1190。
激光投影仪1000还包括投射透镜1200和屏幕1210。被LCOS1190反射的光通过投射透镜1200投影到屏幕1210上。
激光投影仪1000包括控制器1220。控制器1220包括用于驱动LCOS1190的第一驱动电路1221、用于驱动激光光源(蓝色激光光源1100b、红色激光光源1100r以及绿色激光光源1100g)以及扫描镜1130的第二驱动电路1222、以及激光器电流源1223。在本实施方式中，第二驱动电路1222作为激光驱动电路而被例示。
将视频信号1224输入到第一驱动电路1221。第一驱动电路1221随后生成用于驱动LCOS1190的LCOS驱动信号1225。作为LCOS驱动信号1225之一而生成的V-SYNC信号1226作为触发信号被输出到第二驱动电路1222。
第二驱动电路1222随后基于V-SYNC信号1226生成并输出发光触发信号1227。发光触发信号1227表示扫描镜1130的驱动波形和激光光源(蓝色激光光源1100b、红色激光光源1100r以及绿色激光光源1100g)的发光时机。发光触发信号1227被输入到激光器电流源1223。激光器电流源1223基于发光触发信号1227，对激光光源(蓝色激光光源1100b、红色激光光源1100r以及绿色激光光源1100g)供应电流。
通过上述一系列的动作以及控制，图像被显示在屏幕1210上。
(实施方式15)
在本实施方式中，说明使用了结合上述实施方式1至实施方式13说明的光学元件或波长转换激光光源的图像显示装置。
图49概略示出使用激光的平视显示装置(head-up display device)。在本实施方式中，平视显示装置作为图像显示装置而被例示。
平视显示装置2000包括蓝色激光光源2100b、红色激光光源2100r以及绿色激光光源2100g。平视显示装置2000还包括小型液晶面板或数码镜器件(DMD、digital mirrordevice)等二维调制元件2110、投射透镜2120、中间屏幕2130、折返镜2140以及用于控制这些构件的控制器2150。
从蓝色激光光源2100b、红色激光光源2100r以及绿色激光光源2100g发出的激光经由光学系统(未图示)而被合波/成型，然后照明二维调制元件2110。由二维调制元件2110调制的光经由投射透镜2120被投影到中间屏幕2130上。其结果，在中间屏幕2130上进行描绘。
平视显示装置2000还包括输入图像数据的输入端口2160。要使用平视显示装置2000进行显示的图像的数据从输入端口2160作为电信号输入。控制器2150将图像数据的信号转换为二维调制元件2110的驱动信号。另外，控制器2150基于图像数据的信号，生成规定蓝色激光光源2100b、红色激光光源2100r以及绿色激光光源2100g的点灯时机的时机信号。
控制器2150与时机信号联动地对蓝色激光光源2100b、红色激光光源2100r以及绿色激光光源2100g供应所需的电流，使蓝色激光光源2100b、红色激光光源2100r以及绿色激光光源2100g点灯。
如上所述，表示在中间屏幕2130上描绘的图像的显示光2170通过折返镜2140，向安装在车辆的前挡玻璃2180上的反射镜2190反射。反射镜2190进一步将显示光2170向驾驶员2200反射。
其结果，能够对越过前挡玻璃2180由显示光2170表示的图像的虚像2210(图49中用虚线表示的区域)进行目视确认。
通过上述一系列的动作以及控制，平视显示装置2000能够向驾驶员2200提供图像。
对于结合实施方式14以及实施方式15说明的图像显示装置，例如，结合上述实施方式1至实施方式13说明的光学元件及/或包括光学元件的波长转换激光光源的原理可以适用于绿色激光光源1100g、2100g。其结果，光源能够在较大的温度范围中实现长期稳定的输出。这样，图像显示装置能够在较大的温度范围中保持稳定的亮度。
上述实施方式主要包括以下结构。
上述的实施方式所涉及的一种波长转换激光光源包括：用于产生基波光的固体激光介质；将所述基波光转换为频率高于所述基波光的第二谐波光的波长转换元件；以及与该波长转换元件相接触的导电性材料，其中，所述波长转换元件具备形成有多个极化反转区域的极化反转结构以及与所述极化反转区域垂直相交的第一侧面，所述导电性材料与所述第一侧面相接触。
根据上述结构，固体激光介质产生基波光。波长转换元件将该基波光转换为频率高于基波光的第二谐波光。波长转换元件具备形成有多个极化反转区域的极化反转结构以及与极化反转区域垂直相交的第一侧面。由于导电性材料与第一侧面相接触，因此，波长转换激光光源的输出得以长时间维持。
在上述结构中，较为理想的是，所述极化反转结构露出于所述第一侧面，所述导电性材料与露出于所述第一侧面的所述极化反转结构直接接触。
根据上述结构，导电性材料与露出于第一侧面的极化反转结构直接接触，因而波长转换激光光源的输出得以长时间维持。
在上述结构中，较为理想的是，所述波长转换元件和所述固体激光介质光学接触，形成第一光学元件，所述固体激光介质具有与所述第一侧面连续的第二侧面，该第二侧面与所述导电性材料相接触。
根据上述结构，波长转换元件和固体激光介质光学接触，形成第一光学元件。固体激光介质具有与第一侧面连续的第二侧面。由于第二侧面与导电性材料相接触，因而导电性材料从固体激光介质散热。因此，波长转换激光光源的输出得以长时间维持。
较为理想的是，上述的波长转换激光光源还包括：维持所述固体激光介质发出的激光的横模的第二光学元件，所述第一光学元件和所述第二光学元件光学接触，所述第二光学元件具有射出所述激光的射出部，该射出部呈球面凸透镜形状。
根据上述结构，第一光学元件和第二光学元件光学接触。第二光学元件具有射出激光的射出部。射出部呈球面凸透镜形状，能够维持固体激光介质发出的激光的横模。
在上述结构中，较为理想的是，所述第二光学元件与所述固体激光介质的端面接合。
根据上述结构，第二光学元件与固体激光介质的端面接合，因而波长转换效率提高。
在上述结构中，较为理想的是，所述第一侧面与所述波长转换元件的极化方向平行，并且具有与所述波长转换元件的晶体轴相交的第一短路面和第二短路面，所述第一短路面和所述第二短路面相互电短路。
根据上述结构，第一侧面与波长转换元件的极化方向平行，并且具有与波长转换元件的晶体轴相交的第一短路面以及第二短路面。由于第一短路面和第二短路面相互电短路，因而适当地抵消波长转换元件内产生的电荷。因此，波长转换激光光源的输出得以长时间维持。
在上述结构中，较为理想的是，所述导电性材料的电阻率为10×10-5Ω·cm以下。
根据上述结构，导电性材料的电阻率为10×10-5Ω·cm以下，因而波长转换激光光源的输出得以长时间维持。
在上述结构中，较为理想的是，所述固体激光介质具有处于与所述波长转换元件光学接触状态的接合面、以及位于该接合面相反一侧的相对面，所述接合面的面积大于所述相对面的面积。
根据上述结构，固体激光介质具有处于与波长转换元件光学接触状态的接合面、以及位于接合面相反一侧的相对面。接合面的面积大于相对面的面积，因而固体激光介质与波长转换元件之间的接合力增强。另外，由于促使相对面周围的散热，因此，波长转换激光光源的输出得以长时间维持。
较为理想的是，上述的波长转换激光光源还包括：密封所述固体激光介质与所述波长转换元件之间的接合部的密封部件，所述固体激光介质具有至少局部被镜面研磨的第一主面，所述波长转换元件具有至少局部被镜面研磨的第二主面，所述接合部具有所述第一主面和所述第二主面通过氢键结合而处于光学接触状态的光学接触面，该光学接触面允许所述激光透过，在所述固体激光介质以及所述波长转换元件中的至少其中之一上，形成有与所述光学接触面的外缘邻接的凹部或缺口部，设置在所述凹部或所述缺口部的所述密封部件覆盖所述光学接触面的所述外缘。
根据上述结构，密封部件密封固体激光介质与波长转换元件之间的接合部。固体激光介质具有至少局部被镜面研磨的第一主面。波长转换元件具有至少局部被镜面研磨的第二主面。接合部具有第一主面和第二主面通过氢键结合而处于光学接触状态的光学接触面。光学接触面允许激光透过。在固体激光介质以及波长转换元件中的至少其中之一上，形成有与光学接触面的外缘邻接的凹部或缺口部。由于凹部或缺口部使光学接触面的面积不会没必要地增大，因此，可比较容易地实现第一主面与第二主面之间的光学接触。设置在凹部或缺口部的密封部件覆盖光学接触面的所述外缘，因而适当地防止光学接触面与外气的接触。因此，长期适当地维持第一主面与第二主面的接合强度。
上述实施方式所涉及的一种光学元件包括：用于产生基波光的固体激光介质；以及将所述基波光转换为频率高于所述基波光的第二谐波光的波长转换元件，其中，所述固体激光介质具有处于与所述波长转换元件光学接触状态的接合面、以及位于该接合面相反一侧的相对面，所述接合面的面积S1大于所述相对面的面积S2。
根据上述结构，固体激光介质产生基波光。波长转换元件将基波光转换为频率高于基波光的第二谐波光。固体激光介质具有处于与波长转换元件光学接触状态的接合面、以及位于接合面相反一侧的相对面。由于接合面的面积S1大于相对面的面积S2，因此固体激光介质与波长转换元件之间的接合力增强。另外，由于促使相对面周围的散热，因此，来自光学元件的输出得以长时间维持。
在上述结构中，较为理想的是，所述接合面的所述面积S1与所述相对面的面积S2的关系用不等式0.75×S1＞S2来表示。
根据上述结构，接合面的面积S1与相对面的面积S2的关系用不等式0.75×S1＞S2来表示，因而相对面周围的散热得以适当地进行。
较为理想的是，上述的波长转换激光光源还包括：覆盖所述接合面的外缘的密封部件，该密封部件防止所述接合面与外气的接触。
根据上述结构，由于覆盖接合面的外缘的密封部件防止接合面与外气的接触，因此，固体激光介质与波长转换元件的接合得以适当地维持。
在上述结构中，较为理想的是，所述固体激光介质以及所述波长转换元件具有与所述接合面垂直的面，在该垂直的面上，形成有沿着所述接合面的外缘的凸起部，该凸起部与所述固体激光介质的c轴方向平行。
根据上述结构，固体激光介质以及所述波长转换元件具有与所述接合面垂直的面。在垂直的面上，形成有沿着接合面的外缘的凸起部。由于凸起部与固体激光介质的c轴方向平行，因此，使用者能够根据凸起部分辨固体激光介质的c轴方向。
上述实施方式所涉及的另一种波长转换激光光源包括：发出光的激励光源；上述的光学元件；以及将所述光聚光于所述光学元件的聚光光学构件，其中，在所述光学元件上形成有沿着所述光的偏振方向延伸的凸起部。
根据上述结构，聚光光学构件将来自激励光源的光聚光于上述光学元件。在光学元件上形成有沿着光的偏振方向延伸的凸起部，因而使用者能够根据凸起部分辨光的偏振方向。
上述实施方式所涉及的另一种波长转换激光光源包括：发出光的激励光源；上述光学元件；以及将所述光聚光于所述光学元件的聚光光学构件，其中，所述光学元件具有射出激光的射出部，掺杂在所述固体激光介质中的激光活性物质的浓度从所述激励光源朝着所述射出部而降低。
根据上述结构，聚光光学构件将来自激励光源的光聚光于上述光学元件。光学元件具有射出激光的射出部。掺杂在固体激光介质中的激光活性物质的浓度从激励光源朝着射出部而降低，因而无论来自激励光源的光的波长变动如何，固体激光介质都能稳定地吸收来自激励光源的光。
在上述结构中，较为理想的是，输出为500mW以上，工作最高温度为40℃以上。
根据上述结构，在比较大的工作温度范围下实现较高的输出。
上述实施方式所涉及的另一种光学元件包括：具有至少局部被镜面研磨的第一主面的第一光学部件；具有通过氢键结合与所述第一主面光学接触、并与所述第一主面一起形成能够让激光透过的光学接触面的第二主面的第二光学部件；以及密封所述光学接触面的密封部件，其中，所述第二主面至少局部被镜面研磨，在所述第一光学部件以及由与该第一光学部件不同的物质形成的所述第二光学部件中的至少其中之一上，形成有与所述光学接触面的外缘邻接的凹部或缺口部，设置在所述凹部或缺口部的所述密封部件覆盖所述光学接触面的所述外缘。
根据上述结构，固体激光介质具有至少局部被镜面研磨的第一主面。波长转换元件具有至少局部被镜面研磨的第二主面。接合部具有第一主面和第二主面通过氢键结合而处于光学接触状态的光学接触面。光学接触面允许激光透过。在固体激光介质以及波长转换元件中的至少其中之一上，形成有与光学接触面的外缘邻接的凹部或缺口部。凹部或缺口部使光学接触面的面积不会没必要地增大，因而可比较容易地实现第一主面与第二主面之间的光学接触。在凹部或缺口部中设置的密封部件覆盖光学接触面的所述外缘，因而适当地防止光学接触面与外气的接触。因此，第一主面与第二主面的接合强度长期得以适当地维持。
在上述结构中，较为理想的是，所述第一光学部件以及与该第一光学部件接合的第二光学部件形成至少一个平坦的面，所述凹部或所述缺口部形成在从所述光学接触面的所述外缘起到所述平坦的面为止的区域内。
根据上述结构，由于第一光学部件以及与第一光学部件接合的第二光学部件形成至少一个平坦的面，因此可比较容易地安装光学元件。另外，凹部或缺口部形成在从光学接触面的外缘起到平坦的面为止的区域内，因而密封部件适当地防止光学接触面与外气的接触。因此，第一主面与第二主面的接合强度长期得以适当地维持。
在上述结构中，较为理想的是，与所述光学接触面的所述外缘邻接设置的所述密封部件防止所述光学接触面与外气的接触。
根据上述结构，与光学接触面的外缘邻接设置的密封部件能够防止光学接触面与外气的接触。
在上述结构中，较为理想的是，所述凹部或缺口部具有使所述第一光学部件和所述第二光学部件相距1微米以上500微米以下的深度尺寸。
根据上述结构，密封部件能够防止光学接触面与外气或水分的接触。
上述实施方式所涉及的另一种波长转换激光光源包括：发出光的激励光源；以及上述的光学元件，其中，所述光学元件的所述光学接触面作为对在所述光学元件中传播的所述光进行激光振荡横模控制的光学窗口发挥作用。
根据上述结构，波长转换激光光源包括发出光的激励光源，以及上述光学元件。光学元件的光学接触面作为对在光学元件中传播的光进行激光振荡横模控制的光学窗口发挥作用。因此，使用具有比较简单的结构的波长激光光源，进行激光振荡横模的控制。
上述实施方式所涉及的另一种波长转换激光光源包括：发出光的激励光源；以及上述光学元件，其中，所述第一光学部件以及所述第二光学部件的至少其中之一的形状沿着所述光的传播方向呈锥形，与所述传播方向垂直的所述光学元件的剖面作为对在所述光学元件中传播的所述光进行激光振荡横模控制的光学窗口发挥作用。
根据上述结构，波长转换激光光源包括发出光的激励光源以及上述光学元件。第一光学部件以及第二光学部件的至少其中之一的形状沿着光的传播方向呈锥形。与传播方向垂直的光学部件的剖面作为对在光学元件中传播的光进行激光振荡横模控制的光学窗口发挥作用。因此，使用具有比较简单的结构的波长激光光源，进行激光振荡横模的控制。
上述实施方式所涉及的一种图像显示装置包括：发出光的激光光源；对所述激光光源供应电流的激光驱动电路；调制所述光以形成图像的调制元件；反射从所述调制元件射出的光的反射镜；以及驱动所述调制元件的控制器，其中，所述激光光源具备上述的波长转换激光光源。
根据上述结构，激光驱动电路供应电流，激光光源便发出光。图像调制元件调制来自激光光源的光。反射镜反射从调制元件射出的光。控制器驱动图像调制元件，控制图像显示装置显示的图像。由于激光光源具备上述波长转换激光光源，因而能够长期维持较高的输出。
在上述结构中，较为理想的是，所述波长转换元件由选自包含掺MgO的铌酸锂、掺MgO的钽酸锂、定比组分的掺MgO的铌酸锂、定比组分的掺钽酸锂、以及磷酸钛氧钾的组的材料形成。
根据上述结构，形成波长转换效率良好的波长转换元件。
在上述结构中，较为理想的是，所述密封部件由紫外线固化树脂材料形成。
根据上述结构，通过密封部件简单且适当地密封光学接触面。
在上述结构中，较为理想的是，所述密封部件由选自包含硅酸钠(Na2SiO3)或对硅酸钠进行了凝胶化的硅酸(H2SiO3)的组的材料形成。
根据上述结构，通过密封部件简单且适当地密封光学接触面。
在上述结构中，较为理想的是，所述密封部件包括介电薄膜。
根据上述结构，通过密封部件简单且适当地密封光学接触面。
在上述结构中，较为理想的是，所述第一光学部件是选自包含YVO4、掺Nd(钕)YVO4、GdVO4、掺NdGdVO4的组的激光晶体，所述第二光学部件是具有电光效应、非线性光学效应或声光效应的任一种效应的介电晶体。
在上述结构中，能够获得电光效应、非线性光学效应或声光效应。
产业上的可利用性
根据上述实施方式的原理，在光学接触型的波长转换光源中，由横模的变化引起的绿色光的输出降低得以适当抑制。这样，可提供小型并且发出峰值输出值为1000mW以上的高输出的激光光源装置。

Claims (23)

1.一种波长转换激光光源，其特征在于包括：
用于产生基波光的固体激光介质；
将所述基波光转换为频率高于所述基波光的第二谐波光的波长转换元件；以及
与所述波长转换元件相接触的导电性材料，其中，
所述波长转换元件具备形成有多个极化反转区域的极化反转结构和与所述极化反转区域垂直相交的第一侧面，
所述导电性材料与所述第一侧面相接触。
2.根据权利要求1所述的波长转换激光光源，其特征在于：
所述极化反转结构露出于所述第一侧面，
所述导电性材料与露出于所述第一侧面的所述极化反转结构直接接触。
3.根据权利要求1或2所述的波长转换激光光源，其特征在于：
所述波长转换元件和所述固体激光介质，光学接触形成第一光学元件，
所述固体激光介质具有与所述第一侧面连续的第二侧面，
所述第二侧面与所述导电性材料相接触。
4.根据权利要求3所述的波长转换激光光源，其特征在于还包括：维持所述固体激光介质发出的激光的横模的第二光学元件，其中，
所述第一光学元件和所述第二光学元件光学接触，
所述第二光学元件具有射出所述激光的射出部，
所述射出部呈球面凸透镜形状。
5.根据权利要求4所述的波长转换激光光源，其特征在于：所述第二光学元件与所述固体激光介质的端面接合。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的波长转换激光光源，其特征在于：
所述第一侧面与所述波长转换元件的极化方向平行，并且具有与所述波长转换元件的晶体轴相交的第一短路面和第二短路面，其中，
所述第一短路面和所述第二短路面相互电短路。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的波长转换激光光源，其特征在于：所述导电性材料的电阻率为10×10-5Ω·cm以下。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的波长转换激光光源，其特征在于：
所述固体激光介质具有处于与所述波长转换元件光学接触的状态的接合面、以及位于该接合面相反一侧的相对面，
所述接合面的面积大于所述相对面的面积。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的波长转换激光光源，其特征在于还包括：密封所述固体激光介质与所述波长转换元件之间的接合部的密封部件，其中，
所述固体激光介质具有至少局部被镜面研磨的第一主面，
所述波长转换元件具有至少局部被镜面研磨的第二主面，
所述接合部具有让所述第一主面和所述第二主面通过氢键结合而处于光学接触状态的光学接触面，
所述光学接触面允许所述激光透过，
在所述固体激光介质和所述波长转换元件的至少其中之一上，形成有与所述光学接触面的外缘邻接的凹部或缺口部，
设置在所述凹部或所述缺口部的所述密封部件覆盖所述光学接触面的所述外缘。
10.一种光学元件，其特征在于包括：
用于产生基波光的固体激光介质；以及
将所述基波光转换为频率高于所述基波光的第二谐波光的波长转换元件，其中，
所述固体激光介质具有处于与所述波长转换元件光学接触的状态的接合面、以及位于该接合面相反一侧的相对面，
所述接合面的面积S1大于所述相对面的面积S2。
11.根据权利要求10所述的光学元件，其特征在于：所述接合面的所述面积S1与所述相对面的面积S2的关系用不等式0.75×S1＞S2来表示。
12.根据权利要求10或11所述的光学元件，其特征在于还包括：覆盖所述接合面的外缘的密封部件，其中，
所述密封部件防止水分向所述接合面的侵入。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的光学元件，其特征在于：
所述固体激光介质以及所述波长转换元件具有与所述接合面垂直的面，
在该垂直的面上，形成有沿所述接合面的外缘的凸起部，
所述凸起部与所述固体激光介质的c轴方向平行。
14.一种波长转换激光光源，其特征在于包括：
发出光的激励光源；
如权利要求10至13中任一项所述的光学元件；以及
将所述光聚光于所述光学元件的聚光光学构件，其中，
在所述光学元件上形成有沿所述光的偏振方向延伸的凸起部。
15.一种波长转换激光光源，其特征在于包括：
发出光的激励光源；
如权利要求10至13中任一项所述的光学元件；以及
将所述光聚光于所述光学元件的聚光光学构件，其中，
所述光学元件具有射出激光的射出部，
掺杂在所述固体激光介质中的激光活性物质的浓度自所述激励光源起朝所述射出部而降低。
16.根据权利要求14或15所述的波长转换激光光源，其特征在于：输出为500mW以上，工作最高温度为40℃以上。
17.一种光学元件，其特征在于包括：
具有至少局部被镜面研磨的第一主面的第一光学部件；
具有通过氢键结合与所述第一主面光学接触、并与所述第一主面一起形成能够让激光透过的光学接触面的第二主面的第二光学部件；以及
密封所述光学接触面的密封部件，其中，
所述第二主面至少局部被镜面研磨，
在所述第一光学部件和用与该第一光学部件不同的物质形成的所述第二光学部
件的至少其中之一上，形成邻接于所述光学接触面的外缘的凹部或缺口部，
设置在所述凹部或缺口部的所述密封部件覆盖所述光学接触面的所述外缘。
18.根据权利要求17所述的光学元件，其特征在于：
所述第一光学部件以及与该第一光学部件接合的第二光学部件形成至少一个平坦的面，
所述凹部或所述缺口部形成在从所述光学接触面的所述外缘起到所述平坦的面为止的区域内。
19.根据权利要求17或18所述的光学元件，其特征在于：与所述光学接触面的所述外缘邻接设置的所述密封部件防止所述光学接触面与外气的接触。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的光学元件，其特征在于：所述凹部或缺口部具有使所述第一光学部件和所述第二光学部件相距1微米以上500微米以下的深度尺寸。
21.一种波长转换激光光源，其特征在于包括：
发出光的激励光源；以及
如权利要求17至20中任一项所述的光学元件，其中，
所述光学元件的所述光学接触面，作为对在所述光学元件中传播的所述光进行激光振荡横模控制的光学窗口发挥作用。
22.一种波长转换激光光源，其特征在于包括：
发出光的激励光源；以及
如权利要求17至20中任一项所述的光学元件，其中，
所述第一光学部件以及所述第二光学部件的至少其中之一的形状沿着所述光的传播方向呈锥形，
与所述传播方向垂直的所述光学元件的剖面，作为对在所述光学元件中传播的所述光进行激光振荡横模控制的光学窗口发挥作用。
23.一种图像显示装置，其特征在于包括：
发出光的激光光源；
对所述激光光源供应电流的激光驱动电路；
调制所述光以形成图像的调制元件；
反射从所述调制元件射出的光的反射镜；以及
驱动所述调制元件的控制器，其中，
所述激光光源具备如权利要求1至9、权利要求14至16、权利要求21以及权利要求22中任一项所述的波长转换激光光源。
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