JP2010251353A - 波長変換レーザ光源および２次元画像表示装置、液晶ディスプレイ、ファイバ付きレーザ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】波長変換素子として使用する非線形光学結晶の種類によっては、基本波や発生した高調波自体を吸収し、素子そのものの温度が上昇することにより、高調波出力に応じて位相整合温度（波長）が変化し、効率のよい波長変換が不可能になっていた。
【解決手段】本願の波長変換レーザ光源では、波長変換素子は光吸収特性を有し、基本波レーザ光源から出力される基本波レーザ光の光量に応じて前記波長変換素子の保持温度をシフトさせる。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光源が発するレーザ光を非線形光学効果により波長変換する波長変換レーザ装置に関する。

これまで、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ_４レーザから発せられる光から非線形光学効果を用いた波長変換により、可視光である緑色光に変換したり、緑色光からさらに紫外光へ変換したりして、レーザ加工やレーザディスプレイ等の用途に用いる可視レーザ光や紫外レーザ光を得る波長変換レーザ光源が数多く開発・実用化されてきた。

非線形光学効果を用いた波長変換レーザ光源の一例を図１に示す。非線形光学効果を得るには、複屈折率を有する非線形光学結晶を使用する必要があり、ＬｉＢ３Ｏ_５（リチウムトリボレート：ＬＢＯ）、ＫＴｉＯＰＯ_４（リン酸チタニルカリウム：ＫＴＰ）、ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０（セシウムリチウムボレート：ＣＬＢＯ）分極反転構造を形成したＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム：ＰＰＬＮ）やＬｉＴａＯ_３（タンタル酸リチウム：ＰＰＬＴ）等が用いられてきた。

波長変換レーザ光源１００の一般的構成について図１を用いて説明する。波長変換レーザ光源１００は内部共振器型と呼ばれる構成である。励起用レーザ光源１０１から発せられた赤外光がビーム成形光学系１０２、集光光学系１０３により、固体レーザ結晶１０４上に集光、照射される。固体レーザ結晶の端面と出力ミラー１０６との間では、出力ミラーと固体レーザ結晶に形成された反射膜の特性により、特定の波長の光がレーザ発振するように設計されており、例えば、９１４ｎｍや１０６４ｎｍのレーザ光（基本波光１１２）が発振する。発振した基本波光１１２は波長変換結晶１０５を通過することで、第２高調波光に波長変換される。固体レーザ結晶１０４と波長変換結晶１０５は、熱伝導性材料１０９（ａ）、１０９（ｂ）を介して、温度保持装置１０８上に保持されている。また、レーザ出力を制御するコントローラー（制御装置）１１５、コントローラー１１５内に配置される非線形光学結晶の温度をコントロールする温度コントローラー、励起用レーザ光源の電源装置１１４で構成されている。

ここで、波長１０６４ｎｍのレーザ光から半分の波長の５３２ｎｍのレーザ光を発生させる第２高調波発生を例に用いて実際の動作について説明する。

固体レーザ結晶１０４から発せられた波長１０６４ｎｍのレーザ光は、非線形光学結晶１０５に入射される。このとき、非線形光学結晶１０５の有する波長１０６４ｎｍの光に対する屈折率と発生させたい波長５３２ｎｍの光に対する屈折率とが一致している必要があり、このことを位相整合と呼ぶ。一般的に結晶の屈折率は結晶自体の温度条件で変化するため結晶の温度は一定としておく必要がある。そのために非線形光学結晶自体は、温度保持装置１０８に配置されており、結晶の種類に応じた温度で保持されている。

このような波長変換レーザ光源からの高調波出力光を変調する方法として、特許文献１〜特許文献５のような方法がこれまでに提案されている。

特許文献１では、波長変換素子に電極を設け、電気光学効果により波長変換素子の屈折率を変化させる。電界の印加により位相整合条件の満足／不満足を切り替えることで、波長変換された後の高調波出力をＯＮ／ＯＦＦする方法が提案されている。

特許文献２では、GHzオーダーの繰り返し周波数が得られるように、波長変換素子に設けられた電極がマイクロストリップ線路となっている例が示されている。

特許文献３、特許文献４では、波長変換素子の光軸に垂直な対向する二面に電極を設けた例が示されている。これも電界の印加により位相整合条件の満足／不満足を切り替えることで、波長変換された後の高調波出力をＯＮ／ＯＦＦする方法の一つである。

特許文献５では、半導体レーザを基本波とした導波路型波長変換レーザ光源の例を示している。波長変換素子として、分極反転構造を持つ非線形光学結晶を用い、分極反転を用いて回折格子を作製し、回折格子部に電界を印加することで、基本波である半導体レーザの波長を制御し、出力安定性を確保するという例である。

特開平１１−７０５０号公報 特開昭６３−２７６０３７号公報 特開平４−２７７６８５号公報 特開平６−０８８９７９号公報 特開平７−０２８１１２号公報

しかしながら、特許文献１〜特許文献４に記載されるような変調の方法では、数十から数百Ｖの変調電圧が必要となり、効率のよい波長変換が不可能になるという課題があることがわかった。

前記従来の課題を解決するために、本発明の波長変換レーザ光源は、波長変換レーザ光源が、励起レーザ光源とレーザ媒質とレーザ媒質から発生する基本波光から高調波光を発生させる非線形光学素子と前記高調波光を出力する出力ミラーと電気光学結晶からなる変調素子とで形成されており、前記レーザ媒質と、前記非線形光学素子との間でレーザ共振器が形成されており、前記変調素子には同一平面上になく、前記光軸を対称軸として前記電極が相対していない１対の電極が形成され、前記非線形光学素子は、絶縁材料を介して保持されており、一方の電極には他方の電極に対して逆位相の電気信号を入力することを特徴としている。

本発明の波長変換レーザ光源によれば、入力される電気信号と基本波光とを効率的に相互作用させることが可能となり、変調電圧を低減することができる。その結果、良好な変調特性を有する波長変換光学装置を提供することができる。

本願で提案する波長変換レーザ光源の構成模式図 波長変換レーザ光源の従来例を示した構成模式図 第一の実施形態で提案する波長変換レーザ光源の構成模式図 従来の変調素子における電極配置と電気力線を示した構成模式図（ａ）素子の表裏面に電極を配置した例を示す図（ｂ）ストライプ状の電極を配置した例を示す図（ｃ）変調素子の同一平面上に電極を配置した例を示す図（コプレナー電極） 本願で提案する波長変換レーザ光源に使用される変調素子の電極位置を示した構成模式図 波長変換レーザ光源において、本願第一の実施形態で提案する変調素子を用いた場合と従来例との高調波光が消光するまでの印加電圧差異を示したプロット図 第二の実施形態で提案する波長変換レーザ光源における、波長変換素子兼変調素子の構成及び基本波光の光軸との関係を示した模式図 波長変換レーザ光源において、本願第二の実施形態で提案する変調素子を用いた場合と従来例との高調波光が消光するまでの印加電圧差異を示したプロット図 第三の実施形態で提案する波長変換レーザ光源の構成模式図 第三の実施形態における、（ａ）励起光源へ供給する電流波形と、変調素子に印加する変調信号と、高調波光出力との関係を示した模式図（ｂ）励起電流波形と実際に得られた光出力波形との時間関係を示したプロット図 従来の波長変換レーザ光源における、運転時間と高調波出力との関係を示したプロット図 従来の波長変換レーザ光源における、運転時間と波長変換素子の基本波吸収率との関係を示したプロット図 （ａ）絶縁条件と抵抗率・基本波透過率とを示した表を示す図（ｂ）絶縁条件別の基本波透過率低下量を示したプロット図 （ａ）、（ｂ）絶縁箇所を示した構成模式図（ｃ）絶縁を省略する場合の分極反転構造を示した模式図 本願で提案した波長変換レーザ光源を用いた走査型二次元画像表示装置の構成模式図 本願で提案した波長変換レーザ光源を用い、二次元空間光変調素子を用いた二次元画像表示装置の構成模式図 本願で提案した波長変換レーザ光源を用い、液晶表示パネルを用いた二次元画像表示装置の構成模式図 本願で提案した波長変換レーザ光源を用いたファイバ付き光源の構成模式図

以下、本発明の実施の形態にかかるレーザ応用装置について、図面を参照しながら説明する。なお、図面で同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合もある。

まず光源の構成について説明する。

図１は、本願で提案する波長変換レーザ光源の一例を示した模式図である。図２は図１の中でも特に波長変換レーザ光源の光学系に特化して示した模式図である。励起用レーザ光源１０１から発せられた赤外光がビーム成形光学系１０２、集光光学系１０３により、固体レーザ結晶１０４上に集光、照射される。固体レーザ結晶の端面と出力ミラー１０６との間では１０６４ｎｍの光がレーザ発振するように設計されており、１０６４ｎｍのレーザ光（基本波光１１２）が発振する。発振した基本波光１１２は波長変換結晶１０５を通過することで、第２高調波光に波長変換される。固体レーザ結晶１０４と波長変換結晶１０５は、熱伝導性材料１０９（ａ）、１０９（ｂ）を介して、温度保持装置１０８上に保持されている。

出力ミラー１０６は、基本波光を９９％以上反射し、第２高調波光を通過するよう設計している。出力ミラー１０６より出射した第２高調波光１１３の一部はビームスプリッタ１０７により、分離され、受光器１１０により光量を検出する。検出された信号を制御装置１１５へフィードバックし、電源装置１１４に制御装置１１５から指令を出すことで出力一定制御を行う事が出来る。また制御装置１１５からは、変調信号１１６も発生しており、図１ないし２の場合においては波長変換素子１０５内に形成された変調素子を駆動している。図３の場合は波長変換素子１０５とは別に変調素子３０１を設けており、第２高調波光の出力を制御する構成となっている。

図４には、変調素子の電極構成を示している。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、これまでに提案されている電極構成および電極配置である。例えば、図４（ａ）は変調素子を構成する電気光学結晶４０１の表面と裏面に電極が形成されている状態を示している。図４（ｂ）は、図４（ａ）の特殊な場合で、電極幅が、ビーム径の１０倍程度の幅のストライプ形状となっている場合を示している。電極４０２は電界を印加する側の電極（いわゆるホット電極）であり、電極４０３は設置側の電極（いわゆるグランド電極）を示している。４０４に示した円と矢印は、素子内を通過するビームと偏光方向を示しており、４０５は電気力線を示している。電気光学結晶４０１がニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムの場合結晶軸のｃ軸と電気力線の方向が平行（同一方向）であり、かつビーム４０４の偏光方向が一致する際に電気光学効果の影響を受けることが出来る。

同じ電圧を印加した際には、電気力線は同じ本数になるとすると、面積が狭いほど単位面積あたりの本数が増加する、つまり電界密度は上昇する。このことを示しているのが図４（ａ）と（ｂ）の変調素子断面図である。しかし、図４（ｂ）に示すように、電極のエッジ部から発する電界は、図面で言う左右方向に広がるため、電気光学素子の中心付近では、電界密度が低くなる傾向にある事がわかる。このような、電気光学効果（電界により材料の屈折率を変化させる効果）を利用した変調器において、通過するビーム４０４を横切る電界の電界密度を上げることで、駆動電圧を低下できることは一般的に知られている。例えば、図４（ｃ）のように、ビーム４０４（ｃ）の直径が１０μｍ以下のシングルビームとなる場合においては、電気光学素子の片面にホット電極、グランド電極の双方の電極を配置する構成（コプラナー電極）とすることで、ビーム４０４（ｃ）を横切る電界密度を大幅に高めることが可能となる。光変調の動作電圧を示す指標として、半波長電圧（Ｖπ）を用いるのが一般的である。図４（ａ）や（ｂ）の構成では１００Ｖ以上であるが、図（ｃ）の構成では数Ｖの電圧で駆動できる。しかし、ビーム径は数μｍとシングルモードで、かつ導波路型の構成となっている必要があり、本願のような波長変換レーザ光源への適用は困難である。

さらに、本発明の構成を検討するに当たり、電極面積を小さくして、電界密度を増加させる際に新たな課題が存在することが明らかとなった。

それは、電気光学結晶４０１に分極反転が形成されている場合に顕著となる現象で、電気光学結晶は誘電体であるにもかかわらず分極反転壁（分極反転することにより生じた結晶欠陥）を通じて、微少電流が流れてしまうと言う現象である。

この現象により電界密度を上げようとすると、結晶内に微少電流が流れ強力な電界密度が得られにくくなると言う課題が引き起こされることがわかった。

（第１の実施形態）
第１の実施形態では、本願で提案する強力な電界密度を得ることが出来る電極構成について説明する。図５は、本願で提案するビーム径が３０μｍ〜２００μｍの場合においても、強力な電界密度を得ることが出来る電極構成について示しており、結晶基板の同一方位面上に段差が設けられた状態で電極が配置される部分に特徴がある。

図５（ａ）は、電極５０３が基板５０１の最表面に設けられた第１の+ｚ面側に設けられており、もう一方の電極５０２が第１の＋ｚ面からさらに２００μｍ程度掘り下げられた第２の＋ｚ面に設けられている構成である。この場合基板５０１には、ＭｇＯが添加されたニオブ酸リチウムを用いており、＋ｚ面とは、ｃ軸方向の矢印（自然分極の方向の矢印）が基板表面から発せられるような方位を示しており、対する−ｚ面はｃ軸方向の矢印が基板表面に向かっている方位を示している。

このとき、電気力線は図５（ａ）の５０５の曲線のような配置となり、ビーム５０４を電極５０３と電極５０２の間、特に電極５０３が設けられた表面からビーム中心までの距離が、電極５０３・電極５０２それぞれが設けられた二つの面がなす距離の２０〜４０％であることが望ましい。この範囲で使用することにより、電気力線の結晶軸におけるｃ軸方向の成分を最大にすることで、電界と光との相互作用を最大化することが可能であり、電界密度の低下も防止することができる。

また、図５（ｂ）は、ビーム通過位置の基板形状をリッジ状にすることで、電気力線の広がりを防止し、電界密度の低下も防止する構成を示している。

図５（ａ）の場合と同様に基板５０１にはＭｇＯが添加されたニオブ酸リチウムを用いており、電極５０２および５０３を結晶の＋ｚ面側に設けている。

図５（ｂ）においては、基板５０１でのビーム５０４が通過する部分の両側面にダイシングソーなどを用いて切削することにより、リッジ５０８を形成している。本願第１の実施形態では幅６０μｍ、深さ２００μｍでリッジを形成した。電極５０３はリッジの上側に配置し、電極５０２は切削した溝の底面に配置している。このような形状とすることにより、誘電率が高い基板５０１から誘電率の低い空気中へ電界の漏洩を防止し、電気力線５０４で示したようにリッジ部分５０８内で高い電界密度を維持できる。なおかつ、電気力線の方向と基板５０１におけるｃ軸方向とが並行となっている区間を図５（ａ）の場合の１．５倍程度に拡大できるため、ビーム５０４の入射位置精度を緩くすることが出来る。

図５（ｂ）の構成の場合、ビーム５０４の中心が通過する位置は、リッジ部分でかつ電極５０３・電極５０２それぞれが設けられた二つの面がなす距離の１０〜７０％かつビームが蹴られない範囲であることが望ましい。この範囲で使用することにより、電気力線の結晶軸におけるｃ軸方向の成分を最大にすることで、電界と光との相互作用を最大化することが可能であり、電界密度の低下も防止することができる。

なお、電極５０２及び５０３は、基板５０１に対して、絶縁材料５０６、５０７を介して、形成されていることが望ましい。絶縁材料５０６、５０７として必要な特性については、第４の実施形態で述べる。

続いて、第１の実施形態における電極への電界印加の方法について述べる。本願の第１の実施形態における効果を増大させる方法として電極５０２と電極５０３に印加する変調信号を逆位相とすることも本願の特徴の一つである。電極５０２および電極５０３は信号入力側の電極とし、別途、基板の固定面などに絶縁材料５０９を介してグランド電極５０８を配置することで、基板５０１外部からの電気ノイズを低減でき、特に変調速度が10MHz〜10GHzオーダーとなるような場合、安定な変調動作を実現することが可能となる。

図６（ｂ）には従来例図４（ａ）の場合の印加電圧と第１の実施の形態における図５（ａ）の形態における印加電圧の差をプロットした物である。

変調器は図６（ａ）に示されているように、基板５０１にプリズム形状の分極反転構造６０１を連続的に形成して構成している。このときの相互作用長（プリズム分極反転構造６０１の形成されている距離）は１０ｍｍであった。

従来の場合、２４０Ｖ程度必要であった印加電圧に対し、本願第１の実施形態で提案する方法では、約１／５の４０Ｖ程度まで低減することができることを確認している。

以上の結果により、本願第１の実施形態で提案した、電極配置、基板と電極との間に設けた絶縁層および電界印加方法により、変調素子の変調電圧を低減することができた。

（第２の実施形態）
本願第２の実施形態では、波長変換素子と変調素子を一体化する際の素子構成について説明する。図７は、ビーム１１２の伝搬方向と垂直な方向の断面図である。

基板５０１には周期分極反転構造７０１が形成されており、基本波ビーム１１２を入力することで、波長変換され、基本波の半分の波長が出力されるよう設計されている。基板５０１がＭｇＯ添加のニオブ酸リチウムで、基本波波長が１０６４ｎｍのとき、分極反転構造７０１の周期は約７μｍとなる。

また、分極反転の深さ方向の断面形状はくさび型となっている必要があり、実施の形態２では、厚さ1mmのＭｇＯ添加ニオブ酸リチウムを用いて、深さ６００μｍまで分極反転構造７０１が得られている。

このようにくさび形の分極反転形状が設けられた基板５０１の＋ｚ面側に第１の実施形態で提案した変調電極を形成し、同様に第１の実施形態で提案した変調信号を印加することにより、基本波ビームを基板５０１の深さ方向に曲げる事ができる。図１の様な構成の波長変換レーザ光源に適用する場合、素子長5mmのとき、出力ミラー１０６上で基本波のビーム中心が100μｍ〜200μmシフトすることで、基本波のレーザ発振を制御し、波長変換レーザ光源からの第２高調波出力１１３をＯＮ／ＯＦＦさせることができる。

第２の実施形態に提案する構成の場合、ビームがシフトする構成に加えて、波長変換素子部分の屈折率変化の効果も加わるため、電界印加時に基本波と第２高調波との位相整合条件も同時に変化する。よって、波長変換レーザ光源からの第２高調波出力１１３をＯＮ／ＯＦＦさせるためには、基本波のビーム中心が50um〜100μｍシフトすればよく、変調電圧の低減に寄与することができる。

このとき、分極反転の形状がくさび形になっていることが重要となる、第２の実施形態においては、一つの分極反転における表面側と結晶内部側の分極反転形成範囲の比が１００：１となっている。分極反転壁と素子の入射端面とのなす角で表現すると１０mrad〜１００mradとなっていることが望ましい。

図７に示したような分極反転の形状とすることにより図６（ｂ）に提案した、リッジ構造により電界密度を向上させる構成に適用した場合、ビームの変位範囲がリッジ幅に制限されることを回避できるため、より確実な変調動作（レーザビームの消光強度比を高くした動作）を行うことが可能となる。

図８に図１の様な構成の波長変換レーザ光源に第２の実施形態に提案する変調素子を適用した場合における、第２高調波出力が消光する変調素子への印加電圧をプロットしている。従来例（ａ）の構成の場合２４０Ｖ程度必要であったが、第２の実施形態の場合、１０Ｖ程度にまで低減できていることがわかる。

以上のように、第１の実施形態に述べた電極構成及び電界印加方法、と第２の実施形態で提案した、くさび形状の分極反転構造を有する波長変換素子とを組み合わせることで、変調電圧を大幅に低下させることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、第１および第２の実施形態で提案した変調素子を使用した波長変換レーザ光源の駆動方法について説明する。具体的には変調素子（波長変換素子１０５）を駆動して、第２高調波光１１３が消灯している時間に励起用レーザ光源１０１への電流供給し、固体レーザ結晶内で反転分布量を大きくする。変調信号によりレーザ発振をさせた後で励起電流をカットすることで、光パルスのテールもカットすることができる。反転分布量を大きくすることができる事により第２高調波光出力のピーク出力を大きくすることが可能となり、光パルスのテールをカットすることにより、点灯時と消灯時の消光比を向上させることができる。第２高調波光出力のピーク出力を大きくすることで、パルス駆動した際も平均出力を大きくすることができる。

図１０（ａ）は励起用レーザ光源を駆動する励起電流と変調信号および波長変換レーザ光源からの光出力との時間関係を示したプロット図である。

励起電流は第２高調波が出力される１０μｓｅｃ前から供給されており、変調信号が「発振」の指令となった1μsec後に遮断される。第２高調波出力がピークを迎えた時点で変調信号は「停止」の指令を出すと言う動作を繰り返してパルス発振動作する。

図１０（ｂ）は実際の励起電流と第２高調波光出力との関係を示しており、実際に半値幅で２μｓｅｃのパルス幅を得ることができている。

変調信号に同期させて励起用レーザ光源を変調させることで、消費電力を低減すると言う効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態では、基板と電極の間に設ける絶縁層に必要な特性について説明している。

例えば、図２の構成で、熱伝導性材料１０９（ｂ）に導電性物質を用いた場合、出力１Ｗで１０００時間連続運転動作を行った際、図１１に示すように４００時間を越えたところで出力が徐々に低下することが明らかとなった。

内部共振器型波長変換レーザ光源において出力が低下する原因は、共振機内のＱ値が低下している、つまり共振器内部に光学的な損失が存在することがあげられる。本実施形態の場合、レーザ媒質、波長変換結晶、出力ミラーのいずれも汚損は観測されなかった。またレーザ媒質の劣化も観測されなかった。そこで別の固体レーザ共振器内に波長変換結晶を位相整合条件からはずした状態で挿入することで、結晶自体の光吸収率を共振器内損失から算出する方法を用いて評価した。その結果を図１２に示す。連続動作時間が増加する毎に波長変換結晶の１０６４ｎｍ吸収率が増加していることがわかる。初期状態では0.1%/cm程度であった吸収率が６００時間後には０．６％/cm、測定終了時の1100時間後には1.7%/cmまで増加していた。

この原因として、パワー密度の大きな緑色などの可視光を波長変換結晶に入射した際、光により電荷が誘起され、結晶を構成するイオンの価数変化により結晶が着色する（つまり透過率が低下する）。この電荷は誘起−再結合を繰り返すため、通常は結晶の透過率が低下するに至らないが、分極反転構造を有する場合は、誘起された電荷が分極反転壁を移動する。

この場合、分極反転構造を有する波長変換結晶が、金属などの導電性の高い材料に覆われていた場合、電荷がキャンセルされるため、透過率が回復せず低下したままとなる。実際、本実施形態における図２の検討を行った際も、熱伝導性材料１０９（ｂ）として導電性ペーストを介して金属材料で保持していた。

この現象は、波長変換結晶に温度サイクルを与えることで、圧電効果を発生させ結晶表面に電荷を誘起させた場合においても観測された。そこで、温度サイクルにより擬似的に透過率低下を発生させる状態を作り出すことで、保持方法と透過率低下との関連性について調査した。

図１３（ａ）は、非線形光学結晶（波長変換素子）を金属製保持部に固定する際、波長変換素子表面をカバーする材料と材料の導電率、０〜８０℃までの温度サイクル試験（１００サイクル）後の基本波透過率を示している。それぞれのサンプルの素子長は２０ｍｍであった。

各条件について説明する。

（条件１）：導電性銀ペースト（導電率５×１０^−５Ω・ｃｍ）を１００μｍ厚に塗布したあと、金属としてタンタルを１０００オングストローム蒸着した。

（条件２）：絶縁性コート材料Ａ（導電率１×１０^８Ω・ｃｍ）を５０μｍ厚に塗布したあと、金属としてタンタルを１０００オングストローム蒸着した。

（条件３）：絶縁性コート材料Ｂ（導電率２×１０^１１Ω・ｃｍ）を５０μｍ厚に塗布したあと、金属としてタンタルを１０００オングストローム蒸着した。

（条件４）：ＲＦスパッタにてＳｉＯ_２膜を１０００オングストローム製膜し、さらに金属としてタンタルを１０００オングストローム蒸着した。

（条件５）：プラズマＣＶＤにてＳｉＯ_２膜を１０００オングストローム製膜し、さらに金属としてタンタルを１０００オングストローム蒸着した。

（条件６）：リファレンス素子。

以上の条件のサンプルをそれぞれ１０個ずつ準備し、０〜８０℃の熱サイクル試験（１００サイクル）を行った。１００サイクル後の基本波透過率を確認することで、下地材料として使用できるかどうかの判別を行った。

まず、リファレンスである（条件６）に関して基本波透過率が変化しないことを確認した。さらに条件３および条件５で基本波透過率が変化無いことを確認し、条件２では１％程度低下していることを確認した。条件２及び条件４は、３％以上基本波を吸収しており、透過率が低下していることが分かる。

条件5について、プラズマCVDにより酸化物膜を形成する変わりにSiNなどの窒化膜を用いても同様の結果が得られた。また形成方法としてプラズマCVDに変わって、ECRスパッタにより作製した絶縁膜でも同様の効果が得られた。つまり、RFスパッタ、DCスパッタのような作製方法ではなく、プラズマCVDやECRスパッタなど、より緻密な絶縁膜が形成される方法が望ましいことがわかる。緻密か緻密でないかの判断方法として、レーザ光を用いたラマンシフトなどを用いる方法がある。

この透過率の変化を、基本波透過率低下量という形で観測したのが図１３（ｂ）である。１℃以上変化した場合、光吸収による素子破壊が発生しやすくなることが分かっているため、それ以下の変化量となるように選定すると、抵抗率１×１０^８Ω・ｃｍ以上の材料である必要があることが分かる。さらに、位相整合温度変化量がリファレンスと同じ値となるような材料を選定すると、抵抗率２×１０^１１Ω・ｃｍ以上の材料であることがより望ましい。

また、前述のように非線形光学材料の表面に絶縁膜を形成する方法により絶縁を試みたが、膜抜けなどが発生しやすいＲＦスパッタよりもＥＣＲスパッタあるいはＣＶＤの様により緻密な膜が形成される方法を用いることが望ましいことが分かる。

図１４は絶縁すべき場所について説明するための図面である。

図１４（ａ）は内部共振器型波長変換レーザ光源の模式図を示している。図の１４０１部が抵抗率１×１０^８Ω・ｃｍ以上の絶縁材料となっていることが本願第４の実施形態の特徴である。

図１４（ｂ）は分極反転構造を有する波長変換結晶における保持面の拡大図である。周期分極反転構造では、分極方向が周期的に互い違いになっており、図１４（ｂ）で言うと分極反転方向が上方向となっている１４０２部と下方向となっている１４０３部が導通されない構造（絶縁構造）となっていることが重要である。

一方で、図１４（ｃ）のように分極反転構造が表裏面で貫通していない構成とする事でも分極反転部分が導通されない構造とすることが可能であるが、分極反転構造の深さが、基板厚みに対して８０％以上１００％未満であるとき１４０５のように部分的に導通する部分が形成される場合があるため、本実施形態の目的を果たすには絶縁構造となっている必要がある。

以上の絶縁材料を分極反転表面に形成することで、電気光学結晶１４０１に分極反転が形成されている場合に顕著となる、分極反転壁（分極反転することにより生じた結晶欠陥）を通じて、微少電流が流れることも防止することができる。電極面積を小さくして、電界密度を増加させる際に結晶内に微少電流が流れ強力な電界密度が得られにくくなる事を防止することができ、更には変調電圧を低減すること効果が得られる。

（第５の実施形態）
本願で提案の波長変換レーザ光源を用いた波長変換グリーンレーザ光源を使用してディスプレイ装置を構成する際、レーザをパルス駆動し、レーザビームを走査して描画する方式のレーザディスプレイに適用することが可能である。また、レーザの点灯回数のデューティー比（点灯時間／（点灯時間＋非点灯時間）の値）つまり、パルスの間引きかたを変化させることにより平均的な光量を変化させるような制御方法（ＰＷＭ制御）を取ることも可能となる。

また、図１５に本願で提案しているレーザを光源に用いたプロジェクタシステムの光学エンジン模式図を示している。本実施の形態の２次元画像表示装置１５００は、走査型レーザディスプレイの光学エンジンに本願の内容を適用させた一例である。画像処理部１５０２、レーザ出力コントローラー（コントローラー）１５０３とＬＤ電源１５０４、赤色、緑色、青色レーザ光源１５０５Ｒ、１５０５Ｇ、１５０５Ｂと、コリメートレンズ１５０８、スキャンミラー１５０７とスキャンミラーを制御するスキャンコントローラー１５０６で構成されている。２次元画像表示装置１５００から発せられたレーザビームの点１５０９が、スクリーン１５１０上で走査されることにより画像が形成される。

スキャン型の場合、解像度（画像を形成する点の数）が大きくなればなるほど、階調（画像を形成する１点における明るさの分割数）により変調速度が大幅に変わり、20MHz〜500MHzの変調速度が必要となる。その際、スキャンコントローラーからミラーの位置情報を発信させ、レーザ出力コントローラーで光の点滅制御を行う。赤色、緑色、青色レーザ光源１５０５Ｒ、１５０５Ｇ、１５０５Ｂをパルス動作させた場合、入力に対する出力の応答がそれぞれのレーザ光源で異なる。しかし、１パルス毎に出力フィードバックを掛けるにはフィードバック時間が不足するため、１／（６０×ｎ）秒の時間内における平均値が、設定する輝度となるように１パルスの出力制御を行うことで、画像の輝度むら・色むらを回避することができる。

また、この波長変換レーザ光源を用いた波長変換グリーンレーザ光源を使用してディスプレイ装置を構成する際、スキャン型でなくてもレーザをパルス駆動し、レーザの点灯回数のデューティー比（点灯時間／（点灯時間＋非点灯時間）の値）つまり、パルスの間引きかたを変化させることにより平均的な光量を変化させるような制御方法（ＰＷＭ制御）を取ることもできる。

また、図１６に本願で提案しているレーザを光源に用いたプロジェクタシステムの光学エンジン模式図を示している。本実施の形態の２次元画像表示装置１６００は、液晶３板式プロジェクターの光学エンジンに本願の内容を適用させた一例である。画像処理部１６０２、レーザ出力コントローラー（コントローラー）１６０３とＬＤ電源１６０４、赤色、緑色、青色レーザ光源１６０５Ｒ、１６０５Ｇ、１６０５Ｂと、ビーム形成ロッドレンズ１６０６Ｒ、１６０６Ｇ、１６０６Ｂと、リレーレンズ１６０７Ｒ、１６０７Ｇ、１６０７Ｂと折り返しミラー１６０８Ｇ、１６０８Ｂと、画像を表示させるための２次元変調素子１６０９Ｒ、１６０９Ｇ、１６０９Ｂと偏光子１６１０Ｒ、１６１０Ｇ、１６１０Ｂと、合波プリズム１６１１および投影レンズ１６１２から構成されている。

グリーンレーザ光源１６０５Ｇはグリーン光源の出力をコントロールするコントローラー１６０３およびＬＤ電源１６０４で制御される。

各光源１６０６Ｒ、１６０６Ｇ、１６０６Ｂからのレーザ光はロッドレンズ１６０６Ｒ、１６０６Ｇ、１６０６Ｂにより、矩形に整形され、リレーレンズ１６０７Ｒ、１６０７Ｇ、１６０７Ｂで各色の２次元変調素子を照明する。各色で、２次元に変調された画像を合波プリズム１６１１で合成し、投影レンズ１６１２よりスクリーン上に投影することにより映像を表示する。

一方画像処理部１６０２では、入力される映像信号１６０１の輝度情報に応じてレーザ光の出力を変動させる光量制御信号を発生し、レーザ出力コントローラー１６０３に送出する役割を果たしている。輝度情報に応じて光量を制御することにより、コントラストを向上することが可能となる。

この際、レーザをパルス駆動し、レーザの点灯時間のデューティー比（点灯時間／（点灯時間＋非点灯時間）の値）を変化させることにより平均的な光量を変化させるような制御方法（ＰＷＭ制御）を取ることもできる。

また、このレーザ光源をレーザディスプレイに用いられる緑光源として使用する場合、５１０ｎｍから５５０ｎｍの緑色レーザ光を出射する構成としてもよい。この構成により、視感度の高い緑色のレーザ出力光を得ることができ、色再現性の良いディスプレイとして、さらに原色に近い色表現をすることができる。

また、上記目的を達成するために、本発明の２次元画像表示装置は、スクリーンと、複数のレーザ光源と、レーザ光源を走査する走査部とを備え、レーザ光源は、少なくとも赤色、緑色および青色をそれぞれ出射する光源を用いた構成からなり、レーザ光源のうち、少なくとも緑色の光源は上記のいずれかの波長変換装置を用いた構成としてもよい。

なお、このようなスクリーンの背後から投影する形態（リアプロジェクションディスプレイ）のほかに、前方投影型構成の２次元画像表示装置をとることも可能である。

なお、空間変調素子は、透過型液晶あるいは反射型液晶、ガルバノミラーやＤＭＤに代表されるメカニカルマイクロスイッチ（ＭＥＭＳ）を用いた２次元変調素子を用いることももちろん可能である。

なお、本実施の形態のように反射型空間変調素子やＭＥＭＳ、ガルバノミラーといった光変調特性に対する偏光成分の影響が少ない光変調素子において、高調波を光ファイバで伝搬する際は、ＰＡＮＤＡファイバなどの偏波保持ファイバである必要はないが、液晶を用いた２次元変調デバイスを使用する際には、変調特性と偏光特性が大いに関係するため、バナデート系結晶のように偏光特性を持つ固体レーザ結晶を使用したり、固体レーザ結晶の端面角度をブリュースター角にしたり、結晶自体に応力を付加したりすることなどにより波長変換後の光は直線偏光としておくことが望ましい。

（第６の実施形態）
図１７は本願発明、第７の実施形態にかかる、第１ないし第５の実施形態で示した緑光源を含むバックライト照明装置を用いた画像表示装置の構成の一例について示す概略構成図である。このような画像表示装置の例として液晶表示装置１７００の模式的な構成図を示す。

図１７に示すように液晶表示装置１７００は、液晶表示パネル１７０１と、液晶表示パネル１７０１を背面側から照明するバックライト照明装置１７１１と、を備えて構成されている。そして、バックライト照明装置１７１１の光源は、複数のレーザ光源１７１２を含んで構成され、このレーザ光源１７１２は少なくとも赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）をそれぞれ出射する光源を用いた構成からなる。すなわち、Ｒ光源１７１２ｒ、Ｇ光源１７１２ｇおよびＢ光源１７１２ｂは、それぞれ赤色、緑色および青色のレーザ光を出射する。このレーザ光源１７１２のうち、Ｇ光源１７１２ｂが本発明の第１ないし第４の実施形態で示した波長変換レーザ光源を用いて構成される。

ここでは、Ｒ光源１７１２ｒには波長６４０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ装置を、青色レーザ光源（Ｂ光源）１７１２ｂには波長４５０ｎｍのＧａＮ系材料からなる半導体レーザ装置を用いている。また、緑色レーザ光源（Ｇ光源）１７１２ｇには第１〜第４の実施形態において示したうちのいずれかの波長変換レーザ光源を適用した波長５３２ｎｍの緑色レーザ光源を用いている。

次に本実施の形態の液晶表示装置１７００の模式的な構成について説明する。本実施の形態における液晶表示装置１７００は、バックライト照明装置１７１１と、このバックライト照明装置１７１１から出射されるＲ光、Ｇ光およびＢ光のレーザ光を利用して画像表示を行う偏光板１７０２および液晶パネル１７０３から構成される液晶表示パネル１７０１とからなる。すなわち、図１７に示すように本実施の形態のバックライト照明装置１７０１は、レーザ光源１７１２、レーザ光源１７１２からのＲ光、Ｇ光およびＢ光のレーザ光をまとめて導光部１７１４を介して導光板１７１５に導く光ファイバ１７１３および導入したＲ光、Ｇ光およびＢ光のレーザ光で均一に満たされて主面（図示せず）からレーザ光を出射する導光板１７１５から構成されている。なお、Ｇ光源１７１２ｇは、第１ないし第５の実施形態で示したＧ光源に集光レンズ（図示せず）などの光学部品を付加して、出力光のマルチビームが光ファイバ１７１３に集光されて導光板１７１５に導かれるようにしている。

したがって、単一の高出力ピーク値をもつ光電変換効率の高いパルス発振波長変換レーザ光源を用いて構成しているので、高輝度で色再現性に優れ、簡単な構成で低消費電力の安定した画像表示装置を実現することができる。

図１８に示すようにレーザ光源にて生成したレーザ光をファイバ１８０４に入射させて、ファイバの反対面（ハンドピース１８０５）から任意の照射面にレーザ光１８０６を照射する構成の装置としてもよい。このような構成とすることにより、手術等に用いるファイバ付きレーザ光源を実現することが可能となる。

なお、本願に用いる非線形光学素子および変調素子は、分極反転構造が形成できる材料で構成されていることが望ましく、ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウム単結晶（コングルエント組成・スオイキオメトリー組成）あるいはＭｇＯが添加されたニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウム単結晶（コングルエント組成・スオイキオメトリー組成）、ＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）結晶等であることが望ましい。

本願の発明により、波長変換レーザ光源を変調する際に低い変調電圧でも高調波出力をＯＮ／ＯＦＦすることが可能となり、小型・低消費電力の波長変換レーザ光源を提供することができ、高解像度をもち、階調を高めた走査型二次元画像表示装置を提供することが出来る。

また、小型・低消費電力の二次元空間光変調素子を用いた二次元画像表示装置を提供することが出来る。

また、小型・低消費電力・光コントラストの液晶ディスプレイを提供することが出来る。

また、高ピークパルス出力のファイバ付き光源を提供することが出来る。

１００ 波長変換レーザ光源
１０１ 励起用レーザ光源（励起用ＬＤ）
１０２ ビーム成形レンズ
１０３ 集光レンズ
１０４ 固体レーザ結晶
１０５ 波長変換素子（兼変調素子）
１０６ 出力ミラー
１０７ ビームスプリッタ
１０８ 温度保持機構
１０９ 熱電性材料
１１０ 受光器
１１１ 励起光
１１２ 基本波光
１１３ 第２高調波光
１１４ 電源装置
１１５ 制御装置
１１６ 変調信号
３０１ 変調素子
３０２ 変調電源
４０１ 基板
４０２ ホット電極
４０３ グランド電極
４０４ レーザビーム
４０５ 電気力線
５０１ 基板
５０２ 変調電極１
５０３ 変調電極２
５０４ レーザビーム
５０５ 電気力線
５０６，５０７，５０９ 絶縁性材料
５０８ グランド電極
７０１ 分極反転領域
１４０１ 素子固定部
１４０２ 分極方向が上向きの固定部
１４０３ 分極方向が下向きの固定部
１４０４ 分極反転の先端部
１５００ スキャン型ディスプレイ
１６００ 投影型ディスプレイ
１５０１，１６０１ 映像信号
１５０２，１５０２ 画像処理部
１５０３，１６０３ レーザ出力コントローラ
１５０４，１６０４ ＬＤ電源
１５０５，１６０５ レーザ光源
１５０６ スキャンコントローラー
１５０７ スキャンミラー
１５０８ 集光レンズ
１５０９ 集光点
１５１０ スクリーン
１６０６ ロッドインテグレータ
１６０７ リレーレンズ
１６０８ ミラー
１６０９ ２次元光変調素子
１６１０ 偏光子
１６１１ クロスプリズム
１６１２ 投影レンズ

Claims (15)

1. 励起レーザ光源と
   レーザ媒質と
   レーザ媒質から発生する基本波光から高調波光を発生させる非線形光学素子と
   前記高調波光を出力する出力ミラーと
   電気光学結晶からなる変調素子と
   で形成されており、
   前記レーザ媒質・前記変調素子・前記非線形光学素子はレーザ共振器内に配置されており、
   前記変調素子には同一平面上になく、
   前記光軸を対称軸として前記電極が相対していない１対の電極が形成され、
   前記非線形光学素子および変調素子は、絶縁材料を介して保持されていることを特徴とする波長変換レーザ光源。
2. 前記非線形光学素子には分極反転構造が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ光源。
3. 前記非線形光学素子が前記変調素子を兼ねていることを特徴とする請求項１ないし請求項２に記載の波長変換レーザ光源。
4. 前記非線形光学素子あるいは前記変調素子に形成された分極反転構造において、前記非線形光学素子あるいは前記変調素子を形成する基板の深さに対して、徐々に分極反転部の幅が小さくなることを特徴とする請求項１〜請求項３に記載の波長変換レーザ光源。
5. 一つの分極反転における表面側と結晶内部側の分極反転形成範囲の比が１００：１以上となっている事を特徴とする請求項４に記載の波長変換レーザ光源。
6. 前記１対の電極において一方の電極には他方の電極に対して逆位相の電気信号を入力する事を特徴とする請求項１〜請求項５に記載の波長変換レーザ光源。
7. 前記１対の電極は、前記変調素子を構成する材料の一方の方位面上に設けられており、他方のいずれかの方位面がグランド電極となっていることを特徴とする請求項１〜請求項６に記載の波長変換レーザ光源。
8. 前記１対の電極のうち一方の電極が、前記変調素子を形成する基板に設けられたリッジ部分の上面に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項７に記載の波長変換レーザ光源。
9. 前記変調素子を駆動する変調信号と前記励起レーザ光源とを同期させて駆動する事を特徴とする請求項１〜請求項８に記載の波長変換レーザ光源。
10. 前記絶縁材料の抵抗率が１×１０^８Ω・ｃｍ以上となっていることを特徴とする請求項１〜請求項９に記載の波長変換レーザ光源。
11. 請求項１〜請求項１０に記載の波長変換レーザ光源と半導体レーザ光源とスキャンミラーとスキャンミラーを制御するスキャンコントローラーとレーザ出力コントローラーとを具備し、スキャンミラーの位置角度情報により前記波長変換レーザ光源および半導体レーザ光源の点滅させることにより、画像を表示させることを特徴とする投写型２次元画像表示装置。
12. １／（６０×ｎ）秒の時間内における平均値が、設定する輝度となるように１パルスの出力制御を行うことを特徴とする請求項１１に記載の２次元画像表示装置。
13. 請求項１〜請求項１０に記載の波長変換レーザ光源と半導体レーザ光源と２次元光変調素子と投影レンズとを具備し、前記波長変換レーザ光源および半導体レーザ光源の点滅により、表示画像のコントラストを向上させていることを特徴とする投写型２次元画像表示装置。
14. 請求項１〜請求項１０に記載の波長変換レーザ光源と半導体レーザ光源と液晶パネルと導光部材とを具備し、前記波長変換レーザ光源および波長変換の点滅により液晶表示部のコントラストを部分的に向上することを特徴とする液晶ディスプレイ。
15. 請求項１〜請求項１０に記載の波長変換レーザ光源と出力設定部と出力コネクタとデリバリファイバを備えたことを特徴とするファイバ付きレーザ光源。

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