JP2011113073A - 波長変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱手段により温度制御される分極反転構造を有する基板の温度制御性を高めた波長変換素子を得ること。
【解決手段】加熱手段を有する厚膜抵抗基板１１上に、入力されたレーザ光を所定の波長のレーザ光に変換する分極反転結晶１３が設けられた波長変換素子１０において、厚膜抵抗基板１１と分極反転結晶１３との間に、分極反転結晶１３の温度分布を均一にする所定の熱伝導性を有する均熱板１２を備え、厚膜抵抗基板１１と均熱板１２との間、および均熱板１２と分極反転結晶１３との間は所定の熱伝導性を有する接着部材１５で接着されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、加熱手段と、温度計測手段とを備え、温度制御される波長変換素子に関するものである。

近年、プロジェクタなどの光源装置に、レーザ光源を用いる技術が提案されている。このレーザ光源には、光源からの基本波光をそのままの波長で射出するものと、光源から射出される基本波光の波長を波長変換素子で変換して射出するものと、が存在する。基本波光の波長を変換する波長変換素子として、たとえば第二高調波発生（Second−Harmonic Generation；以下、ＳＨＧという）素子がある。ＳＨＧ素子と容易に入手可能な汎用の光源を用いて、所望の波長で十分な光量のレーザ光を供給することが可能となる。

ＳＨＧ素子は、たとえば非線形光学結晶基板に、自発分極層と分極反転層とを交互に所定の周期で繰り返し並列させた分極反転構造を形成したものである。この分極反転構造を形成することで、非線形光学結晶基板への入射波と非線形光学効果によって発生した第２高調波の擬似位相整合が成立し、高い効率で安定した光量の高調波光を得ることができる。しかし、ＳＨＧ素子は、温度変化によって屈折率分布が変化すると、擬似位相整合条件が崩れ、波長を変換する効率が低下してしまう。そのため、レーザ光源においては、ＳＨＧ素子などの波長変換素子を所定の温度に保つように温度制御が行われている。

たとえば、分極反転構造を有する基板の上面上に、基板へ伝導させる熱を拡散させる熱拡散板と、配線パターンが上面に形成された絶縁層とを積層し、絶縁層上にヒータを配置した構造の波長変換素子が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。また、このほかにも、分極反転構造を有する基板の一方の主面上に波長変換素子の温度を検出する温度センサを設け、対向する他方の主面上に基板と略同じ大きさを有し波長変換素子の温度を制御するペルチェ素子を設けた構造の波長変換素子が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００９−３１５３９号公報 特許第４２８５４４７号公報

ところで、特許文献１に記載の波長変換素子では、分極反転構造を有する基板とヒータとの間に絶縁層が存在する。一般的に、絶縁体は熱伝導性が低いため、基板とヒータとの間に絶縁層が存在する特許文献１に記載の構造では、分極反転構造を有する基板の温度制御性が低下してしまう。また、分極反転構造を有する基板の特性は温度に依存するため、変換効率が低下したり、出力が安定しなかったりしてしまうという問題点があった。

また、特許文献２に記載の波長変換素子では、ペルチェ素子が分極反転構造を有する基板の一方の主面上の略全面に接して設けられているので、特許文献１に比して基板の温度制御性がよい。しかし、ペルチェ素子に直接接着した場合、面内の温度バラツキが大きくなるために変換効率が低くなり、出力が不安定になるという問題があった。

この発明は上記に鑑みてなされたもので、加熱手段により温度制御される分極反転構造を有する基板の温度制御性を高めた波長変換素子を得ることを目的とする。

この発明にかかる波長変換素子は、加熱手段を有する基板上に、入力されたレーザ光を所定の波長のレーザ光に変換する分極反転結晶が設けられた波長変換素子において、前記基板と前記分極反転結晶との間に、前記分極反転結晶の温度分布を均一にする所定の熱伝導性を有する均熱板を備え、前記基板と前記均熱板との間、および前記均熱板と前記分極反転結晶との間は所定の熱伝導性を有する接着部材で接着されていることを特徴とする。

この発明にかかる波長変換素子は、加熱手段を有する基板上に、入力されたレーザ光を所定の波長のレーザ光に変換する分極反転結晶が設けられた波長変換素子において、前記基板と前記分極反転結晶との間に、前記分極反転結晶の温度分布を均一にする所定の熱伝導性を有する均熱板を備え、前記基板と前記均熱板との間、および前記均熱板と前記分極反転結晶との間は所定の熱伝導性を有する接着部材で接着されていることを特徴とするものなので、熱応答が速くなり、分極反転結晶を所定の温度に保持して、従来にない高効率で安定した出力特性のレーザ光を得ることができるという効果を有する。

図１は、発明の実施の形態１による波長変換素子の構造の一例を示す斜視図である。 図２は、実施の形態１による波長変換素子の構造の一例を示す断面図である。 図３は、発明の実施の形態２による波長変換素子の構造の一例を示す斜視図である。 図４は、実施の形態２による波長変換素子の構造の一例を示す断面図である。 図５は、発明の実施の形態３による波長変換素子の構造の一例を示す斜視図である。 図６は、実施の形態３による波長変換素子の構造の一例を示す断面図である。 図７は、発明の実施の形態４による波長変換素子の構造の一例を示す斜視図である。 図８は、実施の形態４による波長変換素子の構造の一例を示す断面図である。

以下に添付図面を参照して、この発明の実施の形態にかかる波長変換素子を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる波長変換素子の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による波長変換素子の構造の一例を示す斜視図であり、図２は、実施の形態１による波長変換素子の構造の一例を示す断面図である。これらの図に示されるように、波長変換素子１０は、厚膜抵抗基板１１の一方の主面上の所定の位置に接着部材１５によって均熱板１２が固定され、この均熱板１２上にさらに分極反転結晶１３が接着部材１５によって固定され、厚膜抵抗基板１１の上記主面上の他の位置には温度計測手段１４が接着部材１５によって固定されている。

厚膜抵抗基板１１は、抵抗体や導体のパターンが印刷、焼成されたセラミックス基板から構成され、分極反転結晶１３を加熱する加熱手段の役割を有する。また、加熱手段としてペルチェ素子を有する基板であってもよい。

均熱板１２は、分極反転結晶１３の温度を全体にわたってほぼ均一にする機能を有する。均熱板１２として、熱伝導率の高い材料を用いることができ、たとえばＣｕやＡｌなどを用いることができる。この均熱板１２は、分極反転結晶１３のサイズに合わせて、所望の熱伝導性を有する材料によって構成される。

分極反転結晶１３は、図示しないレーザ光源からの基本波光の波長を変換して射出する機能を有する。たとえばＳＨＧ素子の場合には、非線形光学結晶であるニオブ酸リチウム基板に、所定の幅の自発分極層と、所定の幅の分極反転層と、を交互に配置した分極反転構造を有するものを用いることができる。

この実施の形態では、均熱板１２の基板面内方向のサイズは、分極反転結晶１３と同等かまたは分極反転結晶１３よりも若干大きく、厚さは分極反転結晶１３と同等かまたは分極反転結晶１３よりも薄く形成される。この場合、均熱板１２の厚さは、分極反転結晶１３と厚膜抵抗基板１１との間の熱伝導が効率よく行われるように、所定の熱伝導性を有する厚さとされる。

温度計測手段１４は、分極反転結晶１３の温度を推定するために厚膜抵抗基板１１の温度を計測する機能を有し、サーミスタなどを用いることができる。温度計測手段１４は厚膜抵抗基板１１の分極反転結晶１３の載置位置とは異なる位置に、分極反転結晶１３に近接して配置されている。

接着部材１５は、導電性を有し、各部材間をしっかりと固定することが可能なものであればよく、たとえば導電性接着剤やはんだを用いることができる。また、この接着部材１５は、熱伝導率が所定値以上であることが必要であり、均熱板１２と同様に大きいものであることが望ましい。また、厚さも所定の熱伝導性が得られる厚さである必要があり、できるだけ薄い方が望ましい。なお、所定の熱伝導性が得られれば導電性でなくてもよい。

ここで、たとえば均熱板１２としてＣｕを用い、分極反転結晶１３のサイズを３〜１０ｍｍ（光軸方向）×１〜１０ｍｍ×０．３〜２ｍｍ（厚さ）とすると、均熱板１２の分極反転結晶１３の搭載面の面積は分極反転結晶１３のサイズと同等かまたは大きく、厚さは０．２〜０．６ｍｍであり、厚膜抵抗基板１１のサイズは約５〜２０ｍｍ×１〜１０ｍｍである。たとえば、このようなサイズを有する波長変換素子１０において、均熱板１２のサイズを上記の厚さ、すなわち０．６ｍｍよりも厚くすると熱伝導性が低くなるので、好ましくない。つまり、均熱板１２の厚さは０．６ｍｍ以下であることが望ましい。

このような構成の波長変換素子１０では、温度計測手段１４で検出された温度に基づいて、図示しない制御手段で目標とする分極反転結晶１３の温度が目標の温度となるように厚膜抵抗基板１１に流す電流を制御する。厚膜抵抗基板１１に流れる電流によって、抵抗体が発熱し、その熱が均熱板１２によって分極反転結晶１３全体を均一に加熱する。このようにして分極反転結晶１３の温度を制御している。

このような構成では、分極反転結晶１３と加熱手段である厚膜抵抗基板１１との間の熱抵抗は、均熱板１２と接着部材１５のみであることから、厚膜抵抗基板１１から分極反転結晶１３への熱応答が従来の構造に比して速くなる。また、同様の理由で厚膜抵抗基板１１上に載置された温度計測手段１４で計測する温度が分極反転結晶１３の温度に従来よりも速く追従することになる。

このような波長変換素子１０は、たとえば以下のようにして製造することができる。まず、均熱板１２上に分極反転結晶１３をはんだなどの接着部材１５を介して固定する。ついで、厚膜抵抗基板１１上の所定の位置に、分極反転結晶１３を固定した均熱板１２を、接着部材１５を介して固定し、さらにサーミスタなどの温度計測手段１４を厚膜抵抗基板１１上の所定の位置に接着部材１５を介して固定する。以上によって、図１と図２に示される構造の波長変換素子１０が得られる。

この実施の形態１によれば、厚膜抵抗基板１１上に所定の熱伝導性を有する均熱板１２を介して分極反転結晶１３を設け、各部材間を所定の熱伝導性を有する接着部材１５で接着した構成としたので、分極反転結晶１３と厚膜抵抗基板１１との間の熱抵抗を小さくすることができる。また、導波路内の温度分布を従来よりも均一にし、安定した高出力が得られる。その結果、厚膜抵抗基板１１から分極反転結晶１３への熱応答が速くなり、分極反転結晶１３を所定の温度に保持して、従来にない高効率で安定した出力特性を有する波長変換素子１０を得ることができるという効果を有する。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２による波長変換素子の構造の一例を示す斜視図であり、図４は、実施の形態２による波長変換素子の構造の一例を示す断面図である。この実施の形態２の波長変換素子１０では、均熱板１２の基板面に平行な方向のサイズが、分極反転結晶１３よりも大きく構成され、この均熱板１２上に接着部材１５を介して温度計測手段１４が固定される構造を有している。なお、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。

この実施の形態２によれば、分極反転結晶１３と温度計測手段１４との間の熱抵抗は、均熱板１２と接着部材１５のみとなり、実施の形態１の場合に比して、厚膜抵抗基板１１が間に入らない分、分極反転結晶１３の温度により正確にまた速やかに追従する温度を温度計測手段１４で計測することができるという効果を有する。その結果、実施の形態１の場合に比して、分極反転結晶１３の温度制御性を向上することができ、さらに安定した出力特性を有する波長変換素子１０を得ることができるという効果を有する。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３による波長変換素子の構造の一例を示す斜視図であり、図６は、実施の形態３による波長変換素子の構造の一例を示す断面図である。この実施の形態３の波長変換素子１０では、実施の形態１の図１と図２の均熱板１２が、緩衝材としての機能も有する均熱板１６になっている。なお、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。

均熱板１６は、分極反転結晶１３の温度を全体にわたってほぼ均一にするとともに、厚膜抵抗基板１１と分極反転結晶１３の温度変化による膨張／収縮によって生じる分極反転結晶１３に作用する応力を緩和する機能を有する。具体的には、温度変化による厚膜抵抗基板１１と分極反転結晶１３との間の膨張／収縮の幅の違いによる応力が分極反転結晶１３に伝わらないように、所定の線膨張係数や厚さを有する材料によって均熱板１６が構成される。たとえば、均熱板１６の材料として、分極反転結晶１３の線膨張係数に近い線膨張係数の値を有する材料を用いることができる。また、均熱板１６として、厚膜抵抗基板１１と分極反転結晶１３との間の膨張／収縮の幅の違いによる応力が分極反転結晶１３に伝わらない程度の厚さを有することが望ましい。厚膜抵抗基板１１の線膨張係数と分極反転結晶１３の線膨張係数との間の値にしてもよい。厚膜抵抗基板１１の線膨張係数が大きい場合には、均熱板１６の線膨張係数を分極反転結晶１３の線膨張係数よりも小さくし、厚膜抵抗基板１１の影響も考慮した均熱板１６のみなし線膨張係数が分極反転結晶１３に近くなるようにしてもよい。この均熱板１６の厚さは、使用する厚膜抵抗基板１１と均熱板１６と分極反転結晶１３の材質や厚さによって予め計算によって求められるものである。なお、この場合には、熱抵抗が分極反転結晶１３を制御するのに要求される所定の値となるように、かつ応力が分極反転結晶１３に伝わらない程度の厚さとされる。

たとえば、均熱板１６としてＣｕを用い、分極反転結晶１３のサイズを３〜１０ｍｍ（光軸方向）×１〜１０ｍｍ×０．３〜２ｍｍ（厚さ）とすると、均熱板１６の分極反転結晶１３の搭載面の面積は分極反転結晶１３のサイズと同等かまたは大きく、厚さは０．２〜０．６ｍｍであり、厚膜抵抗基板１１のサイズは約５〜２０ｍｍ×１〜１０ｍｍである。例えば、このようなサイズを有する波長変換素子１０において、均熱板１６のサイズを上記の厚さ、すなわち０．６ｍｍよりも厚くすると熱伝導性が低くなるので、好ましくない。つまり、均熱板１６の厚さは０．６ｍｍ以下であることが望ましい。また、均熱板１６のサイズを上記の厚さ、すなわち０．２ｍｍよりも薄くすると、たとえば温度変化による厚膜抵抗基板１１と分極反転結晶１３との間の膨張／収縮の幅の違いによる両者間の応力が分極反転結晶１３に伝わってしまい、緩衝材としての働きをしない。つまり、均熱板１６の厚さは０．２ｍｍ以上であることが望ましい。

このように、実施の形態３では、均熱板１６の仕様（線膨張係数と厚さ）によって、厚膜抵抗基板１１からの熱を効率よく分極反転結晶１３に伝えるとともに、線膨張係数の違いから温度変化によって厚膜抵抗基板１１から分極反転結晶１３が受ける応力を抑え、分極反転結晶１３の損傷を防止している。

この実施の形態３によれば、均熱板１６に、厚膜抵抗基板１１と分極反転結晶１３との間の温度変化による膨張／収縮の幅の違いによる応力が分極反転結晶１３に伝わらないようにする緩衝材の機能を持たせたので、長期使用時における応力による分極反転結晶１３の割れなどの損傷の発生を抑えるという効果を、実施の形態１の効果に加えて得ることができるという効果を有する。また、温度分布を抑制することで安定した高出力を得ることができるという効果も有する。

実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４による波長変換素子の構造の一例を示す斜視図であり、図８は、実施の形態４による波長変換素子の構造の一例を示す断面図である。この実施の形態４の波長変換素子１０では、実施の形態３に比して、均熱板１６の基板面に平行な方向のサイズが、分極反転結晶１３よりも大きく構成され、この均熱板１６上に接着部材１５を介して温度計測手段１４が固定される構造を有している。なお、実施の形態１，３と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。

この実施の形態４によれば、分極反転結晶１３と温度計測手段１４との間の熱抵抗は、均熱板１６と接着部材１５のみとなり、実施の形態３の場合に比して、厚膜抵抗基板１１が間に入らない分、分極反転結晶１３の温度により正確にまた速やかに追従する温度を温度計測手段１４で計測することができるという効果を有する。その結果、実施の形態３の場合に比して、分極反転結晶１３の温度制御性を向上することができ、さらに安定した出力特性を有する波長変換素子１０を得ることができるという効果を有する。

以上のように、本発明にかかる波長変換素子は、レーザディスプレイ装置や光メモリ装置の光源に有用である。

１０ 波長変換素子
１１ 厚膜抵抗基板
１２ 均熱板
１３ 分極反転結晶
１４ 温度計測手段
１５ 接着部材
１６ 均熱板

Claims (5)

1. 加熱手段を有する基板上に、入力されたレーザ光を所定の波長のレーザ光に変換する分極反転結晶が設けられた波長変換素子において、
   前記基板と前記分極反転結晶との間に、前記分極反転結晶の温度分布を均一にする所定の熱伝導性を有する均熱板を備え、
   前記基板と前記均熱板との間、および前記均熱板と前記分極反転結晶との間は所定の熱伝導性を有する接着部材で接着されていることを特徴とする波長変換素子。
2. 前記均熱板は、前記分極反転結晶に作用する応力を緩和する機能をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記均熱板は、前記基板と前記分極反転結晶に用いられる材料に応じた線膨張係数を有し、
   前記均熱板の厚さは、前記分極反転結晶に作用する応力を緩和する厚さに設定されることを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。
4. 前記均熱板の基板面内のサイズは、前記分極反転結晶と略同等であり、
   前記基板上に前記接着部材により接着された温度計測手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の波長変換素子。
5. 前記均熱板の基板面内のサイズは、前記分極反転結晶よりも大きく、
   前記均熱板上に前記接着部材により接着された温度計測手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の波長変換素子。

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