JP5225715B2 - 高調波発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、波長を変換して高調波を得る高調波発生装置、及び、その高調波発生装置を用いた映像プロジェクタ、テレビ受像機、液晶パネルなどの画像表示装置に関する。

特に、高出力の高調波を得る高調波発生装置に関する。

分極反転構造をもつ非線形結晶は、非線形光学効果を利用したレーザの波長変換素子として用いられている。例えば、赤外の波長である１０６４ｎｍの波長を有するレーザ光を、分極反転構造をもつ非線形結晶に入射すれば、第２高調波として５３２ｎｍの波長を有する緑色のレーザ光を得ることができる。特に、緑色の波長を出力する半導体レーザの媒質はいまだ見つかっていないため、分極反転構造をもつ非線形結晶は、緑色レーザを得る重要な技術の一つであるといえる。

また、近年では、レーザを光源に使用した画像表示装置が注目を集めている。コヒーレントであるレーザ光は、単色性が強いので、適当な波長をもつレーザを光源に選ぶことにより、色純度が高く、かつ、色再現性に非常に優れた画像表示装置を実現することができる。光の３原色は、赤、青、緑である。緑色レーザは、前記３原色のうちのひとつであるため、重要である。従って、より高輝度な画像表示装置を実現するためには、レーザの効率、出力の向上が必要不可欠である。したがって、高効率、高出力な緑色レーザの実現が期待されている。更に、高輝度な画像表示を実現するとともに、高画質な画像表示を実現することが求められている。

図２３は、分極反転構造をもつ非線形結晶１１から第２高調波を発生させるための高調波発生装置の構成を示す。高調波発生装置は、基本波５０を発生させるレーザ光源１０と、前記基本波５０を絞るための集光レンズ２０と、前記集光レンズ２０により絞られた基本波５０を入射させる非線形結晶１１とを備えている。非線形結晶１１からは、基本波５０と第２高調波５１とが射出される。分極反転構造をもつ非線形結晶１１から第２高調波５１を得る場合、第２高調波５１の出力は、入射するレーザ光（基本波）の単位面積当たりのエネルギー密度の２乗に比例することが分かっている。しかし、非線形結晶１１内におけるレーザ光のエネルギー密度を大きくすればするほど、非線形結晶１１により吸収されるレーザ光の光量が上昇する。その結果、非線形結晶１１のうち、レーザ光が通過している部分、あるいはレーザ光の焦点付近の部分の温度が上がり、非線形結晶１１における温度分布は、前記各部分において局所的に高いものになる。非線形結晶１１内で温度変化が起こると、非線形結晶１１内の屈折率が変化することに伴い、非線形結晶１１の位相性強情権が適切な位相整合条件からずれてしまい、高調波の発生効率が小さくなる。また、レーザ光のエネルギー密度が非常に大きいと、その非線形結晶１１内の温度上昇で非線形結晶１１が損傷してしまう。

レーザ光源と分極反転構造をもつ非線形結晶とを有する高調波発生装置において、従来は、そのレーザ光源と前記被線形結晶との位置関係が相対的に常に一定であった。そのため、上述した理由で前記被線形結晶内の温度分布が局所的に高いものになると、必然的に高調波の発生効率が小さくなっていた。これを解決させる方法として、特許文献１に示すように、レーザ光路を光軸に対して平行に、または、垂直に変位させることにより、非線形結晶内における温度分布の局所的な上昇を抑えるということが提案されている。図２４、図２５、図２６に、その方法の代表的な構成を示す。図２４は、走査ミラー２１を振動させることにより、非線形結晶１１内を通るレーザ光を振動させるためのものである。レーザ光源１０から発生した基本波は、走査ミラー２１で反射されるとともに、集光レンズ２０により非線形結晶１１への入射角度が一定に保持されながら、非線形結晶１１に入射する。レーザ光路の振動は、レンズやミラーといった光学素子を振動させることにより、あるいは非線形結晶１１そのものを振動させることにより実現することができる。

図２５は、プリズム２８を回転させることにより、レーザ光路を振動させる構成である。レーザ光は、回転するプリズム２８を通過することにより、非線形結晶１１への入射角が一定に保持されながら、光軸に垂直な方向に振動する。図２６は、非線形結晶１１自体を振動させる構成を示したものである。非線形結晶１１は、光軸に対し垂直な方向に振動する垂直方向振動装置２４の上に乗せられている。レーザ光路、非線形結晶１１のいずれかを振動させる場合、振動の振幅の大きさ、消費されるエネルギーを考えると、共振（固有振動数での振動）が一般的に使用される。共振を用いることにより、消費するエネルギーは小さく、振幅が大きい振動が可能である。

また、特許文献２に示すように、レーザ光路を光軸と平行する軸回りに等速円運動させるというものがある。分極反転構造をもつ非線形結晶を用いる場合、高い変換効率を得るためには、前記結晶を通るレーザ光の位置が非常に重要となる。特に、非線形結晶の幅方向に較べて、非線形結晶の深さ方向におけるレーザ光の位置の変位は、変換効率への影響が大きい。この原因は、非線形結晶の有する分極反転の間隔によるものである。

つまり、前記被線形結晶の生成手順は、表面から分極反転構造を成長させるものであるため、図２７に示すとおり、表面に近いほど分極反転の成長が大きくなり、分極反転の間隔は小さくなる。これに対して、非線形結晶の表面から遠いほど分極反転の間隔は、大きくなる。前記被線形結晶から高調波を得る場合、適当な分極反転の間隔が必要であるが、適当な間隔を得るためのレーザ光の照射範囲は、非線形結晶の深さ方向に限られた幅となる。そのため、レーザ光の実際の照射位置が前記適当な間隔を得るための照射範囲から大きく外れると、高調波の発生効率が悪くなる。詳細には、レーザ光の照射位置の深さ方向の変位と高調波変換効率との関係を示す図２８を参照して説明する。レーザ光の最大変換効率がｙ１とした場合、最大変換効率ｙ１の９０％（０．９×ｙ１）以上の効率を得るためには、レーザ光の最適な照射位置ｘ１からおよそ±１００μｍとなる深さ方向の範囲内にレーザ光を照射することが必要となる。また、前記最大変換効率ｙ１の５０％（０．５×ｙ１）以上の効率を得るためには、レーザ光の最適な照射位置ｘ１からおよそ±２５０μｍとなる深さ方向の範囲内にレーザ光を照射することが必要となる。

一方、非線形結晶の幅方向（図２７参照）にレーザ光の照射位置が変位しても、レーザ光の照射範囲における分極反転の間隔は、大きく変化しないため、レーザ光の照射位置の幅方向へ変位が与える変換効率への影響は少ない。我々は、幅寸法が１ｍｍ以上２６ｍｍ以下の分極反転構造をもつ非線形結晶を利用しているため、９０％以上の変換効率を得るためのレーザ光の照射範囲における幅寸法と深さ寸法との比は、５：１〜１３０：１となる。つまり、レーザ光の照射位置について非線形結晶の幅方向に許容される変位の幅に比べ、深さ方向に許容される変位の幅は、非常に小さい。そして、レーザ光路を円運動させる場合には、深さ方向と素子の幅方向のどちらにも同じだけ変位してしまう。従って、円運動を採用する構成においてレーザ光路の変位を増やすことは、深さ方向にも変位が増えて分極反転の間隔が変動することにより、変換効率が小さくなるという問題がある。この点について、特許文献２においては考慮されていなかった。

また、特許文献３に示すように、レーザ光の集光位置を素子内で変位させることにより、エネルギー密度を調整する方法が提案されている。非線形結晶から出力される第２高調波は、基本波の単位面積当たりのエネルギー密度の２乗に比例するので、一般的に基本波のレーザ光を集光レンズによって集光して非線形結晶に入射する。図３０に示すように、非線形結晶１１は、光軸方向に移動可能な光軸方向振動装置２２の上に乗せられている。そして、特許文献３に開示される装置は、基本波となる光源のエネルギー密度に応じて、集光位置を光軸方向に調整することにより、素子のレーザ光による損傷を防ぐようになっている。

一方、画像表示の高画質化を実現するために、レーザ光を画像表示装置の光源に使うと、スペックルノイズと呼ばれるレーザ特有の干渉縞が発生するという問題が生じる。つまり、レーザ光は、スペクトル幅が狭く、干渉性が高いため、散乱されたレーザ光が互いにランダムに干渉して、微細な粒状のスペックルノイズを生じる。スペックルノイズを低減させる方法としては、一般に、拡散板などの光学素子を遥動させて、通過するレーザ光を遥動させる方法と、映像が投射されるスクリーンを遥動させる方法がある。どちらの方法を用いた場合でも、スクリーンの光の位相分布が変動し、スペックルノイズの微細なパターンも時間的に変化する。スペックルノイズのパターン変化が観察者の残像時間より速くなれば、スペックルノイズが観察者の眼で時間平均されるため、観察者は、ノイズのない画像として感知する。
特開平３−２０８３８７号公報 特開平７−３６０７２号公報 特開２００６−２６７３７７号公報

上述した、従来のレーザ光を変位させる方法においては、非線形結晶がレーザ光を吸収することにより、非線形結晶の温度上昇が起こり、非線形結晶の損傷が生じるという現象を防ぐことを目的としている。

しかしながら、レーザ光の高効率化、高出力化に伴い、従来の方法では、非線形結晶の損傷を十分に防ぐことができず、安定したレーザ光が得られないという課題が生じていた。

一方、高画質な画像表示装置を実現するために、従来では、光学素子を動かしてレーザ光の位相をずらす、あるいは、投影するスクリーンを動かしてレーザ光の位相をずらすことにより、スペックルノイズを低減していた。しかしながら、光学素子やスクリーンは、一般に共振させてノイズを軽減するため、その振幅によっては、騒音が発生するなどの点が課題となっていた。

本発明は、上記課題を解決し、レーザ光源を用いて高出力の高調波を得ることができる高調波発生装置、及び高輝度、かつ、高画質な画像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一局面に従う高調波発生装置は、レーザ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光を集光するための集光部材と、前記集光部材により集光されたレーザ光と位相整合をするように形成された分極反転構造をもつ非線形結晶と、前記集光部材からのレーザ光の集光位置と前記非線形結晶とを相対的に変位させるための変位部材とを備え、前記変位部材は、前記集光部材からのレーザ光の光軸と平行する第１方向の寸法及び前記第１方向と直交する第２方向の寸法が前記第１方向及び第２方向と直交する第３方向の寸法よりも広い範囲として前記分極反転構造内に設定された照射範囲内において、前記レーザ光の集光位置が所定期間を超えて同一位置に止まることがなく、かつ、前記照射範囲内において前記第１方向、前記第２方向の少なくとも１方向に前記集光位置が振動するように、前記集光位置と前記非線形結晶とを相対的に変位させ、前記変位部材は、前記レーザ光の集光位置、前記非線形結晶の少なくとも一方を前記第１方向及び前記第２方向に振動させ、前記分極反転構造は、前記第１方向に分極反転部分が等間隔に並ぶとともに前記第２方向に前記分極反転部分が延び、前記第３方向において前記非線形結晶の表面から遠いほど間隔が大きくなる分極反転部分を有し、前記分極反転構造内には、前記第１方向の寸法及び前記第２方向の寸法が前記第３方向の寸法よりも広くなる前記波長変換素子の最大波長変換効率の９０％以上の波長変換効率を有する照射範囲が設定されている。

本発明によれば、レーザ光の集光位置と非線形結晶とを相対的に変位させることにより、分極反転構造内におけるレーザ光のパワー密度が局所的に大きくなるのを抑制することができるので、ＵＶＩＧＡの発生を有効に抑制することができ、結晶の破壊の可能性を低減することができる。したがって、本発明によれば、非線形結晶に入射するレーザ光のパワーを大きく維持しながら、非線形結晶の破壊を抑制することができるため、第２高調波の最大出力を大きくすることが可能となる。

また、本発明では、レーザ光による非線形結晶の局所的な温度上昇を抑えることができるため、第２高調波の発生効率を改善することができる。この効率改善の結果、高調波発生装置の消費電力の削減が可能となる。

なお、本発明における『所定期間を超えて同一位置に止まることがなく』とは、ＵＶＩＧＡを生じさせない程度の期間であれば、分極反転構造内の同一位置にレーザ光の集光位置が止まるのを許容する趣旨である。具体的に『所定期間』は、レーザ光のパワー密度及び非線形結晶の組成に基づいて規定されるものである。

具体的に、本発明では、前記変位部材を、前前記レーザ光の集光位置、前記非線形結晶の少なくとも一方を前記第２方向に振動させる。

また、本発明に係る前記変位部材は、前記レーザ光の集光位置、前記非線形結晶の少なくとも一方を前記第１方向に振動させる。

前記のようにレーザ光の集光位置を変位させる高調波発生装置において、前記変位部材は、前記レーザ光の集光位置が前記振動における折り返し箇所に到達したときに、前記レーザ光の光路を遮るための遮光部材を有することが好ましい。

前記構成によれば、レーザ光の集光位置と非線形結晶との相対的な移動速度が遅くなる振動の折り返し箇所において、遮光部材により非線形結晶に対するレーザ光の照射を防ぐことができるので、非線形結晶内に局所的にパワー密度の大きな部分が発生するのを抑制することができる。

前記のようにレーザ光の集光位置を変位させる高調波発生装置において、前記変位部材は、前記レーザ光の集光位置が前記非線形結晶の分極反転構造の外側位置で折り返すように、前記レーザ光の集光位置と前記非線形結晶とを相対的に振動させることが好ましい。

前記構成によれば、レーザ光の集光位置の変位の範囲が分極反転構造の幅方向よりも大きく設定されているので、レーザ光の集光位置の振動において速度の遅くなる折り返し箇所が分極反転構造の外側となる。したがって、前記構成によれば、分極反転構造内においてレーザ光によるパワー密度が局所的に大きくなるのを抑制することができる。

前記高調波発生装置において、前記変位部材は、前記レーザ光の集光位置、前記非線形結晶の少なくとも一方を略同一の周期で振動させる振動系を２つ以上有し、前記各振動系の位相が異なることが好ましい。

前記構成によれば、２つ以上の振動系の位相が異なるため、一方の振動系が停止している場合であっても、他方の振動系による振動が行われている状態となり、レーザ光の集光位置と非線形結晶とを常に相対変位させることができる。したがって、分極判定構造内においてレーザ光によるパワー密度が局所的に大きくなるのを抑制することができる。

前記高調波発生装置において、前記変位部材は、前記レーザ光の集光位置を２次元的に変位させることが好ましい。

前記構成によれば、レーザ光による非線形結晶内のパワー密度をより有効に分散させることができる。

具体的に、前記変位部材を、前記レーザ光の集光位置の軌跡がリサージュ曲線を描くように、前記レーザ光の集光位置を変位させる構成とすることができる。

前記高調波発生装置において、前記非線形結晶は、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ_３からなり、前記変位部材は、前記レーザ光の集光位置と前記非線形結晶とを相対変位させるための変位機構と、前記照射範囲内における前記レーザ光の最大レーザパワー密度を、前記レーザ光の集光位置と前記非線形結晶との相対変位速度で除した値が１５［Ｊ／ｍｍ^３］となる前記相対速度を超える速度となるように前記変位機構を制御する制御部とを備えていることが好ましい。

前記構成によれば、非線形結晶のＵＶＩＧＡによる破壊を回避することができる速度で、レーザ光の集光位置と非線形結晶とを相対変位させることができる。つまり、非線形結晶のＵＶＩＧＡによる破壊は、非線形結晶内における単位時間当たりの発熱量が所定の値を超えたときに生じるものと考えられるが、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ_３からなる非線形結晶においては、レーザ光の最大パワー密度を、レーザ光の集光位置と非線形結晶との相対変位速度で除した値が１５［Ｊ／ｍｍ^３］以上となったときに破壊が生じ始めることが確認されている。したがって、前記構成では、前記値を１５［Ｊ／ｍｍ^３］未満とすることができる速度でレーザ光の集光位置と非線形結晶とを変位させることができるので、非線形結晶の破壊を防止することができる。

前記高調波発生装置において、前記変位部材は、制御信号を受けて回折角度を調整可能な光学素子を有することが好ましい。

前記構成によれば、制御信号を与えることにより、レーザ光の光路を変更し、又は切り換えることができる。

前記高調波発生装置において、前記変位部材は、前記レーザ光の光路と前記非線形結晶との相対変位が行われていない状態において、前記レーザ光の光路を非線形結晶から外すように構成されていることが好ましい。

前記構成によれば、前記変位部材によるレーザ光の光路と非線形結晶との相対変位が開始される前の段階でレーザ光が照射されてしまった場合であっても、レーザ光が非線形結晶に照射されるのを防止することができるので、非線形結晶の破壊をより効果的に抑制することができる。

前記高調波発生装置において、前記高調波発生装置の高調波の出力を３Ｗ以上とすることができる。

前記高調波発生装置において、前記非線形結晶の材料組成をＭｇドープのＬｉＮｂＯ_３とすることができる。

前記高調波発生装置において、前記レーザ光源により発生するレーザ光の波長を１０６４ｎｍ以上１０７０ｎｍ以下とし、前記非線形結晶から得られる高調波の波長を５３２ｎｍ以上５３５ｎｍ以下とすることができる。

また、本発明の一局面に従う画像表示装置は、前記高調波発生装置と、前記高調波発生装置により発生したレーザ光を画像に変換する空間変調素子と、前記空間変調素子による画像変換を制御する表示制御部とを備えている。

本発明に係る画像表示装置よれば、高調波発生装置を用いることにより、例えば、赤外の半導体レーザを基本波光源としたコンパクトで高出力の緑色レーザ光源が実現可能であるため、高輝度かつ色再現性のよい画像表示が実現できる。また、レーザ光源の光路又は非線形結晶を変位させるため、スクリーンを振動させる場合と比べて、スペックルノイズ低減のための大掛かりな構成が不要となる。したがって、本発明によれば、コンパクト化、低電力化、低コスト化を図りながら、スペックルノイズの低減が可能となる。

前記画像表示装置において、前記表示制御部は、画像を構成する複数の色のうちの１色を単位時間ごとに切り換えて表示するフィールドシーケンシャル制御を行うように構成され、前記高調波発生装置により発生するレーザ光の出力が最も低下する時期と、前記フィールドシーケンシャル制御における前記レーザ光に対応する色の非表示時期とが同期していることが好ましい。

前記構成によれば、フィールドシーケンシャル制御における非表示時期を有効に利用して、非線形結晶におけるレーザ光のパワー密度が局所的に大きくなるのを抑制することができる。したがって、本発明によれば、ＵＶＩＧＡによる非線形結晶の破壊を抑制しながら、高輝度の画像表示装置を実現することができる。

前記画像表示装置において、前記表示制御部は、表示対象となる複数の画像のうち互いに連続する２の画像の間に黒色の画像を挿入する制御を行うように構成され、前記高調波発生装置により発生するレーザ光の出力が最も低下する時期と、前記黒画像を挿入する時期とが同期していることが好ましい。

前記構成によれば、黒画像の挿入時期を有効に利用して、非線形結晶におけるレーザ光のパワー密度が局所的に大きくなるのを抑制することができる。したがって、本発明によれば、ＵＶＩＧＡにより非線形結晶の破壊を抑制しながら、高輝度の画像表示装置を実現することができる。

前記高調波発生装置と、前記高調波発生装置により発生したレーザ光を画像に変換する液晶パネルとを備えた画像表示装置を構成すれば、前記高調波発生装置により発生したレーザ光を前記液晶パネルのバックライトとして利用することができる。

前記高調波発生装置と、前記高調波発生装置から出射されたレーザ光が入射される前記導光板と、前記導光板により導かれたレーザ光を画像に変換する液晶パネルとを備えた画像表示装置を構成すれば、前記高調波発生装置からのレーザ光により光らせた導光板を前記液晶パネルのバックライトとして利用することができる。

前記高調波発生装置と、前記高調波発生装置から出射されたレーザ光を拡散させるポリゴンミラーと、前記ポリゴンミラーにより拡散されたレーザ光が入射する導光板とを備えた画像表示装置を構成することもできる。

前記ポリゴンミラーに代えて、ラインディフューザを用いて前記レーザ光を拡散し、前記導光板に入射する構成とすることもできる。

前記高調波発生装置と、前記高調波発生装置から出射されたレーザ光を走査させる走査光学系とを備えた画像表示装置を構成することもできる。

そして、上述した本発明の構成を用いることで分極反転構造をもつ非線形結晶から、高出力で高効率な第２高調波を得ることが可能である。また、緑色の第２高調波を出力する場合、コンパクトな緑色レーザ光源が可能となり、光源がコンパクトで高出力が必要な、液晶テレビのバックライト、プロジェクションテレビ、プロジェクタなどに有用である。

本発明によれば、レーザ光源を用いて高出力の高調波を得ることができる高調波発生装置、及び高輝度、かつ、高画質な画像表示装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

（実施の形態１）
まず、レーザ光の高効率化、高出力化に伴って、本願発明者らが発見するに至った、従来とは異なる結晶の損傷メカニズム（ＵＶＩＧＡ： Ultra Violet Induced Green Absorption ）について説明する。

周期状の分極反転構造を有する非線形結晶であるＭｇドープＬｉＮｂＯ_３（以下、ＰＰＭｇＬＮと称する）によって、１０６４ｎｍの波長を有する基本波を５３２ｎｍの波長を有する緑色光である第２高調波に波長変換する際、緑色光の出力が３Ｗを越えると、前記緑色光の出力が不安定になるとともに、非線形結晶内には、レーザ光による損傷が生じることが見いだされた。その原因を調査した結果、以下の現象が明らかになった。

ＰＰＭｇＬＮによって１０６４ｎｍの波長を有する基本波を５３２ｎｍの波長を有する第２高調波に変換する際に、ＰＰＭｇＬＮ内には、基本波と第２高調波との和周波により３５５ｎｍの波長を有する紫外光が発生する。紫外光が発生すると、ＰＰＭｇＬＮ内の紫外光が照射された部分において緑色光の吸収量が増大するとともに、ＰＰＭｇＬＮ内の緑色光が照射された部分の熱レンズ効果により高調波出力が不安定になる。さらに、ＰＰＭｇＬＮ内のエネルギー密度が大きくなると、ＰＰＭｇＬＮにダメージが発生する。この現象は、素子がレーザ光を単に吸収しその熱で屈折率が変わる現象や、その熱を直接の原因として損傷が起きる現象とは異なる不安定な現象である。

この現象をより一般的に説明する。非線形結晶に入射する基本波と、非線形結晶により波長変換される第２高調波とによって、基本波と第２高調波の和周波がわずかながら発生する。この和周波が非線形結晶に吸収されると、非線形結晶に対する第２高調波の吸収率は、増加する。その結果、第２高調波の吸収により非線形結晶内の温度が上昇し、非線形結晶の損傷が起こる。現在のところ、分極反転構造をもつ非線形結晶としてＭｇドープＬｉＮｂＯ_３（ＰＰＭｇＬＮ）、又はＭｇドープのＬｉＴａＯ_３の組成のものを用いたときに上述した現象（この現象をＵＶＩＧＡと称す）が確認されている。前記ＭｇドープＬＮｂＯ_３と、前記ＭｇドープのＬｉＴａＯ３は、第２高調波として、５３２ｎｍ以上５３５ｎｍ以下の波長を有する緑色の光、あるいは、４８０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長を有する青色の光を得るためのものである。

図２９は、分極反転構造をもつ非線形結晶を用いて第２高調波を得る実験の結果を示すものである。図２９において、Ｘ軸は、入力する基本波のパワー、Ｙ軸は、出力される第２高調波のパワー、白丸の曲線は、理論値、黒丸の曲線は、実験値である。図２９において、出力が２Ｗ以上となると、実験地が理論値から大きく外れていることが分かる。これは、ＵＶＩＧＡが起こり、第２高調波が非線形結晶に吸収されているからである。また、非線形結晶の種類によって多少の違いはあるが、本実験においては、基本波のパワーが９Ｗ、第２高調波の出力が３．８Ｗとなったときに、ＵＶＩＧＡによる破壊を起こし、非線形結晶にクラックが発生した。次に、レーザ光の吸収を直接の原因として非線形結晶が破損する場合と比較するため、同一素子内で、基本波と分極反転構造とが位相整合していない状態、つまり第２高調波が発生していない状態で、基本波パワーを変化させる実験を行った。その結果、基本波が１２Ｗを超えても結晶破壊は、起きなかった。ビーム径は、同一の条件としているので、以上のことより、ＵＶＩＧＡが起こる基本波のエネルギー密度は、レーザ光の吸収を直接の原因とする損傷が起こる基本波のエネルギー密度に比べて小さいといえる。これは、高出力の第２高調波を得ようとする際に、厳しい条件となる。

従来のように、レーザ光を単に振動させて非線形結晶内の局所的な温度上昇を避ける方法を採用する場合、高出力レーザを用いて実験を行うと、レーザ光の振動の過程においてレーザ光が静止する部分で結晶の損傷が生じた。つまり、レーザ光を分極反転構造内で静止させないことが、ＵＶＩＧＡを抑制するために重要である。具体的に、光軸に対して垂直にレーザ光を振動させた場合の非線形結晶の損傷の状態を観察したところ、振動の折り返し端の部分、すなわちレーザ光が静止する点の付近において、非線形結晶の損傷が起きていることが分かった。つまり、従来のように、単に基本波を振動させるだけでは、ＵＶＩＧＡの抑制に対応できておらず、第２高調波の最大出力を小さくしてしまうおそれがある。

図１は、ＵＶＩＧＡの抑制に対応した実施の形態１に係る高調波発生装置を示すものである。高調波発生装置は、基本波（レーザ光）５０を発生するレーザ光源１０と、基本波５０と位相整合するように形成された分極反転構造をもつ非線形結晶１１と、前記基本波５０を集光するための集光レンズ２０と、集光レンズ２０による基本波５０の集光位置と非線形結晶１１とを相対的に変位させる変位部材とを備えている。

前記変位部材は、レーザ光源１０から照射された基本波５０を反射するための走査ミラー２１と、走査ミラー２１と非線形結晶１１との間に設けられた遮光用素子２３と、走査ミラー２１の駆動を制御するミラー制御部７７とを備えている。

レーザ光源１０は、１０６４ｎｍの波長を有する高調波をコリメートされたビームとして出射するファイバレーザである。

走査ミラー２１は、その反射面２１ｂを軸２１ａ回りに揺動させることにより、基本波５０の集光位置を前記非線形結晶１１の幅方向（第２方向：図２７参照）に振動させることが可能なガルバノミラーである。

集光レンズ２０は、凸レンズからなり、前記走査ミラー２１により反射された基本波５０を集光するようになっている。前記集光レンズ２０による基本波５０のビームウエスト（集光位置）は、非線形結晶１１の奥行方向（第１方向：図２７参照）の略中央位置に設定されている。これにより、基本波５０の強度に依存する基本波５０から第２高調波への変換効率を高くすることができる。具体的に、非線形結晶の奥行方向の寸法が２６ｍｍのとき、奥行方向の端面から１３ｍｍの付近に基本波５０の集光位置が設定されるように、集光レンズ２０と非線形結晶１１との位置関係が調整されている。

なお、走査ミラー２１による基本波５０の集光位置の変位の距離は、走査ミラー２１の振幅と、走査ミラー２１から集光レンズ２０までの距離に応じて調整することができる。本実施の形態１においては、基本波５０の集光位置の変位の距離は、非線形結晶１１の幅方向の寸法よりも大きく設定されている。

遮光用素子２３は、基本波５０の集光位置が折り返し点まで変位したときに、当該基本波５０の光路を遮るようになっている。したがって、非線形結晶１１に対しては、変位している状態にある基本波５０が入射することになる。

実施の形態１に係る高調波発生装置では、効率よく第２高調波を得ることのできる非線形結晶１１の照射範囲が設定されている。具体的に、前記照射範囲は、図２７に示すように、基本波５０から第２高調波への変換効率ｙ１が９０％以上となる範囲、つまり、分極反転構造のうち、非線形結晶１１の幅方向の寸法（１ｍｍ以上２６ｍｍ以下）及び深さ方向（第３方向：図２７参照）の寸法（２００μｍ）の範囲として設定されている。

なお、前記非線形結晶１１の前記照射範囲の奥行方向（第１方向）の寸法は、２６ｍｍに設定されている。

ミラー制御部７７は、走査ミラー２１の反射面２１ｂの揺動速度（周期）を制御するようになっている。以下、ミラー制御部７７による速度の決定方法について説明する。

ＵＶＩＧＡによる非線形結晶１１の破壊は、単位時間当たりの発熱量によって決定されると考えられている。そして、非線形結晶１１内において基本波５０の光強度が最も大きくなるのは、基本波５０の集光位置である。したがって、ＵＶＩＧＡによる非線形結晶１１の破壊が生じるか否かは、基本波５０の集光位置における光強度と、その時点において変位する基本波５０の速度との関数により定義されるものと考えられる。つまり、光強度が小さければ基本波５０の速度が遅くてもＵＶＩＧＡによる非線形結晶１１の破壊が生じないが、光強度が大きければ基本波５０の速度が速くなければＵＶＩＧＡによる非線形結晶１１の破壊が生じることとなる。この関係は、次式により示される。

Ｐ／Ｖ＜α［Ｊ／ｍｍ^３］・・・（１）
Ｐ：基本波５０の集光位置における光強度［Ｗ／ｍｍ^２］
Ｖ：基本波５０の変位する速度［ｍｍ／ｓ］
つまり、基本波５０の集光位置における光強度Ｐを一定とした場合、基本波５０の速度をＰ／αよりも大きな速度とすることにより、ＵＶＩＧＡによる非線形結晶１１の破壊を回避することができる。

なお、基本波５０の集光位置における光強度Ｐは以下の式により求めることができる。

Ｐ=Ｑ／（π（Ｄ／２）^２）・・・（２）
Ｑ：基本波パワー［Ｗ］
Ｄ：ビームウエスト径［ｍｍ］
前記αは、非線形結晶１１の特性や、入射する基本波５０の波長により変動するものと思われる。ＭｇドープのＬｉＮｂＯ_３からなる非線形結晶１１においては、α＝１５［Ｊ／ｍｍ^３］である。

以下、前記高調波発生装置の動作を説明する。レーザ光源１０から射出された基本波５０は、単振動する走査ミラー２１に入射する。走査ミラー２１により反射された基本波５０は、集光レンズ２０によって集光されるとともに、走査ミラー２１の角度に応じて、光軸に垂直な方向（第２方向）に平行移動する。前記遮光用素子２３は、走査ミラー２１の単振動の静止点、つまり折り返し点付近において、基本波５０の光路を遮るようになっている。これにより、非線形結晶１１中には、常に変位している基本波５０のみが入射することになる。前記構成では、遮光用素子２３を挿入するという非常に簡易な構成で、非線形結晶１１内における局所的なエネルギー密度の上昇を抑制することができる。また、走査ミラー２１から非線形結晶１１までの光路のどの位置に遮光用素子２３を配置しても、同じ効果を得ることができる。

なお、図３０のように、基本波５０の集光位置と非線形結晶１１との相対位置が光軸と平行する方向に変位する場合は、例えば、光軸方向振動装置２２の折り返し点の周期に同期して基本波５０の光路を遮るように構成された遮光用素子２３を配置すればよい。

前記のように、基本波５０の集光位置が光軸に垂直な方向（第２方向）に変位する場合、調整が可能であるならば、以下（３）、（４）の条件をともに満たすことが好ましい。基本波５０が分極反転構造の外を通過することによる効率悪化をできるだけ防ぎ、かつ、ＵＶＩＧＡによる結晶破壊を著しく減少できるからである。基本波の振幅は、この条件を基本として決定することになるが、状況に応じて適切な基本波５０の振幅を適宜決定することができる。例えば、変換予定の第２高調波の出力に対して基本波５０のレーザ光源１０のパワーに余裕があるならば、振幅を増やし、不足しているならば振幅を減らすことができる。基本波５０を変位させるために用いる共振周波数は、少なくとも２００［Ｈｚ］以上が好ましい。可能であるならば、４００［Ｈｚ］以上の共振周波数とするのがより好ましい。

分極反転構造の幅の２等分線上の点を中心として基本波５０が振動する・・・（３）
基本波の振幅＝分極反転構造の幅／２＋結晶内での最大ビーム径・・・（４）
なお、前記非線形結晶１１としては、Ｍｇ５ｍｏｌ％ドープのＰＰＭｇＬＮを用いている。Ｍｇのドープ量は、４．９ｍｏｌ％以上６ｍｏｌ％以下であることが望ましい。さらに望ましくは、Ｍｇのドープ量を５．６±０．２ｍｏｌ％とすることが望ましい。耐光損傷強度に優れるからである。

そのほか、前記非線形結晶１１として、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｃドープのＰＰＭｇＬＮを同様に利用できる。耐光損傷強度に優れた非線形結晶１１を構成するために、ストイキオメトリック組成のＰＰＭｇＬＮを利用することもできる。この場合のＭｇのドープ量は、１．５ｍｏｌ％以上であることが好ましい。その他、ＭｇドープのＬｉＴａＯ_３、ＭｇドープのストイキオメトリックＬｉＴａＯ_３、ＫＴＰ等を非線形結晶１１として用いることもできる。

（実施の形態２）
図２に実施の形態２を示す。実施の形態１と異なる点は、基本波５０の変位における折り返し点が非線形結晶１２の分極反転構造が形成された範囲の外側に設定されている点である。

具体的に、実施の形態２に係る非線形結晶１２は、図３に示すように、分極反転構造が形成された形成部分８１と、形成部分８１の幅方向（第２方向）の外側にそれぞれ設けられ、分極反転構造が形成されていない非形成部分８０とを有している。

そして、実施の形態２に係る高調波発生装置では、前記形成範囲８１が基本波５０の照射範囲として設定されている。つまり、形成範囲８１内において基本波５０の集光位置が常に移動するように、基本波５０の振動の折り返し点がそれぞれ非形成部分８０内に設定されている。具体的には、走査ミラー２１と集光レンズ２０との間の距離を調整することにより、基本波５０の振幅が調整されることとなる。

また、実施の形態２に係るミラー制御部７７は、前記形成範囲８１内における基本波５０の集光位置の変位の速度がＵＶＩＧＡの発生を回避することができる速度となるように、走査ミラー２１の速度制御を行っている。以下、ミラー制御部７７の速度の決定方法について説明する。

まず、基本波５０の集光位置における光強度Ｐを前記（２）式により求める。

次に、基本波５０の集光位置を変位させる速度Ｖを求める。まず、走査２１ミラーは、共振駆動しているため、レーザ光の集光位置の変位Ｕは単振動となり次式で表すことができる。

Ｕ＝Ａｓｉｎ２πＦｔ・・・（５）
Ａ：基本波の変位する振幅［ｍｍ］
Ｆ：基本波の変位する周波数［Ｈｚ］
ｔ：時間
そして、前記変位Ｕを時間ｔで微分することにより、基本波５０の集光位置を変位させる速度Ｖを以下のものとして得ることができる。

Ｖ＝２πＦＡｃｏｓ２πＦｔ・・・（６）
ここで、本実施形態では、形成部分８１の幅方向の二等分線上の点で基本波５０が単振動しているため、前記形成部分８１（図３参照）内で基本波５０が停止しないためには、非線形結晶１２の形成部分８１の幅寸法の１／２の長さＬ［ｍｍ］と、基本波５０の振幅Ａとが以下の関係になっていることが必要である。

Ａ＞Ｌ
つまり、非線形結晶１２内で基本波５０の集光位置の速度が最も小さくなるのは、単振動の折り返し点、つまり、Ａの点であり、この点を形成部分８１の外側（非形成部分８０）に設定するためには、振幅ＡをＬよりも大きく設定しておく必要がある。

そして、Ｕ＝Ｌとなるときのtを（５）式から求め、そのtから（６）式を用いて速度Ｖを周波数Ｆの関数として求める。このようにして求めたＰとＶとの関係が前記（１）式、つまりＰ／Ｖ＞αを満たすための周波数Ｆを算出し、（６）式を用いて速度Ｖを算出する。このように算出された速度Ｖ以上の速度で基本波５０の集光位置を変位させることにより、ＵＶＩＧＡによる非線形結晶１２の破壊を回避することができる。

以下、実施の形態２に係る高調波発生装置の動作について、図２及び図３を参照して説明する。集光レンズ２０により集光された基本波５０の集光位置は、分極反転構造の形成部分８１と非形成部分８０をもつ非線形結晶１２に入射する。このときレーザ光の変位量は、非線形結晶１２の分極反転構造の形成部分８１の幅よりも大きくなっており、形成部分８１内では基本波５０が静止しないように、走査ミラー２１が駆動する。具体的に、本実施形態では、走査ミラー２１の振動の範囲が形成部分８１の幅寸法よりも大きく設定されている。そのため、光学系に特別な工夫をする必要がなく簡易な構成で、非線形結晶１２内の局所的なエネルギー密度の増加を抑制することができる。また、図２５のようにプリズム２８を駆動する構成、及び図２６のように非線形結晶１１を移動させる構成においても、前記実施の形態２と同様の方法によって非線形結晶内の局所的なエネルギー密度の増加を抑制することができる。

（実施の形態３）
図４に実施の形態３を示す。実施の形態３では、非線形結晶１３を移動させることにより、基本波５０の集光位置と非線形結晶１３とを相対変位させている点で、前記各実施形態と相違している。

また、実施の形態３に係る非線形結晶１３は、分極反転構造が形成された形成部分１３ａと、分極反転構造が形成されていない非形成部分１３ｂとを有している。非形成部分１３ｂは、前記形成部分１３ａの奥行方向（第１方向：図２７参照）の両側にそれぞれ配置されている。

実施の形態３に係る変位部材は、上部に載置された非線形結晶１３を基本波５０の光軸と平行する方向に移動可能な光軸方向振動装置２２と、前記光軸方向振動装置２２の駆動を制御する制御部７８とを備えている。

光軸方向振動装置２２は、基本波５０の集光位置が分極反転構造の非形成部分１３ｂ同士の間で振動するように、非線形結晶１３を移動させるようになっている。つまり、非線形結晶１３に対する基本波５０の集光位置の振動の範囲は、分極反転構造の形成部分１３ａの奥行方向（第１方向）の寸法よりも大きくなっている。そのため、基本波５０の集光位置は、分極反転構造の形成範囲１３ａ内で停止することなく、非線形結晶１３内を相対変位することとなる。

前記制御部７８は、前記実施の形態１及び２と同様の方法で光軸方向振動装置２２（非線形結晶１３）の移動速度を制御するようになっている。

本構成では、非線形結晶１３からの基本波５０の出射位置及び出射方向が変位しないので、一定の光路、かつ、一定のビーム径の高調波を得ることができる。

なお、非線形結晶１３を変位させる構成を説明したが、図５のように集光レンズ２０を光軸と平行する方向に変位させる構成でも、同様の効果を得ることができる。

（実施の形態４）
図６に実施の形態４を示す。実施の形態４では、走査ミラー２１と垂直方向振動装置２４の二つの振動系を有している点で前記実施形態と相違している。

具体的に、本形態における変位部材は、前記走査ミラー２１と、前記ミラー制御部７７と、非線形結晶１１を基本波５０の光軸と直交する方向（非線形結晶１１の幅方向：図２７）に移動させる垂直方向振動装置２４と、この垂直方向振動装置２４を制御する駆動制御部７９とを備えている。

前記走査ミラー２１は、基本波５０の集光位置を非線形結晶１１の幅方向に移動する。垂直方向振動装置２４は、非線形結晶１１をその幅方向に移動する。走査ミラー２１及び垂直方向振動装置２４は、どちらも基本波５０の集光位置と非線形結晶１１とを相対変位させる向きが同じであるが、その振動の位相がずらして設定されている。周期が同じであるならば、４０ａ、４０ｂのように位相のずれは４分の１ずれていることが最適な条件である。このようにすれば、どちらか一つの振動系で変位の静止点を迎えても、もう一つの振動系が変位していることにより、非線形結晶１１と基本波５０とは相対的に常に変位していることになる。

一方、質量の比較的小さい走査ミラー２１を高周波で振動させるとともに、質量の比較的大きな非線形結晶１１を低周波で振動させる場合がある。これら二つの周波数が大きく異なっても適当な位相を選択することにより、レーザ光の静止点をもつことなく、なおかつ基本波５０のパワーの損失が少ない構成を実現可能である。図６は、実施の形態４の一例として示しているが、光軸と平行する方向（第１方向：図２７参照）の振動系を二つ有する構成においても、同様の効果を得ることができる。

（実施の形態５）
図７に実施の形態５を示す。実施の形態５は、リサージュ曲線４１を描くように基本波５０の集光位置を変位させる走査ミラー２５を有する点で前記実施の形態と相違する。

本形態における変位部材は、走査ミラー２５と、この走査ミラー２５を制御するミラー制御部７７とを備えている。

走査ミラー２５は、その反射面２５ｂを互いに交差する第一軸２５ａ及び第二軸２５ｃ回りに揺動させることにより、それぞれの軸２５ａ、２５ｃを基準とした単振動を基本波５０に行わせるようになっている。その結果、走査ミラー２５で反射されたレーザ光の軌跡は、リサージュ曲線４１を描く。それぞれの軸２５ａ、２５ｃは、互いに直交していることが望ましい。特に、軸２５ａ、２５ｃの一方の軸線は、非線形結晶１１の深さ方向（第３方向）と平行に配置されていることが好ましい。

また、走査ミラー２５による振動の幅は、非線形結晶１１を基本波５０の光軸と平行する方向に見る視点において、分極反転構造を形成している面積内にレーザ光が入るように設定されている。具体的に、走査ミラー２５による振動の幅を設定するためには、軸２５ａに対応する振幅、軸２５ｃに対応する振幅をそれぞれ調整することが必要である。それぞれの軸２５ａ、２５ｃを基準とする振動の周波数をそれぞれ調整することにより、どのようなリサージュ曲線の軌跡を描くか制御可能であり、分極反転構造の深さ方向（第３方向）の振幅を適当に小さくできる。

また、前記実施形態においても、非線形結晶１１内の局所的なパワー密度の上昇を避けることができるので、基本波５０のパワーの損失が少なくしながら、高調波を得ることができる。走査ミラー２５の代わりに、異なる方向に振動する系を二つ以上有する素子あるいは振動台を設けた構成においても、同様の効果を得ることができる。

（実施の形態６）
図８に実施の形態６を示す。実施の形態６では、走査ミラー２１と光軸方向振動装置２２とを組み合わせている点で前記実施形態と相違する。

具体的に、本形態における変位部材は、前記走査ミラー２１と、前記ミラー制御部７７と、前記光軸方向振動装置２２と、前記駆動制御部７８とを備えている。

前記走査ミラー２１及び光軸方向振動装置２２によって、基本波５０の集光位置は、光軸に垂直な方向（非線形結晶１１の幅方向：第２方向）と、光軸と平行する方向（非線形結晶１１の奥行方向：第１方向）に振動することになる。ここで、走査ミラー２１による振動系と、光軸方向振動装置２２の振動系との位相は、ずれていることが好ましい。具体的に、一方の振動系による基本波５０の集光位置の移動が停止するときに、他方の振動系によって基本波５０が移動中であるように、二つの振動系の位相をずらすことができる。また、光軸に垂直な方向の振動が静止する付近で、光軸と平行する方向の振動により基本波５０の集光位置が高調波の変換効率の小さい位置にあることが好ましい。前記実施形態においても、非線形結晶１１内の局所的なパワー密度の上昇を避けることができるので、基本波５０のパワーの損失が少なくしながら、高調波を得ることができる。

（実施の形態７）
図９に実施の形態７を示す。実施の形態７では、制御信号を受けて回折角度を変化させることが可能な光学素子２６を用いて基本波５０の集光位置を振動させる点で前記各実施形態と相違する。

実施の形態７に係る変位部材は、基本波５０を回折させるための光学素子２６と、この光学素子２６に対し制御信号を出力する光路制御部９０とを備えている。

光学素子２６は、例えば、音響光学素子又は電気光学素子からなる。音響光学素子は、超音波を受けることにより、この超音波の周波数に応じた干渉パターンが生じて回折角度が変化するものである。同様に、電気光学素子は、電気信号を受けることにより回折角度を変化するものである。

光路制御部９０は、予め設定されたパターンで基本波５０の光路を変更するために、前記光学素子２６に対し、超音波又は電気信号等を与えるようになっている。具体的には、図１０に示すように、鋸の刃の形状のような制御信号を光学素子２６に出力することにより、基本波５０の集光位置を非線形結晶１１内で静止せずに変位させ続けることができる。つまり、図１０のパターンで制御信号を出力すると、基本波５０の集光位置は、特定の開始位置から移動を開始し、特定の終点位置まで移動した瞬間に前記開始位置に戻ることとなる。

なお、前記光路制御部９０は、前記実施の形態１と同様に、基本波５０の集光位置の速度制御を行うことができる。

（実施の形態８）
図１１に実施の形態８を示す。実施の形態８では、基本波５０の集光位置が特定の二点間で切り換わるように、基本波５０の光路を切り換える点で前記実施形態と相違する。変位部材の構成は、前記実施の形態７と同様であるため、説明を省略する。

実施の形態８に係る光路制御部９０は、図１２に示すようなパルス信号を出力するようになっている。これにより、基本波５０の光路は、図１１の上に実線で示す光路と、図１１の下に実線で示す光路との間で切り換わることとなる。

本実施形態においては、切り換わる二つの光路において、所定時間の間、基本波５０の集光位置が静止することとなる。ＵＶＩＧＡによる非線形結晶１１の破壊を抑制するために、基本波５０が非線形結晶１１内で静止する時間（図１２のパルス信号の出力時間）は、基本波５０のパワーが密度が２５００Ｗ/ｍｍ^２のときに５ｍｓ以下とする必要がある。

本実施形態によれば、基本波５０の光路を切り換えることにより、非線形結晶１１内における局所的なエネルギー密度の上昇を避けることができるので、基本波５０のパワーの喪失を少なくしながら第２高調波を得ることができる。特に、本実施形態では、第２高調波を非線形結晶１１の２箇所から出射することができるので、これら第２高調波を別々に利用する用途がある場合には有用となる。

（実施の形態９）
図１３に実施の形態９を示す。実施の形態９では、非線形結晶１１内の基本波５０の速度に応じて基本波５０のパワーを制御する点で前記実施形態と相違する。

実施の形態９に係る変位部材は、前記走査ミラー２１と、前記ミラー制御部７７と、前記レーザ光源１０から照射される基本波５０のパワーを制御するためのパワー制御部３１とを備えている。

パワー制御部３１は、前記走査ミラー２１による単振動に同期して基本波５０のパワーを制御する。具体的に、パワー制御部３１は、前記実施の形態１で説明した（１）式（Ｐ／Ｖ＞α）の関係が成立しないように、基本波５０のパワー制御を行うようになっている。

特に、単振動する走査ミラー２１の静止点、つまり、基本波５０の集光位置の速度が０となる付近では、前記実施の形態１で説明した（１）式（Ｐ／Ｖ＞α）の関係を満たし易くなるため、ＵＶＩＧＡによる温度上昇が起こりやすい。そのため、パワー制御部３１は、基本波５０のパワーと基本波５０の集光位置の速度とによって、前記（１）式の関係が成立しないように基本波５０のパワー制御を行う。基本波５０のパワー密度と速度の積が常に一定になるようにパワー制御を行うことが最も好ましい。

本実施形態によれば、基本波５０のパワー制御を行うことにより、非線形結晶１１内の局所的なパワー密度の上昇を抑制することができるので、基本波５０の喪失を抑制しつつ第２高調波を得ることができる。特に、本実施形態では、光学系を維持しながら基本波のパワー制御を行うことにより、簡易な構成でＵＶＩＧＡの発生を抑制することができる。

（実施の形態１０）
図１４に実施の形態１０を示す。実施の形態９に係る高調波発生装置は、走査ミラー２１が駆動する前の段階において、基本波５０が非線形結晶１１に入射しないようにした構成を追加したものである。

走査ミラー２１が停止している場合、例えば、走査ミラー２１は、ばね２９により本来の駆動範囲を超えた揺動位置まで引っ張られる。この状態で、走査ミラー２１の反射面２１ｂにより反射された基本波５０は、非線形結晶１１の外側に導かれるため、非線形結晶１１が破壊されることはない。このように簡単な機構で走査ミラー２１の停止時における非線形結晶１１の安全構造をハード面から実現することができる。

また、走査ミラー２１と、レーザ光源１０との駆動順序を制御することにより、非線形結晶１１の保護を図ることもできる。つまり、レーザ光源１０から基本波５０を出射する場合は、必ず走査ミラー２１を先行して駆動するように、レーザ光源１０と走査ミラー２１との駆動制御を行うことができる。

なお、各実施の形態に係る高調波発生装置は、上記実施の形態１から９に記載されたものに限られず、実施の形態１から９のうちのいずれかの形態を組み合わせたものであっても、高出力、高効率のレーザ光を得ることが可能である。

（実施の形態１１）
図１５は、上記高調波発生装置を用いた画像表示装置の実施の形態を示す。

実施の形態１１に係る画像表示装置は、赤、青、及び緑色のレーザ光源６１ａ、６１ｂ、６１ｃと、ダイクロイックミラー６２と、ポリゴンミラー６３と、フレネルレンズ６４と、導光板９１と、液晶パネル（空間変調素子）７２と、光源制御部７３と、表示制御部７４とを備えている。

本実施形態では、各レーザ光源６１ａ、６１ｂ、６１ｃのうち緑色レーザ光源６１ｃとして、前記実施の形態１〜１０の何れか１の高調波発生装置が採用されている。ここで、緑色レーザ光源６１ｃとしての高調波発生装置は、基本波５０を出射する前記レーザ光源１０と、その基本波５０から第２高調波を発生させるための非線形結晶１１とを備えている。また、緑色レーザ光源６１ｃとしての高調波発生装置は、高調波５０の光路と非線形結晶１１、１３とを変位させる変位部材として、上述した実施の形態１〜１０のいずれか一つの変位部材を備えている。

ダイクロイックミラー６２は、赤色レーザ光源６１ａ、青色レーザ光源６１ｂ、緑色レーザ光源６１ｃのレーザ光を合成するようになっている。ダイクロイックミラー６２により合成されたレーザ光は、回転するポリゴンミラー６３に入射する。ここで、レーザ光を合成する手段は、ダイクロイックミラー６２の代わりにクロスプリズム６５を用いてよい。クロスプリズム６５を用いた構成を図１６に示す。

ポリゴンミラー６３は、複数の反射面を有して高速回転するミラーであり、反射面に入射されるレーザ光を回転しつつ反射することにより、レーザ光をフレネルレンズ６４上に走査するようになっている。ポリゴンミラー６３で反射されたレーザ光は、フレネルレンズ６４を介して導光板９１に入射する。この導光板は、液晶パネル７２の背面に設けられ、前記液晶パネル７２のバックライトとして利用される。

液晶パネル７２は、前記導光板９１から入射されたレーザ光を画像に変換するように構成されている。

光源制御部７３は、各レーザ光源６１ａ、６１ｂ、６１ｃにより発生するレーザ光のパワーを制御するように構成されている。

表示制御部７４は、前記液晶パネル７２による画像変換を制御するように構成されている。

液晶パネル７２のサイズが大きくなると、要求されるレーザ光のパワーが大きくなる。レーザ光源１０をコンパクトにするためには、マイクロチップアレイ構造の半導体レーザを用いることができる。マイクロチップアレイからなるレーザ光源１０と、基本波５０の集光位置を光軸に垂直な方向に振動させるための変位部材とを備えた上記高調波発生装置を用いた場合、基本波５０の集光位置を変位させることにより、得られる第２高調波の強度分布が比較的均一化する。これは、基本波５０のレーザ光を出力する半導体レーザの個々の出力差や劣化の影響を軽減し、均一な高調波を得ることが可能となることを意味する。不均一なレーザ光源を画像表示装置に用いると、色むらや不均一な輝度分布が起こるので、上記実施の形態１〜１０の高調波発生装置は、画像表示装置のレーザ光源として適している。

また、緑色光源となるレーザ光を緑色レーザ光源６１ｃの位置とするのが好ましい。なぜなら、緑色レーザ光源６１ｃのレーザ光路は、赤色レーザ光源６１ａや青色レーザ光源６１ｂの位置に比べ経由する素子の数が少ない。緑色レーザ光源６１ｃのレーザ光は、前記変位部材によって変位して出射するため、緑色レーザ光源６１ｃのレーザ光が素子を経由する面積は、赤色レーザ光源６１ａや青色レーザ光源６１ｂのレーザ光に比べて大きい。その結果、緑色レーザ光源６１ｃのレーザ光は、他のレーザ光に比べて、例えば、ミラーの表面精度など素子による影響を受けやすくなる。そのため、緑色のレーザ光が経由する素子は、できるだけ少ないほうが有利である。

（実施の形態１２）
図１７に画像表示装置の実施の形態１２を示す。実施の形態１２は、前記ポリゴンミラー６３に代えてラインディフューザ素子６６を備えている点で前記実施形態とは異なる。

ラインディフューザ素子６６は、赤色レーザ光源６１ａ、青色レーザ光源６１ｂ、緑色レーザ光源６１ｃから出射したレーザ光を、ライン状に広げた上で通過させるようになっている。ラインディフューザ素子６６を通過したレーザ光は、導光板９１に入射する。

レーザ光をライン状に広げる方法は、レンズによる屈折の方法と、回折光学素子を用いた回折の方法とがある。具体的な構成としては、レンチキュラー構造を採用するのが好ましい。ラインディフューザ素子６６に対しては、合成した赤色、青色、緑色のレーザ光を通過させることが望ましい。この実施の形態に係る画像表示装置においても、レーザ光源６１ａ、６１ｂ、６１ｃは液晶パネル７２のバックライトとして利用されている。

ここで、緑色レーザ光源６１ｃは、基本波のレーザ光源１０と、その基本波５０から第２高調波を発生するための非線形結晶１１とを含んでいる。また、レーザ光を変位させるための変位部材としては、上述した実施形態１〜１０のうちのいずれか一つ利用することができる。

特に、基本波５０の集光位置を光軸に垂直に振動する上記高調波発生装置を用いることは、均一なレーザ光源を実現するためのみならず、レーザ光をライン状に広げる際にも有効である。基本波５０を光軸に垂直に振動させることにより得られる第２高調波は、横長のビームになる。ビーム径の小さいレーザ光をライン状に広げることよりも、横長のビームをライン状に広げることが容易であるので、光学設計が簡単となる。基本波５０のパワー制御を行う高調波発生装置を利用する場合、液晶パネル７２による画像表示のために基本波５０のパワーが不必要な時には消費電力を抑えることができ、低消費電力の画像表示装置が実現可能である。

また、基本波５０の集光位置を光軸と垂直に変位させる上記高調波発生装置のなかで実施の形態１２に利用するものとしては、リサージュ曲線を描くものがさらに望ましい。その理由は以下の通りである。つまり、分極反転構造をもつ非線形結晶１１は、深さ方向の寸法が幅方向の寸法に対して極端に小さいので、リサージュ曲線は、非線形結晶の幅方向の両端で密集したものとなる。したがって、このリサージュ曲線に沿って基本波５０の集光位置を変位させると、エネルギー密度が非線形結晶の幅方向の両端で比較的大きくなる。これは、横長ビームの強度分布が外側に凸になっていることを意味する。レーザ光をライン状に広げる際、一般的に外側の強度が低くなってしまうので、強度分布が外側に凸となるレーザ光を用いることにより、ライン状に広げたときの強度をより均一なライン状のレーザ光を得ることができる。

（実施の形態１３）
図１８に画像表示装置の実施の形態１３を示す。実施の形態１３に係る画像表示装置は、画像をスクリーン６７に映し出すプロジェクタあるいはプロジェクション型の画像表示装置である点で前記実施形態とは異なる。

本実施形態に係る画像表示装置は、光源としての赤色レーザ光源６１ａ、青色レーザ光源６１ｂ、及び緑色レーザ光源６１ｃと、クロスプリズム６５と、透過型又は反射型の液晶パネル６８と、投射レンズ６９と、スクリーン６７と、液晶パネル６８を制御する表示制御部７５と、各レーザ光源６１ａ、６１ｂ、６１ｃを制御する光源制御部７３とを備えている。

緑色レーザ光源６１ｃとしては、前記実施の形態１〜１０の何れか１つの高調波発生装置を用いることができる。

各レーザ光源６１ａ、６１ｂ、６１ｃから出射されたレーザ光は、例えばクロスプリズム６５で合波された後、液晶パネル６８に入射して画像に変換される。前記液晶パネル６８により形成された画像は、投射レンズ６９により拡大されスクリーン６７上に表示される。前記画像表示装置においては、液晶パネル６８の全面に対してレーザ光を照射する必要があるため、液晶パネル６８に照射するレーザ光のビーム径は、大きいほうが有利である。光軸に垂直な方向に基本波５０の集光位置を振動させる高調波発生装置は、第２高調波を横長ビームとして得ることができるため、本画像表示装置に有効に利用できる。

（実施の形態１４）
図１９に画像表示装置の実施の形態１４を示す。実施の形態１４に係る画像表示装置は、走査型の画像表示装置である点で前記実施形態と相違する。

この画像表示装置は、レーザ光をスクリーン６７上に走査するための二次元走査ミラー７０を備えている。二次元走査ミラー７０は、前記表示制御部７６による制御を受けて、スクリーン６７上にレーザ光を走査し、画像を表示するようになっている。緑色レーザ光源６１ａは、前記実施の形態１〜１０に係る高調波発生装置のいずれか一つを含んでいる。前記二次元走査ミラー７０に対しては、正確にレーザ光の入射位置が位置決めされていることと、レーザ光のビーム径が小さいことが要求されるので、特に光軸と平行する方向に振動する上記高調波発生装置を有効に利用することができる。

（実施の形態１５）
図２０に実施の形態１５として立体表示装置を説明する。実施の形態１５では、各レーザ光源６１ａ、６１ｂ、６１ｃから出射されたレーザ光を、Ｐ偏光とＳ偏光とに分離してスクリーン６７に投射する点で、前記実施形態と相違する。

本実施形態に係る立体表示装置は、赤色レーザ光源６１ａ、青色レーザ光源６１ｂ、及び緑色レーザ光源６１ｃのレーザを光源として利用している。これらの光源６１ａ、６１ｂ、６１ｃから出射したレーザ光は、Ｐ偏光とＳ偏光に分離され、映像観測者の両目の視差の分だけ異なる映像としてそれぞれスクリーン６７に投射される。映像観測者は、両目に異なる偏光フィルターを有するメガネをつけた上で、上記映像を観測することにより、上記画像を立体画像として認識する。

前記立体表示装置ではレーザ光を異なる偏光に分ける必要があるが、この立体表示装置の光源としては、レーザ光路を切り替えるように構成された前記高調波発生装置を有効に採用することができる。つまり、図２０に示すように、高調波発生装置により切り換えられる２のレーザ光路のうちの片方の光路に半波長板７１を挿入することにより、容易に偏光の異なる２本のレーザ光を得ることができる。

（実施の形態１６）
図２１は、前記実施の形態１１〜１５に係る画像表示装置における表示制御部７４〜７６により実行されるフィールドシーケンシャル制御を概略的に示す図である。

フィールドシーケンシャル制御は、赤、緑、青の画像を順次点灯させて、映像観測者の目にはカラー画像として認識させるための制御である。つまり、各色の画像を切り換える周波数は、人の目が有する時間分解能よりも十分に早く設定されているため、画像観測者は、各色の画像を時間平均し、カラー画像として認識することになる。

具体的に、表示制御部７４〜７６によりフィールドシーケンシャル制御が実行される場合には、図２１に示すように、緑色の画像を非表示とする時期が存在する。一方、上述した高調波発生装置において、基本波５０の集光位置を分極反転構造の非形成部分８０（図３参照）に変位させる場合や、基本波５０の振動の速度に合わせて基本波５０のパワー制御を行う場合には、当該高調波発生装置による第２高調波の出力が０となる時期が存在する場合がある。

そこで、本実施形態では、前記実施の形態１１〜１５に係る光源制御部７３によって、光源６１ｃの出力が０になる時期と、前記フィールドシーケンシャル制御により画像を非表示とするタイミングとを同期させる制御が行われるようになっている。これにより、高調波発生装置により第２高調波が発生している時期を有効に利用して高効率の画像表示装置を実現することができる。

（実施の形態１７）
図２２は、前記実施の形態１１〜１５に係る画像表示装置における光源制御部７３により実行される黒挿入制御を概略的に示す図である。

液晶パネルは、一般的に、液晶自体の応答時間の長さに起因して動画の表示性能が劣るという問題がある。そこで、表示対象となる動画を構成する複数の画像のうち互いに連続する画像の間に黒の画像を挿入する黒挿入制御を行って、動画の表示性能を良好にすることが行われている。

具体的に、光源制御部７３により黒挿入制御が実行される場合には、図２２に示すように、バックライトをＯＦＦとする（各光源６１ａ〜６１ｃの出力を０とする）時期が存在する。一方、上述した高調波発生装置において、基本波５０の集光位置を分極反転構造の非形成部分８０（図３参照）に変位させる場合や、基本波５０の振動の速度に合わせて基本波５０のパワー制御を行う場合には、当該高調波発生装置による第２高調波の出力が０となる時期が存在する場合がある。

そこで、本実施形態では、前記実施の形態１１〜１５に係る光源制御部７３によって、光源６１ｃの出力が０になる時期と、前記黒挿入制御によりバックライトをＯＦＦにする時期とを同期させる制御が行われるようになっている。これにより、高調波発生装置により第２高調波が発生している時期を有効に利用して高効率の画像表示装置を実現することができる。

本発明の実施の形態１に係る高調波発生装置であって、レーザ光を遮蔽するための素子を含むものを示す図である。 分極反転領域が形成されている範囲を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る高調波発生装置であって、レーザ光を光軸に垂直に振動させるとともに、分極反転構造が形成されていない範囲で折り返すように構成されたものを示す図である。 本発明の実施の形態３に係る高調波発生装置であって、分極反転構造が形成された範囲よりも大きな振幅となるように、非線形結晶をレーザ光の光軸方向に振動させるように構成されたものを示す図である。 本発明の実施の形態３に係る高調波発生装置であって、分極反転構造が形成された範囲よりも大きな振幅となるように、集光レンズをレーザ光の光軸と平行する方向に振動させるように構成された高調波発生装置を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る高調波発生装置であって、非線形結晶とレーザ光の光路とを変位させるとともに、互いに位相の異なる２つの振動系を有するものを示す図である。 本発明の実施の形態５に係る高調波発生装置であって、非線形結晶に対するレーザ光の入射点がリサージュ曲線を描くように互いに異なる振動軸を有する２つの振動系を有するものを示す図である。 本発明の実施の形態８に係る高調波発生装置であって、レーザ光の光軸方向に振動する振動系と、レーザ光の光軸方向と直交する方向に振動する振動系とを有するものを示す図である。 本発明の実施の形態７に係る高調波発生装置であって、レーザ光の光路を変位させるための音響光学素子又は電気光学素子を有するものを示す図である。 図９の音響光学素子又は電気光学素子に入力される制御信号の波形を示す図である。 本発明の実施の形態８に係る高調波発生装置であって、図９の音響光学素子又は電気光学素子を用いてレーザ光の光路を切り換えるものを示す図である。 図１１の音響光学素子又は電気光学素子に入力される制御信号の波形を示す図である。 本発明の実施の形態９に係る高調波発生装置であって、レーザ光の変位に応じて基本波をパワー制御するように構成されたものを示す図である。 本発明の実施の形態１０に係る高調波発生装置であって、走査ミラーの停止時における姿勢を拘束するためのものを示す図である。 本発明の実施の形態１１に係る画像表示装置を示す図である。 本発明の実施の形態１１に係る画像表示装置の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態１２に係る画像表示装置を示す図である。 本発明の実施の形態１３に係るプロジェクタ又はプロジェクション型画像表示装置を示す図である。 本発明の実施の形態１４に係る走査型画像表示装置を示す図である。 本発明の実施の形態１５に係る画像表示装置における半波長板を挿入したレーザ光路切り替え型の高調波発生装置を示す図である。 本発明の実施の形態１６に係る表示制御部により実行されるフィールドシーケンシャル制御を示す図である。 本発明の実施の形態１７に係る表示制御部により実行される黒挿入制御を示す図である。 基本波から第２高調波を得る従来の高調波発生装置を示す図である。 走査ミラーによってレーザ光を振動させる従来の高調波発生装置を示す図である。 回転するプリズムによってレーザ光を振動させる従来の高調波発生装置を示す図である。 振動台により非線形結晶が光軸に垂直に振動する従来の高調波発生装置を示す図である。 分極反転構造をもつ非線形結晶を概略的に示す図である。 分極反転構造をもつ非線形結晶の深さ方向と、高調波変換効率特性との関係を示す図である。 結晶劣化についての実験結果を示す図である。 非線形結晶を光軸方向に振動させるための振動台を有する従来の高調波発生装置を示す図である。

符号の説明

１０ レーザ光源
２１、２５ 走査ミラー
２２ 光軸方向振動装置
２３ 遮光用素子
２４ 垂直方向振動装置
２６ 光学素子
３１ パワー制御部
７３ 光源制御部
７４ 表示制御部
７７ ミラー制御部
７８ 振動制御部
７９ 駆動制御部
８０ 非形成部分
８１ 形成部分
９０ 光路制御部
９１ 導光板

Claims (9)

1. レーザ光を発生するレーザ光源と、
   前記レーザ光を集光するための集光部材と、
   前記集光部材により集光されたレーザ光と位相整合をするように形成された分極反転構造をもつ非線形結晶と、
   前記集光部材からのレーザ光の集光位置と前記非線形結晶とを相対的に変位させるための変位部材とを備え、
   前記変位部材は、前記集光部材からのレーザ光の光軸と平行する第１方向の寸法及び前記第１方向と直交する第２方向の寸法が前記第１方向及び第２方向と直交する第３方向の寸法よりも広い範囲として前記分極反転構造内に設定された照射範囲内において、前記レーザ光の集光位置が所定期間を超えて同一位置に止まることがなく、かつ、前記照射範囲内において前記第１方向、前記第２方向の少なくとも１方向に前記集光位置が振動するように、前記集光位置と前記非線形結晶とを相対的に変位させ、
   前記変位部材は、前記レーザ光の集光位置、前記非線形結晶の少なくとも一方を前記第１方向及び前記第２方向に振動させ、
   前記分極反転構造は、前記第１方向に分極反転部分が等間隔に並ぶとともに前記第２方向に前記分極反転部分が延び、前記第３方向において前記非線形結晶の表面から遠いほど間隔が大きくなる分極反転部分を有し、
   前記分極反転構造内には、前記第１方向の寸法及び前記第２方向の寸法が前記第３方向の寸法よりも広くなる前記波長変換素子の最大波長変換効率の９０％以上の波長変換効率を有する照射範囲が設定されていることを特徴とする高調波発生装置。
   
2. 前記変位部材は、前記レーザ光の集光位置が前記振動における折り返し箇所に到達したときに、前記レーザ光の光路を遮るための遮光部材を有することを特徴とする請求項１に記載の高調波発生装置。
3. 前記変位部材は、前記レーザ光の集光位置が前記非線形結晶の分極反転構造の外側位置で折り返すように、前記レーザ光の集光位置と前記非線形結晶とを相対的に振動させることを特徴とする請求項１に記載の高調波発生装置。
4. 前記変位部材は、前記レーザ光の集光位置、前記非線形結晶の少なくとも一方を略同一の周期で振動させる振動系を２つ以上有し、前記各振動系の位相が異なることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の高調波発生装置。
5. 前記変位部材は、前記レーザ光の集光位置を２次元的に変位させることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の高調波発生装置。
6. 前記変位部材は、前記レーザ光の集光位置の軌跡がリサージュ曲線を描くように、前記レーザ光の集光位置を変位させることを特徴とする請求項５に記載の高調波発生装置。
7. 前記非線形結晶は、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ _３ からなり、前記変位部材は、前記レーザ光の集光位置と前記非線形結晶とを相対変位させるための変位機構と、前記照射範囲内における前記レーザ光の最大レーザパワー密度を、前記レーザ光の集光位置と前記非線形結晶との相対変位速度で除した値が１５［Ｊ／ｍｍ ^３ ］となる前記相対速度を超える速度となるように前記変位機構を制御する制御部とを備えていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の高調波発生装置。
8. 前記変位部材は、制御信号を受けて回折角度を調整可能な光学素子を有することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の高調波発生装置。
9. 前記変位部材は、前記レーザ光の光路と前記非線形結晶との相対変位が行われていない状態において、前記レーザ光の光路を非線形結晶から外すように構成されていることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の高調波発生装置。
   

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