JP5236742B2 - 波長変換レーザ光源及び画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、基本波レーザ光の波長を変換する波長変換レーザ光源及び該光源を用いた画像表示装置に関するものである。

産業用途や民生用機器への組み込みデバイスとして広く用いられているレーザ光源には、半導体レーザダイオードや固体レーザ光源などがある。また、半導体レーザダイオードや固体レーザ光源の直接発振が困難な波長のレーザ光を得るための光源として波長変換レーザ光源がある。

波長変換レーザ光源では、波長変換素子に入射された基本波レーザ光（以下、基本波と略す）の２倍の周波数の光（第２高調波）を発生するＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）や、２つの周波数の光が入射されることにより２つの周波数の和の周波数の光（和周波）を発生するＳＦＧ（Ｓｕｍ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）などの非線形光学効果により、レーザ光の周波数、つまり波長が変換される。

従来から提案されている、第２高調波を発生させる波長変換レーザ光源の一例を図２３に示す。波長変換レーザ光源は、基本波を生成する基本波レーザ光源１１１、基本波レーザ光源１１１から出射された基本波を集光して波長変換素子１１３に入射するためのレンズ１１２、基本波の第２高調波を発生する波長変換素子１１３、及び、基本波ＦＬ（透過基本波レーザ）と第２高調波ＳＬ（波長変換レーザ）とを分離するダイクロイックミラー１１４により構成され、基本波を集光して一度だけ波長変換素子１１３を通過させて第２高調波を発生させる。

波長変換素子１１３は非線形光学結晶からなり、基本波と第２高調波との位相が一致するように、結晶の方位や分極反転構造の周期を制御する必要がある。特に、周期状分極反転構造を用いた擬似位相整合方式の波長変換素子は、高効率の波長変換を行うことができることと、分極反転周期の設計により任意の波長の基本波を第２高調波へと変換することとができるため、幅広く利用されている。

ここで、基本波から第２高調波への波長変換効率ηは、波長変換素子の相互作用長をＬ、基本波のパワーをＰ、波長変換素子でのビーム断面積をＡ、位相整合条件に対する基本波と第２高調波との位相差をΔｋとすると、下記の式（１）となる。

η∝（Ｌ^２×Ｐ／Ａ）×ｓｉｎｃ^２（Δｋ×Ｌ) … （１）
上記の式（１）から、波長変換素子の相互作用長Ｌを長くすることにより、高効率な波長変換を行うことができることがわかる。

しかしながら、相互作用長Ｌが長くなると、基本波と第２高調波との位相差Δｋを小さくする条件（例えば、基本波の入射角度や波長変換素子の温度条件）が厳しくなるため、波長変換効率の低下が顕著となり、実用上、相互作用長Ｌは制限される。例えば、波長変換素子の温度条件により、相互作用長Ｌが制限され、高効率化が困難となっていた。なお、基本波と第２高調波との位相差Δｋが０となる時の波長変換素子の温度を位相整合温度、波長変換効率が半分となる波長変換素子の温度幅を温度許容幅と呼んでいる。

これまで波長変換レーザ光源の波長変換効率を向上するため、多くの提案がある。例えば、特許文献１では、複数個の波長変換素子と集光手段とを用いることで、波長変換効率を高めることが提案されている。また、特許文献２では、基本波の反射手段により波長変換素子に基本波の反射体を設け、波長変換素子に再入射させることが提案されている。また、特許文献３では、対向する凹面ミラー間に波長変換素子を配置し、往復する基本波の波長変換を行うことが提案されている。

特開平１１−４４８９７号公報 特開２００６−２０８６２９号公報 特開２００５−２６８７８０号公報

しかしながら、従来提案されている上記の各構成では、波長変換レーザ光源の波長変換効率を向上させることはできるが、波長変換素子の温度変化により波長変換効率が大きく変動するという課題があった。

本発明の目的は、高い波長変換効率を維持した状態で、波長変換素子の温度許容幅を拡大することができるとともに、不要な基本波による波長変換素子の波長変換効率の変動を抑制することができる、高出力且つ高安定な波長変換レーザ光源を提供することである。

本発明の一局面に従う波長変換レーザ光源は、基本波を生成するための基本波レーザ光源と、互いに向かい合うように配置された第１のミラー及び第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配置され、前記基本波の波長を変換するための波長変換素子と、前記波長変換素子の温度を制御するための温度制御部とを備え、前記波長変換素子において前記基本波の一部が波長変換され、且つ、波長変換されていない基本波が前記第１のミラー及び前記第２のミラーにより反射されて前記波長変換素子に繰り返し入射されて波長変換され、前記温度制御部は、前記波長変換素子に接するように配置され、前記温度制御部へ入射される前記基本波の光量が低減される。

上記の波長変換レーザ光源においては、高い波長変換効率を維持した状態で、波長変換素子の温度許容幅を拡大することができるとともに、不要な基本波による波長変換素子の波長変換効率の変動を抑制することができるので、高出力且つ高安定な波長変換レーザ光源を実現することができる。

本発明の実施の形態１における波長変換レーザ光源の上面図である。 図１に示す波長変換レーザ光源の側面図である。 図１に示す第２の凹面ミラーを中心軸方向から見た正面図である。 第１の凹面ミラーの焦点距離ｆ１を２５ｍｍ、第２の凹面ミラーの焦点距離ｆ２を２０ｍｍに設定したときに、各パスにおいて基本波が波長変換素子へ入射する位置を示す説明図である。 図４に示す各パスにおいて基本波が波長変換素子へ入射する位置における基本波のビームの直径を示す図である。 第１の凹面ミラー４の焦点距離ｆ１を２５ｍｍ、第２の凹面ミラー５の焦点距離ｆ２を２０ｍｍに設定したときに、波長変換素子３の中心位置における各パスの基本波の位置を示す説明図である。 図６に示す各パスにおいて波長変換素子の中心位置における基本波のビームの直径を示す図である。 基本波吸収部が省略された構成を用いて、波長変換レーザ光源を電流一定制御下で動作させて第２高調波出力がおよそ６Ｗとなるように調整したときの、第２高調波出力の時間変化を示す図である。 実施の形態１の構成を用いて、波長変換レーザ光源を電流一定制御下で動作させて第２高調波出力がおよそ６Ｗとなるように調整したときの、第２高調波出力の時間変化を示す図である。 図１に示す波長変換レーザ光源に放熱機構を追加した例を示す図である。 図１に示す波長変換レーザ光源において基本波吸収部に代えてアパーチャーを用いた波長変換レーザ光源の上面図である。 図１１に示す波長変換レーザ光源の側面図である。 図１に示す波長変換レーザ光源において基本波吸収部に代えて基本波反射ミラーを用いた波長変換レーザ光源の上面図である。 図１３に示す波長変換レーザ光源の側面図である。 本発明の実施の形態２における波長変換レーザ光源の上面図である。 図１５に示す波長変換レーザ光源の側面図である。 本発明の実施の形態３における波長変換レーザ光源の上面図である。 図１７に示す波長変換レーザ光源の側面図である。 本発明の実施の形態４における波長変換レーザ光源の上面図である。 図１９に示す波長変換レーザ光源の側面図である。 本発明の実施の形態４における波長変換素子への入射時の素子厚方向における基本波のビームの直径の変化を示す図である。 本発明の実施の形態５における液晶表示装置の構成の一例について示す概略構成図である。 従来の波長変換レーザ光源の模式図である。

以下、本発明の実施の形態における波長変換レーザ光源について図面を用いながら説明する。なお、各図面において、同一の符号は同一の構成要素又は同様の作用及び動作をなすものを表す。

（実施の形態１）
図１及び図２は、本発明の実施の形態１における波長変換レーザ光源の構成の一例を示す図であり、図１は、本実施の形態における波長変換レーザ光源の構成を上面から見た図であり、図２は、図１に示す波長変換レーザ光源の構成を側面から見た図である。以下において、図１中の矢印１０及び図２中の矢印１１で示す方向をそれぞれ素子幅方向（波長変換素子３の幅方向）、素子厚方向（波長変換素子３の厚さ方向）とする。

図１及び図２において、１は基本波を生成するための基本波レーザ光源、２は基本波を集光するための集光光学系、３は基本波を第２高調波へと変換させるための波長変換素子、４は曲率Ｒ１を有する第１の凹面ミラー、５は曲率Ｒ１と異なる曲率Ｒ２を有する第２の凹面ミラー、６は波長変換素子３の温度を制御するための温度制御素子、７は波長変換素子３を固定するための素子固定台、１８は基本波レーザ遮光部となる基本波吸収部（基本波遮光部の一例）を示す。

温度制御素子６及び素子固定台７から温度制御部８が構成され、温度制御部８は、一方の主面が波長変換素子３の一方の主面に接するように配置されている。基本波吸収部１８は、第１の凹面ミラー４と温度制御部８との間に配置され、波長変換素子３に入射することができない基本波が温度制御部８に吸収されることを防ぎ、温度制御部８に吸収される基本波の光量を低減する。なお、基本波吸収部１８の上面は、図２に示すように、波長変換素子３から第１の凹面ミラー４へ入射する基本波及び第２高調波を遮光することなく、第１の凹面ミラー４により反射された基本波を遮光する位置、例えば、波長変換素子３と素子固定台７との接触面の高さに設置されることが好ましい。

また、図１及び図２中に示す９は、第１の凹面ミラー４、第２の凹面ミラー５及び波長変換素子３の中心を通る軸である中心軸を示し、１２で示す破線は、基本波レーザ光の光路と、本実施の形態において波長変換レーザ装置を構成する光学系内での集光状態とを模式的に示している。

ここで、基本波レーザ光源１として、ファイバレーザ光源を用い、また、集光光学系２は、コリメータレンズと平凸レンズとで構成している。また、第１の凹面ミラー４には、焦点距離ｆ１＝２５ｍｍの凹面ミラー、第２の凹面ミラー５には、焦点距離ｆ２＝２０ｍｍの凹面ミラーを用いている。また、波長変換素子３には、周期状分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３結晶（ＰＰＬＮ）を用いている。波長変換素子３の長さ（中心軸９方向の長さ）は２６ｍｍ、幅（矢印１０方向の長さ）は１０ｍｍ、厚さ（矢印１１方向の長さ）は０．５ｍｍである。

また、第１の凹面ミラー４は、基本波の反射率が高く且つ第２高調波の透過率が高くなるようなコーティングを備え、第２の凹面ミラー５は、基本波と第２高調波の反射率が共に高くなるようなコーティングを備えている。また、第１の凹面ミラー４と第２の凹面ミラー５とは、凹面部が向かい合うように配置されており、波長変換素子３は、２つの凹面ミラー４、５の間に配置されている。

図３は、第２の凹面ミラー５を中心軸９方向から見た正面図である。第１の凹面ミラー４は円形であるが、図３に示すように、第２の凹面ミラー５は、円形凹面ミラーからその下部（図中の破線で示す領域）が切断され、基本波レーザ光源１から生成された基本波を波長変換素子３に入射するための切り欠き領域ＣＡを有している。なお、切り欠き領域ＣＡの形状は、上記の例に特に限定されず、基本波レーザ光源１から生成された基本波を波長変換素子３に入射することができれば、他の形状を用いてもよい。

温度制御素子６と、熱伝導率の高い銅からなる素子固定台７とにより温度制御部８を構成しており、素子固定台７と波長変換素子３とは、放熱性及び熱伝導性の高い接着剤により固定され接触している。本実施の形態では、温度制御素子６として、ペルチェ素子を用いており、図示省略の制御回路等を用いてペルチェ素子すなわち波長変換素子３の温度が所定の温度になるように温度制御素子６を制御している。

基本波レーザ遮光部となる基本波吸収部１８としては、例えば、基本波を吸収する色ガラスフィルターを用い、温度制御部８と第１の凹面ミラー４との間に配置されている。色ガラスフィルターとしては、例えば、基本波の波長が１０６４ｎｍの場合、１０６４±１ｎｍの周波数帯域の光を９９％以上吸収する長方形の吸収フィルターを用いることができる。なお、基本波吸収部１８の形状は、上記の例に特に限定されず、不要な基本波を吸収することができれば、他の形状を用いてもよい。

以下に、上記のように構成された波長変換レーザ光源の動作及び機能を説明する。まず、基本波レーザ光源１から発振された基本波（以下、基本波レーザ光ともいう）は、集光光学系２により集光される。このとき、本実施の形態では、第２の凹面ミラー５の一部を切断しており、切り欠き領域ＣＡすなわち第２の凹面ミラー５が無い領域から、中心軸９と平行になるように、基本波が波長変換素子３に入射される。

２枚の凹面ミラー４、５は、共焦点配置とならない間隔で配置されており、且つ、異なる焦点距離を持つ凹面ミラー４、５を用いることで、基本波が凹面ミラー４、５間を反射する間に、複数の集光点を波長変換素子３内に設けることができる仕組みとなっている。共焦点配置とならない間隔で凹面ミラー４、５を配置することにより、集光点が波長変換素子３内で一点に集中することを防ぎ、波長変換素子３の破壊や局所的な発熱を防ぐことができる。また、この光学配置により、基本波は、凹面ミラー４、５間を往復し、十回以上波長変換素子３の通過を繰り返す。

ここで、２枚の凹面ミラー４、５の曲率Ｒ１、Ｒ２が、Ｒ１＞Ｒ２となるようにしている。つまり、２枚の凹面ミラー４、５の焦点距離ｆ１、ｆ２が、ｆ１＞ｆ２となるようにしている。そのことにより、例えば、図１において、第２の凹面ミラー５から第１の凹面ミラー４に向かって進む基本波は集光され、第１の凹面ミラー４から第２の凹面ミラー５へ戻る基本波は、略平行光になる。

本実施の形態は、片方の凹面ミラーから他方の凹面ミラーまで向かう基本波の光路を一つの光学パスとし、基本波がｎ回目に波長変換素子３を通過するパスをｎ番目のパスとする。したがって、基本波は集光光学系２で集光され、波長変換素子３に入射された基本波の一部は第２高調波に変換され、波長変換されていない残りの基本波と、波長変換された第２高調波とは共に第１の凹面ミラー４に到達する（１番目のパス）。

次に、波長変換されていない基本波は、第１の凹面ミラー４で反射され、第２高調波は、第１の凹面ミラー４を透過して外部に出力される。第１の凹面ミラー４で反射した基本波は、再び波長変換素子３に入射し、第２高調波に一部変換され、第２の凹面ミラー５に達する（２番目のパス）。

次に、第２の凹面ミラー５で反射された基本波と第２高調波とは、波長変換素子３に再入射され、基本波の一部は第２高調波に変換され、第１の凹面ミラー４に達する（３番目のパス）。

以上の様に、基本波が２つの凹面ミラー４、５間を往復する間に、波長変換素子３を繰り返し通過し、第２高調波を発生させる仕組みとなっている。第１の凹面ミラー４には、第２高調波に対する透過率を高くするコーティングが施されているため、発生した第２高調波は、第１の凹面ミラー４側から外部へ出力される。このとき、温度制御部８により第２高調波出力が最大となるように、波長変換素子３の温度が制御されている。

以上の構成により、波長変換素子３を一度だけ通過する従来の波長変換レーザ光源と比べて、波長変換効率を向上することができる。

また、第２の凹面ミラー５方向から第１の凹面ミラー４方向に向かうパス時（奇数番目のパス時）に、波長変換素子３内で基本波を集光するように制御するのが望ましい。このとき、第１の凹面ミラー４から第２の凹面ミラー５に向かうパス時（偶数番目のパス時）の基本波は、略平行光となり、基本波から第２高調波への波長変換は、奇数番目のパスと比較して無視できるほど小さくなる。以上の構成により、波長変換素子３を一度だけ通過する従来の波長変換レーザ光源に比べ、基本波から第２高調波への波長変換効率を２倍にすることができる。

また、本実施の形態の波長変換レーザ光源では、通過パス毎に基本波が波長変換素子３へ入射する角度が変化しており、各パスで基本波の入射角に応じて、位相整合条件を満たす、基本波の波長、非線形光学材料（波長変換素子３）の屈折率（温度）などの位相整合条件が異なる。つまり、ある波長の基本波を波長変換する時、パス毎に位相整合条件を満たす波長変換素子３の温度が異なるため、波長変換素子３の温度があるひとつのパスの位相整合条件を満たす温度から外れた場合でも、他のパスの位相整合条件と合致し、波長変換効率の低下を抑制する効果がある。

例えば、図２３に示す従来の構成の場合、温度許容幅（半値全幅）は１.１度であったが、本実施の形態の温度許容幅（半値全幅）は２.６度となり、従来構成の２倍以上の温度許容幅を持たせることができた。

また、波長変換素子３に入射される基本波のビームの直径は、２つの凹面ミラー４、５の間を往復する間に広がる。図４は、第１の凹面ミラー４の焦点距離ｆ１を２５ｍｍ、第２の凹面ミラー５の焦点距離ｆ２を２０ｍｍに設定したときに、各パスにおいて基本波が波長変換素子３へ入射する位置を示す説明図であり、図５は、各パスにおいて、基本波が波長変換素子３へ入射する位置（例えば、図４に示す位置）における基本波のビームの直径を示す図である。

また、図６は、第１の凹面ミラー４の焦点距離ｆ１を２５ｍｍ、第２の凹面ミラー５の焦点距離ｆ２を２０ｍｍに設定したときに、波長変換素子３の中心位置における各パスの基本波の位置を示す説明図であり、図７は、各パスにおいて、波長変換素子３の中心位置（例えば、図６に示す位置）における基本波のビームの直径を示す図である。なお、図５及び図７の横軸にはパス数を示しており、縦軸には基本波のビームの直径（ｍｍ）を示している。

図５より、基本波のビームの直径は、凹面ミラー４、５間を往復する間に波長変換素子３の厚さ０．５ｍｍを上回り（図５中の点線よりも上に示される）、基本波の一部は、波長変換素子３に入射されないことが分かる。また、図７に示すように、１番目のパスで基本波のビームの直径が最適集光ビーム直径となるように集光光学系２を選択している。前述した通り、奇数番目グループＯＧのパス時には、波長変換素子３内で集光点を持ち、一方、偶数番目グループＥＧのパス時には、集光点を持たないことが分かる。

上記のように基本波のビームの直径が変化するため、本実施の形態では、少なくとも第１の凹面ミラー４と温度制御部８との間に基本波吸収部１８を配置するのが望ましい。その理由について以下に説明する。

基本波が第１の凹面ミラー４で反射され、波長変換素子３に入射する偶数番目のパスでは、基本波のビーム直径が波長変換素子３の厚さを上回り（例えば、図５中の８番目のパス）、基本波が素子固定台７に照射されて吸収される光量が多くなるのに対し、基本波が第２の凹面ミラー５で反射され、波長変換素子３に入射される奇数番目のパスでは、偶数番目のパスと比較して、波長変換素子３に入射する位置でのビーム直径が小さく、素子固定台７に照射されて吸収される基本波の光量が少ないためである。

ここで、素子固定台７の温度変化は、照射されて吸収される基本波の光量に依存するので、基本波吸収部１８を、第１の凹面ミラー４と温度制御部８との間に設けることにより、効果的に素子固定台７の温度変化を抑えることができ、この結果、第２高調波出力が安定な光源となる。

このように、本実施の形態では、基本波吸収部１８を温度制御素子６と第１の凹面ミラー４との間に配置することにより、基本波吸収部１８が波長変換されない不要な基本波を吸収し、温度制御部８により基本波が吸収されることを防ぐ作用がある。この作用により、波長変換されない基本波による波長変換素子３の温度上昇を妨げ、第２高調波出力の低下を低減することができる。もちろん、さらに第２の凹面ミラー５と温度制御部８との間にも、基本波吸収部を設けてもよく、その場合には、さらに出力が安定な光源を提供することができる。

上記構成により得られる効果を図８及び図９を用いて具体的に説明する。図８は、基本波吸収部１８が省略された構成（例えば、図４に示す構成）を用いて、波長変換レーザ光源を電流一定制御下で動作させて第２高調波出力がおよそ６Ｗとなるように調整したときの、第２高調波出力の時間変化を示す図であり、図９は、本実施の形態の構成を用いて、波長変換レーザ光源を電流一定制御下で動作させて第２高調波出力がおよそ６Ｗとなるように調整したときの、第２高調波出力の時間変化を示す図である。図８及び図９の横軸に時間（ｓ）、縦軸には第２高調波出力の規格化値を示している。

上記の各例では、温度制御部８により波長変換素子３の温度を制御しているが、図８に示すように、基本波吸収部１８がない構成を用いて第２高調波出力６Ｗで３分以上の連続動作を行うと、温度制御部８により波長変換素子３の温度を十分に制御することができず、温度制御部８が不要な基本波を吸収して波長変換素子３の温度が上昇し、第２高調波出力が最大で４０％変動する。一方、図９に示すように、本実施の形態の構成を用いることで、基本波吸収部１８が不要な基本波を吸収し、不要な基本波による波長変換素子３の温度上昇を妨げることができるので、第２高調波出力の変動を３％以下に抑制することができ、高出力且つ高安定な波長変換レーザ光源を得ることができた。

また、基本波吸収部１８は、吸収した基本波による熱を温度制御部８に伝達することなく、外部へ放熱する放熱機構を備えるようにしてもよい。図１０は、図１に示す波長変換レーザ光源に放熱機構を追加した例を示す図である。図１０に示すように、基本波吸収部１８は、放熱性及び熱伝導性の高い接着剤により放熱機構１９に固定され、放熱機構１９は、基本波吸収部１８に接合される固定部１９ａと、固定部１９ａから伝達された熱を外部へ放熱する複数のフィン１９ｂとを備え、固定部１９ａと複数のフィン１９ｂとが一体に形成されている。

放熱機構１９としては、熱伝導率の高い金属を用いることができ、例えば、銅、銀、アルミニウムなどを用いることができる。また、グリスを用いて基本波吸収部１８を放熱機構１９に接触させてもよい。グリスを用いることで、放熱性及び熱伝導性をさらに向上することができる。なお、放熱機構１９としては、上記の例に特に限定されず、基本波吸収部１８が吸収した熱を温度制御部８に伝達することなく、外部へ放熱することができれば、種々の形状及び構造の放熱機構を用いることができ、例えば、熱伝導率の高い平板金属を用いてもよい。

上記の構成により、基本波吸収部１８が基本波を吸収することによる熱は、放熱機構１９の固定部１９ａに伝達され、さらに、複数のフィン１９ｂへ伝達される。この結果、基本波を吸収することによる熱は、温度制御部８に伝達されることなく、外部へ効率よく放熱される。

また、本実施の形態では、基本波吸収部１８（又は放熱機構１９）と温度制御部８との間を所定距離だけ離間したり、断熱材を挟んだりすることにより、基本波吸収部１８と温度制御部８とを熱的に分離し、基本波吸収部１８と温度制御部８との熱抵抗が大きくなるようにしている。この結果、基本波吸収部１８が基本波を吸収することによる温度上昇を低減し、さらに基本波吸収部１８から発する熱により波長変換素子３の温度が変化することを防ぎ、さらに出力が安定な光源を提供することができる。

また、本実施の形態１の基本波レーザ光源１には、ファイバレーザ光源を用いている。ファイバレーザ光源を用いることで、高いビーム品質（横モード）の基本波を得ることができる。高いビーム品質の基本波は、波長変換素子３を１回通過するときの波長変換効率を高めることができる。このように、各パスの波長変換効率を高めることで、複数回波長変換素子３を通過したときの合計の波長変換効率としても向上させることができる。

なお、基本波レーザ光源１として、ファイバレーザ光源の他、半導体レーザ光源、固体レーザ光源など各種レーザ光源を用いてもよい。半導体レーザ光源や固体レーザ光源を用いることで、基本波レーザ光源を小型化することができ、波長変換レーザ全体として小型化できる。

また、集光光学系２としては、コリメータレンズと平凸レンズとを用いているが、コリメータレンズ、平凸レンズ、凸レンズ、平凹レンズ、凹レンズ、非球面レンズなど各種レンズの少なくとも１つを用いて波長変換素子３内に集光させてもよい。各種レンズを組み合わせることで、焦点距離を短くすることが可能となり、波長変換レーザ光源を小型化することができる。

また、本実施の形態では、１番目のパスからの第２高調波出力が大きくなるように、集光光学系２により基本波のビームの直径を最適集光ビーム直径に調整しているが、３番目のパス以降の基本波のビームの直径が最適集光ビーム直径となるようにしてもよい。この場合、基本波のビームの直径の広がりを抑えることができ、基本波吸収部１８に吸収される熱量を低減し、基本波吸収部１８に備えられた放熱機構をよりシンプルな機構にすることができる。

また、本実施の形態では、基本波を第２の凹面ミラー５の無い領域（本実施の形態では第２の凹面ミラー５の一部を切断している）から、中心軸９と平行になるように、基本波を波長変換素子３に入射していたが、第２の凹面ミラー５の一部を切断することなく、第２の凹面ミラー５の一部の領域に基本波を反射しないコーティングを備えてもよい。第２の凹面ミラー５の一部の領域に基本波を反射しないコーティングを備えることで、第２の凹面ミラー５を切断加工する工程を省くことができ、工程を簡略化することができる。

また、本実施の形態では、波長変換素子３に厚さ０．５ｍｍのＰＰＬＮを用いているが、０．９ｍｍより厚いＰＰＬＮを用いてもよい。この場合、基本波吸収部１８に吸収される熱量を５０％以下にすることができ、基本波吸収部１８に備えられた放熱機構をよりシンプルな機構にすることができる。また、波長変換素子３の厚さを厚くすることで、波長変換素子３に入射することができる基本波の成分が増加し、波長変換効率が向上するため、低電力での駆動が可能となる。

また、本実施の形態では、波長変換素子３に長さ２６ｍｍのＰＰＬＮを用いているが、２６ｍｍよりも短いＰＰＬＮを用いてもよい。波長変換素子３の長さを短くすることで、温度許容幅をより広げることができる。

また、波長変換素子３には、ＰＰＬＮを用いているが、各種非線形光学材料を用いてもよい。例えば、リチウムトリボレート結晶（ＬｉＢ_３Ｏ_５：ＬＢＯ）、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４：ＫＴＰ)結晶、周期状分極反転構造を有するＬｉＴａＯ_３結晶(ＰＰＬＴ)が用いられる。ＰＰＬＮやＰＰＬＴは、周期状分極反転構造の周期を変えることにより任意の基本波波長で位相整合条件を満たすことができる。そのため、任意の第２高調波波長の波長変換レーザ光源を実現できる。

また、ＰＰＬＮは、二次の非線形定数が高いため、基本波入力が２０Ｗ以下の時にも高い波長変換効率を得ることができ、低電力での駆動が可能となる。ＰＰＬＴは、基本波の光吸収率及び第２高調波の光吸収率が低く、２０Ｗ以上の基本波入力時において、さらに安定した出力を得ることができる。ＬＢＯは、高出力耐性に優れているため、基本波入力１００Ｗ以上の高いピークのパルスを入力する波長変換レーザ光源において、高い波長変換効率を得ることができ、高いピーク出力の波長変換レーザ光源を提供することができる。

また、本実施の形態では、温度制御素子６としてペルチェ素子を用いているが、ペルチェ素子に代わってヒーターを用いてもよい。ヒーターを用いた場合、急速に加熱することで波長変換素子３を低温側から位相整合温度まで上昇させる時間を短縮できるため、波長変換レーザ光源の起動時間を短縮できる。

また、素子固定台７には熱伝導率の高い銅を用いているが、銀やアルミニウムなどを用いても良い。銅と比較してさらに熱伝導率の高い銀を素子固定台７に用いることで、波長変換素子３の温度制御性を向上することができ、さらに安定に第２高調波出力を得ることができる。

また、波長変換素子３の上部にも熱伝導率の高い銅を配置してもよい。上部にも熱伝導率の高い金属を配置することで、さらに波長変換素子３の温度を均一化し、高い波長変換効率を得ることができ、低電力での駆動が可能となる。この場合、上部に配置された熱伝導率の高い銅を素子固定台とし、この素子固定台に温度制御素子を接着することにより、波長変換素子３の上部にも温度制御部を設け、波長変換素子の温度を制御するようにしてもよい。さらに、この温度制御部と第１の凹面ミラー４との間に基本波吸収部を配置するようにしてもよい。

また、素子固定台７と波長変換素子３とは、放熱性及び熱伝導性の高い接着剤により固定され接触しているとしたが、グリスを用いて接触させてもよい。グリスを用いることで、放熱性及び熱伝導性をさらに向上することができ、さらに安定に第２高調波出力を得ることができる。

また、基本波吸収部１８は、断熱材を挟み、温度制御部８と一体化してもよい。この場合、基本波吸収部１８の位置調整を簡略化することができ、基本波吸収部１８の位置を調整するためのコストを削減することができる。

また、温度制御部８と第１の凹面ミラー４との間に基本波吸収部１８として、基本波を吸収する色ガラスフィルターを配置しているが、基本波を遮る又は吸収するアパーチャーを配置してもよい。図１１は、図１に示す波長変換レーザ光源において基本波吸収部に代えてアパーチャーを用いた波長変換レーザ光源の構成を上面から見た図、図１２は、図１１に示す波長変換レーザ光源の構成を側面から見た図である。

図１１及び図１２に示すように、アパーチャー４８は、長方形の基板の内側中央部に長方形の開口部を設けたアパーチャーであり、開口部の形状は、波長変換素子３の第１の凹面ミラー４側の端面の形状に対応しており、開口部の大きさは、例えば、波長変換素子３の第１の凹面ミラー４側の端面の大きさ以下に設定されている。アパーチャー４８は、第１の凹面ミラー４と温度制御部８との間に配置され、その開口部から基本波を通過させて波長変換素子３に入射し、また、波長変換素子３に入射することができない基本波を遮光するので、波長変換素子３に入射することができない基本波が温度制御部８に吸収されることを防ぎ、温度制御部８に吸収される基本波の光量を低減する。また、２つの凹面ミラー４、５の位置ずれで基本波の反射角度が設計角度から逸脱した際も、波長変換素子３に入射されない基本波をアパーチャー４８で遮ることができる。そのため、温度制御部８に基本波が吸収されることを防ぎ、第２高調波の出力強度を安定させることができる。

なお、アパーチャーの形状は、上記の例に特に限定されず、波長変換素子３に入射することができない基本波が温度制御部８に吸収されることを防止することができれば、円形の基板に長方形の開口部を設けたアパーチャーを用いたり、上下に２枚のアパーチャーを配置し、その間に開口を設けるようにしたりしてもよい。

また、基本波吸収部１８の代わりに、基本波を反射するミラー（以下、基本波反射ミラーという）を配置してもよい。基本波反射ミラーを備えることにより、波長変換素子３に入射できなかった基本波が温度制御部８へ入射することを防ぐことができる。基本波反射ミラーでは、基本波の吸収は起こらないため、発熱も生じない。よって、放熱機構を省略することができ、放熱機構のコストを削減することができる。

また、基本波反射ミラーを基本波の光軸に対して波長変換素子３の厚さ方向に傾けて配置することにより、基本波反射ミラーで一度反射した基本波を第１の凹面ミラー４と第２の凹面ミラー５とで反射させることなく、２枚の凹面ミラー４、５の間から外部へと出射させることができる。基本波を凹面ミラー対の外部へと反射することで、波長変換素子３に入射されない基本波が温度制御部８に吸収されることを妨げ、第２高調波の出力変動を低減する効果を得ることができる。

図１３は、図１に示す波長変換レーザ光源において基本波吸収部に代えて基本波反射ミラーを用いた波長変換レーザ光源の構成を上面から見た図、図１４は、図１３に示す波長変換レーザ光源の構成を側面から見た図である。

図１３及び図１４に示すように、基本波反射ミラー５８は、第１の凹面ミラー４と温度制御部８との間に、基本波の光路に対して垂直でも平行でもなく、基本波の光軸に対して波長変換素子３の厚さ方向に傾けて配置され、波長変換素子３に入射することができない基本波が温度制御部８に吸収されることを防ぎ、温度制御部８に吸収される基本波の光量を低減する。

ここで、波長変換素子３の厚さをＴ、第１の凹面ミラー４の直径（素子厚方向の長さ）をｒ_１、第１の凹面ミラー４側の波長変換素子３の端面と第１の凹面ミラー４との距離をｄ_１とすると、基本波反射ミラー５８に入射する基本波の光軸と基本波反射ミラー５８の反射面との成す角θ_１は、（ｒ_１−Ｔ）／２＞ｄ_１×ｔａｎ（π−２θ_１）を満たすことが望ましい。

上記条件を満たすことで、基本波反射ミラー５８により反射された基本波は、再び第１の凹面ミラー４に反射することなく、外部へと出射される。出射された基本波を、例えば色ガラスフィルターやビームディフューザーなどで吸収及び／又は拡散することで、波長変換素子３の温度への影響を無くすことができる。

また、本実施の形態では、奇数番目のパスの時に波長変換素子３内で基本波を集光しているが、偶数番目のパスの時に波長変換素子３内で基本波を集光してもよい。偶数番目のパスは、奇数番目のパスと比較して、基本波の波長変換素子３へ入射する角度が各パスで大きく異なるため、パス毎に位相整合条件を満たす波長変換素子３の温度が異なり、温度許容幅をより広げることができるので、さらに安定な出力が得られる波長変換レーザを提供することができる。

このとき、基本波が第２の凹面ミラー５で反射されて波長変換素子３に入射する奇数番目のパスでは、基本波のビームの直径が波長変換素子３の厚さを上回り、基本波が素子固定台７に照射されて吸収される量が多くなる。そのため、基本波レーザ遮光部として、例えば、基本波吸収部１８又はアパーチャー４８を第２の凹面ミラー５と温度制御部８との間に配置することにより、効果的に素子固定台７の温度変化を抑えることができるので、第２高調波出力が安定な光源となる。また、この場合にも、第１の凹面ミラー４と温度制御部８の間にも、基本波吸収部を配置してもよい。

また、基本波レーザ遮光部として、例えば、基本波反射ミラー５８を第２の凹面ミラー５と温度制御部８との間に配置するようにしてもよい。ここで、波長変換素子３の厚さをＴ、第２の凹面ミラー５の直径（素子厚方向の長さ）をｒ_２、第２の凹面ミラー５側の波長変換素子３の端面と第２の凹面ミラー５との距離をｄ_２とすると、基本波反射ミラー５８に入射する基本波の光軸と基本波反射ミラー５８の反射面との成す角θ_２は、（ｒ_２−Ｔ）／２＞ｄ_２×ｔａｎ（π−２θ_２）を満たすことが望ましい。

上記条件を満たすことで、基本波反射ミラー５８により反射された基本波は、再び第２の凹面ミラー５に反射することなく、外部へと出射される。出射された基本波を、例えば色ガラスフィルターやビームディフューザーなどで吸収及び／又は拡散することで、波長変換素子３の温度への影響を無くすことができる。

（実施の形態２）
図１５及び図１６は、本発明の実施の形態２における波長変換レーザ光源の構成の一例を示す図であり、図１５は、本実施の形態における波長変換レーザ光源の構成を上面から見た図であり、図１６は、図１５に示す波長変換レーザ光源の構成を側面から見た図である。以下において、図１５中の矢印１０及び図１６中の矢印１１で示す方向をそれぞれ素子幅方向、素子厚方向とする。

図１５及び図１６において、１は基本波を生成するための基本波レーザ光源、２は基本波を集光するための集光光学系、３は基本波を第２高調波へと変換させるための波長変換素子、４は曲率Ｒ１を有する第１の凹面ミラー、５は曲率Ｒ１と異なる曲率Ｒ２を有する第２の凹面ミラー、６は波長変換素子３の温度を制御するための温度制御素子、６７は波長変換素子３を固定するための素子固定台を示し、温度制御素子６及び素子固定台６７から温度制御部６８が構成されている。

また、図１５及び図１６中に示す９は、第１の凹面ミラー４、第２の凹面ミラー５及び波長変換素子３の中心を通る軸である中心軸を示し、１２で示す破線は、基本波レーザ光の光路と、本実施の形態において波長変換レーザを構成する光学系内での集光状態とを模式的に示している。

本実施の形態に示す波長変換レーザ光源が実施の形態１に示す波長変換レーザ光源と異なる点は、基本波吸収部１８を省略し、その代わりに素子固定台６７の端面を反射端面ＲＰとし、素子固定台６７の形状により基本波レーザ光を所望の方向（例えば、波長変換レーザ光源の外部）に反射させる点である。この結果、素子固定台６７に照射されて吸収される基本波レーザ光の光量を低減し、波長変換素子３の温度上昇を防止することができるので、波長変換レーザ出力を安定化することができる。

以下に、本実施の形態について、実施の形態１と異なる動作及び機能を説明する。本実施の形態に示す波長変換レーザ光源において、図１６に示すように、波長変換素子３の温度を均一化するための素子固定台６７の端面を、基本波の入射角度と直交しない角度に加工し、反射端面ＲＰを形成している。

具体的には、波長変換素子３の厚さをＴ、第１の凹面ミラー４の直径（素子厚方向の長さ）をｒ_１、第１の凹面ミラー４と第１の凹面ミラー４側の波長変換素子３の端面との距離をｄ_１とすると、素子固定台６７の反射端面ＲＰに入射する基本波の光軸と素子固定台６７の反射端面ＲＰとの成す角φ_１は、（ｒ_１−Ｔ）／２＞ｄ_１×ｔａｎ（π−２φ_１）を満たす。

上記条件を満たすことで、素子固定台６７の反射端面ＲＰで反射された光は、再び第１の凹面ミラー４で反射されることなく、基本波を反射する凹面ミラー対（第１の凹面ミラー４及び第２の凹面ミラー５）の間から外部へと出射される。このような構成により、素子固定台６７と凹面ミラー対との間で基本波レーザ光が繰り返し反射されることを防ぐことで、素子固定台６７での基本波レーザ光の吸収量を低減することができるという効果が得られる。

また、素子固定台６７として、基本波の波長の光をよく反射する金属材料を用いることにより、基本波レーザ光に対して高反射面を得ることができる。この場合、基本波レーザ光を反射するミラーや吸収フィルターを備える必要が無く、シンプルな構成で第２高調波出力の変動を低減することができるといった利点がある。

なお、素子固定台６７の端面に基本波の波長の光をよく反射するコーティングや基本波を反射するミラーを貼り付けることで、反射時の吸収をさらに小さくすることができるので、さらに高いパワーの基本波が照射された時にも、第２高調波出力の変動を低減できる。

また、温度制御部６８に対して熱抵抗が高くなるように配置した色ガラスフィルターやビームディフューザーなどを用い、素子固定台６７の端面で反射された基本波レーザ光を吸収又は散乱させることにより、波長変換素子３への熱的影響を低減できる。また、色ガラスフィルターやディフューザーなどは、温度制御素子６から独立して放熱機構を備えることにより、波長変換素子３の温度への影響を無くすことができ、安定した出力を得ることができる。

また、第２の凹面ミラー５側の素子固定台６７の端面も、基本波の入射角度と直交しない角度に加工し、反射端面を形成してもよい。このとき、波長変換素子３の厚さをＴ、第２の凹面ミラー５の直径（素子厚方向の長さ）をｒ_２、第２の凹面ミラー５と第２の凹面ミラー５側の波長変換素子３の端面との距離をｄ_２とすると、第２の凹面ミラー５側の素子固定台６７の反射端面に入射する基本波の光軸と第２の凹面ミラー５側の素子固定台６７の反射端面との成す角φ_２は、（ｒ_２−Ｔ）／２＞ｄ_２×ｔａｎ（π−２φ_２）を満たすことが望ましい。

この場合も、素子固定台６７の反射端面ＲＰと同様の効果を得ることができる。また、同様に、色ガラスフィルターやビームディフューザーなどを用い、素子固定台６７の第２の凹面ミラー５側の端面で反射された基本波レーザ光を吸収又は散乱させることにより、波長変換素子３への熱的影響を低減でき、さらに出力が安定な光源を提供することができる。

また、本実施の形態では、素子固定台６７の端面にのみ反射端面を形成したが、この例に特に限定されず、温度制御素子６の端面にも反射端面を形成したり、温度制御素子６の端面にのみ反射端面を形成したりする等の種々の変更が可能である。

（実施の形態３）
図１７及び図１８は、本発明の実施の形態３における波長変換レーザ光源の構成の一例を模式的に示す図であり、図１７は、本実施の形態における波長変換レーザ光源の構成を上面から見た図であり、図１８は、図１７に示す波長変換レーザ光源の構成を側面から見た図である。以下において、図１７中の矢印１０及び図１８中の矢印１１で示す方向をそれぞれ素子幅方向、素子厚方向とする。

図１７及び図１８において、１は基本波を生成するための基本波レーザ光源、２は基本波を集光するための集光光学系、３は基本波を第２高調波へと変換させるための波長変換素子、７４は曲率Ｒ１を有する第１の凹面ミラー、５は曲率Ｒ１と異なる曲率Ｒ２を有する第２の凹面ミラー、６は波長変換素子３の温度を制御するための温度制御素子、７は波長変換素子３を固定するための素子固定台を示し、温度制御素子６及び素子固定台７から温度制御部８が構成されている。

また、図１７及び図１８中に示す９は、第１の凹面ミラー７４、第２の凹面ミラー５及び波長変換素子３の中心を通る軸である中心軸を示し、１２で示す破線は、基本波レーザ光の光路と、本実施の形態において波長変換レーザを構成する光学系内での集光状態とを模式的に示している。

本実施の形態に示す波長変換レーザ光源が実施の形態１に示す波長変換レーザ光源と異なる点は、基本波吸収部１８を省略し、第１の凹面ミラー７４の上下方向（素子厚方向）の所望の部分を、例えば切断等により加工し、波長変換素子３の厚さよりも小さくしている点である。この結果、素子固定台７に照射されて吸収される基本波レーザ光の光量を低減し、波長変換素子３の温度上昇を防止することができるので、波長変換レーザ出力を安定化することができる。

以下に、本実施の形態について、実施の形態１と異なる動作及び機能を説明する。図１８に示すように、第１の凹面ミラー７４は、上下方向（素子厚方向）の所望の部分を例えば切断等により加工され、波長変換素子３の厚さよりも第１の凹面ミラー７４の上下幅が小さくなるようにしている。

具体的には、第１の凹面ミラー７４で反射した基本波レーザ光が全て波長変換素子３に入射するような大きさ及び形状とするため、第１の凹面ミラー７４の素子厚方向の反射領域の厚さは、波長変換素子３の厚さと同じ０．５ｍｍとなるように、円形の第１の凹面ミラー７４の上部及び下部が切断されている。このような構成をとることにより、第１の凹面ミラー７４に到達した基本波レーザ光のうち、第１の凹面ミラー７４の中心から上下０．２５ｍｍを超える領域に存在する基本波レーザ光は、反射されることなく、第１の凹面ミラー７４の外部へと出射される。

一方、第１の凹面ミラー７４により反射された基本波レーザ光の第１の凹面ミラー７４の面上でのビーム直径は、波長変換素子３の厚さ（本実施の形態では０．５ｍｍ）以下となるため、第１の凹面ミラー７４により反射された基本波レーザ光は、必ず波長変換素子３内を通過し、基本波レーザ光から第２高調波へと波長変換される。

本構成により、第１の凹面ミラー７４により反射された基本波レーザ光が素子固定台７や温度制御素子６に照射されることがなくなる（すなわち、波長変換素子３に入射することができない基本波レーザ光は、第１の凹面ミラー７４で反射されない）ため、原理的に温度制御部８で基本波の吸収に起因する温度変化が発生することはなく、波長変換素子３の温度上昇を防ぐことができ、第２高調波出力の変動を低減することができる。

なお、第２の凹面ミラー５の上下（素子厚方向）を切断等により形状加工し、第２の凹面ミラー５で反射された基本波レーザ光がすべて波長変換素子３に入射する構成とすることにより、同様の効果を得ることができる。また、第１の凹面ミラー７４と第２の凹面ミラー５の双方の素子厚方向の形状及び大きさを所望の形状及び大きさに加工することで、装置全体の波長変換素子３の厚さ方向のサイズを小さくすることができるという利点がある。

また、本実施の形態では、第１の凹面ミラー７４の素子厚方向の上部及び下部を切断加工する例を示したが、この切断部分に対応する第１の凹面ミラー７４の外周部に基本波を反射しない材料からなる部材、例えば、基本波を吸収する吸収部材又は基本波を透過して外部へ出射する透過部材を備えても、素子固定台７及び温度制御素子６に照射される基本波レーザ光をなくすことができ、波長変換素子３の温度変動を低減することができる。また、第１の凹面ミラー７４の所望の部分（例えば、第１の凹面ミラー７４の中心から素子厚方向に上下０．２５ｍｍ以上の面内領域）に基本波に対する無反射コーティングを施しても、同様の効果を得ることができる。

また、第１の凹面ミラー７４及び／又は第２の凹面ミラー５により反射されずに外部へ出射された基本波レーザ光は、例えば、熱伝導率の高い金属に貼り付けられた吸収体や、ビームディフューザーを用いて処理することにより、波長変換素子３の温度変動への影響をなくすことができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、第２の凹面ミラー５の代わりにシリンドリカルミラー５１を用いることにより基本波のビーム直径の広がりを制限し、素子固定台７に基本波レーザ光が照射されないようにする構成について説明する。本構成を用いることにより、上記実施の形態１から実施の形態３で述べてきたのと同様の波長変換素子３の温度変動に起因する第２高調波出力の変動低減効果が得られることを示す。

図１９及び図２０は、本発明の実施の形態４における波長変換レーザ光源の構成の一例を示す図であり、図１９は、本実施の形態における波長変換レーザ光源の構成を上面から見た図であり、図２０は、図１９に示す波長変換レーザ光源の構成を側面から見た図である。以下において、図１９中の矢印１０及び図２０中の矢印１１で示す方向をそれぞれ素子幅方向、素子厚方向とする。

図１９及び図２０において、１は基本波を生成するための基本波レーザ光源、２は基本波を集光するための集光光学系、３は基本波を第２高調波へと変換させるための波長変換素子、４は曲率Ｒ１を有する第１の凹面ミラー、５１は一方向（素子幅方向）にのみ曲率Ｒ１と異なる曲率Ｒ２を有するシリンドリカルミラーからなる第２のミラー、６は波長変換素子３の温度を制御するための温度制御素子、７は波長変換素子３を固定するための素子固定台を示し、温度制御素子６及び素子固定台７から温度制御部８が構成されている。

また、図１９及び図２０中に示す９は、第１の凹面ミラー４、第２のミラー５１及び波長変換素子３の中心を通る軸である中心軸を示し、１２で示す破線は、基本波レーザ光の光路と、本実施の形態において波長変換レーザを構成する光学系内での集光状態とを模式的に示している。

本実施の形態に示す波長変換レーザ光源が実施の形態１に示す波長変換レーザ光源と異なる点は、基本波吸収部１８を省略し、第２の凹面ミラー５の代わりに第２のミラー５１を用い、基本波のビームの直径の上下方向（素子厚方向）の広がりを抑制している点である。この結果、素子固定台７に照射されて吸収される基本波の光量を低減し、波長変換素子３の温度上昇を防止することができるので、波長変換レーザ出力を安定化することができる。

ここで、第１の凹面ミラー４には焦点距離ｆ１＝２２ｍｍの凹面ミラー、第２のミラー５１には焦点距離ｆ２＝２０ｍｍのシリンドリカルミラーを用いている。また、波長変換素子３には、周期状分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３(長さ２６ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ)を用いている。

以下に、本実施の形態について、実施の形態１と異なる動作及び機能を説明する。上記構成を用いることにより、第１の凹面ミラー４及び第２のミラー５１で反射され、繰り返し波長変換素子３に入射される基本波は、素子幅方向と素子厚方向とで集光位置がずれるため、そのビーム形状が楕円ビームとなる。このとき、素子幅方向においては、実施の形態１と同様に、第１の凹面ミラー４で反射された光は略平行光となり、第２のミラー５１で反射された光は素子内で集光されるので、素子幅方向における基本波レーザ光のビーム直径とパス数の関係は、図５に示すとおりである。

一方、素子厚方向における基本波のビーム直径は、図２１に示すようになる。図２１には、各パスにおける波長変換素子３の入射端面（例えば、図４に示す位置）での素子厚方向における基本波のビームの直径を示す図である。図２１において、横軸はパス数を示しており、縦軸には基本波のビームの直径（ｍｍ）を示している。

図２１に示すように、第２のミラー５１においては、素子厚方向における基本波の反射が平面ミラーによる反射となるため、第２のミラー５１で反射されて波長変換素子３に入射されるビームは収束ビームとなり、波長変換素子３の端面での素子厚方向における基本波のビームの直径は、必ず０．５ｍｍ以下となる。

したがって、基本波のビームの直径が波長変換素子３の厚さよりも大きくなることがなく、基本波は、必ず波長変換素子３に入射されるため、温度制御素子６や素子固定台７に照射されることはなく、温度制御素子６や素子固定台７が基本波レーザ光を吸収して発熱することを防止することができる。

これにより、本実施の形態では、波長変換素子３の温度上昇を防ぐことができ、第２高調波の出力変動を３％以内に抑えることができた。また、この構成により、素子幅方向の集光位置と素子厚方向の集光位置とがずれるので、波長変換素子３内部での基本波レーザ光の光密度を低くすることができ、波長変換素子３による基本波及び第２高調波の吸収を低減することができる。さらに、本構成によれば、第２のミラー５１の素子厚方向の位置合わせをする必要がなく、組立て調整工程を簡略化できる。

（実施の形態５）
図２２は、画像表示装置の一例として、上記の実施の形態１から実施の形態４において示した波長変換レーザ光源のいずれか一つを含むバックライト照明装置を用いた液晶表示装置の構成を示す概略図である。

図２２において、１０１はバックライト照明装置、１０２はレーザ光源、１０３は光ファイバ、１０４は導光部、１０５は導光板、１０７は空間変調素子である液晶表示パネル、１０８は偏光板、１０９は液晶板を示す。ここで、バックライト照明装置１０１に含まれるレーザ光源１０２は、赤色レーザ光源１０２ａ（以下、Ｒ光源と表記する）、緑色レーザ光源１０２ｂ（以下、Ｇ光源と表記する）、及び青色レーザ光源１０２ｃ（以下、Ｂ光源と表記する）からなる。

このレーザ光源１０２において、Ｇ光源１０２ｂが本発明の実施の形態１から４のいずれかで示した波長変換レーザ光源である。また、Ｒ光源１０２ａには波長６４０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザを、Ｂ光源１０２ｃには波長４５０ｎｍのＧａＮ系材料からなる半導体レーザを用いている。

バックライト照明装置１０１は、レーザ光源１０２、レーザ光源１０２からの赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光をまとめて導光部１０４を介して導光板１０５に導く光ファイバ１０３、及び導入した赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光を均一に主面（図示せず）から出射する導光板１０５から構成されている。

また、Ｇ光源１０２ｂは、実施の形態１から４のいずれかで示した波長変換レーザ光源に集光レンズ（図示せず）などの光学部品を付加して、出力光が光ファイバ１０３に効率よく結合されて導光板１０５に導かれるようにしている。本構成により、色再現性に優れ、低消費電力で画像表示装置を実現することができる。また、画像表示装置の大画面化には、安定で高出力なレーザ光源が必要となり、本実施の形態１〜４のいずれかで示した波長変換レーザ光源を用いることで、画像表示装置の大画面化が可能となる。

また、ここでは、レーザ光源を用いた画像表示装置として、透過型の液晶パネルを空間光変調素子として用いた液晶表示装置を例に説明したが、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）や反射型液晶（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ：ＬＣＯＳ）等を空間変調素子に用いたプロジェクタなどの画像表示装置であっても、同様の効果を発現することができる。

また、レーザ光源から出射した光を空間変調素子に導く光学系には、光ファイバ、導光部、導光板を用いているが、ダイクロイックミラーやクロスプリズムやロッドインテグレータなどを用いてもよい。

なお、以上に説明した実施の形態１〜５は一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな形態を採り得ることは言うまでもない。

上記の各実施の形態から本発明について要約すると、以下のようになる。即ち、本発明に係る波長変換レーザ光源は、基本波を生成するための基本波レーザ光源と、互いに向かい合うように配置された第１のミラー及び第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配置され、前記基本波の波長を変換するための波長変換素子と、前記波長変換素子の温度を制御するための温度制御部とを備え、前記波長変換素子において前記基本波の一部が波長変換され、且つ、波長変換されていない基本波が前記第１のミラー及び前記第２のミラーにより反射されて前記波長変換素子に繰り返し入射されて波長変換され、前記温度制御部は、前記波長変換素子に接するように配置され、前記温度制御部へ入射される前記基本波の光量が低減される。

この波長変換レーザ光源においては、基本波の一部が波長変換素子によって波長変換され、且つ、波長変換されていない基本波が第１のミラー及び第２のミラーにより反射されて波長変換素子に繰り返し入射されることにより、基本波は波長変換素子の内部で入射角度を変えながら繰り返し波長変換されるので、高い波長変換効率を維持した状態で、波長変換素子の温度許容幅を拡大することができる。また、温度制御部が波長変換素子に接するように配置され、温度制御部へ入射される基本波の光量が低減されているので、波長変換素子に入射されない基本波が温度制御部に吸収されることを防ぐことができ、波長変換レーザ光源の出力の変動を低減することができる。この結果、不要な基本波による波長変換素子の波長変換効率の変動を抑制することができるとともに、基本波から第２高調波への波長変換効率が高く、高出力且つ高安定な波長変換レーザ光源を実現することができる。

前記第１のミラーは、第１の曲率を有する第１の凹面ミラーを含み、前記第２のミラーは、前記第１の曲率と異なる第２の曲率を有する第２の凹面ミラーを含み、前記波長変換レーザ光源は、前記基本波が前記波長変換素子内に集光点を持つように配置された集光光学系と、前記第１の凹面ミラーと前記温度制御部との間及び／又は前記第２の凹面ミラーと前記温度制御部との間に配置され、前記温度制御部に吸収される基本波の光量を低減するための基本波遮光部とをさらに備えることが好ましい。

この場合、曲率の異なる２枚の凹面ミラー対の間に波長変換素子を配置することにより、基本波は入射角度を変えながら繰り返し波長変換素子に入射され、第２高調波へと変換される。また、基本波遮光部により、波長変換素子に入射されない基本波が温度制御部に吸収されることを防ぐことができるので、波長変換レーザ光源の出力変動を低減することができる。

前記基本波遮光部は、前記基本波が前記温度制御部に入射しないように前記基本波を吸収する基本波吸収部を含み、前記基本波吸収部は、前記温度制御部とは熱的に分離されることが好ましい。

この場合、基本波吸収部が波長変換素子に入射されない基本波を吸収し、波長変換素子に入射されない基本波が温度制御部に吸収されることを防ぐことができるので、波長変換レーザ光源の出力変動を低減することができる。また、基本波吸収部と温度制御部とが熱的に分離されているので、基本波吸収部が基本波を吸収することによる温度上昇を低減し、基本波吸収部から発する熱により波長変換素子の温度が変化することを防ぎ、さらに出力が安定な波長変換レーザ光源を提供することができる。

前記基本波遮光部は、前記基本波が前記温度制御部に入射しないように前記基本波を反射する反射ミラーを含むことが好ましい。

この場合、基本波が温度制御部に入射しないように基本波を反射することができるので、波長変換素子に入射できなかった基本波が温度制御部へ入射することを防ぐことができるとともに、反射ミラーでは基本波の吸収が発生せず、発熱も生じないので、放熱機構を省略することができ、放熱機構のコストを削減することができる。

前記波長変換素子の厚さをＴ、前記波長変換素子の厚さ方向における前記第１の凹面ミラーの長さをｒ_１、前記波長変換素子の厚さ方向における前記第２の凹面ミラーの長さをｒ_２、前記第１の凹面ミラーと前記波長変換素子の前記第１の凹面ミラー側の端面との間の距離をｄ_１、前記第２の凹面ミラーと前記波長変換素子の前記第２の凹面ミラー側の端面との間の距離をｄ_２とすると、前記反射ミラーが前記第１の凹面ミラーと前記温度制御部との間に配置される場合、前記反射ミラーに入射する基本波の光軸と前記反射ミラーの反射面との成す角θ_１は、（ｒ_１−Ｔ）／２＞ｄ_１×ｔａｎ（π−２θ_１）を満たし、前記反射ミラーが前記第２の凹面ミラーと前記温度制御部との間に配置される場合、前記反射ミラーに入射する基本波の光軸と前記反射ミラーの反射面との成す角θ_２は、（ｒ_２−Ｔ）／２＞ｄ_２×ｔａｎ（π−２θ_２）を満たすことが好ましい。

この場合、反射ミラーにより反射された基本波を、第１の凹面ミラー及び第２の凹面ミラーにより再び反射することなく、第１の凹面ミラー及び第２の凹面ミラーの外部へ出射することができる。

前記温度制御部は、前記基本波が前記温度制御部に入射しないように前記基本波を反射する反射端面を有することが好ましい。

この場合、基本波が温度制御部に入射しないように基本波を反射することができるので、波長変換素子に入射できなかった基本波が温度制御部へ入射することを防ぐことができるとともに、温度制御部の端面を反射面として用いることができるので、部品点数を削減して装置の低コスト化を図ることができる。

前記波長変換素子の厚さをＴ、前記波長変換素子の厚さ方向における前記第１の凹面ミラーの長さをｒ_１、前記波長変換素子の厚さ方向における前記第２の凹面ミラーの長さをｒ_２、前記第１の凹面ミラーと前記波長変換素子の前記第１の凹面ミラー側の端面との間の距離をｄ_１、前記第２の凹面ミラーと前記波長変換素子の前記第２の凹面ミラー側の端面との間の距離をｄ_２とすると、前記反射端面が前記第１の凹面ミラー側に設けられる場合、前記反射端面に入射する基本波の光軸と前記反射端面との成す角φ_１は、（ｒ_１−Ｔ）／２＞ｄ_１×ｔａｎ（π−２φ_１）を満たし、前記反射端面が前記第２の凹面ミラー側に設けられる場合、前記反射端面に入射する基本波の光軸と前記反射端面との成す角φ_２は、（ｒ_２−Ｔ）／２＞ｄ_２×ｔａｎ（π−２φ_２）を満たすことが好ましい。

この場合、反射端面により反射された基本波を、第１の凹面ミラー及び第２の凹面ミラーにより再び反射することなく、第１の凹面ミラー及び第２の凹面ミラーの外部へ出射することができる。

前記第１のミラーは、第１の曲率を有する第１の凹面ミラーを含み、前記第２のミラーは、前記第１の曲率と異なる第２の曲率を有する第２の凹面ミラーを含み、前記第１及び第２の凹面ミラーの少なくとも一方は、前記波長変換素子の厚さ方向において、前記波長変換素子の厚さ方向の中心を０とし、前記波長変換素子の厚さをＴとしたとき、−Ｔ／２からＴ／２までの領域のみ前記基本波を反射することが好ましい。

この場合、第１及び第２の凹面ミラーの少なくとも一方により反射された基本波は、温度制御部に入射されることなく、必ず波長変換素子内を通過して基本波から第２高調波へと波長変換されるので、温度制御部に吸収される基本波の光量を低減することができる。この結果、波長変換素子の温度上昇を防止することができ、波長変換レーザ光源の出力変動を低減することができる。

前記第１及び第２のミラーの一方は、第１の曲率を有する凹面ミラーを含み、他方は、前記波長変換素子の幅方向に前記第１の曲率と異なる第２の曲率を有するシリンドリカルミラーを含み、前記シリンドリカルミラーは、前記波長変換素子の厚さ方向における前記基本波の直径を前記波長変換素子の厚さ以下に制限することが好ましい。

この場合、波長変換素子の厚さ方向における基本波の直径の広がりを抑制することができるので、基本波の直径が波長変換素子の厚さよりも大きくなることがなく、基本波が必ず波長変換素子に入射されるため、温度制御部に吸収される基本波の光量を低減することができる。この結果、波長変換素子の温度上昇を防止することができ、波長変換レーザ光源の出力変動を低減することができる。

前記第１及び第２のミラーの少なくとも一方は、前記基本波レーザ光源から生成された基本波を前記波長変換素子に入射するための切り欠き領域を有することが好ましい。

この場合、切り欠き領域から基本波を波長変換素子に容易に入射することができる。

本発明に係る画像表示装置は、青色、緑色、及び赤色のうち少なくとも１色のレーザ光を発生するレーザ光源と、空間光変調素子と、前記レーザ光源から出射する光を前記空間光変調素子に導く光学系とを備え、前記レーザ光源は、上記のいずれかに記載の波長変換レーザ光源である。

この画像表示装置においては、安定で高出力な波長変換レーザ光源をレーザ光源として用いることができるので、画像表示装置の大画面化が可能となり、色再現性に優れ且つ低消費電力な大型画像表示装置を実現することができる。

本発明の波長変換レーザ光源は、優れた温度制御性及び出力安定性を有する高効率な波長変換レーザ光源として有用である。

Claims (5)

1. 基本波を生成するための基本波レーザ光源と、
   互いに向かい合うように配置された第１のミラー及び第２のミラーと、
   前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配置され、前記基本波の波長を変換するための波長変換素子と、
   前記波長変換素子の温度を制御するための温度制御部とを備え、
   前記波長変換素子において前記基本波の一部が波長変換され、且つ、波長変換されていない基本波が前記第１のミラー及び前記第２のミラーにより反射されて前記波長変換素子に繰り返し入射されて波長変換され、
   前記温度制御部は、前記波長変換素子に接するように配置され、前記基本波が前記温度制御部に入射しないように前記基本波を反射する反射端面を有することを特徴とする波長変換レーザ光源。
2. 前記波長変換素子の厚さをＴ、前記波長変換素子の厚さ方向における前記第１の凹面ミラーの長さをｒ_１、前記波長変換素子の厚さ方向における前記第２の凹面ミラーの長さをｒ_２、前記第１の凹面ミラーと前記波長変換素子の前記第１の凹面ミラー側の端面との間の距離をｄ_１、前記第２の凹面ミラーと前記波長変換素子の前記第２の凹面ミラー側の端面との間の距離をｄ_２とすると、前記反射端面が前記第１の凹面ミラー側に設けられる場合、前記反射端面に入射する基本波の光軸と前記反射端面との成す角φ_１は、（ｒ_１−Ｔ）／２＞ｄ_１×ｔａｎ（π−２φ_１）を満たし、前記反射端面が前記第２の凹面ミラー側に設けられる場合、前記反射端面に入射する基本波の光軸と前記反射端面との成す角φ_２は、（ｒ_２−Ｔ）／２＞ｄ_２×ｔａｎ（π−２φ_２）を満たす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. 基本波を生成するための基本波レーザ光源と、
   互いに向かい合うように配置された第１のミラー及び第２のミラーと、
   前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配置され、前記基本波の波長を変換するための波長変換素子と、
   前記波長変換素子の温度を制御するための温度制御部とを備え、
   前記波長変換素子において前記基本波の一部が波長変換され、且つ、波長変換されていない基本波が前記第１のミラー及び前記第２のミラーにより反射されて前記波長変換素子に繰り返し入射されて波長変換され、
   前記温度制御部は、前記波長変換素子に接するように配置され、
   前記第１及び第２のミラーの一方は、第１の曲率を有する凹面ミラーを含み、他方は、前記波長変換素子の幅方向に前記第１の曲率と異なる第２の曲率を有するシリンドリカルミラーを含み、
   前記シリンドリカルミラーは、前記波長変換素子の厚さ方向における前記基本波の直径を前記波長変換素子の厚さ以下に制限することを特徴とする波長変換レーザ光源。
4. 前記第１及び第２のミラーの少なくとも一方は、前記基本波レーザ光源から生成された基本波を前記波長変換素子に入射するための切り欠き領域を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の波長変換レーザ光源。
5. 青色、緑色、及び赤色のうち少なくとも１色のレーザ光を発生するレーザ光源と、
   空間光変調素子と、
   前記レーザ光源から出射する光を前記空間光変調素子に導く光学系とを備え、
   前記レーザ光源は、請求項１〜４のいずれかに記載の波長変換レーザ光源であることを特徴とする画像表示装置。

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