JPWO2008050802A1 - 短波長光源およびレーザ画像形成装置 - Google Patents

短波長光源およびレーザ画像形成装置 Download PDF

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Abstract

基本波が入射される入射面および高調波が出射される出射面と、を有し、前記基本波を前記高調波に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子を保持する保持部とを備える短波長光源である。前記波長変換素子は、前記波長変換素子の前記出射面側の一部の領域である特定領域において、前記波長変換素子による波長変換の際における前記高調波の吸収による発熱に起因する前記基本波と前記高調波との間の位相整合条件の変動を抑制される。

Description

本発明は、短波長光源およびそれを用いたレーザ画像形成装置に関する。
強誘電体の分極を強制的に反転させる分極反転現象を利用すると、強誘電体の内部に周期的な分極反転領域（分極反転構造）を形成することができる。このようにして形成された分極反転領域は、表面弾性波を利用した光周波数変調器や、非線形分極の分極反転を利用した光波長変換素子、プリズム形状やレンズ形状の反転構造を利用した光偏光器などに利用される。特に、非線形光学物質の非線形分極を周期的に反転することで変換効率の高い光波長変換素子を作製することができる。これを用いて半導体レーザなどの光を変換すれば、印刷、光情報処理、光応用計測制御分野などに応用できる小型の短波長光源を実現することができる。あるいは、ワット級の高出力レーザ（ファイバーレーザ、あるいは固体レーザなど）の光を変換すれば、ワット級の短波長可視光（緑色、青色）、あるいは高出力な紫外レーザが実現し、高輝度ディスプレイ、加工、露光などに応用できる高出力短波長光源を提供することができる。
基本波の単行（シングルパス）変換によりワット級の高出力ＣＷ可視光発生を実現する有望な手法として、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ ＬｉＮｂＯ３：以下、「ＰＰＬＮ」と略す）を用いた第２高調波発生がある。ＬｉＮｂＯ３（以下、「ＬＮ」と略す）は、大きな非線形光学定数を有しているために、シングルパスでＣＷ、ワット級の短波長光発生が可能である。しかしながら、ＬＮでは光損傷、緑色光により誘起される赤外吸収（Ｇｒｅｅｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：以下、「ＧＲＩＩＲＡ」と略す）などによる影響のため、出力が不安定になる、高温動作が必要である、という課題があった。
上述した課題を解決するために、周期分極反転ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３：以下、「ＰＰＭｇＬＮ」と略す）を用いたシングルパス構成による可視短波長光発生がある。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（以下、「ＭｇＬＮ」と略す）は、ＬＮと比較して高い非線形光学定数、優れた耐光損傷性、短波長域への透過特性を有するため、シングルパス構成で室温ＣＷのワット級出力が実現可能な高非線形材料として有望である。
ところで、波長変換素子内でのレーザ光入射による素子温度分布による変換効率低下を抑制するために、特許文献１に示されるような線状に加熱する手段を設ける、あるいは、特許文献２おいては、光軸方向の温度分布に基づいて結晶の温度差が０．１℃以内になるように素子を移動させて配置する構成、あるいは特許文献３では素子の入射面および出射面付近の冷却と素子中間部分の温度調整手段を異ならせて伝搬方向の温度分布を低減する手段がとられている。特許文献４では素子の両側面にペルチェ素子を４つ配置し、素子の幅方向の温度分布を抑制し、変換効率を維持する方法が挙げられている。
しかし、室温ＣＷでワット級出力が実現可能な材料として期待されているＭｇＬＮにおいては、高出力時に、光損傷やＧＲＩＩＲＡ、あるいはレーザ入射による素子温度分布発生とは異なる別の現象が発生し、高調波出力が不安定になる、あるいは結晶が破損する、という新たな課題が発生した。我々は、この要因を検証した結果、基本波と高調波の相互作用で発生した紫外光により誘起される高調波光吸収が原因で結晶内部に熱が発生し、高調波出力が不安定になる、ということを見出した。特に、高出力の高調波発生時において基本波と高調波の和周波が発生する光源では、高調波の吸収による熱の発生が顕著になることが判明した。従来、このような高調波光吸収および和周波による熱の発生は認識されていない。
また、特許文献５に示されるように波長変換素子の位相整合の許容度を拡大するために分極反転の周期を変えた波長変換素子が提案されている。
特開平１１−１２５８００号公報 特開２００３−１４０２１１号公報 特開２００４−５３７８１号公報 特開平５−２０４０１１号公報 特開２０００−３２１６１０号公報
本発明の目的は、高調波吸収で発生する熱による素子内の温度分布を抑制し、変換効率を維持することにより高調波出力の安定化を図ることができる短波長光源を提供することである。
本発明の一局面に従う短波長光源は、基本波が入射される入射面および高調波が出射される出射面と、を有し、前記基本波を前記高調波に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子を保持する保持部とを備え、前記波長変換素子は、前記波長変換素子の前記出射面側の一部の領域である特定領域において、前記波長変換素子による波長変換の際における前記高調波の吸収による発熱に起因する前記基本波と前記高調波との間の位相整合条件の変動が抑制されるように構成される。
上記の短波長光源では、波長変換素子の特定領域において高調波の吸収により発熱が生じた場合でも、その発熱に起因する基本波と調波との間の位相整合条件の変動が抑制されるので、高調波出力の安定化を図ることができる。
本発明によれば、高調波吸収で発生する熱による素子内の温度分布を抑制し、変換効率を維持することにより高調波出力の安定化を図ることができる短波長光源を提供することができる。
図１Ａは、本発明の実施の形態１にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図であり、図１Ｂは、波長変換素子の入射面からの距離とＳＨＧ出力との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる短波長光源の他の概略構成を示す断面図である。 基本波の入力パワーとＳＨＧの出力パワーとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図である。 図６ＡおよびＢは、本発明の実施の形態４にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態５にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図である。 図８ＡおよびＢは、本発明の実施の形態６にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図である。 ＳＨＧ波長と変換効率が劣化するＳＨＧ出力との関係を示す図である。 従来の短波長光源のＳＨＧ出力特性を示す図である。 ＳＨＧの変換効率が劣化したときの素子温度分布を示す図である。 従来の短波長光源の概略構成を示す断面図である。 図１３Ａは、本発明の実施の形態７にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図であり、図１３Ｂは、波長変換素子の入射面からの距離とＳＨＧ出力との関係を示す図である。 本発明の実施の形態７にかかる短波長光源の他の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態７にかかる短波長光源のさらに他の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態８にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態８にかかる短波長光源の他の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態８にかかる短波長光源のさらに他の概略構成を示す断面図である。 従来の短波長光源の他の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態９にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態９にかかる短波長光源の他の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１０にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１０にかかる短波長光源の他の概略構成を示す断面図である。 図２４Ａは、波長変換素子内のビームパスを表わす模式図であり、図２４Ｂは、波長変換素子内の発熱量分布を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするためにそれぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、形状等については正確な表示ではない。
（実施の形態１）
最初に、本実施の形態の背景となる、波長変換素子の出力の不安定性について説明する。図１２に、従来の短波長光源の概略構成を示す。図１２の波長変換素子１２０１は、周期状の分極反転構造を有するバルク型の波長変換素子であり、基本波１２０４を第２高調波（以下、「ＳＨＧ」とする）１２０５に変換する場合、ＳＨＧ１２０５の出力は基本波１２０４の２乗に比例して増大する。ところが、一定のＳＨＧ出力を越えると、ＳＨＧ１２０５の出力が２乗特性から大きく低下する現象が観測された。図１０に、基本波１２０４の入力パワーに対するＳＨＧ１２０５の出力の変化を示す。図１０に示すように、ＳＨＧ１２０５の出力パワーが１．５ワットを越えた付近から、２乗特性が成立していない。
この低下の原因を調べたところ、波長変換素子１２０１が基本波１２０４をＳＨＧ１２０５に変換する際において、基本波１２０４とＳＨＧ１２０５の和周波であるＴＨＧ（波長が基本波１２０４の波長の１／３）が発生しており、このＴＨＧの発生の影響により、波長変換素子１２０１によるＳＨＧ光の吸収が発生し、この吸収による発熱で波長変換素子１２０１の位相整合条件が乱されていることが分かった。図１１に、このときの波長変換素子１２０１の光伝搬方向に沿った温度分布を示す。図１２のペルチェ素子１２０８を用い、波長変換素子１２０１の温度を一定に保持するように制御しようとしたが、図１１の温度分布は回避されなかった。このため、ＴＨＧの強度が一定の値を超える領域では、ＳＨＧ１２０５の吸収による発熱が顕著になり、位相整合条件が成立しなくなり、波長変換素子１２０１の変換効率の低下が発生することが明らかになった。
また、図９に、ＳＨＧ１２０５の波長と変換効率の低下が開始するＳＨＧ出力との関係を示す。図９に示すように、変換効率の低下が開始するＳＨＧ出力はＳＨＧ１２０５に対して非常に強い波長依存性を持つことが明らかになった。
本実施の形態は、このような現象を基に考案されたものであり、ＳＨＧの吸収によって発生する発熱を、放熱構造の工夫、温度制御の改良、あるいは、発熱していない部分の加熱により波長変換素子の温度分布を低減することにより、波長変換素子の変換効率を維持することができるものである。
図１Ａは、本発明の実施の形態１にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図である。本実施の形態にかかる短波長光源は、波長変換素子１０１の伝搬方向に複数のペルチェ素子１１０、１１１を配置している。本実施の形態にかかる短波長光源は、図１Ａに示すように、波長変換素子１０１と、第１の保持部１１２と、第２の保持部１１３と、制御部１１４と、を備えている。第１の保持部１１２は、２つの放熱剤１０８に挟まれた銅板１０９と、銅板１０９の温度を制御することにより銅板１０９の上部に配置された波長変換素子１０１の一部を温度制御するペルチェ素子１１０と、を有しており、第２の保持部１１３は、２つの放熱剤１０８に挟まれた銅板１０９と、銅板１０９の温度を制御することにより銅板１０９の上部に配置された波長変換素子１０１の残りの一部を温度制御するペルチェ素子１１１と、を有している。第１の保持部１１２のペルチェ素子１１０および第２の保持部１１３のペルチェ素子１１１のそれぞれは制御部１１４に接続され、制御部１１４によって温度制御される。
本実施の形態の短波長光源においては、波長変換素子１０１に、周期状の分極反転領域１０２が複数形成されている。波長変換素子１０１を構成する基板の厚みは１ｍｍである。分極反転領域１０２は基板結晶のＹ軸に沿って形成されている。分極反転領域１０２は基板の＋Ｚ面から−Ｚ面側に向かって形成されている。分極反転領域１０２は電界印加法により作製した。分極反転領域１０２の分極反転周期１０３は６．９７μｍ（Λ）で形成され、波長１０６４ｎｍの光（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）を波長５３２ｎｍの緑色光に波長変換することができる。波長変換素子１０１の温度を制御するための温調制御素子としてペルチェ素子１１０、１１１を用いた。本実施の形態では、第１の保持部１１２のペルチェ素子１１０および第２の保持部１１３のペルチェ素子１１１のそれぞれは、図１Ａに示すように光の伝搬方向に並ぶように配置され、それぞれが独立した温度で制御部１１４により制御することができる。
図１２を用いて、まず、従来の構成におけるＳＨＧ光の高出力特性について述べる。図１２に示した短波長光源においては、波長変換素子１２０１は保持部１２０９により保持され、保持部１２０９の１つのペルチェ素子１２０８により波長変換素子１２０１の温度制御が行われる。波長変換素子１２０１の表面には、波長変換素子１２０１からの発熱を放熱するため、放熱剤１２０６を介して銅板１２０７が貼り付けられている。また、波長変換素子１２０１と銅板１２０７は、ペルチェ素子１２０８で一定の温度に温度制御されている。波長変換素子１２０１の素子長を１０ｍｍとし、集光レンズで集光した波長１０６４ｎｍの低パワーの基本波（７Ｗ以下）１２０４を入射したところ、変換効率３％／Ｗで波長変換され、波長５３２ｎｍのＳＨＧ１２０５が得られた。均一な分極反転領域１２０２を形成することで高効率の波長変換が可能となる。基本波１２０４である波長１０６４ｎｍの赤外入力パワーを上昇させると、基本波入力７Ｗ以下においては２乗特性に従い高調波出力が増大する。しかしながら、図１２で示された従来の短波長光源では、図１０で述べたように、高調波出力が１．５Ｗ以上になると２乗特性から外れ、出力が不安定になった。
発明者らの実験において、図１０に示したような２乗特性の劣化は、ＳＨＧ強度が特定の値を超えた領域から突然顕著に現れることが判明した。この要因としては、ＴＨＧにより誘起されるＳＨＧの吸収により屈折率が増加し、実効的な分極反転構造の周期が増大するため、位相整合が不整合状態となり、変換効率を低下させることが挙げられる。屈折率変化は１０−６〜１０−５程度であり、ＳＨＧ吸収による発熱により発生する。ＳＨＧ強度の変化による吸収係数の変化はあまり大きくないため、変換効率が劣化するＳＨＧのパワーは、ほぼ一定の値をとる。さらに、変換効率が劣化するＳＨＧのパワーは、強い波長依存性を持ち、図９に示したように、波長によって大きく異なることが分かった。これは、ＳＨＧの吸収係数がＳＨＧの波長に依存しているためと思われる。従って、波長が決まれば、ＳＨＧの変換効率が劣化するＳＨＧのパワーが一義的に求まる。
そこで、これらの条件を基に、短波長光源の設計を行うことができる。例えば、ＳＨＧの波長をλｓｈｇとし、このλｓｈｇに対して出力が劣化するＳＨＧのパワーをＰ（劣化）とする。短波長光源において、ＳＨＧ出力を一定の値Ｐｓｈｇで出力させたい場合、Ｐｓｈｇ＞Ｐ（劣化）の条件においては、波長変換素子の発熱による温度分布を低減するように放熱構造や温度制御方法を最適に設計する必要がある。
例えば、波長変換素子において、波長１０６４ｎｍの基本波を波長５３２ｎｍのＳＨＧに変換する場合、基本波の入力を１０Ｗ、基本波の集光径をφ３３μｍ、基本波のビーム品質をほぼ理想的な状態のガウシアン分布とすると、波長変換素子の長さが１０ｍｍのとき、素子の入射面から出射面に向って約７ｍｍ進んだところで、ＳＨＧの強度は１．５Ｗを越える。なお、ＳＨＧ波長５３２ｎｍのときのＰ（劣化）の値は、図９より約１．５Ｗである。従って、波長変換素子の温度制御としては、出射面近傍の３ｍｍにおいてペルチェ素子を設置し、そのペルチェ素子を用いて温度制御することで波長変換素子の変換効率を大幅に増大できる。
上記提案をもとに、図１Ａで示された本実施の形態の短波長光源を用いて同様の実験をおこなった。形成された分極反転領域１０２は、図１２で示された短波長光源と同等の分極反転特性（均一性、形成領域）が得られており、高調波出力が１．５Ｗ以下の時の変換効率は３％／Ｗと同じであった。図１Ａで示された短波長光源を用いると、高調波出力が１．５Ｗ以上になっても２乗特性の劣化、出力の不安定化および変換効率の低下は発生せず、安定な出力、高品質のビームプロファイルを得ることができた。図３に、その結果を示す。緑色出力１．５Ｗの高出力時には基本波および高調波の吸収により素子の温度分布が発生したが、２つのペルチェ素子１１０、１１１を個別に制御することで、光伝搬方向における温度分布を回避し、素子温度を一定することができた。緑色出力２．５Ｗの時においても従来の光源では急激な変換効率の低下が発生していたが、２つのペルチェ素子１１０、１１１の温度制御を適切に行うことにより変換効率の低下および出力低下を抑制し、安定な出力を得ることができた。
図１Ｂに、図１Ａの波長変換素子１０１の入射面１０６からの距離とＳＨＧ出力との関係を示す。図１Ｂに示すように、本実施の形態にかかる短波長光源においては、入射面１０６から出射面に向って約７ｍｍ進んだところで、出力が劣化するＳＨＧ出力（特定値）を超えているが、上述したように、２つのペルチェ素子１１０、１１１の温度制御を適切に行うことにより変換効率の低下および出力低下を抑制し、安定な出力を得ることができた。
本実施の形態にかかる短波長光源においては、伝搬方向に発生した温度分布を回避するために温度上昇が顕著に現れる出射面近傍に、１つのペルチェ素子１１１を配置して温度制御を行ったが、出射面近傍に２個以上のペルチェ素子を配置しても構わない。図２は、本発明の実施の形態１にかかる短波長光源の他の概略構成を示す断面図である。図２の短波長光源は、波長変換素子２０１の伝搬方向に複数のペルチェ素子２１０、２１１、２１２を配置している。図２の短波長光源は、波長変換素子２０１と、第１の保持部２１３と、第２の保持部２１４と、第３の保持部２１５と、制御部２１６と、を備えている。第１の保持部２１３は、２つの放熱剤２０８に挟まれた銅板２０９と、銅板２０９の温度を制御することにより銅板２０９の上部に配置された波長変換素子２０１の一部を温度制御するペルチェ素子２１０と、を有しており、第２の保持部２１４は、２つの放熱剤２０８に挟まれた銅板２０９と、銅板２０９の温度を制御することにより銅板２０９の上部に配置された波長変換素子２０１の他の一部を温度制御するペルチェ素子２１１と、を有しており、第３の保持部２１５は、２つの放熱剤２０８に挟まれた銅板２０９と、銅板２０９の温度を制御することにより銅板２０９の上部に配置された波長変換素子１０１の残りの一部を温度制御するペルチェ素子２１２と、を有している。第１の保持部２１３のペルチェ素子２１０、第２の保持部２１４のペルチェ素子２１１および第３の保持部２１５のペルチェ素子２１２のそれぞれは制御部２１６に接続され、制御部２１６によって温度制御される。
図２の短波長光源においては、熱発生が集中する波長変換素子２０１の出射面近傍に、伝搬方向の温度分布に合わせて素子温度が一定になるように複数個のペルチェ素子２１１、２１２を配置する。ペルチェ素子２１１、２１２の配置方法は温度分布が抑制されるのであればこれらの配置方法に限らない。
本実施の形態にかかる短波長光源においては、出射側近傍をペルチェ素子にて個別に制御する長さは、全長の１／２以下が望ましい。バルク型の波長変換素子の場合、変換効率が最大となる基本波の集光特性は、集光点を結晶の中央とし、基本波のビーム径が結晶の両端において最大となるようにした場合である。このとき、素子内でのＳＨＧの強度は素子中央部でのパワーに対して、出射部で約３倍になる。変換効率が劣化するＰ（劣化）に対して、最大出力が３倍以上になると、光吸収による結晶破壊が生じることが分かった。このため、出射面近傍の個別制御する長さを素子長の半分以上にしても、出力光の増大は得られないため、その長さを素子長の半分以下にすることが好ましい。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態では、波長変換素子の出射面付近のＳＨＧ出力およびＳＨＧのパワー密度が最も大きくなる箇所の放熱特性を良好にした構成の短波長光源について述べる。
図４は、本発明の実施の形態２にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図である。本実施の形態にかかる短波長光源は、波長変換素子４０１の伝搬方向に複数のペルチェ素子４１１、４１２を配置している。本実施の形態にかかる短波長光源は、図４に示すように、波長変換素子４０１と、第１の保持部４１３と、第２の保持部４１４と、制御部４１５と、を備えている。第１の保持部４１３は、２つの放熱剤４０８に挟まれた銅板４１０と、銅板４１０の温度を制御することにより銅板４１０の上部に配置された波長変換素子４０１の一部を温度制御するペルチェ素子４１１と、を有しており、第２の保持部４１４は、２つの放熱剤４０９に挟まれた銅板４１０と、銅板４１０の温度を制御することにより銅板４１０の上部に配置された波長変換素子４０１の残りの一部を温度制御するペルチェ素子４１２と、を有している。第１の保持部４１３のペルチェ素子４１１および第２の保持部４１４のペルチェ素子４１２のそれぞれは制御部４１５に接続され、制御部４１５によって温度制御される。
本実施の形態の波長変換素子４０１は、Ｚ板ＭｇドープＬｉＮｂＯ３基板に、周期状の分極反転領域４０２が複数形成されているものを用いた。波長変換素子４０１のデバイス特性およびデバイス構造は、上記の実施の形態１と同じなので説明は省略する。基本波４０４に波長１０６４ｎｍの光（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）を使用して、波長変換素子４０１により、波長５３２ｎｍの緑色光（ＳＨＧ）４０５に波長変換することができる。波長変換素子４０１の固定には、入射面４０６から素子中間部にかけて熱伝導率の低い放熱剤４０８を用い、素子中間部から出射面４０７の部分には熱伝導率の高い放熱剤４０９を用いた。
図４の本実施の形態にかかる短波長光源を用いて、ＳＨＧ４０５の高出力特性の実験をおこなった。図４で示された短波長光源を用いると高調波出力が１．５Ｗ以上になっても２乗特性の劣化、出力の不安定化および変換効率の低下は発生せず、安定な出力、高品質のビームプロファイルを得ることができた。緑色出力２Ｗの高出力時には基本波４０４および高調波（ＳＨＧ）４０５の吸収により素子の温度分布が発生し、出射面付近は高温化するが、本実施の形態では出射面近傍に熱伝導率の高い放熱剤４０９を用いることで、伝搬方向における温度分布を補償し、素子の温度を伝搬方法において一定にすることができた。緑色出力２．５Ｗの時においても従来の光源では急激な変換効率の低下が発生していたが、熱伝導率の高い放熱剤４０９を配置して放熱することで変換効率の低下および出力低下を抑制することに成功した。
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。上記の実施の形態２では、入射面付近から出射面付近までに発生する伝搬方向の温度分布を一定にするために波長変換素子を固定する放熱剤の材料を変えたが、放熱の方法はこの限りではない。本実施の形態では、波長変換素子の出射面近傍の温度上昇を抑制するために、出射面近傍の素子の厚みを薄くして放熱状態を良好にする。
図５は、本発明の実施の形態３にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図である。本実施の形態にかかる短波長光源は、波長変換素子５０１の伝搬方向に複数のペルチェ素子５１１、５１２を配置している。本実施の形態にかかる短波長光源は、図５に示すように、波長変換素子５０１と、第１の保持部５１３と、第２の保持部５１４と、制御部５１５と、を備えている。第１の保持部５１３は、２つの放熱剤５０８に挟まれた銅板５１０と、銅板５１０の温度を制御することにより銅板５１０の上部に配置された波長変換素子５０１の一部を温度制御するペルチェ素子５１１と、を有しており、第２の保持部５１４は、２つの放熱剤５０９に挟まれた銅板５１０と、銅板５１０の温度を制御することにより銅板５１０の上部に配置された波長変換素子５０１の残りの一部を温度制御するペルチェ素子５１２と、を有している。第１の保持部５１３のペルチェ素子５１１および第２の保持部５１４のペルチェ素子５１２のそれぞれは制御部５１５に接続され、制御部５１５によって温度制御される。
本実施の形態の波長変換素子５０１は、図５に示すように、出射面５０７の近傍の素子の厚みが薄くなるように構成されている。そうすることにより、出射面５０７の近傍の放熱状態を良好にして波長変換素子５０１の出射面５０７の近傍の温度上昇を抑制することができる。
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態では、波長変換素子の出射面近傍の温度上昇を抑制するために、出射面近傍を通過する基本波の経路を保持部に近接させて放熱状態を良好にする。
図６ＡおよびＢは、本発明の実施の形態４にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図である。本実施の形態にかかる短波長光源は、波長変換素子６０１の伝搬方向に複数のペルチェ素子６１１、６１２を配置している。本実施の形態にかかる短波長光源は、図６ＡおよびＢに示すように、波長変換素子６０１と、第１の保持部６１３と、第２の保持部６１４と、制御部６１５と、を備えている。第１の保持部６１３は、２つの放熱剤６０８に挟まれた銅板６１０と、銅板６１０の温度を制御することにより銅板６１０の上部に配置された波長変換素子６０１の一部を温度制御するペルチェ素子６１１と、を有しており、第２の保持部６１４は、２つの放熱剤６０９に挟まれた銅板６１０と、銅板６１０の温度を制御することにより銅板６１０の上部に配置された波長変換素子６０１の残りの一部を温度制御するペルチェ素子６１２と、を有している。第１の保持部６１３のペルチェ素子６１１および第２の保持部６１４のペルチェ素子６１２のそれぞれは制御部６１５に接続され、制御部６１５によって温度制御される。
図６Ａの場合、ＳＨＧ光の出力が１．５Ｗ以上、かつ、パワー密度が最も高い位置の基板表面で基本波６０４を反射させることで、発生する緑色光（ＳＨＧ）６０５の吸収による熱を放熱させることができるために熱分布を抑制でき、効果的である。
図６Ｂの場合、基本波６０４の入射位置をＳＨＧ出力が１．５Ｗ以上の高出力となる出射面６０７の付近で、基板表面近傍にすることで同様の放熱効果が得られて高出力時の変換効率および出力の低下を抑制することができるために効果的である。
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５について説明する。本実施の形態では、波長変換素子の出射面近傍の温度上昇を抑制するために、出射面近傍のヒートシンクの表面積を大きくして放熱状態を良好にする。
図７は、本発明の実施の形態５にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図である。本実施の形態にかかる短波長光源は、波長変換素子７０１の伝搬方向に複数のペルチェ素子７１１、７１２を配置している。本実施の形態にかかる短波長光源は、図７に示すように、波長変換素子７０１と、第１の保持部７１５と、第２の保持部７１６と、制御部７１７と、を備えている。第１の保持部７１５は、２つの放熱剤７０８に挟まれた銅板７１０と、銅板７１０の温度を制御することにより銅板７１０の上部に配置された波長変換素子７０１の一部を温度制御するペルチェ素子７１１と、複数の放熱フィンを付けて表面積を大きくしたヒートシンク７１３と、を有しており、第２の保持部７１６は、２つの放熱剤７０９に挟まれた銅板７１０と、銅板７１０の温度を制御することにより銅板７１０の上部に配置された波長変換素子７０１の残りの一部を温度制御するペルチェ素子７１２と、複数の放熱フィンを付けて表面積を大きくしたヒートシンク７１４と、を有している。第１の保持部７１５のペルチェ素子７１１および第２の保持部７１６のペルチェ素子７１２のそれぞれは制御部７１７に接続され、制御部７１７によって温度制御される。
本実施の形態にかかる短波長光源においては、図７に示すように、放熱のためのヒートシンク７１３、７１４を配置し、熱発生の起こらない入射端側から素子中間部にかけては表面積の小さいヒートシンク７１３を用い、熱が発生する出射面近傍にかけてはヒートシンク７１４の表面積を大きくする。これによって、出射面付近の熱の偏りを解消し、素子温度を一定に保つことで変換効率の低下および出力低下を抑制することができる。
（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６について説明する。本実施の形態では、波長変換素子の出射面付近のＳＨＧ出力およびＳＨＧのパワー密度が最も大きくなる箇所の温度にあわせるようにＳＨＧのパワー劣化の発生しない部分を加熱して素子温度分布を抑制する構成の短波長光源について述べる。
図８Ａは、本発明の実施の形態６にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図である。本実施の形態にかかる短波長光源は、波長変換素子８０１のＳＨＧのパワー劣化の発生しない部分にヒーター８０９を配置している。本実施の形態にかかる短波長光源は、図８Ａに示すように、波長変換素子８０１と、２つの放熱剤に挟まれた銅板８０８と、銅板８０８を加熱することにより銅板８０８の上部に配置された波長変換素子８０１の一部を加熱するヒーター８０９と、ヒーター８０９による加熱を制御するヒーター制御部８１３と、を備えている。
本実施の形態の波長変換素子８０１は、Ｚ板ＭｇドープＬｉＮｂＯ３基板に、周期状の分極反転領域８０２が複数形成されているものを用いた。波長変換素子８０１のデバイス特性およびデバイス構造は上記の実施の形態１と同じなので説明は省略する。基本波８０４に波長１０６４ｎｍの光（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）を使用して、波長変換素子８０１により、波長５３２ｎｍの緑色光（ＳＨＧ）８０５に波長変換することができる。高出力時に発生する出射面近傍を中心とする温度分布を低減するために、素子の出射面近傍以外の箇所には、素子をヒーター８０９により加熱することができる。
図８Ａの本実施の形態にかかる短波長光源を用いてＳＨＧの高出力特性の実験をおこなった。入射端面近傍に設置されたヒーター８０９を加熱しないとき、ＳＨＧ出力１．５Ｗ以上で２乗特性の劣化が発生し、出力の不安定化および変換効率の低下が起こった。一方、ヒーター８０９により素子を加熱すると劣化した２乗特性が解消され、高い変換効率が実現され、高出力、かつ安定な出力、高品質のビームプロファイルを得ることができた。緑色出力２．５Ｗの時においても従来の光源では急激な変換効率の低下が発生していたが、ヒーター８０９による加熱により素子入射端を加熱することで伝搬方向に発生する素子の温度分布を解消し、変換効率の低下および出力低下を抑制し、安定な出力特性を得た。
なお、本実施の形態では、波長変換素子の光の伝搬方向に発生する温度分布を低減するためにＳＨＧのパワー劣化の発生しない部分（ＳＨＧ吸収による温度上昇の発生しない部分）にヒーター８０９を設置し、加熱したが、加熱方法はこの限りではない。例えば、図８Ｂに示すように、ＳＨＧのパワー劣化の発生しない部分に波長変換素子が吸収する波長域の光（例えば赤外光）８１０を照射することで熱が発生し、波長変換素子全体の温度分布を解消させることができる。温度分布の解消は照射する光の強度を調整することで最適化することができる。なお、赤外光８１０の照射は、波長変換素子８０１のＳＨＧのパワー劣化の発生しない部分の上方に赤外線光源８１１を配置させ、赤外線光源制御部８１２により赤外線光源８１１を制御することで行えばよい。
Ｐ（劣化）のパワーは、ＳＨＧの波長に依存することを図９で示したが、上記の実施の形態１〜６にかかる短波長光源においては、具体的には、ＳＨＧ波長が５００〜５５０ｎｍの場合、Ｐ（劣化）は約１．５Ｗであった。また、ＳＨＧ波長が４００〜４５０ｎｍの場合、Ｐ（劣化）は約０．２Ｗであった。また、ＳＨＧ波長が３４０〜４００ｎｍの場合、Ｐ（劣化）は約０．０５Ｗであった。
上記の実施の形態１〜６にかかる短波長光源においては、波長変換素子として周期分極反転が形成されたＺ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３基板を用いた。その他に、ＭｇＯドープＬｉＴａＯ３基板や、ストイキオ組成の同様の基板などであってもよい。さらに、Ｍｇドープ基板以外にも、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃドープ基板においても同様の現象が発生することが考えられるため、上記の実施の形態１〜６と同様の効果を得ることができる。
上記の実施の形態１〜６にかかる短波長光源においては、波長変換として、位相整合波長として１２００ｎｍ以下の基本波の場合に特に有効である。上記の実施の形態１〜６で説明した現象は、発生した紫外光で誘起される高調波吸収熱に起因するものであるから、紫外光が発生する波長領域に対して顕著に現れる。つまり、基本波と高調波の和周波として４００ｎｍ以下の波長が発生する１２００ｎｍ以下の基本波に対して本実施の形態は有効である。
基本波パワー１０Ｗ以上、あるいは高調波パワー３Ｗ以上のときに紫外光発生による高調波吸収が顕著になることが確認されている。そのため、このような高いパワーの基本波、高調波発生時に、上記の実施の形態１〜６にかかる短波長光源は有効である。
上記の実施の形態１〜６にかかる短波長光源を用いて、高輝度のレーザ画像形成装置を実現することができる。高輝度のレーザ画像形成装置としては例えば、高出力のレーザ光を空間光変調素子で変調し、スクリーンに投射するリアプロジェクション型の画像形成装置や、高出力レーザ光源をバックライトとして用いる液晶テレビが挙げられる。上記の実施の形態１〜６にかかる短波長光源を用いることで、高出力時に安定な出力特性を実現するために映像劣化のない高輝度でかつ鮮明な映像を提供することができる。
なお、上記の実施の形態１〜６では、熱の発生により屈折率が上昇し、位相整合条件がずれることで変換効率（出力）が低下したが、レーザ光の入射により結晶内の屈折率が変化し、位相整合条件がずれることで変換効率（出力）が低下する場合においても、位相整合条件のずれを温度制御方法により補償することで変換効率（出力）の低下を抑えることができるため、上記の実施の形態１〜６と同様の効果が得られる。
以上説明したように、本発明の実施の形態１〜６にかかる短波長光源は、基本波を第２高調波に変換する非線形光学材料からなる波長変換素子と、波長変換素子を支持するホルダー部を備え、波長変換素子は、基本波を入射する入射部と、第２高調波を出射する出射部を含み、波長変換素子の出射部近傍の少なくとも一部の特定領域が他の領域より低い熱抵抗を有する構成により、結晶内部に入射した基本波と、波長変換された高調波との相互作用で発生した紫外光が原因で生じる高調波吸収熱による素子内の温度分布を一定にすることで基本波から高調波への変換効率を維持し、光出力、ビームプロファイルを安定に保持し、レーザ光源の信頼性を確保する、という効果を有する。
（実施の形態７）
次に、本発明の実施の形態７について説明する。最初に、本実施の形態の背景となる、波長変換素子の出力の不安定性について説明する。図１９に、従来の短波長光源の他の概略構成を示す。図１９の波長変換素子１００１は、周期状の分極反転構造を有するバルク型の波長変換素子であり、基本波１００４を第２高調波（ＳＨＧ）１００５に変換する場合、ＳＨＧ１００５の出力は基本波１００４の２乗に比例して増大する。ところが、一定のＳＨＧ出力を越えると、図１２で示した波長変換素子１２０１と同様、ＳＨＧ１００５の出力が２乗特性から大きく低下する現象が観測された。
この低下の原因を調べたところ、図１２の波長変換素子１２０１の場合と同様、波長変換素子１００１が基本波１００４をＳＨＧ１００５に変換する際において、基本波１００４とＳＨＧ１００５の和周波であるＴＨＧが発生しており、このＴＨＧの発生の影響により、波長変換素子１００１によるＳＨＧ光の吸収が発生し、この吸収による発熱で波長変換素子１００１の位相整合条件が乱されていることが分かった。このため、ＴＨＧの強度が一定の値を超える領域では、ＳＨＧ１００５の吸収による発熱が顕著になり、位相整合条件が成立しなくなり、波長変換素子１００１の変換効率の低下が発生することが明らかになった。
本実施の形態は、このような現象を基に考案されたものであり、ＳＨＧの吸収によって発生する発熱の要因を補償するような分極反転の周期構造を提案するものである。図１３Ａは、本発明の実施の形態７にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図である。
本実施の形態にかかる短波長光源においては、図１３Ａに示すように、波長変換素子２１０１の入射面２１０６から基本波２１０４を入射し、周期状の分極反転領域２１０２により、基本波２１０４をＳＨＧ２１０５に変換し、出射面２１０７よりＳＨＧ２１０５を出射する。
図１３Ｂに、図１３Ａの波長変換素子２１０１の入射面２１０６からの距離とＳＨＧ出力との関係を示す。図１３Ｂに示すように、波長変換素子２１０１の内部で、ＳＨＧ２１０５の強度は徐々に増大し、出射面２１０７で最大になる。本実施の形態にかかる短波長光源は、図１３Ａに示すように、ＳＨＧ２１０５の強度が特定値を超えた領域、すなわち領域２において、領域１における分極反転周期２１０３より短い周期構造をとっている。具体的には、ＳＨＧ２１０５の強度が特定値以下の領域１においては分極反転周期２１０３は周期Λ１であり、ＳＨＧ２１０５の強度が特定値を越える領域２においては分極反転周期２１０３は、周期Λ１より小さい周期Λ２である。
すなわち、本実施の形態にかかる短波長光源は、ＳＨＧ出力を一定の値Ｐｓｈｇを出力させる場合に、波長変換素子２１０１の内部におけるＳＨＧ２１０５の強度Ｐｓｈｇ＞Ｐ（劣化）となる領域において、波長変換素子２１０１の分極反転周期構造を他の部分とは異なる短い周期構造にするものである。
入射する基本波のパワー、基本波のビーム径、ビーム品質の値より、波長変換素子２１０１の内部におけるＳＨＧ２１０５の強度分布は、図１３Ｂに示すように、出射面２１０７に向かって徐々に増加する。この特性を基に、波長変換素子２１０１における分極反転周期２１０３は、波長変換素子２１０１の内部においてＳＨＧ２１０５の強度がＰ（劣化）を越える領域２においては、領域１における周期より短い周期に設計する必要がある。すなわち、Ｐ（劣化）を超えない領域１の周期をΛ１、Ｐ（劣化）を超える領域２の周期をΛ２とすると、Λ１＞Λ２の関係をとるように設計する。
周期状の分極反転構造を有するＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３の波長変換素子２１０１において、波長１０６４ｎｍの基本波２１０４を波長５３２ｎｍのＳＨＧ２１０５に変換する場合について説明する。基本波２１０４の入力を１０Ｗ、基本波２１０４の集光径をφ３３μｍ、基本波２１０４のビーム品質はほぼ理想的な状態のガウシアン分布とすると、波長変換素子２１０１の長さが１０ｍｍのとき、素子の入射面２１０６から約７ｍｍのところで、ＳＨＧ２１０５の強度は１．５Ｗを越える。従って、波長変換素子２１０１の最適構造としては、素子長の出射面２１０７の近傍の３ｍｍにおいて、分極反転周期２１０３をわずかに短くすることで、波長変換素子２１０１の変換効率を大幅に増大できる。具体的には、領域１の分極反転周期Λ１を６．９７μｍ、領域２における分極反転周期Λ２を６．９６９μｍに設定した。
短波長光源の最大出力を決定すると、必要な最大出力がＰ（劣化）の値を超える場合には、本実施の形態の構成が重要となる。短波長光源において基本波光源のパワー、ビーム品質により最大出力に必要な波長変換素子の長さ、変換効率、基本波パワーが求まる。この条件のもと、最大出力が発生する場合の波長変換素子内部におけるＳＨＧの強度分布が求まり、波長変換素子の分極反転周期構造を決定する。波長変換素子内部で、ＳＨＧ強度がＰ（劣化）を超える領域において、分極反転周期構造を他の部分より短周期の構造にすることで、吸収による温度変化の影響を補償して変換効率の向上が図れる。
本実施の形態では、領域２における分極反転周期構造の周期は一定の値にしたが、出射面に向かって減少させることが望ましい。これは、図１３Ｂに示したように、波長変換素子内部におけるＳＨＧの強度が出射面に向かって徐々に増大することで、素子内部の温度分布も出射面に向かって上昇する。例えば、図１４に示すように、３領域に区分して周期を変えると、図１３Ａに示した領域２において周期一定の波長変換素子に比べると、高出力時における出力低下はさらに低減される。
また、図１５に示すように、領域２における分極反転周期構造の周期は、出射面に向かって徐々に減少する構造がさらに望ましい。波長変換素子内部におけるＳＨＧの強度が出射面に向かって徐々に増大することで、素子内部の温度分布も出射面に向かって上昇する影響を完全に抑えるためには、出射面に向かって、分極反転周期が徐々に減少する構造が望ましい。
本実施の形態にかかる短波長光源においては、領域２の長さは、全長の１／２以下が望ましい。バルク型の波長変換素子の場合、変換効率が最大となる基本波の集光特性は、集光点を結晶の中央とし、基本波のビーム径が結晶の両端において最大となるようにした場合である。このとき、素子内でのＳＨＧの強度は素子中央部でのパワーに対して、出射部で約３倍になる。変換効率が劣化するＰ（劣化）に対して、最大出力が３倍以上になると、光吸収による結晶破壊が生じることが分かった。このため、領域２の長さを素子長の半分以上にしても、出力光の増大は得られないため、領域２の長さを素子長の半分以下にすることが好ましい。
（実施の形態８）
次に、本発明の実施の形態８について説明する。図１６は、本発明の実施の形態８にかかる短波長光源の概略構成を示す断面図である。
本実施の形態にかかる短波長光源は、図１６に示すように、波長変換素子２５０１の入射面２５０６から基本波２５０４を入射し、周期状の分極反転領域２５０２により、基本波２５０４をＳＨＧ２５０５に変換し、出射面２５０７よりＳＨＧ２５０５を出射する。特に、本実施の形態では、上記の実施の形態７のように基本波２５０４を１度だけ波長変換素子内を通過させる構成とは異なり、基本波２５０４をミラー２５０８ａ、２５０８ｂで折り返すことで周期分極反転構造を２度通過させる構成となっている。ミラー２５０８ａ、２５０８ｂのそれぞれの反射方向は、ミラー制御部２５０９により制御されている。
基本波２５０４が波長変換素子２５０１に１回目通過時と２回目通過時の距離は十分に離されており、高出力時の吸収等による温度上昇は互いに影響しない。図１６において、ミラー２５０８ａによる反射前の１回目の基本波２５０４が通過する出射面２５０７の付近、および、ミラー２５０８ｂにより反射した後、２度目に基本波２５０４が波長変換素子２５０１を通過する出射面２５０７の付近は共に、ＳＨＧ２５０５の強度は最大になる。本実施の形態の短波長光源においても、上記の実施の形態７と同様に、ＳＨＧ２５０５の強度が特定値を超えた領域、すなわち領域２においては、領域１における分極反転周期より短い周期構造をとっている。
つまり、波長変換素子２５０１における分極反転周期２５０３は、波長変換素子２５０１の内部においてＳＨＧ２５０５の強度がＰ（劣化）を越える領域２においては、領域１における周期より短い周期に設計する。すなわち、基本波の一回目通過時、および２回目通過時の両方において、Ｐ（劣化）を超えない領域１の周期をΛ１、Ｐ（劣化）を超える領域２の周期をΛ２とすると、Λ１＞Λ２の値をとるように設計する。
本実施の形態の波長変換素子２５０１において、波長１０６４ｎｍの基本波２５０４を波長５３２ｎｍのＳＨＧ２５０５に変換する場合、基本波２５０４の入力を１０Ｗ、基本波２５０４の集光径をφ３３μｍ、基本波２５０４のビーム品質はほぼ理想的な状態のガウス分布とすると、波長変換素子２５０１の長さが１０ｍｍのとき、基本波の一回目通過時は素子の入射面２５０６から約７ｍｍのところで、ＳＨＧ２５０５の強度は１．５Ｗを越える。従って、波長変換素子２５０１の最適構造としては、素子長の出射面２５０７の近傍の３ｍｍにおいて、分極反転周期をわずかに短くすることで、波長変換素子２５０１の変換効率を大幅に増大できる。基本波２５０４の２回目通過時は基本波２５０４の入力パワーがポンプデプレッションおよびミラー２５０８ａ、２５０８ｂを含む光学系によるロスにより減少するため、ＳＨＧ強度が１．５Ｗを超える領域が出射面２５０７側にシフトする。基本波２５０４が波長変換素子を１回目に通過するときと同様に素子の出射面２５０７の近傍の周期を短くすることで２回目通過時の波長変換素子２５０１の変換効率も大幅に増大できる。これにより、変換効率の劣化を抑制し、１０Ｗの基本波入力で、図３の出力特性に対し、およそ２倍のＳＨＧ出力が得られた。
本実施の形態では、基本波の１回目通過時および２回目通過時の両方において、領域２における分極反転周期構造の周期は一定の値にしたが、出射面に向かって減少させることが望ましい。これは、図１３Ｂに示したように、波長変換素子内部におけるＳＨＧの強度が出射面に向かって徐々に増大することで、素子内部の温度分布も出射端面に向かって上昇する。例えば、図１７に示すように、３領域に区分して周期を変えると領域２において周期一定の波長変換素子に比べると高出力時における出力低下はさらに低減される。
また、図１８に示すように、領域２における分極反転周期構造の周期は、出射面に向かって徐々に減少する構造がさらに望ましい。波長変換素子内部におけるＳＨＧの強度が出射面に向かって徐々に増大することで、素子内部の温度分布も出射面に向かって上昇する影響を完全に抑えるためには、出射面に向かって、分極反転周期が徐々に減少する構造が望ましい。
上記の実施の形態７および８にかかる短波長光源においては、領域２の長さは、全長の１／２以下が望ましい。バルク型の波長変換素子の場合、変換効率が最大となる基本波の集光特性は、集光点を結晶の中央とし、基本波のビーム径が結晶の両端において最大となるようにした場合である。このとき、素子内でのＳＨＧの強度は素子中央部でのパワーに対して、出射部で約３倍になる。変換効率が劣化するＰ（劣化）に対して、最大出力が３倍以上になると、光吸収による結晶破壊が生じることが分かった。このため、領域２の長さを素子長の半分以上にしても、出力光の増大は得られないため、領域２の長さを素子長の半分以下にすることが好ましい。
なお、Ｐ（劣化）のパワーはＳＨＧの波長に依存することを図９で示したが、上記の実施の形態７および８にかかる短波長光源においては、具体的にはＳＨＧ波長が５００〜５５０ｎｍの場合、Ｐ（劣化）は約１．５Ｗである。この波長のＳＨＧを出射する場合、波長変換素子内部におけるＳＨＧパワーが１．５Ｗを越える領域においては、分極反転周期を他の部分よりも短く設定することで、変換効率の増大をはかることができた。また、ＳＨＧ波長が４００〜４５０ｎｍの場合、Ｐ（劣化）は約０．２Ｗであった。また、ＳＨＧ波長が３４０〜４００ｎｍの場合Ｐ（劣化）は約０．０５Ｗであった。
上記の実施の形態７および８にかかる短波長光源においては、波長変換素子として周期分極反転が形成されたＺ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３基板を用いた。その他に、ＭｇＯドープＬｉＴａＯ３基板や、ストイキオ組成の同様の基板などであってもよい。さらに、Ｍｇドープ基板以外にも、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃドープ基板においても同様の現象が発生することが考えられるため、上記の実施の形態７および８と同様の効果を得ることができる。
上記の実施の形態７および８にかかる短波長光源においては、波長変換として、位相整合波長として１２００ｎｍ以下の基本波の場合に特に有効である。上記の実施の形態７および８で説明した現象は、発生した紫外光で誘起される高調波吸収熱に起因するものであるから、紫外光が発生する波長領域に対して顕著に現れる。つまり、基本波と高調波の和周波として４００ｎｍ以下の波長が発生する１２００ｎｍ以下の基本波に対して本実施の形態は有効である。
基本波パワー１０Ｗ以上、あるいは高調波パワー３Ｗ以上のときに紫外光発生による高調波吸収が顕著になることが確認されている。そのため、このような高いパワーの基本波、高調波発生時に、上記の実施の形態７および８にかかる短波長光源は有効である。
上記の実施の形態７および８にかかる短波長光源を用いて、高輝度のレーザ画像形成装置を実現することができる。高輝度のレーザ画像形成装置としては例えば、高出力のレーザ光を空間光変調素子で変調し、スクリーンに投射するリアプロジェクション型の画像形成装置や、高出力レーザ光源をバックライトとして用いる液晶テレビが挙げられる。上記の実施の形態７および８にかかる短波長光源を用いることで、高出力時に安定な出力特性を実現するために映像劣化のない高輝度でかつ鮮明な映像を提供することができる。
なお、上記の実施の形態７および８では、熱の発生により屈折率が上昇し、位相整合条件がずれることで変換効率（出力）が低下したが、レーザ光の入射により結晶内の屈折率が変化し、位相整合条件がずれることで変換効率（出力）が低下する場合においても、位相整合条件のずれを分極反転周期により補償することで変換効率（出力）の低下を抑えることができるため、上記の実施の形態７および８と同様の効果が得られる。
以上説明したように、本発明の実施の形態７および８にかかる短波長光源は、基本波を第２高調波に変換する波長変換素子を含み、波長変換素子は、周期状の分極反転構造を有するバルク非線形光学材料からなり、波長変換素子は基本波を入射する入射部と、高調波を出射する出射部と、を備え、波長変換素子の出射部近傍の少なくとも一部の領域における分極反転構造の周期が変化している構成により、結晶内部に入射した基本波と、波長変換された高調波との相互作用で発生した紫外光が原因で生じる高調波吸収熱による素子内の温度分布を利用して基本波から高調波への変換効率の低下を抑制することで、光出力、ビームプロファイルを安定に保持し、高出力レーザ光源の信頼性を確保する、という効果を有する。
（実施の形態９）
次に、本発明の実施の形態９について説明する。最初に、本実施の形態の背景となる、波長変換素子の変換効率低下と出力の不安定性について説明する。一般に、バルク型の波長変換素子による波長変換は変換効率が低く、従来は固体レーザの共振器内部に波長変換素子を挿入する内部共振器型が主流であった。これに対して、周期状の分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３やＭｇＯ：ＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４などの高非線形光学材料を用いることで、基本波をシングルパスで波長変換する構成が可能になった。シングルパスによる波長変換の高効率化には、基本波光源、集光光学系に特有の特性が要求される。
基本波光源に必要なのは、良好なビーム品質と、狭帯域の波長スペクトルである。ビーム品質は集光特性で測定するＭ２で表されガウス分布に近い特性を求められる。ガウス分布と一致した場合がＭ２＝１であるが、高効率変換にはＭ２＜１．２の特性が必要である。ビーム径は真円に近く、波長スペクトルは素子長に依存するが０．１ｎｍ以下の狭帯域性が必要である。また、集光特性としては、相互作用長の中心に集光スポットを有し、以下の（１）式で表される集光特性を満足した場合に、変換効率が最大となる。
Ｌ×λ／（２π×ｎ×ω０ ２）＝２．８４ …（１）
ここで、Ｌは波長変換素子の長さ、ω０は１／ｅ２（ｅは自然対数の底）集光スポット半径、λは基本波波長、ｎは基本波に対する屈折率、である。
このような条件において、高効率な波長変換が可能となり、シングルパス変換で２Ｗの出力が３０％を超える変換効率で得られた。このような構成において、図１２で示した周期状の分極反転構造を有するバルク型の波長変換素子１２０１において、基本波１２０４を第２高調波（ＳＨＧ）１２０５に変換する場合、ＳＨＧ出力は基本波の２乗に比例して増大する。ところが、一定のＳＨＧ出力を越えると、ＳＨＧの出力が２乗特性から大きく低下する現象が観測された。
この低下の原因を調べたところ、基本波１２０４とＳＨＧ１２０５の和周波であるＴＨＧが発生しており、このＴＨＧの発生の影響によりＳＨＧ光の吸収が発生し、この吸収による発熱で位相整合条件が乱されていることが分かった。
さらに詳細に検討した結果、ＳＨＧ光の吸収は、ＴＨＧの強度に比例して増大するため、ＳＨＧ光のビームパスにおける発熱量は、ＳＨＧとＴＨＧのパワー密度の積で求まることが実験と解析により明らかになった。この結果を図２４ＡおよびＢに示す。ＳＨＧ素子内部で、ＴＨＧによる吸収によって発生する発熱量の最大値は、素子中央部より出射端側に位置し、発熱は素子長Ｌとして入射部からＬ／２〜２Ｌ／３の位置に集中していることが明らかになった。
これらの実験結果を基に、本実施の形態では、波長変換素子内部での発熱による温度分布によって発生する変換効率低下や出力低下、結晶損傷を低減する構成について提案する。
本実施の形態は、バルク型の波長変換素子のシングルパス変換において、変換効率が最大となる最適集光設計の光学系において、波長変換素子内部発生する熱の集中を緩和する構成、あるいは熱分布を利用して変換効率低下を抑制する構成を提案する。従来の構成と異なるのは、バルク型の波長変換素子の最適構成での現象を扱っていない点、また、ＴＨＧによるＳＨＧ光の吸収による発熱現象について考慮されていない点である。また、実験によりＳＨＧ変換効率が劣化するＳＨＧのパワーは、図９に示したように、非常に強い波長依存性を持つことが明らかになっている。
本実施の形態は、このような現象を基に考案されたものであり、ＳＨＧの吸収によって発生する発熱を、放熱構造を工夫したり、温度制御方法を改良したり、あるいは発熱していない部分を加熱したりすることで波長変換素子の温度分布を低減し、変換効率を維持するために提案されたものである。
図２０は、本発明の実施の形態９にかかる短波長光源の概略構成を示す図である。本実施の形態にかかる短波長光源は、波長変換素子３１０１の伝搬方向に複数のペルチェ素子３１１０、３１１１を配置している。本実施の形態にかかる短波長光源は、図２０に示すように、波長変換素子３１０１と、第１の保持部３１１２と、第２の保持部３１１３と、制御部３１１４と、を備えている。第１の保持部３１１２は、２つの放熱剤３１０８に挟まれた銅板３１０９と、銅板３１０９の温度を制御することにより銅板３１０９の上部に配置された波長変換素子３１０１の一部を温度制御するペルチェ素子３１１０と、を有しており、第２の保持部３１１３は、２つの放熱剤３１０８に挟まれた銅板３１０９と、銅板３１０９の温度を制御することにより銅板３１０９の上部に配置された波長変換素子３１０１の残りの一部を温度制御するペルチェ素子３１１１と、を有している。第１の保持部３１１２のペルチェ素子３１１０および第２の保持部３１１３のペルチェ素子３１１１のそれぞれは制御部３１１４に接続され、制御部３１１４によって温度制御される。
本実施の形態にかかる短波長光源では、波長変換素子３１０１に、周期状の分極反転領域３１０２が複数形成されている。波長変換素子３１０１を構成する基板の厚みは１ｍｍである。分極反転領域３１０２は基板結晶のＹ軸に沿って形成されている。分極反転領域３１０２は基板の＋Ｚ面から−Ｚ面側に向かって形成されている。分極反転領域３１０２は電界印加法により作製した。分極反転周期３１０３は６．９７μｍ（Λ）で形成され、波長１０６４ｎｍの光（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）を波長５３２ｎｍの緑色光に波長変換することができる。波長変換素子３１０１の温度を制御するための温調制御素子としてペルチェ素子３１１０、３１１１を用いた。本実施の形態では、ペルチェ素子３１１０、ペルチェ素子３１１１は、光の伝搬方向に並ぶように配置され、それぞれが独立した温度で制御することができる。
本実施の形態の波長変換素子３１０１において、波長１０６４ｎｍの基本波３１０４を波長５３２ｎｍのＳＨＧ３１０５に変換する場合、基本波３１０４の入力を１０Ｗ、基本波３１０４の集光径をφ３３μｍ、基本波３１０４のビーム品質はほぼ理想的な状態のガウシアン分布とすると、波長変換素子３１０１の長さが１０ｍｍのとき、波長変換素子３１０１の入射面３１０６から５〜６ｍｍのところで、ＴＨＧによる吸収によって発生する発熱量は最大値をとり、その部分を中心に素子が温度上昇し、温度分布ができる。従って、波長変換素子３１０１の温度制御としては、素子の中心から出射面３１０７の近傍にかけた部分において、直近に温度制御をおこなうペルチェ素子を設置し、温度制御することで、波長変換素子の変換効率の低下を抑制できる。
本実施の形態では、波長変換素子として１０ｍｍの素子を用いたが、これに限らない。素子長がＬで基本波の集光スポット位置をＬ／２にした場合、ＴＨＧによるＳＨＧ吸収が原因で、入射面側からＬ／２〜２Ｌ／３の位置に発熱が集中する。その位置を中心とする温度分布を抑制するように、本実施の形態と同様の温度制御をすることで変換効率低下と出力低下を抑えることができる。
本実施の形態では、伝搬方向に発生した温度分布を回避するために温度上昇が顕著に現れる出射面近傍にペルチェ素子を１つ配置して温度制御をおこなったが、ペルチェ素子は温度分布が発生する箇所に２個以上であってもかまわない。例えば、図２１に示すように、熱発生が集中する波長変換素子の入射側から５〜６ｍｍ位置と、出射面近傍位置に、伝搬方向の温度分布に合わせて素子温度が一定になるように複数個のペルチェ素子を配置する。ペルチェ素子の配置方法は温度分布が抑制されるのであればこれらの配置方法に限らない。
（実施の形態１０）
次に、本発明の実施の形態１０について説明する。本実施の形態は、発熱により位相整合条件がずれた部分の分極反転周期を短くすることで位相整合条件を補償して変換効率低下を抑制するものである。図２２は、本発明の実施の形態１０にかかる短波長光源の概略構成を示す図である。
本実施の形態にかかる短波長光源においては、図２２に示すように、波長変換素子３４０１の入射面３４０６から基本波３４０４を入射し、周期状の分極反転領域３４０２により、基本波３４０４をＳＨＧ３４０５に変換し、出射面３４０７よりＳＨＧ３４０５を出射する。
本発明の短波長光源は、図２４Ｂに示すように、波長変換素子３４０１の長さが１０ｍｍのとき、素子の入射面３４０６から５〜６ｍｍのところで、ＴＨＧによるＳＨＧの吸収によって発生する発熱量は最大値をとり、その部分を中心に素子が温度上昇し、温度分布ができるため、発熱ピーク位置、すなわち領域２において、領域１における分極反転周期より短い周期構造をとっている。すなわち、本実施の形態は、波長変換素子内部におけるＳＨＧ吸収による温度上昇で屈折率が増加する領域において、波長変換素子の分極反転周期構造を他の部分とは異なる短い周期構造にするものである。
具体的には、熱発生がなく屈折率変化のない領域（領域１、領域３）の周期をΛ１、熱発生により屈折率が増大する領域（領域２）の周期をΛ２とすると、Λ１＞Λ２の関係をとるように設計する。周期状の分極反転構造を有するＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３の波長変換素子において、波長１０６４ｎｍの基本波３４０４を波長５３２ｎｍのＳＨＧ３４０５に変換する場合について説明する。基本波３４０４の入力を１０Ｗ、基本波３４０４の集光径をφ３３μｍ、基本波３４０４のビーム品質はほぼ理想的な状態のガウシアン分布とすると、波長変換素子３４０１の長さが１０ｍｍのとき、素子の入射面３４０６から５〜６ｍｍのところで、ＴＨＧによる吸収によって発生する発熱量は最大値をとり、その部分を中心に素子が温度上昇し、温度分布ができる。従って、波長変換素子の最適構造としては、素子の入射面３４０６から５〜６ｍｍにおいて、分極反転周期をわずかに短くすることで、波長変換素子の変換効率を大幅に増大できる。具体的には、領域１、３の周期を６．９７μｍ、領域２における分極反転周期を６．９６９μmに設定した。波長変換素子内部で、ＴＨＧによるＳＨＧ吸収で熱が発生し、屈折率が増大する領域において、分極反転周期構造を他の部分より短周期の構造にすることで、吸収による温度変化の影響を補償して変換効率の向上が図れる。
本実施の形態では、波長変換素子として１０ｍｍの素子を用いたが、これに限らない。素子長がＬで基本波の集光スポット位置をＬ／２にした場合、ＴＨＧによるＳＨＧ吸収が原因で、入射側からＬ／２〜２Ｌ／３の位置に発熱が集中する。その位置を中心とする温度分布を補償するように、本実施の形態と同様に分極反転周期を短くすることで変換効率低下と出力低下を抑えることができる。
本実施の形態では、領域２における分極反転周期構造の周期を一定の値にしたが、熱発生のピーク位置を中心に増加させることが望ましい。図２４Ｂに示したように、素子長１０ｍｍの場合、入射面から５〜６ｍｍの位置に発熱ピークを持ち、その部分の温度上昇が最も高い。そのため、例えば、図２３に示すように、領域２における分極反転周期構造の周期は、素子内部の温度分布を完全に補償するような熱発生ピーク位置を中心に徐々に増大する構造が望ましい。
上記の実施の形態９および１０にかかる短波長光源においては、波長変換素子として周期分極反転が形成されたＺ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３基板を用いた。その他に、ＭｇＯドープＬｉＴａＯ３基板や、ストイキオ組成の同様の基板などであってもよい。さらに、Ｍｇドープ基板以外にも、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃドープ基板においても同様の現象が発生することが考えられるため、上記の実施の形態９および１０と同様の効果を得ることができる。
上記の実施の形態９および１０にかかる短波長光源においては、波長変換として、位相整合波長として１２００ｎｍ以下の基本波の場合に特に有効である。上記の実施の形態９および１０で説明した現象は、発生した紫外光で誘起される高調波吸収熱に起因するものであるから、紫外光が発生する波長領域に対して顕著に現れる。つまり、基本波と高調波の和周波として４００ｎｍ以下の波長が発生する１２００ｎｍ以下の基本波に対して本実施の形態は有効である。
基本波パワー１０Ｗ以上、あるいは高調波パワー３Ｗ以上のときに紫外光発生による高調波吸収が顕著になることが確認されている。そのため、このような高いパワーの基本波、高調波発生時に、上記の実施の形態９および１０にかかる短波長光源は有効である。
上記の実施の形態９および１０にかかる短波長光源を用いて、高輝度のレーザ画像形成装置を実現することができる。高輝度のレーザ画像形成装置としては例えば、高出力のレーザ光を空間光変調素子で変調し、スクリーンに投射するリアプロジェクション型の画像形成装置や、高出力レーザ光源をバックライトとして用いる液晶テレビが挙げられる。上記の実施の形態９および１０にかかる短波長光源を用いることで、高出力時に安定な出力特性を実現するために映像劣化のない高輝度でかつ鮮明な映像を提供することができる。
なお、上記の実施の形態９および１０では、熱の発生により屈折率が上昇し、位相整合条件がずれることで変換効率（出力）が低下したが、レーザ光の入射により結晶内の屈折率が変化し、位相整合条件がずれることで変換効率（出力）が低下する場合においても、位相整合条件のずれを分極反転周期および温度制御方法により補償することで変換効率（出力）の低下を抑えることができるため、上記の実施の形態９および１０と同様の効果が得られる。
上記の各実施の形態から本発明を要約すると、以下のようになる。すなわち、本発明の一局面に従う短波長光源は、基本波が入射される入射面および高調波が出射される出射面と、を有し、前記基本波を前記高調波に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子を保持する保持部とを備え、前記波長変換素子は、前記波長変換素子の前記出射面側の一部の領域である特定領域において、前記波長変換素子による波長変換の際における前記高調波の吸収による発熱に起因する前記基本波と前記高調波との間の位相整合条件の変動が抑制されるように構成される。
上記の短波長光源では、波長変換素子の特定領域において高調波の吸収により発熱が生じた場合でも、その発熱に起因する基本波と高調波との間の位相整合条件の変動が抑制されるので、高調波出力の安定化を図ることができる。
前記特定領域と前記保持部との間の熱抵抗は、前記特定領域以外の他の領域と前記保持部との間の熱抵抗より低いことが好ましい。
この場合、特定領域からの発熱を効率よく放熱させることができるので、位相整合条件の変動がより効果的に抑制することができる。
前記保持部は、前記特定領域の温度を変更する第１の温度変更部材を有し、前記第１の温度変更部材は、前記特定領域の温度が前記特定領域以外の他の領域の温度と略同一となるように、前記特定領域の温度を変更することが好ましい。
この場合、波長変換素子の温度分布を均一に保つことができるので、特定領域における位相整合条件の変動を抑制することができる。
前記高調波の光強度は、前記波長変換素子の前記入射面から前記出射面に向かうに方向に沿って増加しており、前記特定領域は、前記高調波の光強度が所定値を超えた位置から前記出射面までの間の領域であることが好ましく、前記高調波の波長は、５００〜５５０ｎｍであり、前記所定値は、１．５Ｗである、前記高調波の波長は、４００〜４５０ｎｍであり、前記所定値は、０．２Ｗである、または、前記高調波の波長は、３４０〜４００ｎｍであり、前記所定値は、０．０５Ｗであることが好ましい。
この場合、特定領域の位置を正確に把握することができるので、特定領域における位相整合条件の変動をさらに効果的に抑制することができる。
前記特定領域の長さは、前記波長変換素子の長さの２分の１以下であることが好ましい。
この場合、波長変換素子の破壊を招くことなく、高調波の出力を最大値まで向上させることができる。
前記保持部はさらに、前記特定領域以外の他の領域の温度を変更する第２の温度変更部材を有し、前記特定領域と前記第１の温度変更部材との間の熱抵抗θ１と前記特定領域以外の他の領域と前記第２の温度変更部材との間の熱抵抗θ２とは、θ１＜θ２の関係を満足することが好ましい。
この場合、特定領域からの発熱を効率よく放熱させることができるので、位相整合条件の変動をより効果的に抑制することができる。
前記波長変換素子内部の基本波のビーム経路と前記特定領域の前記保持部側の表面との間の距離は、前記基本波のビーム経路と前記特定領域以外の他の領域の前記保持部側の表面との間の距離より短いことが好ましく、前記基本波のビームは、前記特定領域の前記保持部側の表面の近傍を通過する、または、前記基本波のビームは、前記特定領域または前記特定領域の近傍の領域の前記保持部側の表面で反射されることが好ましい。
この場合、特定領域からの発熱を保持部側から効率よく放熱させることができるので、位相整合条件の変動をより効果的に抑制することができる。
前記特定領域の厚みは、前記特定領域以外の他の領域の厚みより薄いことが好ましい。
この場合、特定領域の温度上昇を緩和させることができるので、位相整合条件の変動をより効果的に抑制することができる。
前記第１の温度変更部材は、前記高調波の吸収による前記特定領域からの発熱を自身の表面から放熱させる第１の放熱部材であり、前記第２の温度変更部材は、前記高調波の吸収による前記特定領域以外の他の領域からの発熱を自身の表面から放熱させる第２の放熱部材であり、前記第１の放熱部材の表面積は、前記第２の放熱部材の表面積より大きいことが好ましい。
この場合、特定領域からの発熱を効率よく放熱させることができるので、位相整合条件の変動をより効果的に抑制することができる。
前記特定領域以外の他の領域を加熱する加熱部をさらに備え、前記加熱部は、前記特定領域以外の他の領域の温度が前記特定領域の温度と略同一となるように、前記特定領域以外の他の領域を加熱することが好ましい。
この場合、波長変換素子の温度分布を均一に保つことができるので、特定領域における位相整合条件の変動を抑制することができる。
前記特定領域の分極反転周期は、前記特定領域以外の他の領域の分極反転周期より短いことが好ましい。
この場合、波長変換素子の特定領域において高調波の吸収により発熱が生じた場合でも、特定領域の分極反転周期を特定領域以外の他の領域の分極反転周期より短くしておくことにより、その発熱に起因する位相整合条件の変動を抑制することができる。
前記特定領域の分極反転周期は、前記波長変換素子の前記入射面から前記出射面に向かう方向に沿って徐々に短くなるように設定されることが好ましい。
この場合、高調波の光強度の上昇に合わせて分極反転周期が短くなるので、位相整合条件の変動をより効果的に抑制することができる。
前記特定領域の分極反転周期は、前記特定領域の温度分布に応じて設定されることが好ましい。
この場合、特定領域の温度分布に応じて分極反転周期が短くなるので、各温度に合った分極反転周期が設定される。このため、位相整合条件の変動をより効果的に抑制することができる。
基本波光源から出射される基本波を前記波長変換素子に入射し、前記基本波を前記波長変換素子の内部に集光する光学系をさらに備え、前記特定領域は、前記光学系による前記基本波の集光スポットの近接に位置し、且つ、前記集光スポットの前記出射面側に位置することが好ましい。
この場合、基本波の集光スポットの位置に応じて特定領域を正確に把握することができるので、特定領域における位相整合条件の変動をさらに効果的に抑制することができる。
前記特定領域の分極反転周期は、前記特定領域の中心から前記波長変換素子の前記入射面および前記出射面に向かう各方向に沿って徐々に短くなるように設定されることが好ましい。
この場合、高調波の光強度の上昇に合わせて分極反転周期が短くなるので、位相整合条件の変動をより効果的に抑制することができる。
前記基本波のビーム強度分布が、ガウス分布に近似され、前記波長変換素子の長さＬ、前記集光スポットの半径ω０、前記基本波の波長λおよび前記基本波に対する前記波長変換素子の屈折率ｎが、以下の関係を実質的に満足する場合に、前記特定領域は、前記入射面から前記出射面に向かってＬ／２〜２Ｌ／３離れた位置にあることが好ましい。
Ｌ×λ／（２π×ｎ×ω０ ２）＝２．８４
この場合、基本波から高調波への変換効率を最大にしつつ、高調波出力の安定化を図ることができる。
前記波長変換素子は、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃのうちの少なくとも１つが添加されたＬｉＴａ（１−ｘ）ＮｂｘＯ３（０≦ｘ≦１）であることが好ましい。
この場合、波長変換素子を、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃのうちの少なくとも１つが添加されたＬｉＴａ（１−ｘ）ＮｂｘＯ３（０≦ｘ≦１）とした場合でも、高調波の吸収による発熱に起因する位相整合条件の変動を抑制して、高調波出力の安定化を図ることができる。
本発明の他の一局面に従うレーザ画像形成装置は、上記の短波長光源と、前記短波長光源から出射される光を変調する空間光変調素子とを備える。
上記のレーザ画像形成装置では、短波長光源から出射される光の出力の安定化が図られ、その光を用いて空間光変調素子が空間変調して画像を形成するので、形成される画像の精度を向上させることができる。
本発明に係る短波長光源およびレーザ画像形成装置は、高出力時の基本波から高調波への変換効率を維持し、波長変換された高出力の高調波光を安定に出力することができ、短波長の光を出力する短波長光源、及びそれを用いたレーザ画像形成装置として有用である。
本発明は、短波長光源およびそれを用いたレーザ画像形成装置に関する。
強誘電体の分極を強制的に反転させる分極反転現象を利用すると、強誘電体の内部に周期的な分極反転領域（分極反転構造）を形成することができる。このようにして形成された分極反転領域は、表面弾性波を利用した光周波数変調器や、非線形分極の分極反転を利用した光波長変換素子、プリズム形状やレンズ形状の反転構造を利用した光偏光器などに利用される。特に、非線形光学物質の非線形分極を周期的に反転することで変換効率の高い光波長変換素子を作製することができる。これを用いて半導体レーザなどの光を変換すれば、印刷、光情報処理、光応用計測制御分野などに応用できる小型の短波長光源を実現することができる。あるいは、ワット級の高出力レーザ（ファイバーレーザ、あるいは固体レーザなど）の光を変換すれば、ワット級の短波長可視光（緑色、青色）、あるいは高出力な紫外レーザが実現し、高輝度ディスプレイ、加工、露光などに応用できる高出力短波長光源を提供することができる。
基本波の単行（シングルパス）変換によりワット級の高出力ＣＷ可視光発生を実現する有望な手法として、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ ＬｉＮｂＯ３：以下、「ＰＰＬＮ」と略す）を用いた第２高調波発生がある。ＬｉＮｂＯ３（以下、「ＬＮ」と略す）は、大きな非線形光学定数を有しているために、シングルパスでＣＷ、ワット級の短波長光発生が可能である。しかしながら、ＬＮでは光損傷、緑色光により誘起される赤外吸収（Ｇｒｅｅｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：以下、「ＧＲＩＩＲＡ」と略す）などによる影響のため、出力が不安定になる、高温動作が必要である、という課題があった。
上述した課題を解決するために、周期分極反転ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３：以下、「ＰＰＭｇＬＮ」と略す）を用いたシングルパス構成による可視短波長光発生がある。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（以下、「ＭｇＬＮ」と略す）は、ＬＮと比較して高い非線形光学定数、優れた耐光損傷性、短波長域への透過特性を有するため、シングルパス構成で室温ＣＷのワット級出力が実現可能な高非線形材料として有望である。
ところで、波長変換素子内でのレーザ光入射による素子温度分布による変換効率低下を抑制するために、特許文献１に示されるような線状に加熱する手段を設ける、あるいは、特許文献２おいては、光軸方向の温度分布に基づいて結晶の温度差が０．１℃以内になるように素子を移動させて配置する構成、あるいは特許文献３では素子の入射面および出射面付近の冷却と素子中間部分の温度調整手段を異ならせて伝搬方向の温度分布を低減する手段がとられている。特許文献４では素子の両側面にペルチェ素子を４つ配置し、素子の幅方向の温度分布を抑制し、変換効率を維持する方法が挙げられている。
特開平１１−１２５８００号公報 特開２００３−１４０２１１号公報 特開２００４−５３７８１号公報 特開平５−２０４０１１号公報 特開２０００−３２１６１０号公報
しかし、室温ＣＷでワット級出力が実現可能な材料として期待されているＭｇＬＮにおいては、高出力時に、光損傷やＧＲＩＩＲＡ、あるいはレーザ入射による素子温度分布発生とは異なる別の現象が発生し、高調波出力が不安定になる、あるいは結晶が破損する、という新たな課題が発生した。我々は、この要因を検証した結果、基本波と高調波の相互作用で発生した紫外光により誘起される高調波光吸収が原因で結晶内部に熱が発生し、高調波出力が不安定になる、ということを見出した。特に、高出力の高調波発生時において基本波と高調波の和周波が発生する光源では、高調波の吸収による熱の発生が顕著になることが判明した。従来、このような高調波光吸収および和周波による熱の発生は認識されていない。
また、特許文献５に示されるように波長変換素子の位相整合の許容度を拡大するために分極反転の周期を変えた波長変換素子が提案されている。
本発明の目的は、高調波吸収で発生する熱による素子内の温度分布を抑制し、変換効率を維持することにより高調波出力の安定化を図ることができる短波長光源を提供することである。
本発明の一局面に従う短波長光源は、基本波が入射される入射面および高調波が出射される出射面と、を有し、前記基本波を前記高調波に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子を保持する保持部とを備え、前記波長変換素子は、前記波長変換素子の前記出射面側の一部の領域である特定領域において、前記波長変換素子による波長変換の際における前記高調波の吸収による発熱に起因する前記基本波と前記高調波との間の位相整合条件の変動が抑制されるように構成される。
上記の短波長光源では、波長変換素子の特定領域において高調波の吸収により発熱が生じた場合でも、その発熱に起因する基本波と調波との間の位相整合条件の変動が抑制されるので、高調波出力の安定化を図ることができる。
本発明によれば、高調波吸収で発生する熱による素子内の温度分布を抑制し、変換効率を維持することにより高調波出力の安定化を図ることができる短波長光源を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするためにそれぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、形状等については正確な表示ではない。
（実施の形態１）
最初に、本実施の形態の背景となる、波長変換素子の出力の不安定性について説明する。図１２に、従来の短波長光源の概略構成を示す。図１２の波長変換素子１２０１は、周期状の分極反転構造を有するバルク型の波長変換素子であり、基本波１２０４を第２高調波（以下、「ＳＨＧ」とする）１２０５に変換する場合、ＳＨＧ１２０５の出力は基本波１２０４の２乗に比例して増大する。ところが、一定のＳＨＧ出力を越えると、ＳＨＧ１２０５の出力が２乗特性から大きく低下する現象が観測された。図１０に、基本波１２０４の入力パワーに対するＳＨＧ１２０５の出力の変化を示す。図１０に示すように、ＳＨＧ１２０５の出力パワーが１．５ワットを越えた付近から、２乗特性が成立していない。
この低下の原因を調べたところ、波長変換素子１２０１が基本波１２０４をＳＨＧ１２０５に変換する際において、基本波１２０４とＳＨＧ１２０５の和周波であるＴＨＧ（波長が基本波１２０４の波長の１／３）が発生しており、このＴＨＧの発生の影響により、波長変換素子１２０１によるＳＨＧ光の吸収が発生し、この吸収による発熱で波長変換素子１２０１の位相整合条件が乱されていることが分かった。図１１に、このときの波長変換素子１２０１の光伝搬方向に沿った温度分布を示す。図１２のペルチェ素子１２０８を用い、波長変換素子１２０１の温度を一定に保持するように制御しようとしたが、図１１の温度分布は回避されなかった。このため、ＴＨＧの強度が一定の値を超える領域では、ＳＨＧ１２０５の吸収による発熱が顕著になり、位相整合条件が成立しなくなり、波長変換素子１２０１の変換効率の低下が発生することが明らかになった。
また、図９に、ＳＨＧ１２０５の波長と変換効率の低下が開始するＳＨＧ出力との関係を示す。図９に示すように、変換効率の低下が開始するＳＨＧ出力はＳＨＧ１２０５に対して非常に強い波長依存性を持つことが明らかになった。
本実施の形態は、このような現象を基に考案されたものであり、ＳＨＧの吸収によって発生する発熱を、放熱構造の工夫、温度制御の改良、あるいは、発熱していない部分の加熱により波長変換素子の温度分布を低減することにより、波長変換素子の変換効率を維持することができるものである。
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る短波長光源の概略構成を示す断面図である。本実施の形態に係る短波長光源は、波長変換素子１０１の伝搬方向に複数のペルチェ素子１１０、１１１を配置している。本実施の形態に係る短波長光源は、図１Ａに示すように、波長変換素子１０１と、第１の保持部１１２と、第２の保持部１１３と、制御部１１４と、を備えている。第１の保持部１１２は、２つの放熱剤１０８に挟まれた銅板１０９と、銅板１０９の温度を制御することにより銅板１０９の上部に配置された波長変換素子１０１の一部を温度制御するペルチェ素子１１０と、を有しており、第２の保持部１１３は、２つの放熱剤１０８に挟まれた銅板１０９と、銅板１０９の温度を制御することにより銅板１０９の上部に配置された波長変換素子１０１の残りの一部を温度制御するペルチェ素子１１１と、を有している。第１の保持部１１２のペルチェ素子１１０および第２の保持部１１３のペルチェ素子１１１のそれぞれは制御部１１４に接続され、制御部１１４によって温度制御される。
本実施の形態の短波長光源においては、波長変換素子１０１に、周期状の分極反転領域１０２が複数形成されている。波長変換素子１０１を構成する基板の厚みは１ｍｍである。分極反転領域１０２は基板結晶のＹ軸に沿って形成されている。分極反転領域１０２は基板の＋Ｚ面から−Ｚ面側に向かって形成されている。分極反転領域１０２は電界印加法により作製した。分極反転領域１０２の分極反転周期１０３は６．９７μｍ（Λ）で形成され、波長１０６４ｎｍの光（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）を波長５３２ｎｍの緑色光に波長変換することができる。波長変換素子１０１の温度を制御するための温調制御素子としてペルチェ素子１１０、１１１を用いた。本実施の形態では、第１の保持部１１２のペルチェ素子１１０および第２の保持部１１３のペルチェ素子１１１のそれぞれは、図１Ａに示すように光の伝搬方向に並ぶように配置され、それぞれが独立した温度で制御部１１４により制御することができる。
図１２を用いて、まず、従来の構成におけるＳＨＧ光の高出力特性について述べる。図１２に示した短波長光源においては、波長変換素子１２０１は保持部１２０９により保持され、保持部１２０９の１つのペルチェ素子１２０８により波長変換素子１２０１の温度制御が行われる。波長変換素子１２０１の表面には、波長変換素子１２０１からの発熱を放熱するため、放熱剤１２０６を介して銅板１２０７が貼り付けられている。また、波長変換素子１２０１と銅板１２０７は、ペルチェ素子１２０８で一定の温度に温度制御されている。波長変換素子１２０１の素子長を１０ｍｍとし、集光レンズで集光した波長１０６４ｎｍの低パワーの基本波（７Ｗ以下）１２０４を入射したところ、変換効率３％／Ｗで波長変換され、波長５３２ｎｍのＳＨＧ１２０５が得られた。均一な分極反転領域１２０２を形成することで高効率の波長変換が可能となる。基本波１２０４である波長１０６４ｎｍの赤外入力パワーを上昇させると、基本波入力７Ｗ以下においては２乗特性に従い高調波出力が増大する。しかしながら、図１２で示された従来の短波長光源では、図１０で述べたように、高調波出力が１．５Ｗ以上になると２乗特性から外れ、出力が不安定になった。
発明者らの実験において、図１０に示したような２乗特性の劣化は、ＳＨＧ強度が特定の値を超えた領域から突然顕著に現れることが判明した。この要因としては、ＴＨＧにより誘起されるＳＨＧの吸収により屈折率が増加し、実効的な分極反転構造の周期が増大するため、位相整合が不整合状態となり、変換効率を低下させることが挙げられる。屈折率変化は１０−６〜１０−５程度であり、ＳＨＧ吸収による発熱により発生する。ＳＨＧ強度の変化による吸収係数の変化はあまり大きくないため、変換効率が劣化するＳＨＧのパワーは、ほぼ一定の値をとる。さらに、変換効率が劣化するＳＨＧのパワーは、強い波長依存性を持ち、図９に示したように、波長によって大きく異なることが分かった。これは、ＳＨＧの吸収係数がＳＨＧの波長に依存しているためと思われる。従って、波長が決まれば、ＳＨＧの変換効率が劣化するＳＨＧのパワーが一義的に求まる。
そこで、これらの条件を基に、短波長光源の設計を行うことができる。例えば、ＳＨＧの波長をλｓｈｇとし、このλｓｈｇに対して出力が劣化するＳＨＧのパワーをＰ（劣化）とする。短波長光源において、ＳＨＧ出力を一定の値Ｐｓｈｇで出力させたい場合、Ｐｓｈｇ＞Ｐ（劣化）の条件においては、波長変換素子の発熱による温度分布を低減するように放熱構造や温度制御方法を最適に設計する必要がある。
例えば、波長変換素子において、波長１０６４ｎｍの基本波を波長５３２ｎｍのＳＨＧに変換する場合、基本波の入力を１０Ｗ、基本波の集光径をφ３３μｍ、基本波のビーム品質をほぼ理想的な状態のガウシアン分布とすると、波長変換素子の長さが１０ｍｍのとき、素子の入射面から出射面に向って約７ｍｍ進んだところで、ＳＨＧの強度は１．５Ｗを越える。なお、ＳＨＧ波長５３２ｎｍのときのＰ（劣化）の値は、図９より約１．５Ｗである。従って、波長変換素子の温度制御としては、出射面近傍の３ｍｍにおいてペルチェ素子を設置し、そのペルチェ素子を用いて温度制御することで波長変換素子の変換効率を大幅に増大できる。
上記提案をもとに、図１Ａで示された本実施の形態の短波長光源を用いて同様の実験をおこなった。形成された分極反転領域１０２は、図１２で示された短波長光源と同等の分極反転特性（均一性、形成領域）が得られており、高調波出力が１．５Ｗ以下の時の変換効率は３％／Ｗと同じであった。図１Ａで示された短波長光源を用いると、高調波出力が１．５Ｗ以上になっても２乗特性の劣化、出力の不安定化および変換効率の低下は発生せず、安定な出力、高品質のビームプロファイルを得ることができた。図３に、その結果を示す。緑色出力１．５Ｗの高出力時には基本波および高調波の吸収により素子の温度分布が発生したが、２つのペルチェ素子１１０、１１１を個別に制御することで、光伝搬方向における温度分布を回避し、素子温度を一定することができた。緑色出力２．５Ｗの時においても従来の光源では急激な変換効率の低下が発生していたが、２つのペルチェ素子１１０、１１１の温度制御を適切に行うことにより変換効率の低下および出力低下を抑制し、安定な出力を得ることができた。
図１Ｂに、図１Ａの波長変換素子１０１の入射面１０６からの距離とＳＨＧ出力との関係を示す。図１Ｂに示すように、本実施の形態に係る短波長光源においては、入射面１０６から出射面に向って約７ｍｍ進んだところで、出力が劣化するＳＨＧ出力（特定値）を超えているが、上述したように、２つのペルチェ素子１１０、１１１の温度制御を適切に行うことにより変換効率の低下および出力低下を抑制し、安定な出力を得ることができた。
本実施の形態に係る短波長光源においては、伝搬方向に発生した温度分布を回避するために温度上昇が顕著に現れる出射面近傍に、１つのペルチェ素子１１１を配置して温度制御を行ったが、出射面近傍に２個以上のペルチェ素子を配置しても構わない。図２は、本発明の実施の形態１に係る短波長光源の他の概略構成を示す断面図である。図２の短波長光源は、波長変換素子２０１の伝搬方向に複数のペルチェ素子２１０、２１１、２１２を配置している。図２の短波長光源は、波長変換素子２０１と、第１の保持部２１３と、第２の保持部２１４と、第３の保持部２１５と、制御部２１６と、を備えている。第１の保持部２１３は、２つの放熱剤２０８に挟まれた銅板２０９と、銅板２０９の温度を制御することにより銅板２０９の上部に配置された波長変換素子２０１の一部を温度制御するペルチェ素子２１０と、を有しており、第２の保持部２１４は、２つの放熱剤２０８に挟まれた銅板２０９と、銅板２０９の温度を制御することにより銅板２０９の上部に配置された波長変換素子２０１の他の一部を温度制御するペルチェ素子２１１と、を有しており、第３の保持部２１５は、２つの放熱剤２０８に挟まれた銅板２０９と、銅板２０９の温度を制御することにより銅板２０９の上部に配置された波長変換素子１０１の残りの一部を温度制御するペルチェ素子２１２と、を有している。第１の保持部２１３のペルチェ素子２１０、第２の保持部２１４のペルチェ素子２１１および第３の保持部２１５のペルチェ素子２１２のそれぞれは制御部２１６に接続され、制御部２１６によって温度制御される。
図２の短波長光源においては、熱発生が集中する波長変換素子２０１の出射面近傍に、伝搬方向の温度分布に合わせて素子温度が一定になるように複数個のペルチェ素子２１１、２１２を配置する。ペルチェ素子２１１、２１２の配置方法は温度分布が抑制されるのであればこれらの配置方法に限らない。
本実施の形態に係る短波長光源においては、出射側近傍をペルチェ素子にて個別に制御する長さは、全長の１／２以下が望ましい。バルク型の波長変換素子の場合、変換効率が最大となる基本波の集光特性は、集光点を結晶の中央とし、基本波のビーム径が結晶の両端において最大となるようにした場合である。このとき、素子内でのＳＨＧの強度は素子中央部でのパワーに対して、出射部で約３倍になる。変換効率が劣化するＰ（劣化）に対して、最大出力が３倍以上になると、光吸収による結晶破壊が生じることが分かった。このため、出射面近傍の個別制御する長さを素子長の半分以上にしても、出力光の増大は得られないため、その長さを素子長の半分以下にすることが好ましい。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態では、波長変換素子の出射面付近のＳＨＧ出力およびＳＨＧのパワー密度が最も大きくなる箇所の放熱特性を良好にした構成の短波長光源について述べる。
図４は、本発明の実施の形態２に係る短波長光源の概略構成を示す断面図である。本実施の形態に係る短波長光源は、波長変換素子４０１の伝搬方向に複数のペルチェ素子４１１、４１２を配置している。本実施の形態に係る短波長光源は、図４に示すように、波長変換素子４０１と、第１の保持部４１３と、第２の保持部４１４と、制御部４１５と、を備えている。第１の保持部４１３は、２つの放熱剤４０８に挟まれた銅板４１０と、銅板４１０の温度を制御することにより銅板４１０の上部に配置された波長変換素子４０１の一部を温度制御するペルチェ素子４１１と、を有しており、第２の保持部４１４は、２つの放熱剤４０９に挟まれた銅板４１０と、銅板４１０の温度を制御することにより銅板４１０の上部に配置された波長変換素子４０１の残りの一部を温度制御するペルチェ素子４１２と、を有している。第１の保持部４１３のペルチェ素子４１１および第２の保持部４１４のペルチェ素子４１２のそれぞれは制御部４１５に接続され、制御部４１５によって温度制御される。
本実施の形態の波長変換素子４０１は、Ｚ板ＭｇドープＬｉＮｂＯ３基板に、周期状の分極反転領域４０２が複数形成されているものを用いた。波長変換素子４０１のデバイス特性およびデバイス構造は、上記の実施の形態１と同じなので説明は省略する。基本波４０４に波長１０６４ｎｍの光（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）を使用して、波長変換素子４０１により、波長５３２ｎｍの緑色光（ＳＨＧ）４０５に波長変換することができる。波長変換素子４０１の固定には、入射面４０６から素子中間部にかけて熱伝導率の低い放熱剤４０８を用い、素子中間部から出射面４０７の部分には熱伝導率の高い放熱剤４０９を用いた。
図４の本実施の形態に係る短波長光源を用いて、ＳＨＧ４０５の高出力特性の実験をおこなった。図４で示された短波長光源を用いると高調波出力が１．５Ｗ以上になっても２乗特性の劣化、出力の不安定化および変換効率の低下は発生せず、安定な出力、高品質のビームプロファイルを得ることができた。緑色出力２Ｗの高出力時には基本波４０４および高調波（ＳＨＧ）４０５の吸収により素子の温度分布が発生し、出射面付近は高温化するが、本実施の形態では出射面近傍に熱伝導率の高い放熱剤４０９を用いることで、伝搬方向における温度分布を補償し、素子の温度を伝搬方法において一定にすることができた。緑色出力２．５Ｗの時においても従来の光源では急激な変換効率の低下が発生していたが、熱伝導率の高い放熱剤４０９を配置して放熱することで変換効率の低下および出力低下を抑制することに成功した。
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。上記の実施の形態２では、入射面付近から出射面付近までに発生する伝搬方向の温度分布を一定にするために波長変換素子を固定する放熱剤の材料を変えたが、放熱の方法はこの限りではない。本実施の形態では、波長変換素子の出射面近傍の温度上昇を抑制するために、出射面近傍の素子の厚みを薄くして放熱状態を良好にする。
図５は、本発明の実施の形態３に係る短波長光源の概略構成を示す断面図である。本実施の形態に係る短波長光源は、波長変換素子５０１の伝搬方向に複数のペルチェ素子５１１、５１２を配置している。本実施の形態に係る短波長光源は、図５に示すように、波長変換素子５０１と、第１の保持部５１３と、第２の保持部５１４と、制御部５１５と、を備えている。第１の保持部５１３は、２つの放熱剤５０８に挟まれた銅板５１０と、銅板５１０の温度を制御することにより銅板５１０の上部に配置された波長変換素子５０１の一部を温度制御するペルチェ素子５１１と、を有しており、第２の保持部５１４は、２つの放熱剤５０９に挟まれた銅板５１０と、銅板５１０の温度を制御することにより銅板５１０の上部に配置された波長変換素子５０１の残りの一部を温度制御するペルチェ素子５１２と、を有している。第１の保持部５１３のペルチェ素子５１１および第２の保持部５１４のペルチェ素子５１２のそれぞれは制御部５１５に接続され、制御部５１５によって温度制御される。
本実施の形態の波長変換素子５０１は、図５に示すように、出射面５０７の近傍の素子の厚みが薄くなるように構成されている。そうすることにより、出射面５０７の近傍の放熱状態を良好にして波長変換素子５０１の出射面５０７の近傍の温度上昇を抑制することができる。
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態では、波長変換素子の出射面近傍の温度上昇を抑制するために、出射面近傍を通過する基本波の経路を保持部に近接させて放熱状態を良好にする。
図６ＡおよびＢは、本発明の実施の形態４に係る短波長光源の概略構成を示す断面図である。本実施の形態に係る短波長光源は、波長変換素子６０１の伝搬方向に複数のペルチェ素子６１１、６１２を配置している。本実施の形態に係る短波長光源は、図６ＡおよびＢに示すように、波長変換素子６０１と、第１の保持部６１３と、第２の保持部６１４と、制御部６１５と、を備えている。第１の保持部６１３は、２つの放熱剤６０８に挟まれた銅板６１０と、銅板６１０の温度を制御することにより銅板６１０の上部に配置された波長変換素子６０１の一部を温度制御するペルチェ素子６１１と、を有しており、第２の保持部６１４は、２つの放熱剤６０９に挟まれた銅板６１０と、銅板６１０の温度を制御することにより銅板６１０の上部に配置された波長変換素子６０１の残りの一部を温度制御するペルチェ素子６１２と、を有している。第１の保持部６１３のペルチェ素子６１１および第２の保持部６１４のペルチェ素子６１２のそれぞれは制御部６１５に接続され、制御部６１５によって温度制御される。
図６Ａの場合、ＳＨＧ光の出力が１．５Ｗ以上、かつ、パワー密度が最も高い位置の基板表面で基本波６０４を反射させることで、発生する緑色光（ＳＨＧ）６０５の吸収による熱を放熱させることができるために熱分布を抑制でき、効果的である。
図６Ｂの場合、基本波６０４の入射位置をＳＨＧ出力が１．５Ｗ以上の高出力となる出射面６０７の付近で、基板表面近傍にすることで同様の放熱効果が得られて高出力時の変換効率および出力の低下を抑制することができるために効果的である。
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５について説明する。本実施の形態では、波長変換素子の出射面近傍の温度上昇を抑制するために、出射面近傍のヒートシンクの表面積を大きくして放熱状態を良好にする。
図７は、本発明の実施の形態５に係る短波長光源の概略構成を示す断面図である。本実施の形態に係る短波長光源は、波長変換素子７０１の伝搬方向に複数のペルチェ素子７１１、７１２を配置している。本実施の形態に係る短波長光源は、図７に示すように、波長変換素子７０１と、第１の保持部７１５と、第２の保持部７１６と、制御部７１７と、を備えている。第１の保持部７１５は、２つの放熱剤７０８に挟まれた銅板７１０と、銅板７１０の温度を制御することにより銅板７１０の上部に配置された波長変換素子７０１の一部を温度制御するペルチェ素子７１１と、複数の放熱フィンを付けて表面積を大きくしたヒートシンク７１３と、を有しており、第２の保持部７１６は、２つの放熱剤７０９に挟まれた銅板７１０と、銅板７１０の温度を制御することにより銅板７１０の上部に配置された波長変換素子７０１の残りの一部を温度制御するペルチェ素子７１２と、複数の放熱フィンを付けて表面積を大きくしたヒートシンク７１４と、を有している。第１の保持部７１５のペルチェ素子７１１および第２の保持部７１６のペルチェ素子７１２のそれぞれは制御部７１７に接続され、制御部７１７によって温度制御される。
本実施の形態に係る短波長光源においては、図７に示すように、放熱のためのヒートシンク７１３、７１４を配置し、熱発生の起こらない入射端側から素子中間部にかけては表面積の小さいヒートシンク７１３を用い、熱が発生する出射面近傍にかけてはヒートシンク７１４の表面積を大きくする。これによって、出射面付近の熱の偏りを解消し、素子温度を一定に保つことで変換効率の低下および出力低下を抑制することができる。
（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６について説明する。本実施の形態では、波長変換素子の出射面付近のＳＨＧ出力およびＳＨＧのパワー密度が最も大きくなる箇所の温度にあわせるようにＳＨＧのパワー劣化の発生しない部分を加熱して素子温度分布を抑制する構成の短波長光源について述べる。
図８Ａは、本発明の実施の形態６に係る短波長光源の概略構成を示す断面図である。本実施の形態に係る短波長光源は、波長変換素子８０１のＳＨＧのパワー劣化の発生しない部分にヒーター８０９を配置している。本実施の形態に係る短波長光源は、図８Ａに示すように、波長変換素子８０１と、２つの放熱剤に挟まれた銅板８０８と、銅板８０８を加熱することにより銅板８０８の上部に配置された波長変換素子８０１の一部を加熱するヒーター８０９と、ヒーター８０９による加熱を制御するヒーター制御部８１３と、を備えている。
本実施の形態の波長変換素子８０１は、Ｚ板ＭｇドープＬｉＮｂＯ３基板に、周期状の分極反転領域８０２が複数形成されているものを用いた。波長変換素子８０１のデバイス特性およびデバイス構造は上記の実施の形態１と同じなので説明は省略する。基本波８０４に波長１０６４ｎｍの光（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）を使用して、波長変換素子８０１により、波長５３２ｎｍの緑色光（ＳＨＧ）８０５に波長変換することができる。高出力時に発生する出射面近傍を中心とする温度分布を低減するために、素子の出射面近傍以外の箇所には、素子をヒーター８０９により加熱することができる。
図８Ａの本実施の形態に係る短波長光源を用いてＳＨＧの高出力特性の実験をおこなった。入射端面近傍に設置されたヒーター８０９を加熱しないとき、ＳＨＧ出力１．５Ｗ以上で２乗特性の劣化が発生し、出力の不安定化および変換効率の低下が起こった。一方、ヒーター８０９により素子を加熱すると劣化した２乗特性が解消され、高い変換効率が実現され、高出力、かつ安定な出力、高品質のビームプロファイルを得ることができた。緑色出力２．５Ｗの時においても従来の光源では急激な変換効率の低下が発生していたが、ヒーター８０９による加熱により素子入射端を加熱することで伝搬方向に発生する素子の温度分布を解消し、変換効率の低下および出力低下を抑制し、安定な出力特性を得た。
なお、本実施の形態では、波長変換素子の光の伝搬方向に発生する温度分布を低減するためにＳＨＧのパワー劣化の発生しない部分（ＳＨＧ吸収による温度上昇の発生しない部分）にヒーター８０９を設置し、加熱したが、加熱方法はこの限りではない。例えば、図８Ｂに示すように、ＳＨＧのパワー劣化の発生しない部分に波長変換素子が吸収する波長域の光（例えば赤外光）８１０を照射することで熱が発生し、波長変換素子全体の温度分布を解消させることができる。温度分布の解消は照射する光の強度を調整することで最適化することができる。なお、赤外光８１０の照射は、波長変換素子８０１のＳＨＧのパワー劣化の発生しない部分の上方に赤外線光源８１１を配置させ、赤外線光源制御部８１２により赤外線光源８１１を制御することで行えばよい。
Ｐ（劣化）のパワーは、ＳＨＧの波長に依存することを図９で示したが、上記の実施の形態１ないし６に係る短波長光源においては、具体的には、ＳＨＧ波長が５００ｎｍ〜５５０ｎｍの場合、Ｐ（劣化）は約１．５Ｗであった。また、ＳＨＧ波長が４００ｎｍ〜４５０ｎｍの場合、Ｐ（劣化）は約０．２Ｗであった。また、ＳＨＧ波長が３４０ｎｍ〜４００ｎｍの場合、Ｐ（劣化）は約０．０５Ｗであった。
上記の実施の形態１ないし６に係る短波長光源においては、波長変換素子として周期分極反転が形成されたＺ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３基板を用いた。その他に、ＭｇＯドープＬｉＴａＯ３基板や、ストイキオ組成の同様の基板などであってもよい。さらに、Ｍｇドープ基板以外にも、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃドープ基板においても同様の現象が発生することが考えられるため、上記の実施の形態１ないし６と同様の効果を得ることができる。
上記の実施の形態１ないし６に係る短波長光源においては、波長変換として、位相整合波長として１２００ｎｍ以下の基本波の場合に特に有効である。上記の実施の形態１ないし６で説明した現象は、発生した紫外光で誘起される高調波吸収熱に起因するものであるから、紫外光が発生する波長領域に対して顕著に現れる。つまり、基本波と高調波の和周波として４００ｎｍ以下の波長が発生する１２００ｎｍ以下の基本波に対して本実施の形態は有効である。
基本波パワー１０Ｗ以上、あるいは高調波パワー３Ｗ以上のときに紫外光発生による高調波吸収が顕著になることが確認されている。そのため、このような高いパワーの基本波、高調波発生時に、上記の実施の形態１ないし６に係る短波長光源は有効である。
上記の実施の形態１ないし６に係る短波長光源を用いて、高輝度のレーザ画像形成装置を実現することができる。高輝度のレーザ画像形成装置としては例えば、高出力のレーザ光を空間光変調素子で変調し、スクリーンに投射するリアプロジェクション型の画像形成装置や、高出力レーザ光源をバックライトとして用いる液晶テレビが挙げられる。上記の実施の形態１ないし６に係る短波長光源を用いることで、高出力時に安定な出力特性を実現するために映像劣化のない高輝度でかつ鮮明な映像を提供することができる。
なお、上記の実施の形態１ないし６では、熱の発生により屈折率が上昇し、位相整合条件がずれることで変換効率（出力）が低下したが、レーザ光の入射により結晶内の屈折率が変化し、位相整合条件がずれることで変換効率（出力）が低下する場合においても、位相整合条件のずれを温度制御方法により補償することで変換効率（出力）の低下を抑えることができるため、上記の実施の形態１ないし６と同様の効果が得られる。
以上説明したように、本発明の実施の形態１ないし６に係る短波長光源は、基本波を第２高調波に変換する非線形光学材料からなる波長変換素子と、波長変換素子を支持するホルダー部を備え、波長変換素子は、基本波を入射する入射部と、第２高調波を出射する出射部を含み、波長変換素子の出射部近傍の少なくとも一部の特定領域が他の領域より低い熱抵抗を有する構成により、結晶内部に入射した基本波と、波長変換された高調波との相互作用で発生した紫外光が原因で生じる高調波吸収熱による素子内の温度分布を一定にすることで基本波から高調波への変換効率を維持し、光出力、ビームプロファイルを安定に保持し、レーザ光源の信頼性を確保する、という効果を有する。
（実施の形態７）
次に、本発明の実施の形態７について説明する。最初に、本実施の形態の背景となる、波長変換素子の出力の不安定性について説明する。図１９に、従来の短波長光源の他の概略構成を示す。図１９の波長変換素子１００１は、周期状の分極反転構造を有するバルク型の波長変換素子であり、基本波１００４を第２高調波（ＳＨＧ）１００５に変換する場合、ＳＨＧ１００５の出力は基本波１００４の２乗に比例して増大する。ところが、一定のＳＨＧ出力を越えると、図１２で示した波長変換素子１２０１と同様、ＳＨＧ１００５の出力が２乗特性から大きく低下する現象が観測された。
この低下の原因を調べたところ、図１２の波長変換素子１２０１の場合と同様、波長変換素子１００１が基本波１００４をＳＨＧ１００５に変換する際において、基本波１００４とＳＨＧ１００５の和周波であるＴＨＧが発生しており、このＴＨＧの発生の影響により、波長変換素子１００１によるＳＨＧ光の吸収が発生し、この吸収による発熱で波長変換素子１００１の位相整合条件が乱されていることが分かった。このため、ＴＨＧの強度が一定の値を超える領域では、ＳＨＧ１００５の吸収による発熱が顕著になり、位相整合条件が成立しなくなり、波長変換素子１００１の変換効率の低下が発生することが明らかになった。
本実施の形態は、このような現象を基に考案されたものであり、ＳＨＧの吸収によって発生する発熱の要因を補償するような分極反転の周期構造を提案するものである。図１３Ａは、本発明の実施の形態７に係る短波長光源の概略構成を示す断面図である。
本実施の形態に係る短波長光源においては、図１３Ａに示すように、波長変換素子２１０１の入射面２１０６から基本波２１０４を入射し、周期状の分極反転領域２１０２により、基本波２１０４をＳＨＧ２１０５に変換し、出射面２１０７よりＳＨＧ２１０５を出射する。
図１３Ｂに、図１３Ａの波長変換素子２１０１の入射面２１０６からの距離とＳＨＧ出力との関係を示す。図１３Ｂに示すように、波長変換素子２１０１の内部で、ＳＨＧ２１０５の強度は徐々に増大し、出射面２１０７で最大になる。本実施の形態に係る短波長光源は、図１３Ａに示すように、ＳＨＧ２１０５の強度が特定値を超えた領域、すなわち領域２において、領域１における分極反転周期２１０３より短い周期構造をとっている。具体的には、ＳＨＧ２１０５の強度が特定値以下の領域１においては分極反転周期２１０３は周期Λ１であり、ＳＨＧ２１０５の強度が特定値を越える領域２においては分極反転周期２１０３は、周期Λ１より小さい周期Λ２である。
すなわち、本実施の形態に係る短波長光源は、ＳＨＧ出力を一定の値Ｐｓｈｇを出力させる場合に、波長変換素子２１０１の内部におけるＳＨＧ２１０５の強度Ｐｓｈｇ＞Ｐ（劣化）となる領域において、波長変換素子２１０１の分極反転周期構造を他の部分とは異なる短い周期構造にするものである。
入射する基本波のパワー、基本波のビーム径、ビーム品質の値より、波長変換素子２１０１の内部におけるＳＨＧ２１０５の強度分布は、図１３Ｂに示すように、出射面２１０７に向かって徐々に増加する。この特性を基に、波長変換素子２１０１における分極反転周期２１０３は、波長変換素子２１０１の内部においてＳＨＧ２１０５の強度がＰ（劣化）を越える領域２においては、領域１における周期より短い周期に設計する必要がある。すなわち、Ｐ（劣化）を超えない領域１の周期をΛ１、Ｐ（劣化）を超える領域２の周期をΛ２とすると、Λ１＞Λ２の関係をとるように設計する。
周期状の分極反転構造を有するＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３の波長変換素子２１０１において、波長１０６４ｎｍの基本波２１０４を波長５３２ｎｍのＳＨＧ２１０５に変換する場合について説明する。基本波２１０４の入力を１０Ｗ、基本波２１０４の集光径をφ３３μｍ、基本波２１０４のビーム品質はほぼ理想的な状態のガウシアン分布とすると、波長変換素子２１０１の長さが１０ｍｍのとき、素子の入射面２１０６から約７ｍｍのところで、ＳＨＧ２１０５の強度は１．５Ｗを越える。従って、波長変換素子２１０１の最適構造としては、素子長の出射面２１０７の近傍の３ｍｍにおいて、分極反転周期２１０３をわずかに短くすることで、波長変換素子２１０１の変換効率を大幅に増大できる。具体的には、領域１の分極反転周期Λ１を６．９７μｍ、領域２における分極反転周期Λ２を６．９６９μｍに設定した。
短波長光源の最大出力を決定すると、必要な最大出力がＰ（劣化）の値を超える場合には、本実施の形態の構成が重要となる。短波長光源において基本波光源のパワー、ビーム品質により最大出力に必要な波長変換素子の長さ、変換効率、基本波パワーが求まる。この条件のもと、最大出力が発生する場合の波長変換素子内部におけるＳＨＧの強度分布が求まり、波長変換素子の分極反転周期構造を決定する。波長変換素子内部で、ＳＨＧ強度がＰ（劣化）を超える領域において、分極反転周期構造を他の部分より短周期の構造にすることで、吸収による温度変化の影響を補償して変換効率の向上が図れる。
本実施の形態では、領域２における分極反転周期構造の周期は一定の値にしたが、出射面に向かって減少させることが望ましい。これは、図１３Ｂに示したように、波長変換素子内部におけるＳＨＧの強度が出射面に向かって徐々に増大することで、素子内部の温度分布も出射面に向かって上昇する。例えば、図１４に示すように、３領域に区分して周期を変えると、図１３Ａに示した領域２において周期一定の波長変換素子に比べると、高出力時における出力低下はさらに低減される。
また、図１５に示すように、領域２における分極反転周期構造の周期は、出射面に向かって徐々に減少する構造がさらに望ましい。波長変換素子内部におけるＳＨＧの強度が出射面に向かって徐々に増大することで、素子内部の温度分布も出射面に向かって上昇する影響を完全に抑えるためには、出射面に向かって、分極反転周期が徐々に減少する構造が望ましい。
本実施の形態に係る短波長光源においては、領域２の長さは、全長の１／２以下が望ましい。バルク型の波長変換素子の場合、変換効率が最大となる基本波の集光特性は、集光点を結晶の中央とし、基本波のビーム径が結晶の両端において最大となるようにした場合である。このとき、素子内でのＳＨＧの強度は素子中央部でのパワーに対して、出射部で約３倍になる。変換効率が劣化するＰ（劣化）に対して、最大出力が３倍以上になると、光吸収による結晶破壊が生じることが分かった。このため、領域２の長さを素子長の半分以上にしても、出力光の増大は得られないため、領域２の長さを素子長の半分以下にすることが好ましい。
（実施の形態８）
次に、本発明の実施の形態８について説明する。図１６は、本発明の実施の形態８に係る短波長光源の概略構成を示す断面図である。
本実施の形態に係る短波長光源は、図１６に示すように、波長変換素子２５０１の入射面２５０６から基本波２５０４を入射し、周期状の分極反転領域２５０２により、基本波２５０４をＳＨＧ２５０５に変換し、出射面２５０７よりＳＨＧ２５０５を出射する。特に、本実施の形態では、上記の実施の形態７のように基本波２５０４を１度だけ波長変換素子内を通過させる構成とは異なり、基本波２５０４をミラー２５０８ａ、２５０８ｂで折り返すことで周期分極反転構造を２度通過させる構成となっている。ミラー２５０８ａ、２５０８ｂのそれぞれの反射方向は、ミラー制御部２５０９により制御されている。
基本波２５０４が波長変換素子２５０１に１回目通過時と２回目通過時の距離は十分に離されており、高出力時の吸収等による温度上昇は互いに影響しない。図１６において、ミラー２５０８ａによる反射前の１回目の基本波２５０４が通過する出射面２５０７の付近、および、ミラー２５０８ｂにより反射した後、２度目に基本波２５０４が波長変換素子２５０１を通過する出射面２５０７の付近は共に、ＳＨＧ２５０５の強度は最大になる。本実施の形態の短波長光源においても、上記の実施の形態７と同様に、ＳＨＧ２５０５の強度が特定値を超えた領域、すなわち領域２においては、領域１における分極反転周期より短い周期構造をとっている。
つまり、波長変換素子２５０１における分極反転周期２５０３は、波長変換素子２５０１の内部においてＳＨＧ２５０５の強度がＰ（劣化）を越える領域２においては、領域１における周期より短い周期に設計する。すなわち、基本波の一回目通過時、および２回目通過時の両方において、Ｐ（劣化）を超えない領域１の周期をΛ１、Ｐ（劣化）を超える領域２の周期をΛ２とすると、Λ１＞Λ２の値をとるように設計する。
本実施の形態の波長変換素子２５０１において、波長１０６４ｎｍの基本波２５０４を波長５３２ｎｍのＳＨＧ２５０５に変換する場合、基本波２５０４の入力を１０Ｗ、基本波２５０４の集光径をφ３３μｍ、基本波２５０４のビーム品質はほぼ理想的な状態のガウス分布とすると、波長変換素子２５０１の長さが１０ｍｍのとき、基本波の一回目通過時は素子の入射面２５０６から約７ｍｍのところで、ＳＨＧ２５０５の強度は１．５Ｗを越える。従って、波長変換素子２５０１の最適構造としては、素子長の出射面２５０７の近傍の３ｍｍにおいて、分極反転周期をわずかに短くすることで、波長変換素子２５０１の変換効率を大幅に増大できる。基本波２５０４の２回目通過時は基本波２５０４の入力パワーがポンプデプレッションおよびミラー２５０８ａ、２５０８ｂを含む光学系によるロスにより減少するため、ＳＨＧ強度が１．５Ｗを超える領域が出射面２５０７側にシフトする。基本波２５０４が波長変換素子を１回目に通過するときと同様に素子の出射面２５０７の近傍の周期を短くすることで２回目通過時の波長変換素子２５０１の変換効率も大幅に増大できる。これにより、変換効率の劣化を抑制し、１０Ｗの基本波入力で、図３の出力特性に対し、およそ２倍のＳＨＧ出力が得られた。
本実施の形態では、基本波の１回目通過時および２回目通過時の両方において、領域２における分極反転周期構造の周期は一定の値にしたが、出射面に向かって減少させることが望ましい。これは、図１３Ｂに示したように、波長変換素子内部におけるＳＨＧの強度が出射面に向かって徐々に増大することで、素子内部の温度分布も出射端面に向かって上昇する。例えば、図１７に示すように、３領域に区分して周期を変えると領域２において周期一定の波長変換素子に比べると高出力時における出力低下はさらに低減される。
また、図１８に示すように、領域２における分極反転周期構造の周期は、出射面に向かって徐々に減少する構造がさらに望ましい。波長変換素子内部におけるＳＨＧの強度が出射面に向かって徐々に増大することで、素子内部の温度分布も出射面に向かって上昇する影響を完全に抑えるためには、出射面に向かって、分極反転周期が徐々に減少する構造が望ましい。
上記の実施の形態７および８に係る短波長光源においては、領域２の長さは、全長の１／２以下が望ましい。バルク型の波長変換素子の場合、変換効率が最大となる基本波の集光特性は、集光点を結晶の中央とし、基本波のビーム径が結晶の両端において最大となるようにした場合である。このとき、素子内でのＳＨＧの強度は素子中央部でのパワーに対して、出射部で約３倍になる。変換効率が劣化するＰ（劣化）に対して、最大出力が３倍以上になると、光吸収による結晶破壊が生じることが分かった。このため、領域２の長さを素子長の半分以上にしても、出力光の増大は得られないため、領域２の長さを素子長の半分以下にすることが好ましい。
なお、Ｐ（劣化）のパワーはＳＨＧの波長に依存することを図９で示したが、上記の実施の形態７および８に係る短波長光源においては、具体的にはＳＨＧ波長が５００ｎｍ〜５５０ｎｍの場合、Ｐ（劣化）は約１．５Ｗである。この波長のＳＨＧを出射する場合、波長変換素子内部におけるＳＨＧパワーが１．５Ｗを越える領域においては、分極反転周期を他の部分よりも短く設定することで、変換効率の増大をはかることができた。また、ＳＨＧ波長が４００ｎｍ〜４５０ｎｍの場合、Ｐ（劣化）は約０．２Ｗであった。また、ＳＨＧ波長が３４０ｎｍ〜４００ｎｍの場合Ｐ（劣化）は約０．０５Ｗであった。
上記の実施の形態７および８に係る短波長光源においては、波長変換素子として周期分極反転が形成されたＺ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３基板を用いた。その他に、ＭｇＯドープＬｉＴａＯ３基板や、ストイキオ組成の同様の基板などであってもよい。さらに、Ｍｇドープ基板以外にも、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃドープ基板においても同様の現象が発生することが考えられるため、上記の実施の形態７および８と同様の効果を得ることができる。
上記の実施の形態７および８に係る短波長光源においては、波長変換として、位相整合波長として１２００ｎｍ以下の基本波の場合に特に有効である。上記の実施の形態７および８で説明した現象は、発生した紫外光で誘起される高調波吸収熱に起因するものであるから、紫外光が発生する波長領域に対して顕著に現れる。つまり、基本波と高調波の和周波として４００ｎｍ以下の波長が発生する１２００ｎｍ以下の基本波に対して本実施の形態は有効である。
基本波パワー１０Ｗ以上、あるいは高調波パワー３Ｗ以上のときに紫外光発生による高調波吸収が顕著になることが確認されている。そのため、このような高いパワーの基本波、高調波発生時に、上記の実施の形態７および８に係る短波長光源は有効である。
上記の実施の形態７および８に係る短波長光源を用いて、高輝度のレーザ画像形成装置を実現することができる。高輝度のレーザ画像形成装置としては例えば、高出力のレーザ光を空間光変調素子で変調し、スクリーンに投射するリアプロジェクション型の画像形成装置や、高出力レーザ光源をバックライトとして用いる液晶テレビが挙げられる。上記の実施の形態７および８に係る短波長光源を用いることで、高出力時に安定な出力特性を実現するために映像劣化のない高輝度でかつ鮮明な映像を提供することができる。
なお、上記の実施の形態７および８では、熱の発生により屈折率が上昇し、位相整合条件がずれることで変換効率（出力）が低下したが、レーザ光の入射により結晶内の屈折率が変化し、位相整合条件がずれることで変換効率（出力）が低下する場合においても、位相整合条件のずれを分極反転周期により補償することで変換効率（出力）の低下を抑えることができるため、上記の実施の形態７および８と同様の効果が得られる。
以上説明したように、本発明の実施の形態７および８に係る短波長光源は、基本波を第２高調波に変換する波長変換素子を含み、波長変換素子は、周期状の分極反転構造を有するバルク非線形光学材料からなり、波長変換素子は基本波を入射する入射部と、高調波を出射する出射部と、を備え、波長変換素子の出射部近傍の少なくとも一部の領域における分極反転構造の周期が変化している構成により、結晶内部に入射した基本波と、波長変換された高調波との相互作用で発生した紫外光が原因で生じる高調波吸収熱による素子内の温度分布を利用して基本波から高調波への変換効率の低下を抑制することで、光出力、ビームプロファイルを安定に保持し、高出力レーザ光源の信頼性を確保する、という効果を有する。
（実施の形態９）
次に、本発明の実施の形態９について説明する。最初に、本実施の形態の背景となる、波長変換素子の変換効率低下と出力の不安定性について説明する。一般に、バルク型の波長変換素子による波長変換は変換効率が低く、従来は固体レーザの共振器内部に波長変換素子を挿入する内部共振器型が主流であった。これに対して、周期状の分極反転構造を有するＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３やＭｇＯ：ＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４などの高非線形光学材料を用いることで、基本波をシングルパスで波長変換する構成が可能になった。シングルパスによる波長変換の高効率化には、基本波光源、集光光学系に特有の特性が要求される。
基本波光源に必要なのは、良好なビーム品質と、狭帯域の波長スペクトルである。ビーム品質は集光特性で測定するＭ２で表されガウス分布に近い特性を求められる。ガウス分布と一致した場合がＭ２＝１であるが、高効率変換にはＭ２＜１．２の特性が必要である。ビーム径は真円に近く、波長スペクトルは素子長に依存するが０．１ｎｍ以下の狭帯域性が必要である。また、集光特性としては、相互作用長の中心に集光スポットを有し、以下の（１）式で表される集光特性を満足した場合に、変換効率が最大となる。
Ｌ×λ／（２π×ｎ×ω０ ２）＝２．８４ …（１）
ここで、Ｌは波長変換素子の長さ、ω０は１／ｅ２（ｅは自然対数の底）集光スポット半径、λは基本波波長、ｎは基本波に対する屈折率、である。
このような条件において、高効率な波長変換が可能となり、シングルパス変換で２Ｗの出力が３０％を超える変換効率で得られた。このような構成において、図１２で示した周期状の分極反転構造を有するバルク型の波長変換素子１２０１において、基本波１２０４を第２高調波（ＳＨＧ）１２０５に変換する場合、ＳＨＧ出力は基本波の２乗に比例して増大する。ところが、一定のＳＨＧ出力を越えると、ＳＨＧの出力が２乗特性から大きく低下する現象が観測された。
この低下の原因を調べたところ、基本波１２０４とＳＨＧ１２０５の和周波であるＴＨＧが発生しており、このＴＨＧの発生の影響によりＳＨＧ光の吸収が発生し、この吸収による発熱で位相整合条件が乱されていることが分かった。
さらに詳細に検討した結果、ＳＨＧ光の吸収は、ＴＨＧの強度に比例して増大するため、ＳＨＧ光のビームパスにおける発熱量は、ＳＨＧとＴＨＧのパワー密度の積で求まることが実験と解析により明らかになった。この結果を図２４ＡおよびＢに示す。ＳＨＧ素子内部で、ＴＨＧによる吸収によって発生する発熱量の最大値は、素子中央部より出射端側に位置し、発熱は素子長Ｌとして入射部からＬ／２〜２Ｌ／３の位置に集中していることが明らかになった。
これらの実験結果を基に、本実施の形態では、波長変換素子内部での発熱による温度分布によって発生する変換効率低下や出力低下、結晶損傷を低減する構成について提案する。
本実施の形態は、バルク型の波長変換素子のシングルパス変換において、変換効率が最大となる最適集光設計の光学系において、波長変換素子内部発生する熱の集中を緩和する構成、あるいは熱分布を利用して変換効率低下を抑制する構成を提案する。従来の構成と異なるのは、バルク型の波長変換素子の最適構成での現象を扱っていない点、また、ＴＨＧによるＳＨＧ光の吸収による発熱現象について考慮されていない点である。また、実験によりＳＨＧ変換効率が劣化するＳＨＧのパワーは、図９に示したように、非常に強い波長依存性を持つことが明らかになっている。
本実施の形態は、このような現象を基に考案されたものであり、ＳＨＧの吸収によって発生する発熱を、放熱構造を工夫したり、温度制御方法を改良したり、あるいは発熱していない部分を加熱したりすることで波長変換素子の温度分布を低減し、変換効率を維持するために提案されたものである。
図２０は、本発明の実施の形態９に係る短波長光源の概略構成を示す図である。本実施の形態に係る短波長光源は、波長変換素子３１０１の伝搬方向に複数のペルチェ素子３１１０、３１１１を配置している。本実施の形態に係る短波長光源は、図２０に示すように、波長変換素子３１０１と、第１の保持部３１１２と、第２の保持部３１１３と、制御部３１１４と、を備えている。第１の保持部３１１２は、２つの放熱剤３１０８に挟まれた銅板３１０９と、銅板３１０９の温度を制御することにより銅板３１０９の上部に配置された波長変換素子３１０１の一部を温度制御するペルチェ素子３１１０と、を有しており、第２の保持部３１１３は、２つの放熱剤３１０８に挟まれた銅板３１０９と、銅板３１０９の温度を制御することにより銅板３１０９の上部に配置された波長変換素子３１０１の残りの一部を温度制御するペルチェ素子３１１１と、を有している。第１の保持部３１１２のペルチェ素子３１１０および第２の保持部３１１３のペルチェ素子３１１１のそれぞれは制御部３１１４に接続され、制御部３１１４によって温度制御される。
本実施の形態に係る短波長光源では、波長変換素子３１０１に、周期状の分極反転領域３１０２が複数形成されている。波長変換素子３１０１を構成する基板の厚みは１ｍｍである。分極反転領域３１０２は基板結晶のＹ軸に沿って形成されている。分極反転領域３１０２は基板の＋Ｚ面から−Ｚ面側に向かって形成されている。分極反転領域３１０２は電界印加法により作製した。分極反転周期３１０３は６．９７μｍ（Λ）で形成され、波長１０６４ｎｍの光（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）を波長５３２ｎｍの緑色光に波長変換することができる。波長変換素子３１０１の温度を制御するための温調制御素子としてペルチェ素子３１１０、３１１１を用いた。本実施の形態では、ペルチェ素子３１１０、ペルチェ素子３１１１は、光の伝搬方向に並ぶように配置され、それぞれが独立した温度で制御することができる。
本実施の形態の波長変換素子３１０１において、波長１０６４ｎｍの基本波３１０４を波長５３２ｎｍのＳＨＧ３１０５に変換する場合、基本波３１０４の入力を１０Ｗ、基本波３１０４の集光径をφ３３μｍ、基本波３１０４のビーム品質はほぼ理想的な状態のガウシアン分布とすると、波長変換素子３１０１の長さが１０ｍｍのとき、波長変換素子３１０１の入射面３１０６から５ｍｍ〜６ｍｍのところで、ＴＨＧによる吸収によって発生する発熱量は最大値をとり、その部分を中心に素子が温度上昇し、温度分布ができる。従って、波長変換素子３１０１の温度制御としては、素子の中心から出射面３１０７の近傍にかけた部分において、直近に温度制御をおこなうペルチェ素子を設置し、温度制御することで、波長変換素子の変換効率の低下を抑制できる。
本実施の形態では、波長変換素子として１０ｍｍの素子を用いたが、これに限らない。素子長がＬで基本波の集光スポット位置をＬ／２にした場合、ＴＨＧによるＳＨＧ吸収が原因で、入射面側からＬ／２〜２Ｌ／３の位置に発熱が集中する。その位置を中心とする温度分布を抑制するように、本実施の形態と同様の温度制御をすることで変換効率低下と出力低下を抑えることができる。
本実施の形態では、伝搬方向に発生した温度分布を回避するために温度上昇が顕著に現れる出射面近傍にペルチェ素子を１つ配置して温度制御をおこなったが、ペルチェ素子は温度分布が発生する箇所に２個以上であってもかまわない。例えば、図２１に示すように、熱発生が集中する波長変換素子の入射側から５ｍｍ〜６ｍｍ位置と、出射面近傍位置に、伝搬方向の温度分布に合わせて素子温度が一定になるように複数個のペルチェ素子を配置する。ペルチェ素子の配置方法は温度分布が抑制されるのであればこれらの配置方法に限らない。
（実施の形態１０）
次に、本発明の実施の形態１０について説明する。本実施の形態は、発熱により位相整合条件がずれた部分の分極反転周期を短くすることで位相整合条件を補償して変換効率低下を抑制するものである。図２２は、本発明の実施の形態１０に係る短波長光源の概略構成を示す図である。
本実施の形態に係る短波長光源においては、図２２に示すように、波長変換素子３４０１の入射面３４０６から基本波３４０４を入射し、周期状の分極反転領域３４０２により、基本波３４０４をＳＨＧ３４０５に変換し、出射面３４０７よりＳＨＧ３４０５を出射する。
本発明の短波長光源は、図２４Ｂに示すように、波長変換素子３４０１の長さが１０ｍｍのとき、素子の入射面３４０６から５ｍｍ〜６ｍｍのところで、ＴＨＧによるＳＨＧの吸収によって発生する発熱量は最大値をとり、その部分を中心に素子が温度上昇し、温度分布ができるため、発熱ピーク位置、すなわち領域２において、領域１における分極反転周期より短い周期構造をとっている。すなわち、本実施の形態は、波長変換素子内部におけるＳＨＧ吸収による温度上昇で屈折率が増加する領域において、波長変換素子の分極反転周期構造を他の部分とは異なる短い周期構造にするものである。
具体的には、熱発生がなく屈折率変化のない領域（領域１、領域３）の周期をΛ１、熱発生により屈折率が増大する領域（領域２）の周期をΛ２とすると、Λ１＞Λ２の関係をとるように設計する。周期状の分極反転構造を有するＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３の波長変換素子において、波長１０６４ｎｍの基本波３４０４を波長５３２ｎｍのＳＨＧ３４０５に変換する場合について説明する。基本波３４０４の入力を１０Ｗ、基本波３４０４の集光径をφ３３μｍ、基本波３４０４のビーム品質はほぼ理想的な状態のガウシアン分布とすると、波長変換素子３４０１の長さが１０ｍｍのとき、素子の入射面３４０６から５ｍｍ〜６ｍｍのところで、ＴＨＧによる吸収によって発生する発熱量は最大値をとり、その部分を中心に素子が温度上昇し、温度分布ができる。従って、波長変換素子の最適構造としては、素子の入射面３４０６から５ｍｍ〜６ｍｍにおいて、分極反転周期をわずかに短くすることで、波長変換素子の変換効率を大幅に増大できる。具体的には、領域１、３の周期を６．９７μｍ、領域２における分極反転周期を６．９６９μｍに設定した。波長変換素子内部で、ＴＨＧによるＳＨＧ吸収で熱が発生し、屈折率が増大する領域において、分極反転周期構造を他の部分より短周期の構造にすることで、吸収による温度変化の影響を補償して変換効率の向上が図れる。
本実施の形態では、波長変換素子として１０ｍｍの素子を用いたが、これに限らない。素子長がＬで基本波の集光スポット位置をＬ／２にした場合、ＴＨＧによるＳＨＧ吸収が原因で、入射側からＬ／２〜２Ｌ／３の位置に発熱が集中する。その位置を中心とする温度分布を補償するように、本実施の形態と同様に分極反転周期を短くすることで変換効率低下と出力低下を抑えることができる。
本実施の形態では、領域２における分極反転周期構造の周期を一定の値にしたが、熱発生のピーク位置を中心に増加させることが望ましい。図２４Ｂに示したように、素子長１０ｍｍの場合、入射面から５ｍｍ〜６ｍｍの位置に発熱ピークを持ち、その部分の温度上昇が最も高い。そのため、例えば、図２３に示すように、領域２における分極反転周期構造の周期は、素子内部の温度分布を完全に補償するような熱発生ピーク位置を中心に徐々に増大する構造が望ましい。
上記の実施の形態９および１０に係る短波長光源においては、波長変換素子として周期分極反転が形成されたＺ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３基板を用いた。その他に、ＭｇＯドープＬｉＴａＯ３基板や、ストイキオ組成の同様の基板などであってもよい。さらに、Ｍｇドープ基板以外にも、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃドープ基板においても同様の現象が発生することが考えられるため、上記の実施の形態９および１０と同様の効果を得ることができる。
上記の実施の形態９および１０に係る短波長光源においては、波長変換として、位相整合波長として１２００ｎｍ以下の基本波の場合に特に有効である。上記の実施の形態９および１０で説明した現象は、発生した紫外光で誘起される高調波吸収熱に起因するものであるから、紫外光が発生する波長領域に対して顕著に現れる。つまり、基本波と高調波の和周波として４００ｎｍ以下の波長が発生する１２００ｎｍ以下の基本波に対して本実施の形態は有効である。
基本波パワー１０Ｗ以上、あるいは高調波パワー３Ｗ以上のときに紫外光発生による高調波吸収が顕著になることが確認されている。そのため、このような高いパワーの基本波、高調波発生時に、上記の実施の形態９および１０に係る短波長光源は有効である。
上記の実施の形態９および１０に係る短波長光源を用いて、高輝度のレーザ画像形成装置を実現することができる。高輝度のレーザ画像形成装置としては例えば、高出力のレーザ光を空間光変調素子で変調し、スクリーンに投射するリアプロジェクション型の画像形成装置や、高出力レーザ光源をバックライトとして用いる液晶テレビが挙げられる。上記の実施の形態９および１０に係る短波長光源を用いることで、高出力時に安定な出力特性を実現するために映像劣化のない高輝度でかつ鮮明な映像を提供することができる。
なお、上記の実施の形態９および１０では、熱の発生により屈折率が上昇し、位相整合条件がずれることで変換効率（出力）が低下したが、レーザ光の入射により結晶内の屈折率が変化し、位相整合条件がずれることで変換効率（出力）が低下する場合においても、位相整合条件のずれを分極反転周期および温度制御方法により補償することで変換効率（出力）の低下を抑えることができるため、上記の実施の形態９および１０と同様の効果が得られる。
上記の各実施の形態から本発明を要約すると、以下のようになる。すなわち、本発明の一局面に従う短波長光源は、基本波が入射される入射面および高調波が出射される出射面と、を有し、前記基本波を前記高調波に変換する波長変換素子と、前記波長変換素子を保持する保持部とを備え、前記波長変換素子は、前記波長変換素子の前記出射面側の一部の領域である特定領域において、前記波長変換素子による波長変換の際における前記高調波の吸収による発熱に起因する前記基本波と前記高調波との間の位相整合条件の変動が抑制されるように構成される。
上記の短波長光源では、波長変換素子の特定領域において高調波の吸収により発熱が生じた場合でも、その発熱に起因する基本波と高調波との間の位相整合条件の変動が抑制されるので、高調波出力の安定化を図ることができる。
前記特定領域と前記保持部との間の熱抵抗は、前記特定領域以外の他の領域と前記保持部との間の熱抵抗より低いことが好ましい。
この場合、特定領域からの発熱を効率よく放熱させることができるので、位相整合条件の変動がより効果的に抑制することができる。
前記保持部は、前記特定領域の温度を変更する第１の温度変更部材を有し、前記第１の温度変更部材は、前記特定領域の温度が前記特定領域以外の他の領域の温度と略同一となるように、前記特定領域の温度を変更することが好ましい。
この場合、波長変換素子の温度分布を均一に保つことができるので、特定領域における位相整合条件の変動を抑制することができる。
前記高調波の光強度は、前記波長変換素子の前記入射面から前記出射面に向かうに方向に沿って増加しており、前記特定領域は、前記高調波の光強度が所定値を超えた位置から前記出射面までの間の領域であることが好ましく、前記高調波の波長は、５００ｎｍ〜５５０ｎｍであり、前記所定値は、１．５Ｗである、前記高調波の波長は、４００ｎｍ〜４５０ｎｍであり、前記所定値は、０．２Ｗである、または、前記高調波の波長は、３４０ｎｍ〜４００ｎｍであり、前記所定値は、０．０５Ｗであることが好ましい。
この場合、特定領域の位置を正確に把握することができるので、特定領域における位相整合条件の変動をさらに効果的に抑制することができる。
前記特定領域の長さは、前記波長変換素子の長さの２分の１以下であることが好ましい。
この場合、波長変換素子の破壊を招くことなく、高調波の出力を最大値まで向上させることができる。
前記保持部はさらに、前記特定領域以外の他の領域の温度を変更する第２の温度変更部材を有し、前記特定領域と前記第１の温度変更部材との間の熱抵抗θ１と前記特定領域以外の他の領域と前記第２の温度変更部材との間の熱抵抗θ２とは、θ１＜θ２の関係を満足することが好ましい。
この場合、特定領域からの発熱を効率よく放熱させることができるので、位相整合条件の変動をより効果的に抑制することができる。
前記波長変換素子内部の基本波のビーム経路と前記特定領域の前記保持部側の表面との間の距離は、前記基本波のビーム経路と前記特定領域以外の他の領域の前記保持部側の表面との間の距離より短いことが好ましく、前記基本波のビームは、前記特定領域の前記保持部側の表面の近傍を通過する、または、前記基本波のビームは、前記特定領域または前記特定領域の近傍の領域の前記保持部側の表面で反射されることが好ましい。
この場合、特定領域からの発熱を保持部側から効率よく放熱させることができるので、位相整合条件の変動をより効果的に抑制することができる。
前記特定領域の厚みは、前記特定領域以外の他の領域の厚みより薄いことが好ましい。
この場合、特定領域の温度上昇を緩和させることができるので、位相整合条件の変動をより効果的に抑制することができる。
前記第１の温度変更部材は、前記高調波の吸収による前記特定領域からの発熱を自身の表面から放熱させる第１の放熱部材であり、前記第２の温度変更部材は、前記高調波の吸収による前記特定領域以外の他の領域からの発熱を自身の表面から放熱させる第２の放熱部材であり、前記第１の放熱部材の表面積は、前記第２の放熱部材の表面積より大きいことが好ましい。
この場合、特定領域からの発熱を効率よく放熱させることができるので、位相整合条件の変動をより効果的に抑制することができる。
前記特定領域以外の他の領域を加熱する加熱部をさらに備え、前記加熱部は、前記特定領域以外の他の領域の温度が前記特定領域の温度と略同一となるように、前記特定領域以外の他の領域を加熱することが好ましい。
この場合、波長変換素子の温度分布を均一に保つことができるので、特定領域における位相整合条件の変動を抑制することができる。
前記特定領域の分極反転周期は、前記特定領域以外の他の領域の分極反転周期より短いことが好ましい。
この場合、波長変換素子の特定領域において高調波の吸収により発熱が生じた場合でも、特定領域の分極反転周期を特定領域以外の他の領域の分極反転周期より短くしておくことにより、その発熱に起因する位相整合条件の変動を抑制することができる。
前記特定領域の分極反転周期は、前記波長変換素子の前記入射面から前記出射面に向かう方向に沿って徐々に短くなるように設定されることが好ましい。
この場合、高調波の光強度の上昇に合わせて分極反転周期が短くなるので、位相整合条件の変動をより効果的に抑制することができる。
前記特定領域の分極反転周期は、前記特定領域の温度分布に応じて設定されることが好ましい。
この場合、特定領域の温度分布に応じて分極反転周期が短くなるので、各温度に合った分極反転周期が設定される。このため、位相整合条件の変動をより効果的に抑制することができる。
基本波光源から出射される基本波を前記波長変換素子に入射し、前記基本波を前記波長変換素子の内部に集光する光学系をさらに備え、前記特定領域は、前記光学系による前記基本波の集光スポットの近接に位置し、且つ、前記集光スポットの前記出射面側に位置することが好ましい。
この場合、基本波の集光スポットの位置に応じて特定領域を正確に把握することができるので、特定領域における位相整合条件の変動をさらに効果的に抑制することができる。
前記特定領域の分極反転周期は、前記特定領域の中心から前記波長変換素子の前記入射面および前記出射面に向かう各方向に沿って徐々に短くなるように設定されることが好ましい。
この場合、高調波の光強度の上昇に合わせて分極反転周期が短くなるので、位相整合条件の変動をより効果的に抑制することができる。
前記基本波のビーム強度分布が、ガウス分布に近似され、前記波長変換素子の長さＬ、前記集光スポットの半径ω０、前記基本波の波長λおよび前記基本波に対する前記波長変換素子の屈折率ｎが、以下の関係を実質的に満足する場合に、前記特定領域は、前記入射面から前記出射面に向かってＬ／２〜２Ｌ／３離れた位置にあることが好ましい。
Ｌ×λ／（２π×ｎ×ω０ ２）＝２．８４
この場合、基本波から高調波への変換効率を最大にしつつ、高調波出力の安定化を図ることができる。
前記波長変換素子は、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃのうちの少なくとも１つが添加されたＬｉＴａ（１−ｘ）ＮｂｘＯ３（０≦ｘ≦１）であることが好ましい。
この場合、波長変換素子を、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃのうちの少なくとも１つが添加されたＬｉＴａ（１−ｘ）ＮｂｘＯ３（０≦ｘ≦１）とした場合でも、高調波の吸収による発熱に起因する位相整合条件の変動を抑制して、高調波出力の安定化を図ることができる。
本発明の他の一局面に従うレーザ画像形成装置は、上記の短波長光源と、前記短波長光源から出射される光を変調する空間光変調素子とを備える。
上記のレーザ画像形成装置では、短波長光源から出射される光の出力の安定化が図られ、その光を用いて空間光変調素子が空間変調して画像を形成するので、形成される画像の精度を向上させることができる。
本発明に係る短波長光源およびレーザ画像形成装置は、高出力時の基本波から高調波への変換効率を維持し、波長変換された高出力の高調波光を安定に出力することができ、短波長の光を出力する短波長光源、及びそれを用いたレーザ画像形成装置として有用である。
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る短波長光源の概略構成を示す断面図であり、図１Ｂは、波長変換素子の入射面からの距離とＳＨＧ出力との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る短波長光源の他の概略構成を示す断面図である。 基本波の入力パワーとＳＨＧの出力パワーとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る短波長光源の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る短波長光源の概略構成を示す断面図である。 図６ＡおよびＢは、本発明の実施の形態４に係る短波長光源の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る短波長光源の概略構成を示す断面図である。 図８ＡおよびＢは、本発明の実施の形態６に係る短波長光源の概略構成を示す断面図である。 ＳＨＧ波長と変換効率が劣化するＳＨＧ出力との関係を示す図である。 従来の短波長光源のＳＨＧ出力特性を示す図である。 ＳＨＧの変換効率が劣化したときの素子温度分布を示す図である。 従来の短波長光源の概略構成を示す断面図である。 図１３Ａは、本発明の実施の形態７に係る短波長光源の概略構成を示す断面図であり、図１３Ｂは、波長変換素子の入射面からの距離とＳＨＧ出力との関係を示す図である。 本発明の実施の形態７に係る短波長光源の他の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態７に係る短波長光源のさらに他の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態８に係る短波長光源の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態８に係る短波長光源の他の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態８に係る短波長光源のさらに他の概略構成を示す断面図である。 従来の短波長光源の他の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態９に係る短波長光源の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態９に係る短波長光源の他の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１０に係る短波長光源の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１０に係る短波長光源の他の概略構成を示す断面図である。 図２４Ａは、波長変換素子内のビームパスを表わす模式図であり、図２４Ｂは、波長変換素子内の発熱量分布を示す図である。

Claims (23)

  1. 基本波が入射される入射面および高調波が出射される出射面と、を有し、前記基本波を前記高調波に変換する波長変換素子と、
    前記波長変換素子を保持する保持部と
    を備え、
    前記波長変換素子は、前記波長変換素子の前記出射面側の一部の領域である特定領域において、前記波長変換素子による波長変換の際における前記高調波の吸収による発熱に起因する前記基本波と前記高調波との間の位相整合条件の変動が抑制されるように構成されることを特徴とする短波長光源。
  2. 前記特定領域と前記保持部との間の熱抵抗は、前記特定領域以外の他の領域と前記保持部との間の熱抵抗より低いことを特徴とする請求項１に記載の短波長光源。
  3. 前記保持部は、前記特定領域の温度を変更する第１の温度変更部材を有し、
    前記第１の温度変更部材は、前記特定領域の温度が前記特定領域以外の他の領域の温度と略同一となるように、前記特定領域の温度を変更することを特徴とする請求項１または２に記載の短波長光源。
  4. 前記高調波の光強度は、前記波長変換素子の前記入射面から前記出射面に向かうに方向に沿って増加しており、
    前記特定領域は、前記高調波の光強度が所定値を超えた位置から前記出射面までの間の領域であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の短波長光源。
  5. 前記高調波の波長は、５００〜５５０ｎｍであり、前記所定値は、１．５Ｗであることを特徴とする請求項４に記載の短波長光源。
  6. 前記高調波の波長は、４００〜４５０ｎｍであり、前記所定値は、０．２Ｗであることを特徴とする請求項４に記載の短波長光源。
  7. 前記高調波の波長は、３４０〜４００ｎｍであり、前記所定値は、０．０５Ｗであることを特徴とする請求項４に記載の短波長光源。
  8. 前記特定領域の長さは、前記波長変換素子の長さの２分の１以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の短波長光源。
  9. 前記保持部はさらに、前記特定領域以外の他の領域の温度を変更する第２の温度変更部材を有し、
    前記特定領域と前記第１の温度変更部材との間の熱抵抗θ１と前記特定領域以外の他の領域と前記第２の温度変更部材との間の熱抵抗θ２とは、以下の関係を満足することを特徴とする請求項３に記載の短波長光源。
    θ１＜θ２
  10. 前記波長変換素子内部の基本波のビーム経路と前記特定領域の前記保持部側の表面との間の距離は、前記基本波のビーム経路と前記特定領域以外の他の領域の前記保持部側の表面との間の距離より短いことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の短波長光源。
  11. 前記基本波のビームは、前記特定領域の前記保持部側の表面の近傍を通過することを特徴とする請求項１０に記載の短波長光源。
  12. 前記基本波のビームは、前記特定領域または前記特定領域の近傍の領域の前記保持部側の表面で反射されることを特徴とする請求項１０に記載の短波長光源。
  13. 前記特定領域の厚みは、前記特定領域以外の他の領域の厚みより薄いことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の短波長光源。
  14. 前記第１の温度変更部材は、前記高調波の吸収による前記特定領域からの発熱を自身の表面から放熱させる第１の放熱部材であり、
    前記第２の温度変更部材は、前記高調波の吸収による前記特定領域以外の他の領域からの発熱を自身の表面から放熱させる第２の放熱部材であり、
    前記第１の放熱部材の表面積は、前記第２の放熱部材の表面積より大きいことを特徴とする請求項９に記載の短波長光源。
  15. 前記特定領域以外の他の領域を加熱する加熱部をさらに備え、
    前記加熱部は、前記特定領域以外の他の領域の温度が前記特定領域の温度と略同一となるように、前記特定領域以外の他の領域を加熱することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の短波長光源。
  16. 前記特定領域の分極反転周期は、前記特定領域以外の他の領域の分極反転周期より短いことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の短波長光源。
  17. 前記特定領域の分極反転周期は、前記波長変換素子の前記入射面から前記出射面に向かう方向に沿って徐々に短くなるように設定されることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の短波長光源。
  18. 前記特定領域の分極反転周期は、前記特定領域の温度分布に応じて設定されることを特徴とする請求項１７に記載の短波長光源。
  19. 基本波光源から出射される基本波を前記波長変換素子に入射し、前記基本波を前記波長変換素子の内部に集光する光学系をさらに備え、
    前記特定領域は、前記光学系による前記基本波の集光スポットの近接に位置し、且つ、前記集光スポットの前記出射面側に位置することを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の短波長光源。
  20. 前記特定領域の分極反転周期は、前記特定領域の中心から前記波長変換素子の前記入射面および前記出射面に向かう各方向に沿って徐々に短くなるように設定されることを特徴とする請求項１９に記載の短波長光源。
  21. 前記基本波のビーム強度分布が、ガウス分布に近似され、
    前記波長変換素子の長さＬ、前記集光スポットの半径ω０、前記基本波の波長λおよび前記基本波に対する前記波長変換素子の屈折率ｎが、以下の関係を実質的に満足する場合に、
    前記特定領域は、前記入射面から前記出射面に向かってＬ／２〜２Ｌ／３離れた位置にあることを特徴とする請求項１９または２０に記載の短波長光源。
    Ｌ×λ／（２π×ｎ×ω０ ２）＝２．８４
  22. 前記波長変換素子は、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｃのうちの少なくとも１つが添加されたＬｉＴａ（１−ｘ）ＮｂｘＯ３（０≦ｘ≦１）であることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか１項に記載の短波長光源。
  23. 請求項１〜２２のいずれか１項に記載の短波長光源と、
    前記短波長光源から出射される光を変調する空間光変調素子と
    を備えることを特徴とするレーザ画像形成装置。
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