JPWO2011074215A1 - 波長変換レーザ光源、光学素子及び画像表示装置 - Google Patents

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Abstract

基本波光を発生するための固体レーザ媒質と、前記基本波光を、前記基本波光よりも高い周波数の第２高調波光へ変換する波長変換素子と、該波長変換素子に接する導電性材料と、を備え、該波長変換素子は、複数の分極反転領域が形成された分極反転構造と、前記分極反転領域と垂直に交わる第１側面と、を含み、前記導電性材料は、前記第１側面に接することを特徴とする波長変換レーザ光源。

Description

本発明は、レーザ光源が発するレーザ光を非線形光学効果により波長変換する波長変換レーザ装置に関する。
可視レーザ光や紫外レーザ光を得るための様々な波長変換レーザ光源が開発並びに実用化されてきている。このような波長変換レーザ光源は、例えば、非線形光学効果を用いた波長変換により、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ４レーザから発せられる光を可視光である緑色光に変換する。或いは、波長変換レーザ光源は、変換された緑色光を更に紫外光に変換する。これらの可視レーザ光や紫外レーザ光は、例えば、物質のレーザ加工やレーザディスプレイ等の光源などの用途に用いられる。
このようなレーザ光源は、Ｎｄ：ＹＶＯ４といった固体レーザ媒質と、ニオブ酸リチウムといった波長変換素子を含む。特許文献１乃至３は、接着剤を用いることなく、光学的に接合された固体レーザ媒質及び波長変換素子を備えるマイクロチップ型の波長変換レーザ光源（オプティカルコンタクト型の波長変換レーザ光源）を提案する。マイクロチップ型の波長変換レーザ光源の出力は、大きくても１０ｍＷ程度である。マイクロチップ型の波長変換レーザ光源は、例えば、レーザポインタや照準器用の光源として用いられる。
特許文献１のマイクロチップ型の波長変換レーザ光源は、固体レーザ媒質と波長変換素子との光学的な接合における製造歩留まりの向上を目的とする。特許文献１は、当該目的を達成するために、固体レーザ媒質と波長変換素子との接合面積を拡大することを提案する。
特許文献２のマイクロチップ型の波長変換レーザ光源は、固体レーザ媒質と波長変換素子との境界面に配設された光学薄膜を備える。特許文献２は、光の散乱を抑制するための固体レーザ媒質と波長変換素子との接合方法を提案する。先行文献によれば、固体レーザ媒質と波長変換素子との境界面（接合面）における伝搬する光の散乱や損失を可能な限り低減させることが必要である。
固体レーザ媒質と波長変換素子とを組み合わせて形成された光学素子に対して、長時間、レーザ光が入射されると、光学素子から出力されるレーザ光の出力は、時間の経過とともに低下する。
図５０は、上述のレーザ光の出力低下の課題を説明するプロット図である。図５０を用いて、レーザ光の出力低下が説明される。
図５０のプロット図の縦軸は、光学素子からのレーザ出力強度（高調波出力）を示す。図５０のプロット図の横軸は、光学素子の駆動時間を示す。図５０は、オプティカルコンタクトされた固体レーザ素子及び波長変換素子を備える光学素子の特性を例示する。図５０のプロット図を得るために用いられた光学素子は、外部から入射された励起レーザ光を波長変換し、緑色レーザ光を出力する。
図５０のプロット図によれば、緑色レーザ出力の低下は、光学素子が緑色レーザ光を出射してから数十時間で開始する。この出射光の出力低下は、波長変換後のレーザ光の出力が１００ｍＷ程度であれば、ほとんど観測されない。しかしながら、光学素子が、５００ｍＷ以上（特に１０００ｍＷ以上）のピーク出力の光を出力するとき、顕著な出力低下が確認される。
特開２００８−１０２２２８号公報 特開２００８−１６８３３号公報 特開２０００−３５７８３４号公報
本発明は、光学素子の長時間の駆動に起因するレーザ光の出力低下を抑制するための光学素子、当該光学素子を備える波長変換レーザ光源及び当該波長変換光源を用いた画像表示装置を提供することを目的とする。
本発明の一の局面に係る波長変換レーザ光源は、基本波光を発生するための固体レーザ媒質と、前記基本波光を、前記基本波光よりも高い周波数の第２高調波光へ変換する波長変換素子と、該波長変換素子に接する導電性材料と、を備え、該波長変換素子は、複数の分極反転領域が形成された分極反転構造を含み、前記導電性材料は、前記分極反転領域と垂直に交わる第１側面に接することを特徴とする。
本発明の他の局面に係る光学素子は、基本波光を発生するための固体レーザ媒質と、前記基本波光を、前記基本波光よりも高い周波数の第２高調波光へ変換する波長変換素子と、を備え、前記固体レーザ媒質は、前記波長変換素子にオプティカルコンタクト状態となっている接合面と、該接合面と反対側の対向面と、を含み、前記接合面の面積Ｓ１は、前記対向面の面積Ｓ２よりも大きいことを特徴とする。
本発明の更に他の局面に係る波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、前記光を前記光学素子に集光する集光光学要素と、を備え、前記光学素子には、前記光の偏光方向に延びる突起部が形成されることを特徴とする。
本発明の更に他の局面に係る波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、前記光を前記光学素子に集光する集光光学要素と、を備え、前記光学素子は、前記光に基づき生成されたレーザ光を出力するための出力ミラーを含み、前記固体レーザ媒質に添加されたレーザ活性物質の濃度は、前記励起光源から前記出力ミラーに向けて低下することを特徴とする。
本発明の更に他の局面に係る光学素子は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第１主面を有する第１光学部材と、前記第１主面に水素結合を介したオプティカルコンタクトされ、前記第１主面とともにレーザ光が透過可能なオプティカルコンタクト面を形成する第２主面を含む第２光学部材と、前記オプティカルコンタクト面を封止する封止部材と、を備え、前記第２主面は、少なくとも部分的に鏡面研磨され、前記第１光学部材及び該第１光学部材とは異なる物質から形成された前記第２光学部材のうち少なくとも一方には、前記オプティカルコンタクト面の外縁に隣接する凹部又は切欠部が形成され、前記凹部又は切欠部に配設された前記封止部材は、前記オプティカルコンタクト面の前記外縁を覆うことを特徴とする。
本発明の更に他の局面に係る波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、を備え、前記光学素子の前記オプティカルコンタクト面は、前記光学素子を伝搬する前記光に対して、レーザ発振横モード制御を行う光学窓として機能することを特徴とする。
本発明の更に他の局面に係る波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、を備え、前記第１光学部材及び前記第２光学部材のうち少なくとも一方の形状は、前記光の伝搬方向に沿ってテーパ状に形成され、前記伝搬方向に垂直な前記光学部材の断面は、前記光学素子中を伝搬する前記光に対して、レーザ発振横モード制御を行う光学窓として機能することを特徴とする。
本発明の更に他の局面に係る画像表示装置は、光を発するレーザ光源と、前記レーザ光源に電流を供給するレーザ駆動回路と、前記光を変調し、画像を形成する変調素子と、前記変調素子から出射される光を反射する反射ミラーと、前記変調素子を駆動するコントローラと、を備え、前記レーザ光源は、上述の波長変換レーザ光源を含むことを特徴とする。
一般的なオプティカルコンタクト型の波長変換レーザ光源を概略的に示す図である。 出力光のファーフィールドビーム形状を撮影した写真である。 第１実施形態に従う波長変換素子並びに波長変換素子を用いた波長変換レーザ光源の構成を概略的に示す図である。 レーザ光源の動作時間と高調波出力の関係を示すグラフである。 分極反転構造を有するニオブ酸リチウムの「ｙ面」を覆う導電性材料を有するレーザ光源が連続運転されたときの出力変化を表すグラフ並びに連続運転されているレーザ光源から出力されたレーザ光の横モード形状を表す写真である。 導電性材料の種類、導電性材料の抵抗率及びレーザ光源の出力低下に対する抑制効果をまとめた表である。 第２実施形態に従う波長変換素子並びに波長変換素子を用いた波長変換レーザ光源の構成を概略的に示す図である。 図７に示される波長変換レーザ光源が備える第１光学素子の概略的な斜視図である。 第１光学素子に波長８０８ｎｍの励起光が入力され、第１光学素子から１０００ｍＷの緑色光が出力されるようにレーザ光源が連続運転されたときの動作時間に伴う出力変動を表すグラフ並びにレーザ光源の連続運転中の横モード形状を撮像した写真である。 第３実施形態に従う波長変換レーザ光源に用いられる光学素子の構成を概略的に示す模式図である。 レンズ部の曲率半径「ｒ」とレンズ部の加工高さとの関係を示すプロット図である。 レーザ光源の連続運転中の横モード形状を撮像した写真並びにレーザ光源が連続運転されたときの動作時間に伴う出力変動を示すプロット図である。 連続点灯試験の結果を示すプロット図である。 高出力での連続点灯の結果、出力低下或いは出力停止が生じたときの光学素子を概略的に示す。 整列した複数の光学素子を含む光学素子列の斜視図である。 図１５に示される光学素子列の平面図である。 図１５に示される光学素子列から分離された光学素子の斜視図である。 バー形状の光学素子列及び光学素子を用いた波長変換レーザの構成を例示する図である。 光学素子に波長８０８ｎｍの励起光が入力されたときの光学素子の光入出力特性を示すプロット図である。 光学素子の断面積と、所定の高調波出力に対して必要とされる接合強度との関係を示すグラフである。 光学素子が組み込まれたレーザ光源が連続動作されたときの動作時間と高調波の出力強度との関係を示すプロット図である。 バー形状の光学素子列の写真である。 第５実施形態にしたがう光学素子列の概略的な斜視図である。 図２３に示される光学素子列の平面図である。 図２３に示される光学素子列の正面図である。 第６実施形態にしたがうレーザ光源を概略的に示す図である。 固体レーザ媒質及び固体レーザ媒質内のレーザ活性物質の濃度分布を概略的に示す図である。 異種材料を用いて形成された光学部材をオプティカルコンタクトして作成された光学素子の斜視図である。 図２８に示される断面Ａを概略的に示す。 ＭｇＯ：ＬＮ結晶のＣ軸方向及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶のＣ軸方向における熱膨張係数の差異と、熱膨張係数の差異に起因する結晶の膨張量の差異との算出結果を概略的に示すグラフである。 ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板を示す。 光学素子が組み込まれた共振器型の波長変換レーザ光源を例示する。 オプティカルコンタクトされる前の第１光学部材及び第２光学部材を概略的に示す斜視図である。 オプティカルコンタクトされた第１光学部材及び第２光学部材を備える光学素子の斜視図である。 図３４に示される断面Ｂを概略的に示す。 封止部材が配設される領域内に分散されたオプティカルコンタクト領域を備える光学素子の概略的な斜視図である。 図３６に示される断面Ｃを概略的に示す。 オプティカルコンタクトされた２つの光学部材を備える光学素子の概略的な斜視図である。 図３８Ａ中の断面Ｄを概略的に示す。 図３８Ａ中の矢印の方向から見た光学素子を示す。 オプティカルコンタクトされたテーパ形状の光学部材及び直方体形状の光学部材を備える光学素子の概略的な斜視図である。 図３９Ａ中の断面Ｅを概略的に示す。 図３９Ａ中の矢印の方向から見た光学素子を示す。 光学窓として機能するオプティカルコンタクト面を備える光学素子を概略的に示す斜視図である。 図４０に示される断面Ｆを概略的に示す。 直径φ１ｍｍのオプティカルコンタクト面上で観察されたビームスポットの像を示す。 直径φ３００μｍのオプティカルコンタクト面上で観察されたビームスポットの像を示す。 光学素子の概略的な斜視図である。 図４３中に示される断面Ｇを概略的に示す。 第１光学部材に溝を形成する工程を概略的に示す。 溝形成後の第１光学部材と第２光学部材とをオプティカルコンタクトする工程を概略的に示す。 吸着状態にあるオプティカルコンタクト組立体の溝形成部分に封止部材を充填並びに硬化する工程を概略的に示す。 封止部材が充填された溝形成部分に沿って、ダイシングを用いて、光学素子を切り出すための工程を概略的に示す。 小片化された光学素子の斜視図である。 オプティカルコンタクト組立体の実態顕微鏡画像である。 ダイシング加工を通じて小片化されたオプティカルコンタクト組立体の実態顕微鏡による観察像を示す写真である。 レーザ光を光源とするレーザプロジェクタを示す図である。 レーザ光を用いたヘッドアップディスプレイ装置を概略的に示す図である。 レーザ光の出力低下の課題を説明するプロット図である。
以下に、波長変換レーザ光源、光学素子及び画像表示装置の様々な実施形態が添付の図面を用いて説明される。図中、同様の要素に対して、同様の符号が割り当てられる。同様の要素に関する説明は、冗長となるので、省略される。
以下の説明において、波長変換レーザ光源及び／又は光学素子として、バルク型の波長変換固体レーザ素子が例示される。バルク型の波長変換固体レーザ素子は、オプティカルコンタクトされた機能性光学素子である。オプティカルコンタクトされる２つの光学部材として、Ｎｄ：ＹＶＯ４（ネオジウムドープのイットリウム・バナデート）結晶及び強誘電体結晶ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（酸化マグネシウムドープのニオブ酸リチウム）結晶（以下、ＭｇＬＮ結晶と略す）が例示される。Ｎｄ：ＹＶＯ４（ネオジウムドープのイットリウム・バナデート）結晶は、固体レーザ媒質として例示される。また、ＭｇＬＮ結晶は、波長変換素子として例示される。代替的に、波長変換レーザ光源及び／又は光学素子は、他の適切な物質から形成されてもよい。
図１は、一般的なオプティカルコンタクト型の波長変換レーザ光源を概略的に示す。図１を用いて、一般的なオプティカルコンタクト型の波長変換レーザ光源が内包する課題が説明される。
図１に示されるオプティカルコンタクト型の波長変換レーザ光源は、端面励起型（エンドポンプ型レーザ）と呼ばれる。励起光は、レーザ媒質の端面から入力される。
図１に示されるレーザ光源１００は、励起光源１１０と、コリメートレンズ１２０と、集光レンズ１３０と、光学素子１４０とを備える。励起光源１１０は、励起光ＰＬをコリメートレンズ１２０に向けて照射する。励起光ＰＬは、コリメートレンズ１２０、集光レンズ１３０及び光学素子１４０を順次伝搬する。
光学素子１４０は、固体レーザ媒質１４１と、波長変換素子１４２とを備える。励起光ＰＬが入射された光学素子は、出力光ＯＬを出力する。
レーザ光源１００は、固体レーザ媒質１４１の端面（励起光ＰＬが入射される端面）に形成された光学膜１５０を更に備える。固体レーザ媒質１４１は、光学膜１５０が形成された端面と反対側の第１接合面１４３を含む。第１接合面１４３は、波長変換素子１４２に接合される。
波長変換素子１４２は、出力光ＯＬが出射される出射端面１４４と、出射端面１４４と反対側の第２接合面１４５とを含む。第２接合面１４５は、第１接合面１４３に接合される。固体レーザ媒質１４１の第１接合面１４３は、波長変換素子１４２の第２接合面１４５に、オプティカルコンタクト状態となっている。第１接合面１４３及び第２接合面１４５が、オプティカルコンタクトされることにより、光学素子１４０が形成される。
本実施形態並びに後述される様々な実施形態で用いられる「オプティカルコンタクト」との用語並びにこれに類する用語は、以下の要件を満たす「状態」を意味する。
（１）樹脂材料といった接着材料を介することなく光学要素同士が直接的に接合されている状態。
（２）光学要素同士間に空気層が介在することなく、光学要素同士が吸着・密着されている状態。
光学結晶、セラミックや誘電体膜といった同種材料又は異種材料からなる光学要素間において、電気的力（ファン・デル・ワールス力）、水素結合や機械的外圧力といった力によって、上記要件を満たす状態が形成されているならば、当該状態は、オプティカルコンタクト状態である。
以下の説明において、「オプティカルコンタクトしている／オプティカルコンタクトされている」との用語は、上述の状態となっているものを意味する。また、「オプティカルコンタクトする／オプティカルコンタクトされる」との用語は、上述の状態にすること／されること（手段・動作）を意味する。
以下の説明において、「オプティカルコンタクト面」との用語は、上述の状態下にある光学要素間の界面を意味する。「オプティカルコンタクト組立体」との用語は、上述の状態とされた光学要素から形成された組立体を意味する。
レーザ光源１００の機能及び動作が、以下に、説明される。
上述の如く、励起光源１１０は、励起光ＰＬを発する。コリメートレンズ１２０は、励起光ＰＬを平行光にする。その後、集光レンズ１３０は、光学素子１４０を構成する固体レーザ媒質１４１に集光する。
上述の如く、励起光ＰＬが入射される固体レーザ媒質１４１の端面には、光学膜１５０が形成される。光学膜１５０は、１０６０ｎｍ帯の光を高反射し、共振器ミラーの１つとして機能する。波長変換素子１４２の出射端面１４４にも、高反射光学膜（図示せず）が形成される。出射端面１４４に形成された高反射光学膜も１０６０ｎｍ帯の光を高反射し、もう１つの共振器ミラーとして機能する。
固体レーザ媒質１４１の第１接合面１４３と波長変換素子１４２の第２接合面１４５との境界には、光学膜は形成されず、第１接合面１４３及び第２接合面１４５はオプティカルコンタクトされる。固体レーザ媒質１４１の端面に形成された光学膜１５０（光反射光学膜）と波長変換素子１４２の出射端面１４４に形成された光反射光学膜は、共振器ミラーとして用いられる。これら高反射光学膜の間で、１０６０ｎｍ帯の光が繰り返し反射され、共振する。かくして、光学素子１４０は、光共振器として機能し、１０６０ｎｍ帯のレーザ光を発振する。
上述の如く、固体レーザ媒質１４１として、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶が用いられ、波長変換素子１４２として、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶が用いられると、固体レーザ媒質１４１の屈折率と波長変換素子１４２の屈折率との差は、０．１以下となる。この結果、第１接合面１４３と第２接合面１４５との間に光学薄膜が形成されなくとも、オプティカルコンタクトされた固体レーザ媒質１４１及び波長変換素子１４２は、光学的に低い損失を達成することができる。このように、固体レーザ媒質１４１及び波長変換素子１４２がオプティカルコンタクトされるならば、光学薄膜の形成工程及びレーザ光源を製造する際の調整工程が簡略化される。
発振した１０６０ｎｍ帯の光が波長変換素子１４２を通過すると、１０６０ｎｍ帯の光は、半分の波長の５３０ｎｍ帯の光へ波長変換される。波長変換された５３０ｎｍ帯の光は、出力光ＯＬとして、波長変換素子１４２の出射端面１４４から出力される。なお、光学素子１４０は、レーザ媒質保持具（図示せず）で保持されてもよい。
オプティカルコンタクトされた固体レーザ媒質１４１及び波長変換素子１４２を含む光学素子１４０を備えるレーザ光源１００（オプティカルコンタクト型のレーザ光源）を用いて、例えば、ピーク出力１Ｗの５３０ｎｍ帯の光を連続的に出力する連続点灯試験が行われると、レーザ光源１００から出射される出力光ＯＬ（レーザ光）の出力は、約８０時間で低下するということを、本発明者は確認した。
上述の図５０のプロット図は、連続点灯試験の結果を表している。出力された波長変換後の光（高調波）の横モード形状の観測の結果、レーザ光源１００の点灯開始時において略円形であった高調波の横モード形状は、時間を経るにしたがい歪み、最終的に紡錘形へと変化することが確認された。上述の横モード変化に伴って出射されるレーザ光の出力低下が観測された。動作時間に対する高調波出力の関係を示す図５０から、横モード形状変化に対応して出力が低下していることが分かる。
図２は、出力光ＯＬのファーフィールドビーム形状を撮影した写真である。図２の「（１）」に対応する写真は、レーザ光源１００の点灯開始時における高調波の横モード形状を示す写真である。図２の「（２）」に対応する写真は、レーザ光源１００の点灯開始から６５時間経過後における高調波の横モード形状を示す写真である。図２の「（３）」に対応する写真は、レーザ光源１００の点灯開始から８５時間経過後における高調波の横モード形状を示す写真である。図２の「（１）」、「（２）」及び「（３）」に対応する写真は、図５０中の記号「（１）」、「（２）」及び「（３）」に示される動作時刻にそれぞれ対応する。
固体レーザ媒質１４１及び波長変換素子１４２を含む光学素子１４０を備えるオプティカルコンタクト型のレーザ光源１００だけでなく、分散・分離配置された光学部品（即ち、固体レーザ媒質、波長変換素子及び出力ミラーを用いて形成された共振器を備えるレーザ光源においても、同様の出力低下現象が観察された。尚、レーザ光出力の低下量は、オプティカルコンタクト型のレーザ光源１００において、特に大きくなる。固体レーザ媒質及び波長変換素子がオプティカルコンタクトされていないならば、オプティカルコンタクト型のレーザ光源１００に比べて、レーザ光出力の低下量が１／３程度となる。しかしながら、オプティカルコンタクトされていない固体レーザ媒質及び波長変換素子を備えるレーザ光源においても、上述の出力低下に対する改善は必要とされる。
出力低下現象は、高調波レーザ光（図１に示されるレーザ光源１００では、５３０ｎｍ帯の緑色レーザ光）が、波長変換素子１４２を構成するニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムに吸収されることによって引き起こされると考えられる。ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムによるレーザ光の吸収が、局所的な屈折率の変化を引き起こす結果、レーザ発振した基本波光の波面が乱され（ビーム形状が変化し）、レーザ光源１００からの出力が低下すると考えられる。ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムによるレーザ光の吸収は、波長変換素子１４２内での基本波光のパワー密度やビームウエスト位置を変化させる。この結果、基本波光から高調波光への変換効率が低下し、緑色光の出力が低下する。尚、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムへの可視〜紫外線の光の照射が引き起こす屈折率の変化（「光誘起屈折率変化」）は、以前から知られている。「光誘起屈折率変化」は、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムに、添加物として酸化マグネシウム（以下、ＭｇＯ）が添加されることによって回避されることが、一般的に知られている。しかしながら、レーザ光源が高出力で長時間連続動作されたときに生ずる出力低下現象については知られていない。本発明者は、ＭｇＯを波長変換素子材料に添加する方法ではレーザ出力の低下が十分に抑制されず、高いレーザ出力は、長時間、保たれないという課題を明らかにした。
以下に示される様々な実施形態にしたがって説明される光学素子、光学素子を備える波長変換レーザ光源並びに波長変換レーザ光源を用いた画像表示装置は、上述の課題を適切に解消する。以下、光学素子、光学素子を備える波長変換レーザ光源並びに波長変換レーザ光源を用いた画像表示装置が説明される。
（第１実施形態）
図３は、第１実施形態に従う波長変換素子並びに波長変換素子を用いた波長変換レーザ光源の構成を概略的に示す模式図である。図３を用いて、波長変換素子及び波長変換レーザ光源が説明される。
図３のセクション（ａ）は、レーザ光源２００を概略的に示す。図１に関連して説明されたレーザ光源１００と同様に、励起光ＰＬは、固体レーザ媒質２４０の端面から入力される端面励起型のレーザ光源である。
レーザ光源２００は、上述の固体レーザ媒質２４０に加えて、励起光源２１０、コリメートレンズ２２０、集光レンズ２３０、波長変換素子２５０及び出力ミラー２８０を備える。波長変換素子２５０から出力ミラー２８０を通じて出力光ＯＬが出力される。固体レーザ媒質２４０は、励起光ＰＬの入射に伴い基本波光を発生する。また、波長変換素子２５０は、基本波光を、基本波光よりも高い周波数の第２高調波光へ変換する。
レーザ光源２００は、励起光ＰＬが入射される固体レーザ媒質２４０の入射端面に形成された光学膜２６０を備える。固体レーザ媒質２４０は、光学膜２６０が形成された端面と反対側の第１端面２４１を含む。
波長変換素子２５０は、第２高調波が出射される出射端面２５１と、出射端面２５１と反対側の第２端面２５２と、を含む。波長変換素子２５０の出射端面２５１に対向する出力ミラー２８０の面（曲面２８１）は、凹面形状に形成される。
図３のセクション（ｂ）は、波長変換素子２５０を概略的に示す斜視図である。波長変換素子２５０は、周期状の分極反転構造２５３を備える。分極反転構造２５３は、波長変換素子２５０の内部に形成される。
波長変換素子２５０は、出射端面２５１と第２端面２５２との間で延びる第１側面２５４を含む。ｚ軸（ｃ軸）に平行な第１側面２５４には、分極反転領域が形成された分極反転構造２５３が露出する。第１側面２５４は、分極反転領域と垂直に交わる。本実施形態において、分極反転構造２５３は、第１側面２５４に露出している。代替的に、分極反転構造は、波長変換素子の第１側面に露出しなくともよい。
図３のセクション（ｄ）に示される如く、レーザ光源２００は、導電性材料２７０を更に備える。本実施形態において、導電性材料２７０は、第１側面２５４に露出した分極反転構造２５３に直接的に接触する。代替的に、導電性材料は、分極反転構造が露出していない第１側面に接触してもよい。
以下、第１実施形態に従うレーザ光源２００の機能及び動作が説明される。
励起光源２１０は、励起光ＰＬを発する。コリメートレンズ２２０は、励起光ＰＬを平行光にする。集光レンズ２３０は、励起光ＰＬを固体レーザ媒質２４０へ集光する。固体レーザ媒質２４０への励起光ＰＬの集光までの工程は、図１に関連して説明されたレーザ光源１００と同様である。しかしながら、本実施形態のレーザ光源２００は、一体化された光学部品で形成されたレーザ共振器を備えるレーザ光源１００と異なり、別々に配備された光学部品で形成されたレーザ共振器を備える。
固体レーザ媒質２４０の入射端面に形成された光学膜２６０は、発振する１０６０ｎｍ帯の光とその高調波の５３０ｎｍ帯の光とを高反射する。また、固体レーザ媒質２４０の第１端面２４１（波長変換素子２５０に対向する端面）、波長変換素子２５０の第２端面２５２及び波長変換素子２５０の出射端面２５１には、反射防止特性を有する光学膜が形成されている。第１端面２４１、第２端面２５２及び出射端面２５１に形成された光学膜は、発振する１０６０ｎｍ帯の光とその高調波の５３０ｎｍ帯の光とを透過する。
出力ミラー２８０（凹面ミラー）の曲面２８１には、光学膜が形成される。出力ミラー２８０に形成された光学膜は、発振する１０６０ｎｍ帯の光を高反射する一方で、その高調波である５３０ｎｍ帯の光を透過する。かくして、固体レーザ媒質２４０の入射端面に形成された光学膜２６０と出力ミラー２８０との間で光学的な共振器が形成される。この光学的な共振器によって、１０６０ｎｍ帯の光が、レーザ発振する。
レーザ発振した１０６０ｎｍ帯の光が波長変換素子２５０を通過するたびに、１０６０ｎｍ帯の光の一部は、高調波の５３０ｎｍ帯の光へ波長変換される。最終的に、波長変換された光は、出力光ＯＬとして、出力ミラー２８０から共振器外部へ出力される。
図５０に関連して説明された如く、固体レーザ媒質と波長変換素子とを備える波長変換レーザ光源が長時間駆動されると、緑色出力が低下する現象が確認された。尚、レーザ光の横モードの形状が変化する原因は、波長変換素子（例えば、ニオブ酸リチウム）の内部での光起電力効果に起因して生ずるチャージであると考えられる。発生したチャージがレーザビームの周囲に蓄積し、電気光学効果により波長変換素子内部での屈折率変化が生ずる。この結果、波長変換レーザ光源の横モードが変化する。
図３のセクション（ｄ）に示される如く、本実施形態の光学素子及びレーザ光源２００は、ｙ軸に垂直な第１側面２５４（ｙ面）を覆う導電性材料２７０に特徴づけられる。分極反転構造２５３が露出した第１側面２５４を覆う導電性材料２７０は、波長変換素子２５０の内部に蓄積したチャージの効率的な除去に貢献する。
図３を用いて、波長変換素子２５０が更に説明される。
本実施形態の波長変換素子２５０は、ニオブ酸リチウムに設けられた周期状の分極反転構造２５３を含む。波長変換素子２５０は、第２高調波を発生させる擬似位相整合型の波長変換素子である。尚、波長変換素子２５０の材料に酸化マグネシウム（以下、ＭｇＯと表記する）が添加されてもよい。酸化マグネシウムの添加は、上述の「光誘起屈折率変化」（波長変換素子材料の屈折率の変化）を好適に抑制する。
図３のセクション（ｂ）は、周期状の分極反転構造のニオブ酸リチウムの構成を概略的に示す模式図である。図３のセクション（ｂ）に示される座標は、ニオブ酸リチウム内で光が感じる誘電主軸を示し、誘電主軸のｚ軸は、結晶構造から決定される結晶軸のｃ軸と一致する。本実施形態で示される分極反転構造を有する波長変換素子２５０は、「バルク型」と称され、結晶基板内にも分極反転構造２５３を備える。分極反転構造２５３が形成される間、分極反転構造２５３は、ｚ軸（ｃ軸）に垂直な平面（ｚ面から）ｚ軸座標のマイナス方向に成長し、図３のセクション（ｂ）に示される構造となる。波長変換素子２５０が、ｙ軸に垂直な適切な面において切断されると、波長変換素子２５０の第１側面２５４に周期状の分極反転構造２５３が露出する。また、上述の如く、分極反転構造２５３が露出した第１側面２５４は、ケミカルポリッシングにより研磨されてもよく、及び／又は、化学的エッチング処理を施与されてもよい。かくして、ｙ軸に垂直な面（ｙ面）（第１側面２５４）において、顕微鏡といった観察器具を用いて視認可能な分極反転構造２５３（周期的に変化する分極反転の構造）が露出する。
図３のセクション（ｃ）は、ｚ面（ｚ軸（ｃ軸）に垂直な平面）上の２つの面における電荷の蓄積（焦電効果）に起因するレーザ出力の低下を防ぐための既知の手法を示す。ｚ面上の２つの面における電荷の蓄積を防ぐために、波長変換素子２５０ａの上面と下面に沿って、導電性材料２７０ａが配設される。
図３のセクション（ｃ）に示される導電性材料２７０ａの配置とは異なり、本実施形態において、導電性材料２７０は、周期的に変化している分極反転構造２５３が露出する第１側面２５４（ニオブ酸リチウムでは、「ｙ面」）を覆う。尚、導電性材料２７０が取り付けられる「ｙ面」とは、波長変換素子２５０の材料のｃ軸と平行な面を意味する。また、「ｙ面」は、分極反転構造２５３の分極反転軸（分極方向）と平行な面である。尚、波長変換素子の構造が立方体（或いは、直方体）ではないとき、導電性材料は上述の定義に従って配置されなくともよい。導電性材料で覆われる面は、分極反転構造の断面の分極反転領域に対して、略垂直に形成されていればよい。
図４は、レーザ光源の動作時間と高調波出力の関係を示すグラフである。図４中、「（１）」で示されるプロットは、導電性材料を備えないレーザ光源の動作時間と高調波出力の関係を示す。図３及び図４を用いて、レーザ光源の動作時間と高調波出力の関係が説明される。
図４中、「（２）」で示されるプロットは、「ｚ面」に取り付けられた導電性材料２７０ａ（図３のセクション（ｃ）参照）を備えるレーザ光源の動作時間と高調波出力の関係を示す。図４中、「（３）」で示されるプロットは、「ｙ面」に取り付けられた導電性材料２７０（図３のセクション（ｄ）参照）を備えるレーザ光源２００の動作時間と高調波出力の関係を示す。
＜（１）導電性材料を備えないレーザ光源＞
導電性材料が波長変換素子の表面上に取り付けられていないとき、レーザ光源からの出力は、約８０時間で低下し始める。
＜（２）「ｚ面」に取り付けられた導電性材料を備えるレーザ光源＞
「ｚ面」に取り付けられた導電性材料２７０ａを備えるレーザ光源からの出力は、約１５０時間で低下し始める。導電性材料を備えないレーザ光源に対する改善は認められるが、「ｚ面」に取り付けられた導電性材料２７０ａでは、十分な改善は得られていない。
＜（３）「ｙ面」に取り付けられた導電性材料を備えるレーザ光源＞
「ｙ面」に取り付けられた導電性材料２７０を備えるレーザ光源２００からの出力は、２００時間経過後も、低下しない。したがって、図４に示されるグラフから、「ｙ面」を覆う導電性材料２７０は、最も効果的に出力低下を抑制することが分かる。
図５は、分極反転構造２５３を有するニオブ酸リチウムの「ｙ面」を覆う導電性材料２７０を有するレーザ光源２００が連続運転されたときの出力変化を表すグラフと、連続運転されているレーザ光源２００から出力されたレーザ光の横モード形状を表す写真と、を示す。図５のセクション（ａ）は、出力変化を表すグラフである。図５のセクション（ｂ）は、レーザ光の横モード形状を表す写真である。尚、ニオブ酸リチウムには、ＭｇＯが添加されている。図３及び図５を用いて、レーザ光源２００の出力変化及びレーザ光の横モード形状が説明される。
図５のセクション（ｂ）中の写真（１）は、図５のセクション（ａ）のグラフ中に示される記号「（１）」に対応し、レーザ光源２００の点灯から１０時間経過後の写真である。図５のセクション（ｂ）中の写真（２）は、図５のセクション（ａ）のグラフ中に示される記号「（２）」に対応し、レーザ光源２００の点灯から１００時間経過後の写真である。図５のセクション（ｂ）中の写真（３）は、図５のセクション（ａ）のグラフ中に示される記号「（３）」に対応し、レーザ光源２００の点灯から１９０時間経過後の写真である。
図５のセクション（ｂ）の写真（１）乃至（３）から明らかなように、横モードのレーザ形状はほとんど変化していない。また、連続運転されているレーザ光源２００からの出力変化（出力低下）は、２００時間経過後において、１％以内に収まっている。したがって、レーザ光源２００の出力低下は、好適に抑制されている。
ｚ面に沿う２つの面（波長変換素子２５０の上面２５５及び下面２５６）に電荷が蓄積される焦電効果に対しては、波長変換素子２５０のｚ面（上面２５５及び下面２５６）を覆う導電性材料が有効である。波長変換素子２５０のｚ面（上面２５５及び下面２５６）を覆う導電性材料は、波長変換素子２５０のｚ面（上面２５５及び下面２５６）に発生した電荷を好適に逃がし、レーザ光源２００の出力低下を効果的に抑制する。
高調波光の横モード形状の変化は、「ｚ面」の表面に発生する電荷ではなく、波長変換素子２５０を通るビームパス周辺領域の分極反転境界付近（即ち、波長変換素子２５０の内部）に発生する局所電荷に起因する。したがって、「ｚ面」を覆う導電性材料だけでは、横モード形状の変化を十分に防止することができない。一方で、波長変換素子２５０の「ｙ面」を覆う導電性材料２７０は、波長変換素子２５０の内部の電荷を十分に外部へ逃がすことが出来る。
尚、本実施形態において、分極反転構造２５３は、波長変換素子２５０の一方の「ｚ面」（上面２５５）から他方の「ｚ面」（下面２５６）に貫通していない。波長変換素子２５０の「ｚ面」に沿う上面２５５及び下面２５６のうち一方の面（図３において、下面２５６）には、分極反転構造２５３は、形成されていない。分極反転構造２５３が形成されない面（下面２５６）と、分極反転構造２５３までは、所定の距離だけ、離間している。
「ｚ面」（上面２５５及び下面２５６）間で、分極反転構造２５３は貫通されないので、周期上の分極反転構造２５３を形成する工程において、分極反転・非反転の比（デューティ比）の均一性が保たれ、１０６０ｎｍ帯の光から高調波の５３０ｎｍ帯への光への変換効率が向上される。尚、分極反転の界面（反転壁）の抵抗率は、他の部分よりも低減され、チャージの容易な往来が達成される。したがって、分極反転構造２５３が一方のｚ面（図３において、下面２５６）に貫通されていないならば、「ｙ面」を覆う導電性材料２７０は、波長変換素子２５０に蓄積されたチャージを比較的容易に引き抜くことができる。
導電性材料２７０で覆われる一対の「ｙ面」（第１側面２５４）は、分極反転構造２５３の分極方向と平行であり、且つ、波長変換素子２５０の結晶軸と交わる。一対の第１側面２５４同士は、好ましくは、電気的に接続（短絡）される。この結果、波長変換素子２５０の内部で発生したチャージを適切にキャンセルされる。「ｙ面」（第１側面）が導電性材料によって覆われる限り、導電性材料は、他の形状及び構造を有してもよい。例えば、導電性材料は、波長変換素子の周面（「ｚ面」及び「ｙ面」）全体を覆ってもよい。この結果、波長変換素子２５０に蓄積されたチャージは適切にキャンセルされる。本実施形態において、一対の第１側面２５４のうち一方は、第１短絡面として例示され、他方は第２短絡面として例示される。
本発明者は、レーザ光源２００の出力低下に対する抑制性能は、導電性材料２７０の抵抗値に依存することを見出した。
図６は、導電性材料２７０の種類、導電性材料２７０の抵抗率及びレーザ光源２００の出力低下に対する抑制効果をまとめた表である。図３及び図６を用いて、導電性材料２７０の種類及び／又は抵抗率と、レーザ光源２００の出力低下に対する抑制効果との関係が説明される。尚、以下の説明において、「出力低下」との用語は、レーザ光源２００が１００時間連続運転されたときにおいて、高調波出力が１％以上低下したことを意味する。
図６によれば、導電性材料２７０の抵抗値が、１０×１０−５Ω・ｃｍ以下であるとき、レーザ光源２００の出力低下は好適に抑制される。本実施形態において検証された導電性材料２７０のうち、インジウム（波長変換素子２５０の表面（第１側面２５４）に接触させた状態）、アルミニウム（スパッタ膜）、金（スパッタ膜）及び銅（波長変換素子２５０の表面（第１側面２５４）に接触させた状態）は、好適な抑制効果を発揮した。
導電性材料２７０の抵抗値が、１０×１０−５Ω・ｃｍ以下であれば、導電性材料２７０は、波長変換素子２５０の第１側面２５４に形成された金属膜であってもよく、波長変換素子２５０の第１側面２５４に単純に物理的に接触された板片であってもよい。第１側面２５４に付着した金属膜状の導電性材料２７０及び第１側面２５４に物理的に接触された導電性材料２７０はともに、好適な抑制効果を発揮した。
レーザ光源の波長変換素子が分離反転構造を有するならば、本実施形態で説明された原理にしたがって、レーザ光源の出力低下は適切に抑制される。分極反転構造を形成することができる材料として、ＭｇＯ添加ニオブ酸リチウムの他に、ＭｇＯ添加タンタル酸リチウム、定比組成のＭｇＯ添加ニオブ酸リチウム、定比組成のＭｇＯ添加タンタル酸リチウムやリン酸チタニルカリウム（通称 ＫＴＰ、ＫＴｉＯＰＯ４）が例示される。これら非線形光学材料を用いて形成された分離反転構造を有する波長変換素子に対しても、本実施形態で説明された原理は好適に適用され、上述の出力低下に対する好適な抑制効果が得られる。
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に従う波長変換素子並びに波長変換素子を用いた波長変換レーザ光源の構成を概略的に示す模式図である。図８は、図７に示される波長変換レーザ光源が備える第１光学素子の概略的な斜視図である。図７及び図８を用いて、波長変換素子及び波長変換レーザ光源が説明される。
本実施形態の波長変換レーザ光源が備える固体レーザ媒質の材料として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ４結晶が例示される。波長変換素子の材料として、分極反転構造を形成可能な様々な非線形光学材料（例えば、第１実施形態の波長変換素子に用いられたＭｇＯ添加ニオブ酸リチウム、ＭｇＯ添加タンタル酸リチウム、定比組成のＭｇＯ添加ニオブ酸リチウム、定比組成の添加タンタル酸リチウム、リン酸チタニルカリウム（通称 ＫＴＰ、ＫＴｉＯＰＯ４））が例示される。尚、本実施形態において、固体レーザ媒質には、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶が用いられる。また、波長変換素子にＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶が用いられる。これらの材料から形成された固体レーザ媒質及び波長変換素子を備える波長変換レーザ光源が以下に説明される。
図７は、第２実施形態に従うレーザ光源２００Ａを概略的に示す。図８は、レーザ光源２００Ａが備える第１光学素子３００を概略的に示す。第１実施形態に従うレーザ光源２００と同様の要素は、同様の符号で示されている。これら同様の要素に対して、第１実施形態での説明が援用される。
レーザ光源２００Ａは、励起光源２１０、コリメートレンズ２２０、集光レンズ２３０及び第１光学素子３００を備える。第１光学素子３００は、固体レーザ媒質２４０Ａと波長変換素子２５０Ａとを備える。レーザ光源２００Ａは、導電性材料２７０Ａを更に備える。導電性材料２７０Ａは、第１光学素子３００に取り付けられる。
図８に示される如く、固体レーザ媒質２４０Ａ及び固体レーザ媒質２４０Ａにオプティカルコンタクトされた波長変換素子２５０Ａは、第１光学素子３００を形成する。固体レーザ媒質２４０Ａは、励起光源２１０から出射された励起光ＰＬが入射する入射端面２４２と、入射端面２４２と反対側の第１接合面２４１Ａとを含む。波長変換素子２５０Ａは、第２高調波が出射される出射端面２５１と、出射端面２５１と反対側の第２接合面２５２Ａと、を含む。固体レーザ媒質２４０Ａの第１接合面２４１Ａは、波長変換素子２５０Ａの第２接合面２５２Ａに対して、例えば、オプティカルコンタクト状態となり、密着一体化される。かくして、オプティカルコンタクトされた固体レーザ媒質２４０Ａ及び波長変換素子２５０Ａを備える第１光学素子３００が形成される。
以下、第２実施形態に従うレーザ光源２００Ａの機能及び動作が説明される。
励起光源２１０は、励起光ＰＬを発する。コリメートレンズ２２０は、励起光ＰＬを平行光にする。集光レンズ２３０は、励起光ＰＬを固体レーザ媒質２４０Ａへ集光する。
第１実施形態に関連して説明された波長変換素子２５０と同様に、本実施形態の波長変換素子２５０Ａは、分極反転構造２５３と垂直に交わる第１側面２５４を含む。固体レーザ媒質２４０Ａは、第１側面２５４と連続する第２側面２４４を含む。本実施形態のレーザ光源２００Ａは、導電性材料２７０Ａが第１側面２５４及び第２側面２４４に接触することに特徴づけられる。
第１光学素子３００は、上述の如く、固体レーザ媒質２４０Ａと波長変換素子２５０Ａとを備える。固体レーザ媒質２４０Ａの第１接合面２４１Ａは、波長変換素子２５０Ａの第２接合面２５２Ａにオプティカルコンタクトされる固体レーザ媒質２４０Ａ及び波長変換素子２５０Ａの間のオプティカルコンタクト状態は、接着剤の介在なしに、固体レーザ媒質２４０Ａ及び波長変換素子２５０それぞれの材料同士間に作用する分子間力やファンデルワールス力といった力によって維持される。
固体レーザ媒質２４０Ａの第１接合面２４１Ａは、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶のａ−ｃ面である。波長変換素子２５０Ａの第２接合面２５２Ａは、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ−ｙ面である。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ軸及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶のｃ軸が平行となるように、固体レーザ媒質２４０Ａの第１接合面２４１Ａ及び波長変換素子２５０Ａの第２接合面２５２Ａは、接合される。
固体レーザ媒質２４０Ａの入射端面２４２に励起光ＰＬが入射すると、波長変換素子２５０Ａの出射端面２５１から緑色レーザ光が出力される。固体レーザ媒質２４０Ａの入射端面２４２には、１０６０ｎｍ帯のレーザ光と、高調波の５３０ｎｍ帯のレーザ光とを９９．８％反射する光学膜が形成される。波長変換素子２５０Ａの出射端面２５１には、１０６０ｎｍ帯のレーザ光を９９．８％反射する一方で、高調波の５３０ｎｍ帯のレーザ光を透過する光学膜が形成される。かくして、固体レーザ媒質２４０Ａの入射端面２４２と波長変換素子２５０Ａの出射端面２５１との間で、１０６０ｎｍ帯の光は、共振並びにレーザ発振する。この結果、波長変換素子２５０Ａによって波長変換された緑色光のみが、出射端面２５１から出力される。
本実施形態のレーザ光源２００Ａの導電性材料２７０Ａは、第１実施形態の導電性材料２７０と同様に、波長変換素子２５０Ａの第１側面２５４（「ｙ面」）を覆う。本実施形態のレーザ光源２００Ａは、導電性材料２７０Ａが固体レーザ媒質２４０Ａの第２側面２４４を更に連続的に覆うことに特徴づけられる。
Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶を用いて形成された固体レーザ媒質２４０Ａの線膨張係数は、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶を用いて形成された波長変換素子２５０Ａの線膨張係数と相違する。本発明者は、このように線膨張係数が異なる異種材料から形成された固体レーザ媒質及び波長変換素子を備える光学素子を用いてレーザが発振されると、固体レーザ媒質は発熱し、波長変換素子に応力が付加され、レーザ光源の出力低下が生ずることを見出した。
導電性の高い材料は、一般的に、熱伝導性も高いので、固体レーザ媒質が発した熱を効率よく放熱し、緑色レーザ光の出力低下が効果的に抑制される。本実施形態において、導電性材料２７０Ａとして、アルミニウムのスパッタ膜（１００〜３００ｎｍ厚）が使用され、緑色光の出力低下に対する効果的な抑制作用が確認された。
図９は、第１光学素子３００に波長８０８ｎｍの励起光ＰＬが入力され、第１光学素子３００から１０００ｍＷの緑色光が出力されるようにレーザ光源２００Ａが連続運転されたときの動作時間に伴う出力変動と、レーザ光源２００Ａの連続運転中の横モード形状を撮像した写真を示す。図９のセクション（ａ）は、レーザ光源２００Ａの連続運転中の横モード形状を撮像した写真である。図９のセクション（ｂ）は、レーザ光源２００Ａが連続運転されたときの動作時間に伴う出力変動を示すプロット図である。図７乃至図９を用いて、動作時間に伴う出力変動及び横モード形状の変化が説明される。
図９のセクション（ａ）の写真（１）は、図９のセクション（ｂ）のプロット図中に示される記号「（１）」に対応し、レーザ光源２００Ａの点灯が開始されたとき（点灯初期）の横モード形状の写真である。図９のセクション（ａ）の写真（２）は、図９のセクション（ｂ）のプロット図中に示される記号「（２）」に対応し、点灯初期から１００時間経過後の横モード形状の写真である。図９のセクション（ａ）の写真（３）は、図９のセクション（ｂ）のプロット図中に示される記号「（３）」に対応し、点灯初期から１９０時間経過後の横モード形状の写真である。
点灯初期から１００時間経過後までの期間において、出力低下及び横モードの変化は観察されない。点灯初期から１９０時間経過すると、横モード形状のわずかな変化は確認される一方で、出力低下量は１％以内である。図９から、第１光学素子３００の第１側面２５４及び第２側面２４４を覆う導電性材料２７０Ａは、レーザ光源２００Ａが連続運転されたときの出力低下を効果的に抑制することが分かる。
本実施形態において、第１光学素子３００は、一体化された固体レーザ媒質２４０Ａ及び波長変換素子２５０Ａを備える。波長変換素子２５０Ａは、対向する「ｙ面」（第１側面２５４）に導電性材料２７０Ａが接触する。この結果、第１実施形態に関連して説明された原理に従い、波長変換素子２５０Ａの内部で発生されたチャージは適切にキャンセルされる。更に、導電性材料２７０Ａは、固体レーザ媒質２４０Ａの第２側面２４４まで延出する。この結果、固体レーザ媒質２４０Ａで発生した熱は、効率よく放熱される。かくして、第１光学素子３００の長時間の駆動に起因するレーザ光の出力低下は、効果的に抑制される。
（第３実施形態）
本実施形態にしたがう波長変換レーザ光源は、上述の第２実施形態に関聨して説明された第１光学素子３００（一体化された固体レーザ媒質２４０Ａ及び波長変換素子２５０Ａを備えるオプティカルコンタクトされた素子）の横モード変化を抑制する。この結果、本実施形態にしたがう波長変換レーザ光源が長時間運転されたときの出力低下が好適に抑制される。
図１０は、本実施形態に従う波長変換レーザ光源に用いられる光学素子の構成を概略的に示す模式図である。図１０のセクション（ａ）は、一体化された固体レーザ媒質、波長変換素子及び横モードを維持するための維持機構を備える光学素子の構成を例示する。図１０のセクション（ｂ）は、維持機構の形状を例示する。第１実施形態及び／又は第２実施形態に従うレーザ光源２００，２００Ａと同様の要素は、同様の符号で示されている。これら同様の要素に対して、第１実施形態及び／又は第２実施形態での説明が援用される。
図１０に示される光学素子４００は、固体レーザ媒質２４０Ａと波長変換素子２５０Ｂとを備える。固体レーザ媒質２４０Ａ及び波長変換素子２５０Ｂは、例えば、オプティカルコンタクト状態となり、一体化される。この結果、オプティカルコンタクトされた固体レーザ媒質２４０Ａ及び波長変換素子２５０Ｂを備える第１光学素子３００Ｂが形成される。
第２実施形態のレーザ光源２００Ａと同様に、導電性材料２７０Ａは、波長変換素子２５０Ｂの第１側面２５４及び固体レーザ媒質２４０Ａの第２側面２４４に接触する。導電性材料２７０Ａは、波長変換素子２５０Ｂの内部のチャージをキャンセルするとともに、固体レーザ媒質２４０Ａからの放熱を促す。
光学素子４００は、横モードを維持する維持機構２９０を備える。維持機構２９０は、波長変換素子２５０Ｂに接合される第３接合面２９１を含む。波長変換素子２５０Ｂは、第３接合面２９１に接合される第４接合面２５１Ｂと、固体レーザ媒質２４０Ａに接合される第２接合面２５２Ａと、を含む。固体レーザ媒質２４０Ａは、第２接合面２５２Ａに接合される第１接合面２４１Ａを含む。
維持機構２９０は、第３接合面２９１を含む基台部２９３と、第３接合面２９１と反対側に形成されたレンズ部２９２と、を備える。レーザ光は、レンズ部２９２から出射される。レンズ部２９２は、レンズ形状に加工される。本実施形態において、維持機構２９０は、第２光学素子として例示される。また、レンズ部２９２は、出射部として例示される。
以下、第３実施形態に従う光学素子４００の機能及び動作が説明される。
固体レーザ媒質２４０Ａの第１接合面２４１Ａ及び波長変換素子２５０Ｂの第２接合面２５２Ａが接合され、固体レーザ媒質２４０Ａ及び波長変換素子２５０Ｂが一体化される点において、本実施形態の光学素子４００は、第２実施形態に関連して説明された第１光学素子３００と共通する。しかしながら、光学素子４００は、維持機構２９０を備える点で、第２実施形態と相違する。
維持機構２９０のレンズ部２９２は、波長変換素子２５０Ｂと略等しい屈折率を有する材料を用いて形成される。本実施形態において説明される光学素子４００は、維持機構２９０の第３接合面２９１及び波長変換素子２５０Ｂの第４接合面２５１Ｂがオプティカルコンタクトされ、維持機構２９０及び波長変換素子２５０Ｂが一体化される点に特徴づけられる。
維持機構２９０のレンズ部２９２、例えば、直径５００〜８００μｍ（マイクロメートル）の球面凸レンズ形状に形成され、曲率半径「ｒ」の外面を有する。レンズ部２９２は、高さ０．１〜０．５μｍ（マイクロメートル）で基台部２９３から突出する。
光学素子４００が波長変換レーザ光源に用いられるならば、好適には、曲率半径「ｒ」は、１００〜１０００ｍｍ（ミリメートル）の範囲に設定される。曲率半径「ｒ」が１００ｍｍ未満であるならば、固体レーザ媒質２４０Ａ内での励起光と１０６０ｎｍ帯の光との重なり積分が小さくなり、出力可能な緑色光は過度に小さくなる。曲率半径「ｒ」が１０００ｍｍを超えると、横モードの維持効果が小さくなり、連続運転時の出力低下に対する抑制機能が損なわれる。
レンズ部２９２は、例えば、レジストマスクの形状をドライエッチングにより転写する方法、光学研磨による方法や略等しい屈折率を有するガラス材料を型押しする方法といった様々な加工手法を用いて加工可能である。
図１１は、レンズ部２９２の曲率半径「ｒ」とレンズ部２９２の加工高さとの関係を示すプロット図である。図１１に示されるプロット図において、レンズ部２９２の直径「Ｌ」がパラメータとして用いられている。
図１１に示されるプロット図に従うと、レンズ部２９２の加工高さは、好ましくは、０．５μｍ以下である。尚、レンズ部がドライエッチングで作成されるならば、レンズ部２９２の加工高さは、レンズ部２９２に用いられる材料とレジストマスクとの選択比にも依存する。
図１２は、本実施形態で説明された光学素子４００を備える波長変換レーザ光源を連続動作させたときの出力変化を示す図である。図１２のセクション（ａ）は、レーザ光源の連続運転中の横モード形状を撮像した写真である。図１２のセクション（ｂ）は、レーザ光源が連続運転されたときの動作時間に伴う出力変動を示すプロット図である。図９、図１０及び図１２を用いて、波長変換レーザ光源を連続動作させたときの出力変化が説明される。
図９に示されるように、第２実施形態にしたがうレーザ光源２００Ａは、１９０時間経過後において横モードの形状のわずかな変化を生じた。一方、本実施形態の維持機構２９０を有する光学素子４００が組み込まれた波長変換レーザ光源の横モード形状の変化並びに出力低下は、観測されなかった。本実施形態のレーザ光源から、高出力の波長変換光が安定して得られた。
本実施形態において、図１０に示される如く、維持機構２９０の第３接合面２９１が波長変換素子２５０Ｂの第４接合面２５１Ｂに接合されるように、維持機構２９０は配置される。代替的に、維持機構は、波長変換素子と固体レーザ媒質との間に配設されてもよい。更に代替的に、固体レーザ媒質の入射端面が、横モードを維持することができる曲面形状に形成されてもよい。維持機構の設計（例えば、形状寸法）や配置に応じて、例えば、固体レーザ媒質内のビーム径が拡大され、波長変換素子でのビーム径が小さくされてもよい。固体媒質でのパワー密度と較べて、波長変換素子でのパワー密度が相対的に大きくなるので、波長変換素子内で、１０６０ｎｍ帯の光が好適に集光される。この結果、波長変換効率が向上する。したがって、横モードを維持するためのレンズ構造は、固体レーザ媒質の入射端面に接合されることが更に好適である。
第３実施形態に関連して説明された原理は、第１実施形態及び／又は第２実施形態にも好適に適用される。
（第４実施形態）
図１に関連して説明されたレーザ光源１００（オプティカルコンタクト型の波長変換レーザ光源）は、上述の出力低下に加えて、出力停止を引き起こす他のエラーモードに関する課題を内包する。本実施形態において説明される波長変換レーザ光源及び光学素子は、出力停止に係る課題を適切に解消する。
本発明者は、図１に関連して説明されたレーザ光源１００をもちいて、例えば、１Ｗの５００ｎｍ帯の光が出力されるように連続的に点灯させる試験を行ったとき、８０時間ほどでレーザ光源１００の出力が停止するという課題を発見した。
図１３は、上述の連続点灯試験の結果を示すプロット図である。図１及び図１３を用いて、出力停止の課題が説明される。
図１３に示される出力停止は、第１実施形態に関連して説明された波長変換素子の屈折率の変化に起因する変換効率低下・出力低下とは異なり、共振状態が崩れることに起因する急激且つ大幅な出力低下或いは出力停止である。このような出力の大幅な低下或いは呈しは、レーザ光源１００からの出力が５００ｍＷ以上であるときに生じやすくなることも、本発明者は確認した。本発明者の詳細な研究により、レーザ光源１００が作動している間の光学素子１４０の温度が４０℃を超えると、レーザ光源１００の急激且つ大幅な出力低下或いは出力停止が、特に生じやすくなることを明らかとなった。
図１４は、上述の高出力での連続点灯の結果、出力低下或いは出力停止が生じたときの光学素子を概略的に示す。図１に関連して説明された同様の要素には、同様の符号が付され、これらの要素に対して、図１に関連する説明が援用される。図１及び図１４を用いて、出力低下或いは出力停止の原因が説明される。
光学素子１４０Ｃは、図１に関連して説明された光学素子１４０と同様に、固体レーザ媒質１４１Ｃと波長変換素子１４２Ｃとを備える。固体レーザ媒質１４１Ｃは、波長変換素子１４２Ｃにオプティカルコンタクトされる。
固体レーザ媒質１４１Ｃは、励起光が入射する入射端面１４６と、入射端面１４６と反対側の第１接合面１４３Ｃと、を含む。波長変換素子１４２Ｃは、出力光が出射される出射端面１４４と、出射端面１４４と反対側の第２接合面１４５Ｃと、を含む。
第１接合面１４３Ｃ及び第２接合面１４５Ｃは、連続点灯試験前において、密着されている。しかしながら、連続点灯試験後、第１接合面１４３Ｃと第２接合面１４５Ｃとの間には空隙１４７が形成されている。
図１４には、光学素子１４０Ｃを通過するビームの経路（レーザビームパス：以下、ビームパスＢＰと称される）が示されている。また、図１４は、連続点灯試験後に観察された堆積物ＤＰを示す。堆積物ＤＰは、第１接合面１４３Ｃと第２接合面１４５Ｃとの間の空隙１４７中で観察された。
出力停止を引き起こした光学素子１４０Ｃを解析した結果、光学的に接合された第１接合面１４３Ｃ及び第２接合面１４５Ｃの面精度といった原因により、空隙１４７が第１接合面１４３Ｃと第２接合面１４５Ｃとの間に生ずることが判明した。また、第１接合面１４３Ｃ及び第２接合面１４５Ｃにおいて、レーザ光が通過するビームパスＢＰ上に堆積物ＤＰが付着していることが判明した。堆積物ＤＰは、空隙１４７を通じて、界面（第１接合面１４３Ｃと第２接合面１４５Ｃとの間の境界）内に進入した空気中に浮遊する炭素含有成分を含む。炭素含有成分がレーザトラッピングにより集積された結果、ビームパスＢＰが横切る接合面（第１接合面１４３Ｃ及び／又は第２接合面１４５Ｃ）に堆積物ＤＰとして付着したことが判明した。空隙１４７及び堆積物ＤＰの発生に起因して、オプティカルコンタクト面（第１接合面１４３Ｃと第２接合面１４５Ｃとの間の境界）での基本波光の伝搬損失が増大し、レーザ共振器として用いられる光学素子１４０Ｃの内部損失が大きくなることが判明した。このような光学素子１４０Ｃの内部損失の増大が、上述の出力停止を引き起こすと考えられる。
本発明者は、更に研究を行い、第１接合面１４３Ｃと第２接合面１４５Ｃとの接合面積の狭さが空隙１４７を引き起こす原因であることを見出した。固体レーザ媒質１４１Ｃが発熱並びに膨張すると、固体レーザ媒質１４１Ｃの第１接合面１４３Ｃから波長変換素子１４２Ｃの第２接合面１４５Ｃが剥離することが確認された。第１接合面１４３Ｃと第２接合面１４５Ｃとの接合面積が大きくなると、空隙１４７がほとんど発生しなくなることが実験的に確認された。
本発明者は、しかしながら、第１接合面１４３Ｃと第２接合面１４５Ｃとの接合面積を単純に増大させることは、出力特性の劣化を引き起こすという新たな課題を発見した。出力特性の劣化に関する新たな課題は、固体レーザ媒質１４１Ｃが励起光を吸収するときに、固体レーザ媒質１４１Ｃ内のビームパスＢＰ中で生ずる熱に対する不十分な放熱に起因する。例えば、５００ｍＷ以上の高調波出力を得るために固体レーザ媒質１４１Ｃに強力な励起光が入力されると、出力特性の劣化は顕著となり、必要な出力が得られないという課題が生ずる。
固体レーザ媒質１４１Ｃは、一般的に、熱伝導度が低い。したがって、固体レーザ媒質１４１Ｃによる励起光の吸収に伴って発生する熱を効率よく放熱するためには、好ましくは、励起光が通過する部分と固体レーザ媒質１４１Ｃを保持するホルダ部分との距離は短く設定される。励起光の８割ほどの光量は、固体レーザ媒質１４１Ｃの入射端面１４６の近傍で吸収される。したがって、固体レーザ媒質１４１Ｃの入射端面１４６の近傍で発生した熱を高効率で伝達し、放熱を促すことが好ましい。
本実施形態において、上述の相矛盾する課題を解決するための光学素子が説明される。
図１５は、整列した複数の光学素子を含む光学素子列の斜視図である。図１６は、図１５に示される光学素子列の平面図（図１５中、矢印Ａから見た図）である。図１７は、図１５に示される光学素子列から分離された光学素子の斜視図である。図１５乃至図１７を用いて、光学素子が説明される。尚、図１７において、図１５に示されるシール材（後述される）は示されていない。第１実施形態乃至第３実施形態に関連して説明された要素と同様の要素は、同様の符号で示されている。これら同様の要素に対して、第１実施形態乃至第３実施形態での説明が援用される。
バー形状の光学素子列５００は、整列した複数の光学素子３００Ｃを含む。バー形状の光学素子３００Ｃは、例えば、光学素子列５００の一部を切断及び分離して形成される。
光学素子３００Ｃそれぞれは、基本波光を発生するための固体レーザ媒質２４０Ｃと、基本波光よりも高い周波数の第２高調波へ基本波光を変換する波長変換素子２５０Ｃと、を含む。固体レーザ媒質２４０Ｃは、励起光が入射される入射端面２４２と、入射端面２４２と反対側の第１接合面２４１Ｃと、を含む。波長変換素子２５０Ｃは、出力光が出射される出射端面２５１と、出射端面２５１と反対側の第２接合面２５２Ｃと、を含む。固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃの第２接合面２５２Ｃは、例えば、オプティカルコンタクトされ、固体レーザ媒質２４０Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃは一体化される。図１６及び図１７において、第１接合面２４１Ｃと第２接合面２５２Ｃとの間の境界は、接合位置ＣＰとして示されている。
図１５及び図１６に示される如く、光学素子列５００は、第１接合面２４１Ｃと第２接合面２５２Ｃとの間の境界をシールするシール材２４５を更に備える。シール材２４５は、接合位置ＣＰに沿って配設される。本実施形態において、シール材２４５は封止部材として例示される。シール部材２４５は、第１接合面２４１Ｃと第２接合面２５２Ｃとの間への外気や水分の浸入を抑制する。
光学素子列５００中の光学素子３００Ｃの固体レーザ媒質２４０Ｃ間には、第１切込部２４６が形成される。また、光学素子列５００中の光学素子３００Ｃの波長変換素子２５０Ｃ間には、第２切込部２５７が形成される。
以下、第４実施形態に従う光学素子３００Ｃの機能及び動作が説明される。
上述の如く、固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃの第２接合面２５２Ｃは、オプティカルコンタクトされる。本実施形態にしたがうバー形状の光学素子３００Ｃ（及びバー形状の光学素子列５００）は、第１接合面２４１Ｃと第２接合面２５２Ｃとの接合面積が固体レーザ媒質２４０Ｃの入射端面２４２の面積よりも大きいことに特徴づけられる。本実施形態において、第１接合面２４１は、接合面として例示される。また、第１接合面２４１と反対側の入射端面２４２は対向面として例示される。
＜光学素子の構成＞
以下に、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとを備える光学素子３００Ｃの構成が説明される。光学素子３００Ｃの形成方法は、後述される。
上述の如く、光学素子３００Ｃは、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとを備える。固体レーザ媒質２４０Ｃの材料として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ４結晶といった様々な材料が例示される。波長変換素子２５０Ｃの材料として、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰといった様々な材料が例示される。本実施形態にしたがう光学素子３００Ｃの固体レーザ媒質２４０Ｃは、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶から形成される。本実施形態にしたがう光学素子３００Ｃの波長変換素子２５０Ｃは、例えば、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶から形成される。以下、このような材料から形成された固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとを備える光学素子３００Ｃが説明される。
上述の如く、固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃの第２接合面２５２Ｃは、オプティカルコンタクトされる。固体レーザ媒質２４０Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃの間のオプティカルコンタクトの状態は、接着剤の介在なしに、固体レーザ媒質２４０Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃそれぞれの材料同士間に作用する分子間力やファンデルワールス力といった力によって維持される。
固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃは、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶のａ−ｃ面である。波長変換素子２５０Ｃの第２接合面２５２Ｃは、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ−ｘ面である。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ軸及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶のｃ軸が平行となるように、固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃの第２接合面２５２Ｃは、オプティカルコンタクトされる。第１接合面２４１Ｃ（及び第２接合面２５２Ｃ）の面積は、固体レーザ媒質２４０Ｃの入射端面２４２（第１接合面２４１Ｃと反対側の端面）の面積よりも大きい。
固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの接合面積は比較的大きく設定されるので、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの間の高い接合強度が達成される。また、固体レーザ媒質２４０Ｃの入射端面２４２の面積は、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの接合面積よりも小さいので、固体レーザ媒質２４０Ｃの励起光の吸収によって発生する熱は、効果的に放熱される。したがって、光学素子３００Ｃの比較的高い接合強度及び出射光の良好な出力特性が両立される。
本実施形態の光学素子３００Ｃの長さ（ｌ）は、「２．５ｍｍ」であり、厚さ（ｔ）は、「１．０ｍｍ」であり、幅（ｗ）は「１．０ｍｍ」である。光学素子３００Ｃの「２．５ｍｍ」の長さ（ｌ）は、「０．５ｍｍ」の波長変換素子２５０Ｃの長さと、「２．０ｍｍ」の固体レーザ媒質２４０Ｃの長さとを含む。接合面を形成する第１接合面２４１Ｃ及び第２接合面２５２Ｃの厚さ（１）は、それぞれ、「１．５ｍｍ」である。
本実施形態において、波長変換素子２５０Ｃの出射端面２５１の面積は、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの接合面積よりも小さい。代替的に、波長変換素子の出射端面の面積は、固体レーザ媒質と波長変換素子との接合面積と同等であってもよい。
＜レーザ光源＞
図１８は、バー形状の光学素子列５００及び光学素子３００Ｃを用いた波長変換レーザの構成を例示する。図１８のセクション（ａ）は、光学素子列５００の概略的な平面図である。図１８のセクション（ｂ）は、光学素子３００Ｃの概略的な斜視図である。図１８のセクション（ｃ）は、素子ホルダに収容された光学素子３００Ｃを示す。図１８のセクション（ｄ）は、波長変換レーザの概略的な模式図である。図１５乃至図１８を用いて、波長変換レーザが説明される。図１８において、第１実施形態乃至第３実施形態に関連して説明された要素と同様の要素は、同様の符号で示されている。これら同様の要素に対して、第１実施形態乃至第３実施形態での説明が援用される。
図１８のセクション（ｄ）に示される如く、レーザ光源２００Ｃは、励起光ＰＬを発する励起光源２１０、コリメートレンズ２２０、集光レンズ２３０及び光学素子３００Ｃを備える。上述の如く、光学素子３００Ｃは、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとを備える。固体レーザ媒質２４０Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃは、例えば、上述の如く、オプティカルコンタクト状態にされ、密着一体化される。この結果、オプティカルコンタクトされた固体レーザ媒質２４０Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃを備える光学素子３００Ｃが形成される。
図１８のセクション（ａ）に示される如く、光学素子列５００は、整列した複数の光学素子３００Ｃを備える。図１８のセクション（ａ）及び（ｂ）に示される如く、光学素子３００Ｃは、バー形状の光学素子列５００の一部をなす。光学素子３００Ｃは、例えば、光学素子列５００から切断並びに分離され、レーザ光源２００Ｃに組み込まれる。
図１７に示される如く、光学素子３００Ｃは、第１接合面２４１Ｃ及び／又は第２接合面２５２Ｃに直交する側面３１０（ｙ軸に直交する面）と、側面３１０から突出する突条３２０と、を含む。突条３２０は側面３１０に現れる接合位置ＣＰに沿って延びる。
図１８のセクション（ｃ）及び（ｄ）に示される如く、レーザ光源２００Ｃは、光学素子列５００から分離された光学素子３００Ｃを収容する素子ホルダ２７０Ｃを更に備える。素子ホルダ２７０Ｃは、第１実施形態及び第２実施形態に関連して説明された導電性材料２７０，２７０Ａと同様に、導電性を有してもよい。
図１８のセクション（ｃ）に示される如く、光学素子３００Ｃは、素子ホルダ２７０Ｃ内に固定される。その後、図１８のセクション（ｄ）に示される如く、レーザ光源２００Ｃ内に配置され、レーザ光源２００Ｃの要素として機能する。
以下、第４実施形態に従うレーザ光源２００Ｃの機能及び動作が説明される。
励起光源２１０は、励起光ＰＬを発する。コリメートレンズ２２０は、励起光ＰＬを平行光にする。その後、集光レンズ２３０は、固体レーザ媒質２４０Ｃ内に集光する。励起光ＰＬが固体レーザ媒質２４０Ｃ内に集光されると、光学素子３００Ｃ内で１０６０ｎｍ帯のレーザ発振が生ずる。波長変換素子２５０Ｃは、その後、波長変換を行う。波長変換された５３０ｎｍ帯の光は、光学素子３００Ｃから発せられる。本実施形態において、集光レンズ２３０は、集光光学要素として例示される。
図１９は、光学素子３００Ｃに波長８０８ｎｍの励起光ＰＬが入力されたときの光学素子３００Ｃの光入出力特性を示すプロット図である。図１７乃至図１９を用いて、光学素子３００Ｃの光入出力特性が説明される。
図１９のプロット図の横軸は、励起光ＰＬの入力強度を示す。図１９のプロット図の縦軸は、光学素子３００Ｃから発せられる出力光の強度を示す。図１９から、１Ｗの高調波出力（緑色光）が得られていることが分かる。
本発明者は、接合位置ＣＰにおける断面積、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの間の接合強度及び高調波出力との関係を更に調査した。
図２０は、光学素子３００Ｃの断面積と、所定の高調波出力に対して必要とされる接合強度との関係を示すグラフである。図１４、図１８及び図２０を用いて、接合位置ＣＰにおける断面積、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの間の接合強度及び高調波出力との関係が説明される。
５００ｍＷ以上の高調波出力（緑色光）を得るためには、上述の固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの熱膨張係数差に起因して発生する応力に耐えることができる十分な接合強度を確保可能な接合面積として、１ｍｍ２以上の接合断面積が必要であった（以下、接合断面積１ｍｍ２の時の接合強度は「１」とする）。また、１Ｗ以上の高調波出力を得るためには、１．５以上の接合強度が必要となることが明らかとなった。一方で、５００ｍＷ以上の高調波出力を出力するためには、固体レーザ媒質２４０Ｃの断面積が０．７５ｍｍ２以下でなければ、レーザ光の通過位置であるビームパスＢＰから固体レーザ媒質２４０Ｃの外周面までの距離が大きくなるため、放熱特性が悪化し、出力が飽和することも明らかとなった。
以下の説明において、波長変換素子２５０Ｃと接合する固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃの面積は、記号「Ｓ１」で表される。固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃと対向する入射端面２４２の面積は、記号「Ｓ２」で表される。面積Ｓ１が面積Ｓ２よりも大きくされると、所定の放熱効果は得られる。接合強度及び放熱効果の観点から、面積Ｓ１と面積Ｓ２との関係は、以下に示される不等式の関係を満たすことが好ましい。
（数１）
０．７５×Ｓ１＞Ｓ２
接合強度の観点から、接合位置ＣＰにおける光学素子３００Ｃの断面積は、少なくとも１ｍｍ２以上、好ましくは、１．５ｍｍ２以上であることが必要である。一方で、放熱特性の観点から、固体レーザ媒質２４０Ｃ中のビームパスＢＰ（ビーム伝搬方向）に垂直な断面積は、０．７５ｍｍ２以下であることが好ましい。本発明者の研究から、接合強度の観点から必要とされる断面積の大きさ及び放熱特性の観点から必要とされる断面積の大きさは、相反することが明らかになった。
上述の研究結果に基づき、本実施形態において、固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃの断面積（及び波長変換素子２５０Ｃの第２接合面２５２Ｃの断面積）は、少なくとも１ｍｍ２以上、より好ましくは１．５ｍｍ２以上とされる。また、固体レーザ媒質２４０Ｃの断面積（突条３２０が形成された部位を除く部分の断面積）は、０．７５ｍｍ２以下とされる。この結果、５００Ｗ以上の出力強度を有する高調波が出力される場合でも、光学素子３００Ｃの放熱特性及び素子強度（固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの接合強度）は良好に保たれる。
図２１は、本実施形態にしたがう光学素子３００Ｃが組み込まれたレーザ光源２００Ｃ（波長変換レーザ光源）が連続動作されたときの動作時間と高調波の出力強度との関係を示すプロット図である。図１、図１３、図１８及び図２１を用いて、動作時間と高調波の出力強度との関係が説明される。
図１３に関連して説明された如く、図１に示されるような一般的なレーザ光源１００の動作が開始されてから１００時間弱でレーザ発振の停止が観測された。一方で、図２１に示される如く、本実施形態に係る光学素子３００Ｃが組み込まれたレーザ光源２００Ｃからは、６５℃の温度環境下で９００時間を超える長時間の動作の間、５００ｍＷ以上の出力が安定的に得られた。
５００ｍＷ以上の高調波を出射する光学系において、光学素子３００Ｃは、有利な効果を発揮することが上記の説明で述べられているが、５００ｍＷ未満の高調波を出射する光学系においても、同様の効果が得られる。高調波の出力強度が比較的小さい光学系においても、オプティカルコンタクト状態の光学素子３００Ｃの強度の確保及び良好な放熱は両立される。本実施形態の原理に従うと、５００ｍＷ以上の出力で、且つ、動作最高温度が４０℃以上のレーザ光源が好適に形成される。
＜突条＞
図１７を再度用いて、光学素子３００Ｃの更なる特徴が説明される。
図１７に示される如く、固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃと入射端面２４２とが比較されると、幅（ｗ）方向において、第１接合面２４１Ｃの一辺の長さと入射端面２４２の一辺の長さは略等しい。一方で、厚さ（ｔ）方向において、第１接合面２４１Ｃの一辺の長さは入射端面２４２の一辺の長さより長い。第１接合面２４１Ｃ及び入射端面２４２のｚ軸方向の長さは略等しい一方で、ｙ軸方向において第１接合面２４１Ｃの一辺は、入射端面２４２より長い。
固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの接合位置ＣＰに沿って、ｚ軸（及び波長変換素子２５０Ｃのｃ軸）と平行に延びる突条３２０が形成される。一方向に延びる突条３２０によって、使用者は結晶軸の方向を容易に知ることができる。例えば、ＹＶＯ４やＧｄＶＯ４といったバナデート系の結晶を通過する励起光は、ｃ軸に平行な偏光方向を持つよう入力される必要がある。使用者は、光学素子３００Ｃの突条３２０（励起光の偏光方向に延びる突条３２０）によりｃ軸の方向を知ることができる。本実施形態において、突条３２０は、突起部として例示される。
本実施形態において、光学素子３００Ｃの一対の側面３１０に現れる接合位置ＣＰに沿って突条３２０は形成される。追加的に、突条は、光学素子の上面及び下面（ｚ軸に対して直交する光学素子の面）に現れる接合位置に沿って形成されてもよい。即ち、固体レーザ媒質の入射端面の各辺の長さより、第１接合面の各辺の長さが長くされ、且つ、入射端面から固体レーザ媒質をも見たときの第１接合面の投影図が入射端面の投影図を覆うように形成されてもよい。かくして、固体レーザ媒質と波長変換素子との接合部位は、ｚ軸及びｙ軸方向の両方に突出され、固体レーザ媒質と波長変換素子との間の接合面積は、固体レーザ媒質の入射端面よりも一層大きく形成される。
＜シール部材＞
図１４乃至図１７を再度用いて、シール部材が説明される。
オプティカルコンタクトされた固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃと波長変換素子２５０Ｃの第２接合面２５２Ｃとの間の界面に外気が接触すると、第１接合面２４１Ｃと第２接合面２５２Ｃとの剥離が促される。固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの接合位置ＣＰに沿って配設されたシール材２４５は、第１接合面２４１Ｃと第２接合面２５２Ｃとの間の界面への外気の接触を抑制する。したがって、光学素子３００Ｃの接合強度は、長期間に亘って高い水準を維持される。第１接合面２４１Ｃ及びと第２接合面２５２Ｃの外縁を覆うシール材２４５は、第１接合面２４１Ｃと第２接合面２５２Ｃとの間の界面への外気の接触だけでなく、炭素といった堆積物ＤＰのビームパスＢＰ周囲での付着（図１４参照）も抑制する。
＜光学素子の作製方法＞
図１５乃至図１８を再度用いて、光学素子３００Ｃの作製方法が説明される。尚、以下に説明される光学素子３００Ｃの作製方法以外の方法で、光学素子３００Ｃが作成されてもよい。
図１５に示される如く、バー形状の光学素子列５００は、光学的に接合された固体レーザ媒質２４０Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃを備える。光学素子３００Ｃは、光学素子列５００から分離して作成される。固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの光学的な接合位置ＣＰは、シール材２４５で封止されている。バー形状の光学素子列５００の厚さ（ｔ）は、１ｍｍであり、長さ（ｌ）は、２．５ｍｍであり、幅（ｗ）は、１０ｍｍである。光学素子列５００の長さ（ｌ）は、０．５ｍｍの波長変換素子２５０Ｃの長さ寸法と、２．０ｍｍの固体レーザ媒質２４０Ｃの長さ寸法とを含む。
固体レーザ媒質２４０Ｃの材料及び波長変換素子２５０Ｃの材料が接合されたとき、第１切込部２４６及び第２切込部２５７は形成されていない。固体レーザ媒質２４０Ｃの材料と波長変換素子２５０Ｃの材料とが接合された後、固体レーザ媒質２４０Ｃ側及び波長変換素子２５０Ｃ側から、例えば、ダイシングソーを用いて切り込みが入れられ、第１切込部２４６及び第２切込部２５７がそれぞれ形成される。第１切込部２４６及び第２切込部２５７はそれぞれ、接合位置ＣＰの手前２００μｍ〜５００μｍの位置まで達する。バー形状の光学素子列５００から光学素子３００Ｃを分離するときの歩留まりの観点から、ダイシングソーの刃先が接合位置ＣＰから１００〜２００μｍの位置に達するまで、固体レーザ媒質２４０Ｃの材料及び波長変換素子２５０Ｃの材料それぞれに切込（第１切込部２４６，第２切込部２５７）が入れられることが好ましい。
図２２は、バー形状の光学素子列５００の写真である。図２２のセクション（ａ）は、光学素子列５００を全体的に示す。図２２のセクション（ｂ）は、光学素子列５００の接合位置ＣＰ、第１切込部２４６及び第２切込部２５７の周囲の拡大写真である。図１５乃至図１８並びに図２２を用いて、光学素子３００Ｃの作製方法が更に説明される。
上述の如く、固体レーザ媒質２４０Ｃは、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶から形成される。また、波長変換素子２５０Ｃは、分極反転構造が形成されたＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３から形成される。固体レーザ媒質２４０Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃが光学的に接合され、光学素子列５００に加工される部材が形成される。
図２２のセクション（ｂ）に示される如く、第１切込部２４６及び第２切込部２５７は、ダイシングソーを用いて、接合位置ＣＰに到達しないように形成される。ダイシングソーのブレード幅及び切れ込みピッチについて適当な値が選択され、光の伝搬方向に対して直交する方向の固体レーザ媒質２４０Ｃの断面積が所望の値に設定される。
図１８のセクション（ａ）及び（ｂ）に示される如く、上述の如く、第１切込部２４６及び第２切込部２５７が形成された光学素子列５００の一部分は、切込部分で分離され、光学素子３００Ｃとなる。隣接する光学素子３００Ｃを接続する狭窄部（図２２のセクション（ｂ）参照）は、例えば、加圧・折り曲げによって容易に破断され、光学素子３００Ｃが分離される。
分離された光学素子３００Ｃの側面３１０から突出する突条３２０は、シール材２４５を用いて封止される（図２２のセクション（ａ）参照）。その後、光学素子３００Ｃは、図１８のセクション（ｃ）に示される如く、素子ホルダ２７０Ｃによって保持され、レーザ光源２００Ｃが形成される。
本発明者は、上述の如く作成された光学素子３００Ｃの断面積を測定した。光学素子３００Ｃの接合位置ＣＰにおける断面積は、１．５ｍｍ２（厚さ１．００ｍｍ×幅１．５０ｍｍ）であった。また、固体レーザ媒質２４０Ｃの入射端面（励起光ＰＬが入射する端面）の断面積は、０．７５ｍｍ２（厚さ１．００ｍｍ×幅０．７５ｍｍ）であった。
上述の作製方法を通じて、複数の光学素子３００Ｃが同時に作成される。バー形状の光学素子列５００が作成されるときに、固体レーザ媒質２４０Ｃのｚ軸と波長変換素子２５０Ｃのｃ軸との位置調整がなされ、固体レーザ媒質２４０Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃが接合される。かくして、個別の光学素子３００Ｃの固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの間での軸調整よりも容易に、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの接合方向が決定される。
本実施形態において、光学素子３００Ｃに用いられたＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ−ｘ面及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶のａ−ｃ面が接合される。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ軸及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶のｃ軸が平行となるように、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶とＮｄ：ＹＶＯ４結晶との接合が調整される。光学素子３００Ｃの側面３１０に形成された突条３２０の長手方向は、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ軸及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶のｃ軸と平行になるように形成されるので、使用者は突条３２０の形状から光学素子３００Ｃの方向を知ることができる。
図１８のセクション（ｂ）に示される側面３１０から突出する突条３２０は、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｙ−ｚ面と、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶のａ−ｃ面との上に形成される。突条３２０の長手方向は、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ軸方向及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶のｃ軸方向に一致する。ＹＶＯ４やＧｄＶＯ４といったバナデート系の結晶が用いられるとき、励起光ＰＬは、ｃ軸に平行な偏光方向を持つよう入力される必要があるが、使用者は、突条３２０により光学素子３００Ｃの方向を知ることができるので、光学素子３００Ｃを比較的容易に実装することができる。
光学素子３００Ｃは、上述された作製方法以外の手法を用いて作成されてもよい。例えば、第１接合面が、第１接合面と反対側の入射端面よりも大きくなるように固体レーザ媒質が予め形成されてもよい。その後、固体レーザ媒質が波長変換素子にオプティカルコンタクトされ、光学素子が形成されてもよい。
（第５実施形態）
本実施形態において、固体レーザ媒質の第１接合面と固体レーザ媒質の入射端面との面積比が、第４実施形態にしたがう光学素子３００Ｃよりも大きくされた光学素子が説明される。
図２３は、第５実施形態にしたがう光学素子列の概略的な斜視図である。図２４は、図２３に示される光学素子列の平面図（図２３中の矢印Ｂで示される方向から見た図）である。図２５は、図２３に示される光学素子列の正面図（図２３中の矢印Ｃで示される方向から見た図）である。図２３乃至図２５を用いて、光学素子列が説明される。第４実施形態に関連して説明された要素と同様の要素は、同様の符号で示されている。これら同様の要素に対して、第４実施形態での説明が援用される。
バー形状の光学素子列５００Ｄは、固体レーザ媒質２４０Ｄ、波長変換素子２５０Ｄと、シール材２４５と、を備える。図２４において、固体レーザ媒質２４０Ｄと波長変換素子２５０Ｄとの接合部は、接合位置ＣＰとして示されている。シール材２４５は、接合位置ＣＰに沿って配設される。
固体レーザ媒質２４０Ｄは、励起光が入射される入射端面２４２と、波長変換素子２５０Ｄに接合される第１接合面２４１Ｄと、を含む。固体レーザ媒質２４０Ｄには、入射端面２４２から接合位置ＣＰに向けて延びる第１切込部２４６が形成される。
波長変換素子２５０Ｄは、出力光が出射される出射端面２５１と、固体レーザ媒質２４０Ｄの第１接合面２４１Ｄに接合される第２接合面２５２Ｄと、を含む。波長変換素子２５０Ｄには、出射端面２５１から接合位置ＣＰに向けて延びる第２切込部２５７が形成される。
第１切込部２４６及び第２切込部２５７の形成により、光学素子３００Ｄが形成される。
固体レーザ媒質２４０Ｄの第１接合面２４１Ｄ及び波長変換素子２５０Ｄの第２接合面２５２Ｄは、例えば、オプティカルコンタクトされ、固体レーザ媒質２４０Ｄ及び波長変換素子２５０Ｄは一体化される。
図２５には、固体レーザ媒質２４０Ｄの切削部分（上側切削部分２４７及び下側切削部分２４８）が点線で示されている。
シール材２４５は、光学的に接合された固体レーザ媒質２４０Ｄと波長変換素子２５０Ｄとの接合位置ＣＰの周囲を封止する。第４実施形態と同様に、ダイシングソーを用いて形成された第１切込部２４６及び第２切込部２５７によって、光学素子３００Ｄは、光学素子列５００Ｄから容易に分離される。
本実施形態において、固体レーザ媒質２４０Ｄは、ＹＶＯ４結晶から形成される。第４実施形態と異なり、図２５に示されるように、ＹＶＯ４結晶（固体レーザ媒質２４０Ｄ）のａ−ａ面内もダイシングされ、ｃ軸方向の厚さが低減されている。図２５の上側切削部分２４７及び下側切削部分２４８は、ダイシングで切削された部分を示す。上側切削部分２４７及び下側切削部分２４８が切除され、固体レーザ媒質２４０がオプティカルコンタクトされた接合位置ＣＰ以外の断面積（ビームパスから固体レーザ媒質２４０Ｄの外周面までの距離）が低減される。この結果、ビームパス上の固体レーザ媒質２４０の部分から発生した熱の放熱が促される。
バー形状の光学素子列５００Ｄに波長変換素子２５０Ｄ側及び固体レーザ媒質２４０側から２回、ダイシングソーを用いて、切込（第１切込部２４６及び第２切込部２５７）が入れられる。この結果、固体レーザ媒質２４０Ｄの入射端面２４２及び波長変換素子２５０Ｄの出射端面２５１の被切削物がダイシングソーの刃先に付着するチッピングが防止される。かくして、光学素子列５００Ｄの製造における歩留まりが向上する。
ダイシングソーのブレード幅は、目的に応じて、適切に選択される。例えば、固体レーザ媒質２４０Ｄに形成される第１切込部２４６の幅は、好ましくは、波長変換素子２５０Ｄに形成される第２切込部２５７の幅よりも大きく設定され、固体レーザ媒質２４０Ｄの放熱性能が向上されてもよい。
第４実施形態及び第５実施形態の光学素子３００Ｃ，３００Ｄの出射端面２５１の面積は、入射端面２４２の面積よりも大きく設定されてもよい。かくして、光学素子３００Ｃ，３００Ｄの方向は画像処理によって自動的に認識されやすくなる。
第４実施形態及び第５実施形態において、固体レーザ媒質２４０Ｃ，２４０Ｄは、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶から形成される。また、波長変換素子２５０Ｃ，２５０Ｄは、分極反転構造が形成されたＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶から形成される。代替的に、光学薄膜を介さず、固体レーザ媒質及び波長変換素子の材料がオプティカルコンタクトされ、且つ、両材料の屈折率の差が０．１以下であるならば、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶やＭｇＯ：ＬｉＴａＯ３結晶といった他の材料が固体レーザ媒質及び波長変換素子に用いられてもよい。他の材料で形成された固体レーザ媒質及び波長変換素子を含む光学素子も、第４実施形態及び第５実施形態に関連して説明された効果を奏する。
固体レーザ媒質及び波長変換素子は、光学薄膜を介して接合されてもよい。固体レーザ媒質と波長変換素子との間の屈折率の差に適合するように設計並びに成膜された光学薄膜を用いて固体レーザ媒質及び波長変換素子が接合されるならば、固体レーザ媒質と波長変換素子との接合部での光反射は十分に低減される。例えば、固体レーザ媒質は、ＹＡＧ或いはその他のガーネット系セラミックレーザ媒質、ＹＡＧ結晶、又は、セラミックＹＡＧ以外のセラミック材料（例えば、セラミックＹ２Ｏ３といった様々な透光性セラミック材料）から形成されてもよい。これらの材料から形成され、且つ、光学薄膜を介して接合された固体レーザ媒質を含む光学素子も、第４実施形態及び第５実施形態に関連して説明された効果を奏する。
波長変換素子は、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）やＫＴＡ（ＫＴｉＯＡｓＯ４）といった様々な材料を用いて形成されてもよい。これらの材料から形成された波長変換素子を含む光学素子も、第４実施形態及び第５実施形態に関連して説明された効果を奏する。
本実施形態において、固体レーザ媒質２４０Ｄは、Ｎｄが添加されたＹＶＯ４結晶を用いて形成される。代替的に、固体レーザ媒質は、Ｎｄ以外のレーザ活性イオンを用いた材料を用いて形成されてもよい。Ｎｄ以外のレーザ活性イオンを用いた材料から形成された固体レーザ媒質を含む光学素子も、上述の優れた効果を奏する。
本実施形態の原理は、セラミックＹＡＧ以外のセラミック材料（例えばセラミックＹ２Ｏ３といった様々な透光性セラミック材料）に適用されてもよい。
（第６実施形態）
図２６は、第６実施形態にしたがうレーザ光源を概略的に示す模式図である。第４実施形態に関連して説明された要素と同様の要素は、同様の符号で示されている。これら同様の要素に対して、第４実施形態での説明が援用される。
レーザ光源２００Ｅは、励起光ＰＬを発する励起光源２１０、コリメートレンズ２２０、集光レンズ２３０、光学素子３００Ｅ及び光学素子３００Ｅを保持する素子ホルダ２７０Ｃを備える。光学素子３００Ｅは、波長変換素子２５０Ｃと固体レーザ媒質２４０Ｅと、を備える。
励起光源２１０は、励起光ＰＬを発する。コリメートレンズ２２０は、励起光ＰＬを平行光にする。その後、集光レンズ２３０は、固体レーザ媒質２４０Ｅ内に集光する。励起光ＰＬが固体レーザ媒質２４０Ｅ内に集光されると、光学素子３００Ｅ内でレーザ発振が生ずる。波長変換素子２５０Ｃは、その後、波長変換を行う。波長変換された光は、波長変換素子２５０Ｃを通じて出射される。本実施形態において、波長変換素子２５０Ｃは出射部として例示される。
図２７は、固体レーザ媒質２４０Ｅ及び固体レーザ媒質２４０Ｅ内のレーザ活性物質の濃度分布を概略的に示す。図１、図２６及び図２７を用いて、レーザ光源２００Ｅが更に説明される。
固体レーザ媒質２４０Ｅは、励起光ＰＬが入射される入射端面２４２と波長変換素子２５０Ｃに接合される第１接合面２４１Ｃとを含む。固体レーザ媒質２４０Ｅは、入射端面２４２から第１接合面２４１Ｃに向けて整列する３つの領域（第１領域２６１，第２領域２６２，第３領域２６３）を含む。第１領域２６１は、入射端面２４２に近接する領域である。第３領域２６３は、第１接合面２４１Ｃに近接する領域である。第２領域２６２は、第１領域２６１と第３領域２６３との間の領域である。
本実施形態において、固体レーザ媒質２４０Ｅには、レーザ活性物質としてＮｄが添加される。レーザ活性物質の濃度は、第１領域２６１、第２領域２６２及び第３領域２６３の間で段階的に変化される。この結果、固体レーザ媒質２４０Ｅの周囲の環境温度に応じて、励起光を吸収する領域（固体レーザ媒質２４０Ｅ中のビームの伝搬方向に沿う位置）が変動し、動作温度範囲が拡大される。図２７に示される濃度プロファイル（第１領域２６１において最も高いＮｄ濃度、第２領域２６２において２番目に高いＮｄ濃度、第３領域２６３において最も低いＮｄ濃度）を有する固体レーザ媒質２４０Ｅがレーザ光源２００Ｅに用いられると、環境温度によって励起光源２１０の発振波長がシフトし、入射端面２４２から０．５ｍｍの領域（即ち、第１領域２６１）で吸収されない励起光ＰＬが生じても、続く第２領域２６２及び／又は第３領域２６３で、励起光ＰＬは吸収される。かくして、固体レーザ媒質２４０Ｅによる励起光ＰＬの吸収量は略一定となる。
図２７に示される固体レーザ媒質２４０Ｅの第１領域２６１のＮｄの濃度は、２．５％である。尚、第１領域２６１は、入射端面２４２から０．５ｍｍの厚さの領域である。第１領域２６１に隣接する第２領域２６２の厚さは、１ｍｍに設定され、第２領域２６２中のＮｄの濃度は、１．５％に設定される。第２領域２６２に隣接する第３領域２６３の厚さは、０．５ｍｍに設定され、第３領域２６３中のＮｄ濃度は、０．５％に設定される。かくして、固体レーザ媒質２４０Ｅ中のＮｄの濃度は、励起光源２１０から波長変換素子２５０Ｃに向けて段階的に低下する。
本実施形態にしたがう光学素子３００Ｅは、第４実施形態及び／又は第５実施形態に関連して説明された形状（放熱を促す形状）を有する。したがって、図１に関連して説明されたレーザ光源１００の動作温度範囲が２０〜４０℃程度であるのに対し、本実施形態に係るレーザ光源２００Ｅの動作温度は、０〜７０℃の範囲に拡大される。
Ｎｄ濃度の段階的な変動は、ＧｄＶＯ４やＹＶＯ４といった異なる単結晶から構成される媒質の貼り合せ、或いは、接合によって達成されてもよい。この場合においても、レーザ光源の動作温度範囲の拡大効果が得られる。
例えば、固体レーザ媒質中のレーザ活性物質の濃度を単純に増加させると、レーザ活性物質が、発振した光を吸収するという現象が生じ、結果として、レーザ発振ができなくなるという問題が存在する。本実施形態の原理に従い、複数のドーパント濃度プロファイルを有する固体レーザ媒質を用いると、上述の問題は適切に解消される。
（第７実施形態）
本実施形態において、高い耐環境性（特に、高い耐温度特性）を有する異種材料のオプティカルコンタクト組立体（光学素子構造を有するオプティカルコンタクト組立体）が説明される。
複数の光学部材を用いて光学素子を形成するための技術として、接着剤を用いて、複数の光学部材を貼り合わせる技術及び複数の光学部材を直接接合する技術が存在する。以下、接着剤を用いた貼合技術に対する直接接合技術の優位性が説明される。
一体化された光学部材を含む機能性光学素子は、光学素子の小型化及び低コスト化に有効である。光学部材の一体化は、光学部材間の相対位置を固定し、光学素子の機能安定性に貢献する。
光学部材の一体化を行うために、一般的に、接着剤を用いた貼合技術が用いられる。例えば、貼合面に機能性薄膜が配置された光学部材同士が接着され、波長分離や偏光分離を行う光学素子が形成される。
光学部材の一体化を行うための他の手法として、直接接合技術が知られている。直接接合技術は、接着剤を用いることなく、光学部材を強固に接合する技術である。直接接合技術によって、例えば、ガラス、半導体、強誘電体や圧電セラミックスといった様々な材料から形成された光学部材が高精度に接合される。本実施例で述べる「オプティカルコンタクト・オプティカルコンタクト状態」は広義の直接接合技術の一つである。以下に、一般的な直接接合技術の概要と、本実施の形態で示すオプティカルコンタクトについて記載する。
上述の直接接合技術を用いて形成された直接接合体は、例えば、光導波路として利用される。光導波路は、直接接合された異なる２つの光学部材のうち一方が薄板化された後、リッジ加工されることにより形成される。このような光導波路の形成は、光学素子を作成するための有効な手段として注目されている。
ＬｉＮｂＯ３結晶（以下、ＬＮ結晶と称される）、ＬｉＴａＯ３結晶（以下、ＬＴ結晶と称される）、ＭｇＯ：ＬＮ結晶やサファイアといった様々な酸化物結晶基板を用いて、同種の基板間の直接接合や略等しい屈折率及び／又は熱膨張係数を有する異種基板間での直接接合が提案されている。
薄膜を介したこれらの基板の接合も提案されている。当該接合に用いられる薄膜材料として、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、低融点ガラス、金属酸化物といった様々な材料が挙げられる。
接合される面を基準面として光学部材の表面までの加工厚み、距離、面の傾きや平坦度が要求されるならば、接着剤を用いた貼合技術において生ずる接着剤の厚さ分布が光学素子の機能性の劣化を引き起こすので、直接接合技術は、接着剤を用いた貼合技術よりも有利である。
加えて、光学部材の貼合面にレーザ光が透過されるならば、接着剤（例えば、エポキシ系樹脂やアクリレート系樹脂）は、光吸収・光散乱に起因する光パワーロスを引き起こす。また、ハイパワーレーザ光が光学部材の貼合面に透過されるならば、貼合面の接着剤層の劣化（例えば、剥離、焼け或いは変色）が潜在的に引き起こされる。したがって、光学部材間にレーザ光が透過される場合においても、接着剤といった中間材を用いることなく、光学部材を一体化することができる直接接合技術は有利である。
上述の如く、光学部材同士を高精度且つ強固に接合し、様々な特性を有する機能性デバイスを作成することは、直接接合技術の有利な用途の１つである。特に、異なる性質の光学部材を接合する場合には、直接接合技術は、特に有利である。
強誘電体結晶を用いた異種部材を含む直接接合体として、ガラスとＬＮ結晶とを含む異種基板の直接接合体やガラスとＬＴ結晶とを含む異種基板の直接接合体が例示される。これらの異種基板は、一般的に、数１００℃から１０００℃程度の加熱熱処理を受け、直接接合される。したがって、接合される基板間の略等しい熱膨張係数がこれらの異種部材を含む直接接合体の形成に要求される。したがって、上述されたガラスとＬＮ結晶との直接接合やガラスとＬＴ結晶との直接接合よりも、ＬＮ結晶とＭｇＯ：ＬＮ結晶といった熱膨張率がほぼ同等であり、且つ、屈折率の異なる部材同士を直接接合する方が容易であると考えられる。
同種材料又は同一材料系（例えば、ＬＮ結晶とＭｇＯ：ＬＮ結晶）の部材が直接接合されると、上述の加熱処理の結果、直接接合された部材の境界において結晶構造が一体化し（構造的に接合境界がないバルク結晶のような状態になる）、高い接合強度を有する接合体が形成される。
異種材料結晶間では、結晶構造や格子定数のミスマッチが存在するので、例えば、異種材料結晶からなる光学部材を直接接合するために上述の加熱処理を行ったとしても、光学部材間の結晶構造の一体化は困難である。従って、特に異種材料からなる複数部材を一体化した光学素子においては、「材料間の強固な接合状態の形成を目的とする熱処理等のプロセス」を含まない、部材間の密着・吸着状態（本実施例ではこの状態を「オプティカルコンタクト状態」と定義している）での光学特性と耐環境性能の確保が重要となる。
加えて、異種光学部材間の熱膨張係数の相違は、加熱処理時において、密着された光学部材の膨張量の差異を引き起こす。この結果、密着された光学部材に生ずる応力に起因し、接合面の剥離が生じ、及び／又は、光学部材が構造的に脆弱であるならば、光学部材の割れが生ずる。
本発明者は、異種材料からなる光学部材をオプティカルコンタクトして形成される光学素子構造の耐環境性（主として、耐熱性）を向上させるための技術を詳細に研究した。本発明者は、本実施形態において説明される如く、オプティカルコンタクト面の外周に凹部又は切欠部を形成し、凹部又は切欠部に配設された封止部材を用いて接合面の縁部を覆うことによって、高い耐環境性を有する光学素子構造が形成されることを見出した。
本実施形態の原理に従うと、材料に依存することなく、複数の光学部材を含むオプティカルコンタクト組立体が作成される。本実施形態の原理は、材料及び光学部材の選択性を拡げ、様々な光学素子の作成に有利に応用される。
以下、本実施形態の光学素子が説明される。図２８は、本実施形態に従って、異種材料を用いて形成された光学部材をオプティカルコンタクトして作成された光学素子の斜視図である。図２９は、図２８に示される断面Ａを概略的に示す。
光学素子６００は、第１光学部材６１０と、第２光学部材６２０と、を備える。第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０は、オプティカルコンタクトされ、オプティカルコンタクト面６４０が形成される。本実施形態において、第１光学部材６１０として、Ｎｄ：ＹＶＯ４からなるレーザ結晶が例示され、第２光学部材６２０として、ＭｇＯ：ＬＮ結晶が例示される。代替的に、第１光学部材及び第２光学部材が異なる材料から形成されるならば、第１光学部材及び第２光学部材は、他の材料から形成されてもよい。
光学素子６００は、封止部材６３０を備える。封止部材６３０は、紫外線硬化樹脂を用いて形成される。第２光学部材６２０は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶の一部を切り欠いて形成された切欠部６２１を含む（図２９参照）。封止部材６３０は、切欠部６２１に配設される。
図２８及び図２９に示される如く、第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０は、オプティカルコンタクトプロセスにより、樹脂といった接着剤層の介在なしに、オプティカルコンタクト面６４０にて接合される。第１光学部材６１０は、第２光学部材６２０に接合される第１主面６１２を含む。第２光学部材６２０は、第１光学部材６１０の第１主面６１２に接合され、オプティカルコンタクト面６４０を形成する第２主面６２２を含む。第１主面６１２及び第２主面６２２は、少なくとも部分的に光学研磨（鏡面研磨）される。第２主面６２２は、第１主面６１２に水素結合により分子レベルで結合し、第２光学部材６２０は、第１光学部材６１０に吸着する。
第２光学部材６２０の第２主面６２２と接するＭｇＯ：ＬＮ結晶の一部には、段差加工が施与され、第２主面６２２の外周部を取り囲む切欠部６２１が形成される。オプティカルコンタクト面６４０に隣接する切欠部６２１が形成された部分において、第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０は接触していない。封止部材６３０に用いられる紫外線硬化樹脂は、切欠部６２１に充填される。この結果、オプティカルコンタクト面６４０の外縁を覆い、オプティカルコンタクト面６４０を封止する封止部材６３０が形成される。本実施形態において、第２光学部材６２０に切欠部６２１が形成される。代替的に、第１光学部材に切欠部が形成されてもよい。また、切欠部に代えて、第１光学部材及び／又は第２光学部材には、封止部材が配設される凹部が形成されてもよい。
本実施形態において、第１光学部材６１０として用いられるレーザ結晶（Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶）及び第２光学部材６２０として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶はともに、一軸性の異方性結晶である。図２８に示される如く、第１光学部材６１０として用いられるレーザ結晶のＣ軸及び第２光学部材６２０として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶のＣ軸（即ち、Ｚ軸）はともに、オプティカルコンタクト面６４０に対して平行である。また、第１光学部材６１０として用いられるレーザ結晶のＣ軸及び第２光学部材６２０として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶のＣ軸は、略同一方向に向いている（即ち、これらのＣ軸は略平行である）。
図２８及び図２９に示される光学素子６００の作成のために、第２光学部材６２０として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶に切欠部６２１が形成される。切欠部６２１は、様々な手法を用いて形成されてもよい。本実施形態において、切欠部６２１の形成には、ダイシング加工が用いられている。
第２光学部材６２０は、オプティカルコンタクト状態にされる第２主面６２２に加えて、第２主面６２２と反対側の出射端面６２３を含む。第２光学部材６２０の第２主面６２２及び出射端面６２３はともに鏡面研磨される。第２光学部材６２０は、第２主面６２２と出射端面６２３との間での高平行度（第２主面６２２と出射端面６２３との間の１ｍｍの厚さに対して、例えば、０．１ミクロン以下）が保たれた結晶基板である。
第２光学部材６２０に対し、ダイシング溝が形成され、オプティカルコンタクト状態にされる正方形又は長方形の第２主面６２２（数１００ミクロン×数１００ミクロン〜数ｍｍ×数ｍｍ）が形成される。ダイシング溝の幅（ｗ）（光伝搬方向に平行な第２光学部材６２０の側面から第２主面６２２の外縁までの距離）は、例えば、０．２〜１ｍｍ程度である。第２主面６２２からの段差（第１光学部材６１０と第２光学部材６２０との離間距離を規定する深さ（ｄ））は、１０〜３００ミクロン程度である。代替的に、ダイシング溝の深さ（ｄ）は、１ミクロン以上５００ミクロン以下の範囲に設定されてもよい。
ダイシング溝のうち第２主面６２２と接する部分を残しつつ、第２光学部材６２０として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶が完全に切断される。かくして、切欠部６２１を含むブロック状の第２光学部材６２０（ＭｇＯ：ＬＮ結晶）が形成される。
第１光学部材６１０は、オプティカルコンタクト状態にされる第１主面６１２に加えて、第１主面６１２と反対側の入射端面６１３を含む。第１光学部材６１０の第１主面６１２及び入射端面６１３はともに鏡面研磨される。第１光学部材６１０は、第１主面６１２と入射端面６１３との間での高平行度（第１主面６１２と入射端面６１３との間の１ｍｍの厚さに対して、例えば、０．１ミクロン以下）が保たれた結晶基板である。
第１光学部材６１０として用いられるレーザ結晶は、ダイシングによってブロック状に切断され、第２主面６２２よりも大きな第１主面６１２を備える第１光学部材６１０が形成される。尚、第１光学部材６１０の外形状は、第２光学部材６２０の外形状と略等しい。
その後、第１光学部材６１０の第１主面６１２及び第２光学部材６２０の第２主面６２２は、親水性処理される。第１光学部材６１０の第１主面６１２及び第２光学部材６２０の第２主面６２２は、例えば、アセトンを用いて、超音波洗浄される。その後、第１光学部材６１０の第１主面６１２及び第２光学部材６２０の第２主面６２２は、約６０〜７０℃に昇温されたアンモニア水：過酸化水素水：純水＝１：１：６の混合溶液（以下、アンモニア過水と称される）に１５分以上浸される。更にその後、純水でリンス処理がなされた後、第１光学部材６１０の第１主面６１２及び第２光学部材６２０の第２主面６２２に対し、乾燥処理が行われる。
乾燥処理の後、第１光学部材６１０として用いられるレーザ結晶の結晶軸及び第２光学部材６２０として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶の結晶軸の方向が一致するように、第１光学部材６１０の第１主面６１２は、第２光学部材６２０の第２主面６２２に接触される。その後、第１主面６１２及び第２主面６２２はわずかに加圧され、第１主面６１２及び第２主面６２２間の吸着がなされる。かくして、オプティカルコンタクト面６４０が形成される。
オプティカルコンタクト面６４０の外縁を取り囲むように形成された切欠部６２１に、封止部材６３０として用いられる紫外線硬化樹脂が塗布並びに充填される。この結果、封止部材６３０は、オプティカルコンタクト面６４０の外縁と外気とを実質的に遮断する。その後、数１０ミリジュール程度の紫外線が紫外線硬化樹脂に照射される。この結果、紫外線硬化樹脂が硬化し、封止部材６３０となる。このようにして、本実施形態にしたがう複数の光学部材を含むオプティカルコンタクト組立体（一体化光学素子）が作製される。
本実施形態は、オプティカルコンタクト面６４０の外縁に沿って形成された切欠部６２１と切欠部６２１に設けられた封止部材６３０に特徴づけられる。以下に、切欠部６２１及び封止部材６３０がもたらす有利な効果が説明される。
本発明者は、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶（第１光学部材６１０）とＭｇＯ：ＬＮ結晶（第２光学部材６２０）とを用いて、第１主面６１２及び第２主面６２２に対する親水性処理と、第１主面６１２と第２主面６２２とを吸着させる吸着工程とを行い、１ｍｍ×１ｍｍ〜１５ｍｍ×１５ｍｍ程度の異種材料間の面積（オプティカルコンタクト面の面積）を有する結晶基板のオプティカルコンタクト組立体を作製した。本発明者は、作成されたオプティカルコンタクト組立体の接合強度及び耐熱性といった耐環境性能を評価した。
一般に、面同士の貼り合わせや接合の接合強度（単純には、引張力に対して剥離が発生する割合）は、貼合面・接合面の面積の大きさに依存する。即ち、貼合面・接合面の面積が大きいほど、接合強度は大きくなる。
本発明者は、常温下で引張強度試験を行い、吸着された第１主面６１２及び第２主面６２２をそれぞれ有する異種材料部材から形成されたオプティカルコンタクト組立体（光学素子６００）の接合強度が、オプティカルコンタクト面６４０の面積の増大に伴い増加することを確認した。
本発明者は更に、オプティカルコンタクト組立体（光学素子６００）を作成する間において、第１主面６１２及び第２主面６２２間の吸着状態の形成の容易さも、オプティカルコンタクト面６４０の面積に依存することを確認した。大きいオプティカルコンタクト面６４０を有するオプティカルコンタクト組立体（光学素子６００）が作成されるとき、比較的小さな加圧力の下、オプティカルコンタクト面６４０の全体的な吸着状態が容易に達成される。また、オプティカルコンタクト状態にされる第１光学部材６１０の第１主面６１２と第２光学部材６２０の第２主面６２２との間に数ミクロン程度の大きさの異物（コンタミネーション）が介在しても、異物の周辺部（数１０ミクロンの領域）を除き、吸着状態が得られた。オプティカルコンタクト面６４０の面積が小さくなるにつれて、第１主面６１２と第２主面６２２との間の吸着を得るために必要とされる加圧力は増大した。また、オプティカルコンタクト状態にされる第１光学部材６１０の第１主面６１２と第２光学部材６２０の第２主面６２２との間における数ミクロン程度の大きさの異物の介在は、しばしば、第１主面６１２と第２主面６２２との間の吸着を阻害した。特に、オプティカルコンタクト面６４０が２ｍｍ×２ｍｍ以下の大きさになると、上述の傾向は顕著となり、第１光学部材６１０の第１主面６１２及び第２光学部材６２０の第２主面６２２の十分な洗浄・クリーニング並びに数ｋｇｆ／ｃｍ２以上の加圧力が必要とされた。
本発明者は、吸着状態のオプティカルコンタクト面６４０に外部からのガスや水分が浸入したときの、オプティカルコンタクト面６４０の剥離の発生も調査した。本発明者は、異なるオプティカルコンタクト面６４０の面積を有する複数種のオプティカルコンタクト組立体を異種材料からなる結晶基板を用いて作成した。その後、本発明者は、オプティカルコンタクト組立体を純水に浸漬し、オプティカルコンタクト面６４０の外縁からの水の浸入に起因するオプティカルコンタクト面６４０の発生並びに進行を観察した。
観察の結果、オプティカルコンタクト面６４０の面積が小さいならば（例えば、３ｍｍ×３ｍｍ程度以下）、オプティカルコンタクト面６４０の全体に容易に剥離が生ずることが判明した。オプティカルコンタクト面６４０の面積が、１０ｍｍ×１０ｍｍ以上であるならば、オプティカルコンタクト面６４０の外縁近傍で剥離が生じたとしても、当該剥離がオプティカルコンタクト面６４０の全体に拡大するまでには、比較的長い時間が必要とされた。特に、外縁から約３ｍｍ以上離れたオプティカルコンタクト面６４０の中心領域の剥離はほとんど観察されなかった。
異種材料からなる光学部材（第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０）がオプティカルコンタクト状態にされるとき、これらの部材間の熱膨張係数の差異がオプティカルコンタクト面６４０の剥離やこれら部材の割れといった不具合に大きく影響することが予想される。表１は、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶（第１光学部材６１０）及びＭｇＯ：ＬＮ結晶（第２光学部材６２０）の物性値の比較を示す。尚、表１に示される物性値は、公知の値である。
表１中の格子定数の差異から、例えば、環境温度変化に対し、Ｃ軸方向においてＭｇＯ：ＬＮ結晶は、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶の約１．５倍程度の膨張を示すことが分かる。したがって、常温でＮｄ：ＹＶＯ４結晶及びＭｇＯ：ＬＮ結晶が吸着されるならば、オプティカルコンタクト組立体（光学素子６００）のオプティカルコンタクト面６４０には大きなストレスが加わることが予想される。
図３０は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶のＣ軸方向及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶のＣ軸方向における熱膨張係数の差異と、熱膨張係数の差異に起因する結晶の膨張量の差異との算出結果を概略的に示すグラフである。図３０を参照すると、オプティカルコンタクト面６４０に加わるストレスが容易に理解される。
図３０は、以下に示される２つの計算結果を示す。
（１）ＭｇＯ：ＬＮ結晶及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶の２０℃での格子定数（単位結晶格子の長さ）を１としたときにおける２０℃から１０００℃までの環境温度変化に対する格子定数変化。
（２）基準点（常温で吸着されたＭｇＯ：ＬＮ結晶及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶によって形成されたオプティカルコンタクト面６４０中の任意の一点）からＣ軸に沿って１００μｍ離れたＭｇＯ：ＬＮ結晶及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶の表面（第１主面６１２及び第２主面６２２）上の点が、〜１０００℃までの環境温度変化に対して膨張するときの膨張量の差。
図３０に示される算出結果から、温度上昇とともにオプティカルコンタクト面６４０に加わるストレス（水素結合による吸着状態を維持しようとする力及び結晶の熱膨張の差異により発生する応力）が大きくなり、オプティカルコンタクト面６４０の剥離が引き起こされるという結果が推察される。
本発明者は、図３０に示される算出結果から、膨張量の差異が、数１００℃の温度上昇に対して、数％程度にすぎないということに着目した。
図３１は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板を示す。図３１の上図は、常温で重ね合わされ、互いに吸着状態にあるＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板を概略的に示す模式図である。図３１の下図は、温度上昇時における貼り合わせ基板（ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板）の状態を概略的に示す模式図である。図３１を用いて、熱膨張係数の差異に起因してオプティカルコンタクト面へのストレスを生じさせるＣ軸方向の膨張が説明される。
図３１は、Ｃ軸方向の長さが約１０ｍｍのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板を例示する。図３１に示されるオプティカルコンタクト面の中央の点Ｘは、基準点として示されている。のＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板の外縁は、点Ｘから左右に５ｍｍ離間した位置に存する。図３１において、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶基板の外縁上の点は、点Ｙとして示され、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板の外縁上の点は、点Ｙ’として示されている。
ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板が常温で位置を調整された上、重ね合わせられると（吸着されていない状態）、図３１の上図に示されるように、点Ｙと点Ｙ’の位置は合致している。常温から２００℃への環境温度に対する膨張量の差異は、１００ミクロン当たりのＣ軸方向の長さに対して、１ミクロンであるので、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板の温度が、２００℃となったとき、点Ｙ及び点Ｙ’の間には、約５０ミクロンの位置ズレが発生する。
ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板が常温で吸着されたとき、当該吸着状態が維持されるためには、上述の位置ズレを相殺するための応力が必要とされる。
図３１には、基準点（点Ｘ）から約２ｍｍ左右に離間した位置に点Ｚ及び点Ｚ’が示されている。点Ｚは、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶基板上の点であり、点Ｚ’は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板上の点である。Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶基板及びＭｇＯ：ＬＮ結晶基板の温度が２００℃となったとき、点Ｚと点Ｚ’との位置ズレは、約１０ミクロンだけである。したがって、吸着されたＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板に加わる「点Ｚ−点Ｚ’」に加わる応力は、「点Ｙ−点Ｙ’」に較べて小さくなる。即ち、オプティカルコンタクト面に作用する応力は、接合された部材（ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板）間の膨張率の差ではなく、膨張変位量の差に依存するので、膨張変位量の差が大きいほど応力ストレスが大きくなる。
本発明者は、上記の考察に基づき、小さな面積のオプティカルコンタクト面を有するオプティカルコンタクト組立体の方が、大きな面積のオプティカルコンタクト面を有するオプティカルコンタクト組立体の方が、同一の環境温度の変化の下、オプティカルコンタクト面に作用するストレスが小さくなるので、熱変動による剥離発生の確率が小さくなるとの仮説を導き出した。
本発明者は、上記の仮説を検証するため、上述された様々な大きさのオプティカルコンタクト面を有するオプティカルコンタクト組立体をオーブン内に入れ、環境温度による剥離は割れの発生を観察した。
吸着状態にあるオプティカルコンタクト組立体（サンプル）は、アルミ製のシャーレに載置され、オーブン内に配設された。オーブン内の温度は、室温から所望の温度度（６０℃〜２００℃）まで２℃／分の昇温速度にて上昇された。その後、オーブン内の温度は、所望の温度にて、２０分維持され、更にその後、２℃／分程度の降温速度にて室温まで戻された。その後、オーブンからサンプルが取り出され、オプティカルコンタクト面が顕微鏡観察された。
上述の試験の結果、オプティカルコンタクト面の面積が大きいほど、剥離や割れが発生する発生温度が低いことが判明した。特に、１０ｍｍ×１０ｍｍ以上の面積を有するオプティカルコンタクト面の剥離は、概ね７０〜７５℃の試験温度から得られたサンプルで観察された。また、試験温度が約１００℃を超えると、オプティカルコンタクト面の面積が１０ｍｍ×１０ｍｍ以上であるならば、オプティカルコンタクト状態にされる第１主面６１２（図２９参照）での割れが多発した。５ｍｍ×５ｍｍ以下程度の面積のオプティカルコンタクト面を有するオプティカルコンタクト組立体の剥離発生温度は、約９０〜１１０℃程度であった。特に、２ｍｍ×２ｍｍ以下の面積のオプティカルコンタクト面を有するオプティカルコンタクト組立体の剥離発生温度は、約１２０〜１３０℃程度であった。
上述の結果から、本発明者は、オプティカルコンタクト面の面積を小さくする（即ち、オプティカルコンタクトされる部材（第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０）間の熱膨張量の差を小さくすることにより、オプティカルコンタクト面において剥離や割れが発生する発生温度を上昇させることができるとの知見を得た。本発明者は、当該知見に基づき、環境温度の変化に耐えるためのオプティカルコンタクト組立体の特性の向上に成功した。
上述の如く、異種材料からなる部材を含むオプティカルコンタクト組立体の接合強度を向上させるための条件と、熱変動に対するオプティカルコンタクト面の耐剥離性及び割れ発生の低減に対する条件とは、相反する方向性を有する。即ち、接合強度の向上並びにガスや水分の浸入に起因する剥離の抑制といった観点からは、大きな面積のオプティカルコンタクト面が好ましい。一方、熱変動に起因するオプティカルコンタクト面の剥離や割れの低減といった観点からは、小さな面積のオプティカルコンタクト面が好ましい。
本発明者は、異種材料から形成された複数の光学部材を備えるオプティカルコンタクト組立体のオプティカルコンタクト面の外縁に隣接して形成された凹部又は切欠部と、当該凹部又は切欠部にオプティカルコンタクト面の外縁を覆う封止部材と、を案出した。本実施形態の原理を特徴づける凹部又は切欠部並びに封止部材は、以下の効果を奏する。
（１）オプティカルコンタクト面の接合力（水素結合による吸着状態を形成する力）だけでなく、封止部材を用いて光学部材同士が接着されるので、光学部材間の接合強度が補強・向上される。
（２）オプティカルコンタクト面の外周に隣接して凹部又は切欠部が形成されるので、オプティカルコンタクト面の面積が低減される。この結果、上述された熱変動に起因するオプティカルコンタクト面の剥離・割れが低減される。
（３）オプティカルコンタクト面の外縁を覆う封止部材は、オプティカルコンタクト面を外部雰囲気から遮断し、封止状態を作り出す。したがって、ガスや水分の浸入は好適に抑制され、オプティカルコンタクト面の剥離の可能性が低減される。この結果、光学素子の長期間に亘る信頼性並びに耐環境性が大幅に向上される。
図２８及び図２９に示される如く、本実施形態の原理に従って形成された光学素子６００のオプティカルコンタクト面６４０は、レーザ光の透過を許容する。接着剤といった中間層を介することなく形成されたオプティカルコンタクト面６４０によって、第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０が密着固定される。したがって、接着剤といった中間層を用いて貼り合わせられた光学部材を備える光学素子と異なり、レーザ光の照射に起因する中間層の劣化及び中間層の劣化に伴う光吸収・散乱といった不具合は、原理的に発生しない。
図２８及び図２９に関連して説明された光学素子６００の第１主面６１２と第２主面６２２との間には空気層は存在しない。したがって、図２８及び図２９に示される光伝搬に対して、オプティカルコンタクト面６４０において光が感じる屈折率段差は、第１光学部材６１０の屈折率ｎ１と第２光学部材６２０の屈折率ｎ２との差Δｎ＝｜ｎ１−ｎ２｜となる。例えば、光学素子６００内を伝搬する波長１０６４ｎｍのレーザ光がオプティカルコンタクト面６４０に対して垂直に入射されるならば、第１光学部材６１０（レーザ結晶）に対する異常光屈折率は、ｎｅ１（＠１０６４ｎｍ）＝２．１６５２であり、第２光学部材６２０（ＭｇＯ：ＬＮ結晶）異常光屈折率は、ｎｅ２（＠１０６４ｎｍ）＝２．１５であるので、Δｎｅ＝｜ｎｅ１−ｎｅ２｜≒０．０１５となる。
屈折率段差によるフレネル反射率ＲはＲ＝｛（ｎ１−ｎ２）÷（ｎ１＋ｎ２）｝２で表される。したがって、上述のオプティカルコンタクト面６４０におけるフレネル反射は高々０．０１２％となる。このフレネル反射は、多くの光学的用途に対して、第１光学部材６１０と第２光学部材６２０とのオプティカルコンタクト面６４０に反射防止膜を形成する必要がないほど小さい。
したがって、近似する屈折率を有する光学部材を、オプティカルコンタクト技術を用いて一体化し、機能性光学素子が作成されるならば、光学部材間のオプティカルコンタクト面での反射防止膜の形成が不要となる。
図３２は、図２８及び図２９に関連して説明された光学素子６００が組み込まれた共振器型の波長変換レーザ光源を例示する。図３２に示されるレーザ光源に組み込まれた光学素子にレーザ光が透過される。光学素子６００は、第１実施形態に従う光学素子１４０と同様に、レーザ結晶と波長変換素子とを含むオプティカルコンタクト組立体である。図２８、図２９及び図３２を用いて、レーザ光源が説明される。
レーザ光源７００は、光学素子６００を備える。光学素子６００は、第１光学部材６１０と、第２光学部材６２０とを備える。第１光学部材６１０は、Ｎｄ：ＹＶＯ４からなるレーザ結晶である。また、第２光学部材６２０は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶である。第１光学部材６１０は、第１主面６１２と、第１主面６１２と反対側の入射端面６１３とを含む。第２光学部材６２０は、第２主面６２２と、第２主面６２２と反対側の出射端面６２３とを含む。第１主面６１２及び第２主面６２２はオプティカルコンタクトされ、オプティカルコンタクト面６４０が形成される。
光学素子６００は、封止部材６３０を更に備える。封止部材６３０は、紫外線硬化樹脂から形成される。第２光学部材６２０に用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶の一部が切り欠かれ、切欠部６２１が形成される。封止部材６３０は、切欠部６２１に配設される。
レーザ光源７００は、レーザ結晶（第１光学部材６１０）を励起するための励起用半導体レーザ装置（以下、ポンプＬＤ７１０と称される）と、ポンプＬＤ７１０から出射された励起レーザ光をレーザ結晶（第１光学部材６１０）に集光するための集光レンズ７２０と、光学素子６００、ポンプＬＤ７１０及び集光レンズ７２０が固定されるマウント７３０と、を更に備える。本実施形態において、ポンプＬＤ７１０は、励起光源として例示される。
第２光学部材６２０として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶には、周期状の分極反転構造が形成される。所望の基本波レーザ光が入射されると、第２光学部材６２０は、基本波波長に対して半分の波長を持つ第２高調波（Second Harmonic Generation: 以下、ＳＨＧと称される）を発生する。例えば、上述の、周期状の分極反転構造の周期が、入射される基本波の光軸方向に約７ミクロン程度に設定されるならば、波長１０６４ｎｍの基本波は、波長５３２ｎｍの緑色光に波長変換される。このような機能性光学素子は、一般的に、波長変換素子と呼ばれる（特に、ＳＨＧ光への波長変換を行う素子は、ＳＨＧ素子と称される）。尚、高平行度が得られるように研磨加工されたレーザ結晶（第１光学部材６１０）及びＭｇＯ：ＬＮ結晶（第２光学部材６２０）を用いてオプティカルコンタクト組立体（光学素子６００）が形成されると、第１光学部材６１０の入射端面６１３（集光レンズ７２０側の端面）と第２光学部材６２０の出射端面６２３（第１光学部材６１０とオプティカルコンタクトする第２主面６２２と反対側の端面）は、略平行な位置関係になる。
第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０には、必要に応じて、反射防止膜や高反射膜が成膜されてもよい。特に、第１光学部材６１０の入射端面６１３には、８０８ｎｍの波長のレーザ光に対する反射防止特性（例えば、１％以下の反射率）と、１０６４ｎｍの波長のレーザ光に対する高反射特性（例えば、９９．５％以上の反射率）、更には５３２ｎｍの波長のレーザ光に対する高反射特性（例えば、９６％以上の反射率）といった反射透過特性を満たす誘電体多層膜が成膜される。第２光学部材６２０の出射端面６２３には１０６４ｎｍの波長のレーザ光に対する高反射特性（例えば、９９．５％以上の反射率）及び５３２ｎｍの波長のレーザ光に対する反射防止特性（例えば、９６％以上の反射率）の特性を示す誘電体多層膜が成膜されている。
ポンプＬＤ７１０は、波長８０８ｎｍの励起レーザ光を出射する。集光レンズ７２０は、励起レーザ光をレーザ結晶（第１光学部材６１０）に集光する。上述の如く、第１光学部材６１０の入射端面６１３に設けられた膜の８０８ｎｍ光に対する反射防止特性により、励起レーザ光は、ほとんど損失することなく、レーザ結晶（第１光学部材６１０）に照射される。高いパワー密度で集光された励起レーザ光は、レーザ結晶（第１光学部材６１０）内で吸収された後、１０６４ｎｍの基本波レーザ光（以下、基本波と称される）として放出される。
平行配置された第２光学部材６２０の出射端面６２３の高反射特性膜と第１光学部材６１０の入射端面６１３の高反射特性膜とにより、第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０は、１０６４ｎｍ光に対する共振器構造をなす。したがって、レーザ結晶（第１光学部材６１０）で放出された波長１０６４ｎｍの基本波は、共振モードで発振する。共振モードの基本波は、共振器（光学素子６００）内部で増幅される。この結果、共振器内部パワーとしては数ｋＷレベルの高パワーレーザ光が生成される。このような高パワーの基本波がＭｇＯ：ＬＮ結晶（第２光学部材６２０）に照射され、高い波長変換効率で、波長５３２ｎｍのＳＨＧが得られる。
共振器（光学素子６００）内部の基本波は、図３２において右方向に向かう光と、左方向に向かう光とを含む。したがって、発生するＳＨＧも同様に、二方向の成分を含む。しかしながら、第１光学部材６１０の入射端面６１３に形成された膜の５３２ｎｍの波長の光に対する高反射特性により、集光レンズ７２０に向かうＳＨＧ出力は抑えられる。かくして、発生したＳＨＧ光の殆どは、第２光学部材６２０の出射端面６２３より取り出される。
本実施形態にしたがう光学素子６００を用いて、図３２に示されるような非常にコンパクトな波長変換レーザ光源（レーザ光源７００）が形成される。特に、上述された異種材料からなる複数の光学部材（レーザ結晶（第１光学部材６１０）及びＭｇＯ：ＬＮ結晶（第２光学部材６２０））のオプティカルコンタクト組立体（光学素子６００）のオプティカルコンタクト面６４０の外周に隣接して切欠部６２１が形成され、更に、オプティカルコンタクト面６４０の外縁を覆う封止部材６３０（紫外線硬化樹脂）が切欠部６２１に充填配置される。この結果、光学素子６００の接合強度の向上、オプティカルコンタクト面６４０の面積の低減並びに封止部材６３０（紫外線硬化樹脂）による外部からのガスや水分の浸入防止が達成される。かくして、信頼性の高い波長変換レーザ光源（レーザ光源７００）が好適に形成される。
本実施形態において、２つの異種材料から形成された光学部材（第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０）のうち一方に切欠部６２１が形成されている。代替的に、両方の光学部材に切欠部が形成されてもよい。
本実施形態において、第２光学部材６２０及び／又は第１光学部材６１０の側面（分極反転領域と垂直に交わる面）に、好ましくは、導電性材料が接触される。この結果、第１実施形態乃至第７実施形態と同様に、第２光学部材６２０からのチャージの除去及び／又は第１光学部材６１０からの放熱が適切になされる。
（第８実施形態）
図３３は、オプティカルコンタクトされる前の第１光学部材及び第２光学部材を概略的に示す斜視図である。図３４は、オプティカルコンタクトされた第１光学部材及び第２光学部材を備える光学素子の斜視図である。図３５は、図３４に示される断面Ｂを概略的に示す。図３３乃至図３５を用いて、第８実施形態にしたがう光学素子が説明される。第７実施形態と同様の要素には、同様の符号が付される。また、これらの要素には、第７実施形態での説明が援用される。
光学素子６００Ａは、第１光学部材６１０Ａと、第２光学部材６２０と、を含む。図３３に示されるように、第１光学部材６１０Ａは、第１主面６１２Ａと、第１主面６１２Ａと反対側の入射端面６１３と、を含む。第２光学部材６２０は、第２主面６２２と、第２主面６２２と反対側の出射端面６２３と、を含む。第１主面６１２Ａ及び第２主面６２２はオプティカルコンタクトされ、オプティカルコンタクト面６４０Ａを形成する（図３４及び図３５参照）。
光学素子６００Ａには、オプティカルコンタクト面６４０Ａに隣接する切欠部６２１Ａが形成される。切欠部６２１Ａは、第１光学部材６１０Ａ及び第２光学部材６２０の両方に切欠加工を使用して形成される。光学素子６００Ａは、切欠部６２１Ａに配設された封止部材６３０Ａを更に備える。封止部材６３０Ａは、オプティカルコンタクト面６４０Ａの外縁を覆う。
封止部材６３０Ａは、第１光学部材６１０Ａ及び第２光学部材６２０の双方を跨ぐ切欠部６２１Ａに充填されるので、第１光学部材６１０Ａ又は第２光学部材６２０と封止部材６３０Ａとの境界を辿り、オプティカルコンタクト面６４０Ａに到達するまでのガスや水分の経路が長くなる。したがって、本実施形態の光学素子６００Ａは、ガスや水分の浸入に対する高い耐性を有することとなる。
（第９実施形態）
図３６は、封止部材が配設される領域内に分散されたオプティカルコンタクト領域を備える光学素子の概略的な斜視図である。図３７は、図３６に示される断面Ｃを概略的に示す。本実施形態において、オプティカルコンタクト面の周囲において、例えば、光学部材（第１光学部材及び／又は第２光学部材）に、特殊な切欠部或いは凹部を形成するためのフォトリソグラフィ工程およびドライエッチング工程が施与され、柱状又は板状の構造体が形成される。その後、第１光学部材及び第２光学部材のオプティカルコンタクトプロセスが実行される。この結果、封止部材が配設される領域内で分散された複数のオプティカルコンタクト領域が形成される。第７実施形態と同様の要素には、同様の符号が付される。また、これらの要素には、第７実施形態での説明が援用される。
光学素子６００Ｂは、第１光学部材６１０Ｂと第２光学部材６２０Ｂとを備える。第１光学部材６１０Ｂ及び第２光学部材６２０Ｂはオプティカルコンタクトされ、オプティカルコンタクト面６４０が形成される。光学素子６００Ｂは、オプティカルコンタクト面６４０の外縁を覆う封止部材６３０Ｂを更に備える。
第２光学部材６２０Ｂには、切欠部６２１Ｂが形成される。切欠部６２１Ｂは、第２光学部材６２０Ｂの一部に、例えば、フォトリソグラフィ工程およびドライエッチング工程といった形状加工を施与することにより形成される。この結果、切欠部６２１Ｂの領域内に分散されたオプティカルコンタクト領域が形成される。
切欠部６２１Ｂ内に分散されたオプティカルコンタクト領域によって、例えば、封止部材６３０Ｂの充填量が低減される。
第７実施形態に関連して説明された光学素子６００の場合、光学素子６００の外形寸法（オプティカルコンタクト面６４０に沿った光学素子の断面積、又は、任意の径方向におけるオプティカルコンタクト面６４０の断面積に光学素子６００の切欠部６２１の幅寸法を加えた寸法）に対して、レーザ光を透過させるオプティカルコンタクト面６４０の寸法（オプティカルコンタクト面６４０の面積）が小さいならば、封止部材６３０が硬化するときの収縮或いは膨張に起因して、切欠部６２１において光学部材（第１光学部材６１０及び／又は第２光学部材６２０）に加わる引張応力又は膨張応力が過度に大きくなる。過度に大きな引張応力又は膨張応力は、オプティカルコンタクト面６４０に不要な力を生じさせ、第１光学部材６１０と第２光学部材６２０との間の吸着状態の劣化や剥離を潜在的に引き起こす。
本実施形態に従う光学素子６００Ｂの場合、オプティカルコンタクト面６４０の周囲の切欠部６２１Ｂ内に分散された複数のオプティカルコンタクト領域によって、封止部材６３０Ｂの充填量が低減される。したがって、上述のオプティカルコンタクト面６４０に加わる不必要な力は低減される。かくして、オプティカルコンタクト面６４０における剥離や、第１光学部材６１０Ｂ及び第２光学部材６２０Ｂの位置ズレが発生しにくくなる。
第７実施形態乃至第９実施形態において、第１光学部材６１０，６１０Ａ，６１０Ｂとして、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶（レーザ結晶）が例示される。固体レーザ結晶としては、Ｎｄ：ＹＶＯ４やＮｄ：ＧｄＶＯ４が好ましい。これらの固体レーザ結晶中のＮｄのドープ量が高くされると、吸収係数が増大する。光の伝搬軸方向に対して短い距離で励起レーザ光が吸収され、基本波が発信されるので、小型のマイクロチップレーザ装置が提供される。
Ｎｄ：ＹＶＯ４やＮｄ：ＧｄＶＯ４が第１光学部材６１０，６１０Ａ，６１０Ｂに用いられると、固体レーザの励起効率が結晶軸に対して異方性を有するので、単一偏光でレーザ発振がなされる点において有利である。特に、本実施形態において例示された非線形光学結晶による波長変換は、偏光依存性を有するので、単一偏光での発振は、変換効率の大幅な向上をもたらす。周期状の分極反転構造を有する結晶の複屈折の光軸及び位相整合の光軸は一致しているので、温度による偏光の変化が少なくなる。また、単一偏光のレーザ結晶が組み合わられると、変換効率が向上し、偏光の安定化が達成される。尚、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶に比べて、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶の熱膨張係数は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶の熱膨張係数により近いため、非線形光学結晶及びレーザ結晶がオプティカルコンタクトされるならば、結晶の温度変化に起因して生ずるオプティカルコンタクト面の歪みが小さくなる。このため、外部の環境温度変化に対して安定した接合状態が維持される。
第１光学部材として、ＧｄＳｃＧａ系、ＹＳｃＧａ系やＹＡＧ系といったセラミックレーザ媒質が用いられてもよい。これらのレーザ媒質が、上記のレーザ結晶と同様に用いられてもよい。例えば、オプティカルコンタクトされたこれらのレーザ媒質及び波長変換素子である強誘電体結晶を備える光学素子やこの光学素子を備える波長変換レーザ光源が作製されてもよい。調合・成形・焼成といったセラミックプロセスは、結晶引上げに比べて量産性に優れているので、セラミックレーザ媒質は、レーザ結晶に比べて非常に低コストで作製される点で有利である。特に、ファインセラミックスと呼ばれる機能性セラミックは光学的用途に多く用いられており有用である。
封止部材がオプティカルコンタクト面の外縁を覆うためには、切欠部又は凹部の深さ（図２９に示される寸法「ｄ」（オプティカルコンタクト面からの段差））は、１ミクロン程度で十分である。したがって、フォトリソグラフィとドライエッチングとを用いて、切欠部又は凹部が形成されてもよい。切欠部又は凹部の形成に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングが用いられるならば、オプティカルコンタクト面の形状及び大きさは精密に制御される。また、ダイシング加工に比べて、フォトリソグラフィ及びドライエッチングは大面積の堀込み加工を可能にするので、切欠部又は凹部の形成のための工程が削減される点において、フォトリソグラフィ及びドライエッチングは有利である。
封止部材は、上述の如く、オプティカルコンタクト面の外縁と外部雰囲気とを遮断する効果をもたらす。封止部材のこの重要な役割・効果は、オプティカルコンタクト面の外縁と外部雰囲気との実質的な距離に大きく影響される。
本発明者は、切欠部若しくは凹部の深さ（図２９に示される寸法「ｄ」（オプティカルコンタクト面からの段差））を変動させたサンプルと、切欠部若しくは凹部の幅（図２９に示される寸法「ｗ」（オプティカルコンタクト面からの封止部材の外周縁までの距離））とを変動させたサンプルとを用いて、オプティカルコンタクト面の外縁と外部雰囲気との実質的な距離の変動の影響（遮断効果に与える影響）を調査した。
上記の調査の結果、封止部材によるオプティカルコンタクト面と外部雰囲気との遮断効果は、切欠部又は凹部の深さ及び幅の一方に依存するのではなく、封止部材と光学部材との境界面を辿ってオプティカルコンタクト面に達するまでの実質的な距離が大きいほど遮断効果が大きくなる傾向が明らかとなった。上述の実質的な距離が、５００ミクロン以上であり、封止部材が十分に充填・硬化されている状態であるならば、実用上問題のないレベルで外部からのガスや水分の浸入が長時間防止された。
第７実施形態乃至第９実施形態において、封止部材として、紫外線硬化樹脂が例示される。光学素子の使用環境に応じて、様々な特性を有する紫外線硬化樹脂が選択可能である点において、紫外線硬化樹脂から形成された封止部材は有利である。例えば、粘度、硬化後の屈折率、耐熱性や耐薬品性といった様々な要求に応じて、適切な紫外線硬化樹脂が選択される。代替的に、光学素子に用いられる封止部材として、紫外線硬化樹脂に代えて、例えば、熱硬化性樹脂が用いられてもよい。
封止部材として、珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）又は珪酸ナトリウムをゲル化したケイ酸が用いられてもよい。高濃度の珪酸ナトリウム水溶液は、一般的に、水ガラスとして知られる水飴状の高粘度の液体である。高濃度の珪酸ナトリウム水溶液が、水に溶かされ、適度な粘度にされる。その後、適当な粘度の珪酸ナトリウム水溶液は、オプティカルコンタクト面の外周縁を覆うように、封止部材が配置される光学素子の切欠部に塗布される。その後、ピペットといった適切な器具が用いられ、適量の希塩酸が珪酸ナトリウム水溶液に加えられる。この結果、珪酸ナトリウムと塩酸との化学反応が生じ、珪酸ナトリウムはゲル化し（流動性のない非晶質の状態になり）、ケイ酸（Ｈ２ＳｉＯ３）となる。このようにゲル化したケイ酸が封止部材として用いられると、オプティカルコンタクト面へのガスや水分の浸入が適切に防止される。また、ゲル化によって、光学部材同士が強固に接着固定され、耐加工性や耐熱変動性が向上する。また、ゲル化したケイ酸は、樹脂系の封止部材よりも高い硬度を有する非晶質体（ガラスと似た特性）となるため、例えば、ダイシング加工の際にダイシングブレードの目詰まりが発生しにくくなる。したがって、光学部材と同一のブレードを用いて切断加工がなされてもよい。
尚、封止部材による接着効果を高めるために、封止部材が配置される切欠部又は凹部の加工表面は、好ましくは、鏡面ではなく、凹凸面に形成される。この結果、封止部材と光学部材との接触面積が実質的に増大し、接着効果が大きくなる。
本発明者の研究によると、封止部材として紫外線硬化樹脂が用いられるならば、１０ミクロン以上の表面粗さ（Ｒａ）に切欠部又は凹部が形成されると、封止部材の接着力が向上する。
本発明者は、２ｍｍ×２ｍｍ程度の外形寸法を有する光学素子に、１．２ｍｍ×１．２ｍｍのオプティカルコンタクト面を形成した（即ち、オプティカルコンタクト面の外周縁から光学部材の最外周面までの距離が約４００ミクロン程度となるように切欠部又は凹部が形成された）。オプティカルコンタクト面からの最大段差量（ｄ）が５００ミクロン程度の切欠部に対して、幅１０〜５０ミクロン程度、高さが１００ミクロン程度以上の微細な凹凸が形成された。このとき、上述の接着力の向上効果が顕著に現れた。また、上記構造においては、封止部材と光学部材との境界を辿ってオプティカルコンタクト面の外周縁に達するまでの距離が大きくなるため、外部雰囲気中のガスや水分のオプティカルコンタクト面への浸入が適切に防止された。
上述の説明において、紫外線硬化樹脂が封止部材として用いられている。代替的に、封止部材は、他の誘電体薄膜（例えば、ＳｉＯ２から形成された薄膜）を用いて形成されてもよい。
（第１０実施形態）
オプティカルコンタクト面と外部雰囲気とを遮断する封止部材の配設のための手法として、上述の一連の実施形態で説明されたような切欠部や凹部（オプティカルコンタクト面の外縁に隣接して形成された切欠部や凹部）を形成することなしにオプティカルコンタクト組立体を作成し、オプティカルコンタクト組立体のオプティカルコンタクト面の外縁に沿って封止部材が配設されることが考えられる。この場合、封止部材は、第１光学部材及び／又は第２光学部材の最外部よりも外方にはみ出る。このような形状の光学素子が、例えば、図３２に示されるマウント７３０の平面部に配置固定されるならば、封止部材はマウント７３０の平面部に干渉し、光学部材は水平に配置されにくくなる。したがって、第１光学部材及び／又は第２光学部材の最外部よりも外方にはみ出た封止部材との干渉を避けるための凹部の加工といった対策がマウント７３０に施される必要がある。
図３８Ａ乃至図３９Ｃは、第１光学部材及び／又は第２光学部材の最外部よりも外方にはみ出た封止部材に関連する不具合を解消するための形状を有する光学素子を例示する。図３８Ａ乃至図３９Ｃはともに、オプティカルコンタクトされた２つの光学部材を備える光学素子を示す。２つの光学部材はともに、少なくとも１つの平坦な外面を含む。この平坦な外面とオプティカルコンタクト面の両方に接するように切欠部が形成される。加えて、光学素子は、オプティカルコンタクト面の外縁を覆う封止部材を備える。封止部材は、切欠部に接していないオプティカルコンタクト面の外縁も覆う。図３８Ａ乃至図３９Ｃに示される光学素子の構造は、第７実施形態乃至第９実施形態に関連して説明された利点・効果に加えて、平坦な外面が光学素子が実装されるときの基準面として用いられるという効果をもたらす。光学素子のオプティカルコンタクト面の形状は、円形や矩形であってもよい。或いは、光学素子のオプティカルコンタクト面の形状は、円を直線で切り取った略半円形状であってもよく、多角形状であってもよい。このように、本実施形態において、光学素子のオプティカルコンタクト面は様々な形状であってもよいが、本実施形態は、光学部材の外周面が少なくとも１つの平坦な面を含むことに特徴づけられる。
図３８Ａ乃至図３８Ｃは、略半円形状の断面を有する２つの光学部材を備える光学素子を概略的に示す。図３８Ａは、オプティカルコンタクト状態にされた２つの光学部材を備える光学素子の概略的な斜視図である。図３８Ｂは、図３８Ａ中の断面Ｄを概略的に示す。図３８Ｃは、図３８Ａ中の矢印の方向から見た光学素子を示す。
図３８Ａ乃至図３８Ｃに示される光学素子６００Ｃは、第１光学部材６１０Ｃと、第２光学部材６２０Ｃと、を備える。第１光学部材６１０Ｃ及び第２光学部材６２０Ｃはともに、略半円柱形状に形成される。第１光学部材６１０Ｃは、略平坦な底面６１５と第２光学部材６２０Ｃにオプティカルコンタクト状態にされる第１主面６１２Ｃと、を含む。また、第２光学部材６２０Ｃは、略平坦な底面６２５と、第１主面６１２Ｃにオプティカルコンタクトされる第２主面６２２Ｃと、を含む。第１光学部材６１０Ｃの底面６１５及び第２光学部材６２０Ｃの底面６２５が略面一となるように、第１光学部材６１０Ｃの第１主面６１２Ｃ及び第２光学部材６２０Ｃの第２主面６２２Ｃは接合され、オプティカルコンタクト面６４０Ｃが形成される。第１主面６１２Ｃ及び第２主面６２２Ｃは、略同形同大に形成される。
光学素子６００Ｃは、オプティカルコンタクト面６４０Ｃの外縁を覆う封止部材６３０Ｃを更に備える。第２光学部材６２０Ｃには、切欠部６２１Ｃが形成される。切欠部６２１Ｃは、底面６１５，６２５及びオプティカルコンタクト面６４０Ｃに隣接するように、第２光学部材６２０Ｃの一部を切り欠いて形成される。封止部材６３０Ｃは、オプティカルコンタクト面６４０Ｃの下縁から底面６１５，６２５に至るまでの領域を占める切欠部６２１Ｃだけでなく第１光学部材６１０Ｃ及び第２光学部材６２０Ｃの湾曲面に配設される。
図３９Ａ乃至図３９Ｃは、オプティカルコンタクト面を形成する主面の大きさが異なる２つの光学素子を備える光学素子を概略的に示す。図３９Ａは、オプティカルコンタクトされたテーパ形状の光学部材及び直方体形状の光学部材を備える光学素子の概略的な斜視図である。図３９Ｂは、図３９Ａ中の断面Ｅを概略的に示す。図３９Ｃは、図３９Ａ中の矢印の方向から見た光学素子を示す。
図３９Ａ乃至図３９Ｃに示される光学素子６００Ｄは、第１光学部材６１０Ｄと、第２光学部材６２０Ｄと、を備える。第１光学部材６１０Ｄは、第２光学部材６２０Ｄに向けて狭まる（即ち、光の伝搬方向に向けて狭まる）テーパ状の６面体である。また、第２光学部材６２０Ｄは、直方体である。
第１光学部材６１０Ｄは、略平坦な底面６１５Ｄと第２光学部材６２０Ｄにオプティカルコンタクトされる第１主面６１２Ｄと、を含む。また、第２光学部材６２０Ｄは、略平坦な底面６２５Ｄと、第１主面６１２Ｄにオプティカルコンタクトされる第２主面６２２Ｄと、を含む。第１光学部材６１０Ｄの底面６１５Ｄ及び第２光学部材６２０Ｄの底面６２５Ｄが略面一となるように、第１光学部材６１０Ｄの第１主面６１２Ｄ及び第２光学部材６２０Ｄの第２主面６２２Ｄは接合され、オプティカルコンタクト面６４０Ｄが形成される。このとき、オプティカルコンタクト面６４０Ｄに対し、底面６１５Ｄ，６２５Ｄは略直角である。
光学素子６００Ｄは、オプティカルコンタクト面６４０Ｄの外縁を覆う封止部材６３０Ｄを更に備える。第１光学部材６１０Ｄには、切欠部６２１Ｄが形成される。切欠部６２１Ｄは、底面６１５Ｄ，６２５Ｄ及びオプティカルコンタクト面６４０Ｄに隣接するように、第１光学部材６１０Ｄの一部を切り欠いて形成される。封止部材６３０Ｄは、オプティカルコンタクト面６４０Ｄの下縁から底面６１５Ｄ，６２５Ｄに至るまでの領域を占める切欠部６２１Ｄだけでなく第１光学部材６１０Ｄと第２光学部材６２０Ｄとで形成される角隅部に沿って配設される。
第７実施形態乃至第１０実施形態において、異種材料からなる光学部材を備えるオプティカルコンタクト組立体として、レーザ結晶と波長変換素子とを備える光学素子及び当該光学素子を備える波長変換レーザ光源が例示される。これら一連の実施形態に係る原理は、他の光学素子（例えば、レーザ結晶と電気光学効果を示す非線形光学結晶とが組み合わされた変調器一体型レーザ光源、セラミックレーザと電極を備えるＴｅＯ２といった音響光学素子とが組み合わされた光強度変調器一体型レーザ光源や、電圧印加によるレンズ効果や回折効果を示す複数の光学素子が組み合わされた光回路素子といった様々な光学素子）に適用されてもよい。
（第１１実施形態）
上述の第７実施形態乃至第１０実施形態において、異種材料から形成されたオプティカルコンタクト組立体として、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶（レーザ結晶）とＭｇＯ：ＬＮ結晶（非線形光学結晶）とのオプティカルコンタクト組立体並びに当該オプティカルコンタクト組立体を用いた共振器構造を備える波長変換レーザ光源が例示されている。本実施形態において、オプティカルコンタクト組立体のオプティカルコンタクト面は、レーザ光の横モード制御を行うための光学窓として用いられる。本実施形態の原理は、所望の大きさ・形状のオプティカルコンタクト面を用いて、共振モードとして成立する横モードの制御がなされる点に特徴づけられる。
図４０及び図４１は、本実施形態の光学素子を例示する。図４０及び図４１に示される光学素子は、オプティカルコンタクト状態にされた固体レーザ媒質と共振器ミラーとを備えた光学結晶を含む共振器型の固体レーザ光源に適用される。
図４０は、光学窓として機能するオプティカルコンタクト面を備える光学素子を概略的に示す斜視図である。図４１は、図４０に示される断面Ｆを概略的に示す。第７実施形態と同様の要素には、同様の符号が付される。また、これらの要素には、第７実施形態での説明が援用される。
光学素子６００Ｅは、第１光学部材６１０Ｅとして用いられるレーザ結晶と、第２光学部材６２０Ｅとして用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶と、を備える。第１光学部材６１０Ｅは、第２光学部材６２０Ｅにオプティカルコンタクトされる第１主面６１２Ｅと、第１主面６１２Ｅと反対側の入射端面６１３と、を含む。第２光学部材６２０Ｅは、第１主面６１２Ｅにオプティカルコンタクトされる第２主面６２２Ｅと、第２主面６２２Ｅと反対側の出射端面６２３と、を含む。第１主面６１２Ｅ及び第２主面６２２Ｅは、オプティカルコンタクト状態にされ、オプティカルコンタクト面６４０Ｅを形成する。
第２光学部材６２０Ｅには、ＭｇＯ：ＬＮ結晶の一部を切り欠いて形成された切欠部６２１が形成される。光学素子６００Ｅは、切欠部６２１に配設された封止部材６３０を更に備える。封止部材６３０は、オプティカルコンタクト面６４０Ｅの外縁を覆う。光学素子６００Ｅは、第７実施形態に関連して説明された加工プロセスにしたがって作成可能である。
本実施形態において、光学素子６００Ｅの入射端面６１３（第１光学素子（レーザ結晶）の第１主面６１２Ｅと反対側の端面）から波長８０８ｎｍの励起用レーザ光が入射される。その後、第１光学部材６１０Ｅとして用いられるレーザ結晶において励起された波長１０６４ｎｍのレーザ光は、オプティカルコンタクト面６４０Ｅを通じて、第２光学部材６２０Ｅに伝搬する。更にその後、波長１０６４ｎｍのレーザ光は、第２光学部材６２０Ｅとして用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶の出射端面６２３（第２光学部材６２０Ｅの第２主面６２２Ｅと反対側の端面）で反射される。更に、波長１０６４ｎｍのレーザ光は、第１光学部材６１０Ｅとして用いられるレーザ結晶の入射端面６１３で再度反射される。かくして、光学素子内で、共振モードの発振が生ずる。
上述の共振モードの発振が達成されるために、第１光学部材６１０Ｅとして用いられるレーザ結晶の入射端面６１３には、波長１０６４ｎｍのレーザ光に対する高反射特性（例えば、９９．８％以上の反射率）を示す誘電体多層膜といった反射膜が成膜される。また、第２光学部材６２０Ｅとして用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶の出射端面６２３にも、波長１０６４ｎｍのレーザ光に対する高反射特性（例えば、９９．８％以上の反射率）を示す誘電体多層膜といった反射膜が成膜される。
例えば、高出力の励起用半導体レーザといった光源からレーザ光が第１光学部材６１０Ｅとして用いられるレーザ結晶に入射される。この結果、第１光学部材６１０Ｅ内での光吸収及びエネルギ準位に応じた波長のレーザ光の放出が生ずる。例えば、レーザ結晶として、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶が用いられ、ポンプ光として波長８０８ｎｍの励起レーザ光が用いられると、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶からは波長１０６４ｎｍの光が放出される。この時、励起レーザとして半導体レーザを用いられるならば、ポンプ光ビームのプロファイル（横モード）は楕円状となる。また、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶の照射領域（即ち、レーザ励起領域の断面形状）も楕円形状となる。この結果、励起される１０６４ｎｍの波長の光の横モードも楕円形状となる。
第１光学部材６１０Ｅとして用いられるレーザ結晶内での８０８ｎｍ光から１０６４ｎｍ光への変換は、モード結合（モードカップリング、単にカップリングとも言う）により成立する。８０８ｎｍの波長の光と１０６４ｎｍの波長の光とのカップリングにおいて、例えば、８０８ｎｍの波長の光のシングルモードから１０６４ｎｍの波長の光のマルチモードへのカップリング効率が優位になるときに励起される１０６４ｎｍ光は、横モードマルチとなる。このことは、出力ビームの利用の点において様々な不都合を引き起こす。例えば、波長５３２ｎｍのＳＨＧを得るために、波長１０６４ｎｍのレーザ光が波長変換素子に入射されるならば、シングルモードに比べて、変換効率が大きく低下する。横モードマルチのビームは、ビーム品質の指標である所謂Ｍ２（エムスクウェア）が大きいので、集光特性が悪い。例えば、ＭＥＭＳデバイスを備える走査型のディスプレイ装置への利用は、制限されることになる。
このような共振器構成におけるビーム横モードのシングル化に関して、マルチモードに対する損失を与えるために、共振器内に光学窓（例えば、アパーチャ）を設けることが提案されている。しかしながら、小型の光学部材が組み合わされ、コンパクトな共振器が構成される場合には、例えば、光学部材間にアパーチャを挿入するための構造が必要とされる。したがって、部品点数の増大、アパーチャの挿入位置に関する制御の必要性やアパーチャの固定の不安定性といった様々な課題が生ずる。
上述の課題に関し、本実施形態において、光学素子のオプティカルコンタクト面の形状及び大きさの制御を通じ、光学素子内を通過するレーザ光の横モードが制御される。上述の如く、本実施形態では、オプティカルコンタクトされた光学部材を用いて共振器が形成されること並びにオプティカルコンタクト面が光学窓として用いられることによって、構成部品数の削減並びに共振器構成の安定性が得られるだけでなく、光学窓の位置調整が不要となる。
上述の光学窓の形状及び大きさは、例えば、フォトリソグラフィやドライエッチングプロセスといった加工手法により、サブミクロン単位の精度で制御される。
本発明者は、図４０及び図４１に関連して説明された光学素子６００Ｅに、波長８０８ｎｍの励起レーザ光を実際に入射し、オプティカルコンタクト面６４０Ｅにおける１０６４ｎｍレーザ光のビームスポットを観察した。尚、オプティカルコンタクト面６４０Ｅは、集光位置とされた。また、集光位置でのビーム横モードの最大径が１００μｍ程度となるように励起レーザ光は調整された。
図４２Ａ及び図４２Ｂは、オプティカルコンタクト面６４０Ｅにおいて観察されたビームスポットの像を示す。図４２Ａは、直径φ１ｍｍのオプティカルコンタクト面６４０Ｅ上で観察されたビームスポットの像を示す。図４２Ｂは、直径φ３００μｍのオプティカルコンタクト面６４０Ｅ上で観察されたビームスポットの像を示す。
光学窓として機能しない大面積（φ１ｍｍ程度）のオプティカルコンタクト面６４０Ｅを有する光学素子６００Ｅに対するビームスポットの観察結果によれば、オプティカルコンタクト面６４０ＥにおけるビームのＭ２は、単軸方向で１．３９であり、長軸方向で２．３であった。本発明者は、オプティカルコンタクト面６４０Ｅの面積が異なる光学素子６００Ｅを用いて、オプティカルコンタクト面６４０Ｅの光学窓としての作用を確認した。この結果、φ４００μｍのオプティカルコンタクト面６４０Ｅで観察されたビームのＭ２は、それぞれ単軸方向において１．０７であり、長軸方向において１．５８であり、大幅に改善された。更に、φ３００μｍのオプティカルコンタクト面６４０Ｅで観察されたビームのＭ２は、それぞれ単軸方向において１．０１であり、長軸方向において１．０４であった。したがって、φ３００μｍのオプティカルコンタクト面６４０Ｅ上で、略真円に近いビーム形状が観察された。本発明者は、更に、φ２５０μｍ以下のオプティカルコンタクト面６４０Ｅを有する光学素子６００Ｅを用いた観察を行った。この観察の結果、本発明者は、φ２５０μｍ以下のオプティカルコンタクト面６４０Ｅでは、ビームの多くが光学窓によってはじかれ、実質的に１０６４ｎｍ光の励起効率が極端に低下することを確認した。したがって、オプティカルコンタクト面６４０Ｅの大きさは、オプティカルコンタクト面６４０Ｅにおけるビーム径の約３〜４倍程度に設定されることが好ましい。
（第１２実施形態）
図４３及び図４４は、テーパ形状の光学部材を備える光学素子を示す。光学素子は、共振器として用いられ、第１１実施形態と同様に、光学素子のオプティカルコンタクト面は、光学窓として機能する。
図４３は、光学素子の概略的な斜視図である。図４４は、図４３中に示される断面Ｇを概略的に示す。図４３及び図４４を用いて、光学素子が説明される。第１１実施形態と同様の要素には、同様の符号が付される。また、これらの要素には、第１１実施形態での説明が援用される。
光学素子６００Ｆは、第１光学部材６１０Ｆとして用いられるレーザ結晶と、第２光学部材６２０Ｆとして用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶と、を備える。第１光学部材６１０Ｆは、第２光学部材６２０Ｆにオプティカルコンタクトされる第１主面６１２Ｆと、第１主面６１２Ｆと反対側の入射端面６１３と、を含む。第２光学部材６２０Ｆは、第１主面６１２Ｆにオプティカルコンタクトされる第２主面６２２Ｆと、第２主面６２２Ｆと反対側の出射端面６２３と、を含む。第１主面６１２Ｆ及び第２主面６２２Ｆは、オプティカルコンタクトされ、オプティカルコンタクト面６４０Ｆを形成する。第２主面６２２Ｆは、第１主面６１２Ｆよりも広い。したがって、第１光学部材６１０Ｆの周壁（入射端面６１３と第１主面６１２Ｆとの間で延びる傾斜した壁部）と第２主面６２２Ｆとの間で角隅部が形成される。光学素子６００Ｆは、角隅部に配設された封止部材６３０Ｆを更に備える。封止部材６３０Ｆは、第１主面６１２Ｆと第２主面６２２Ｆとにより形成されたオプティカルコンタクト面６４０Ｆの外縁を封止する。
第１光学部材６１０Ｆとして用いられるレーザ結晶には、形状加工が施与され、切欠部６２１Ｆが形成される。入射端面６１３から第１主面６１２Ｆに亘って行われる形状加工を通じて、第１光学部材６１０Ｆは、テーパ形状に形成され、第２光学部材６２０Ｆに向けて徐々に狭まっている。したがって、入射端面６１３から入射した光の光軸に対して略垂直な第１光学部材６１０Ｆの断面は、光軸に沿って変化する。テーパ状に形成された第１光学部材６１０Ｆに対して、第２光学部材６２０Ｆは、略直方体である。第２光学部材６２０Ｆとして用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶の第２主面６２２Ｆは、第１光学部材６１０Ｆとして用いられるレーザ結晶の第１主面６１２Ｆよりも広い。第１光学部材６１０Ｆとして用いられるレーザ結晶の第１主面６１２Ｆ及びテーパ状に形成されたレーザ結晶の周壁の形状及び大きさは、第１主面６１２Ｆ及び周壁がレーザ光に対する光学窓として実質的に機能するように制御される。テーパ形状加工において設定されるテーパ角度（即ち、第１光学部材６１０Ｆとして用いられる光伝搬方向の長さ、第１主面６１２Ｆの断面形状及び入射端面６１３の断面形状によって決定される第１光学部材６１０Ｆの周壁面それぞれの傾斜角度）は、使用されるレーザ光波長や光学部材の特性や光学素子６００Ｆへのビームの入射条件といった光学的な条件に応じて適切に設定される。
第１光学部材６１０Ｆに対するテーパ加工は、ダイシング、研磨やエッチングといった様々な加工プロセスにより行われてもよい。尚、テーパ形状に加工された面の状態（例えば、面粗さ）は、使用される光ビームに対する損失を増減させるので、テーパ形状に加工された面の状態が適切に制御され、不要な横モードが効率的に除去されてもよい。図４４に示される光学素子６００Ｆのオプティカルコンタクト面６４０Ｆの形状及び大きさが適切に制御され、光学素子６００Ｆ内を通過するレーザ光の横モード制御が達成される。光学部材（第１光学部材６１０Ｆ，第２光学部材６２０Ｆ）がオプティカルコンタクト状態にされ共振器が構成され、且つ、オプティカルコンタクト面６４０Ｆが光学窓として用いられるので、構成部品数が削減されるとともに共振器構成の安定性が得られる。更に、光学窓の位置調整はほとんど必要とされない。
（第１３実施形態）
本実施形態では、第７実施形態に関連して説明された光学素子の作成に係る量産性並びに光学素子の実装に関する有利な特徴が説明される。
第７実施形態に関連して説明されたように、光学素子の作成時において、小片化された光学部材が用意される。光学部材に切欠加工が施された後、親水性処理とオプティカルコンタクト面の形成（第１主面と第２主面との貼り合わせ）が行われる。その後、封止部材の塗布並びに硬化がなされる。このような小片の光学部材のオプティカルコンタクトの工程における不利な点が以下に示される。
（１）オプティカルコンタクト組立体を作成するときの吸着状態の形成の容易性は、接合面の面積に依存する。大きいオプティカルコンタクト面を有するオプティカルコンタクト組立体は、比較的小さな加圧力で容易にオプティカルコンタクト面全体に亘る吸着状態が形成される一方で、オプティカルコンタクト面の面積が小さくなるにつれて、吸着状態を形成するために必要とされる加圧力は大きくなる。
（２）オプティカルコンタクトされる光学部材の表面間に数ミクロン程度の大きさの異物が存在するならば、吸着状態が形成されにくい。したがって、オプティカルコンタクトされる光学部材の表面の十分な洗浄・クリーニングが必要とされる。
上述の不都合な傾向は、特に、２ｍｍ×２ｍｍ以下の面積のオプティカルコンタクト面を有する小片の光学部材を用いてオプティカルコンタクト組立体が形成されるときに顕著となる。
本発明者は、上述の課題を解決するために、大面積のオプティカルコンタクト面を有する光学部材をオプティカルコンタクトした後、微少な面積のオプティカルコンタクト面を有する光学素子を容易に形成する方法について研究した。本発明者は、以下に示される工程を経て、上述の第７実施形態及び第１１実施形態に関連して説明された光学素子を作成した。以下に、本発明者が用いた工程が説明される。
（１）オプティカルコンタクト状態にされる光学部材の大面積の主面に対し、ダイシング加工やドライエッチングといった加工技術を用いて、溝構造（幅：Ｗ１）が形成される。このとき、溝構造の少なくとも一部は、光学部材の主面の外縁まで到達するように、ダイシング加工やドライエッチングが行われる。
（２）溝形成された光学部材の主面に対して、親水性処理が行われる。その後、溝形成された光学部材の主面は、他の光学部材とオプティカルコンタクトされ（光学部材間での吸着状態が形成され）、オプティカルコンタクト面が形成される。
（３）上述の溝構造によって光学部材間に形成されたギャップ（空隙）に封止部材が充填される。封止部材は、その後、硬化される。
（４）上述の溝幅Ｗ１より小さなブレード幅Ｗ２のダイシングブレードといった工具を用いて、封止部材が小片化され、光学素子が形成される。尚、封止部材の一部は、オプティカルコンタクト面の外縁を覆った状態を保っている。
上述の光学素子の作成工程と、第７実施形態及び第１１実施形態に関連して説明された光学素子の構造（即ち、オプティカルコンタクト面の外縁に隣接して凹部又は切欠部が形成され、当該凹部又は切欠部に配設された封止部材がオプティカルコンタクト面の外縁を覆う構造）と、を用いて、小片化された光学部材を備えるオプティカルコンタクト組立体の作成に係る課題が好適に解決される。
図４５Ａ乃至図４５Ｅは、光学素子を作成するための工程を概略的に示す。図４５Ａ乃至図４５Ｅに示される工程を通じて、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶（レーザ結晶）及びＭｇＯ：ＬＮ結晶（非線形光学結晶）が、オプティカルコンタクト状態にされ、光学素子が形成される。
図４５Ａは、第１光学部材に溝を形成する工程を概略的に示す。図４５Ｂは、溝形成後の第１光学部材（図４５Ａの工程を経た第１光学部材）と第２光学部材とをオプティカルコンタクトする（貼り合わせる）工程を概略的に示す。図４５Ｃは、吸着状態にあるオプティカルコンタクト組立体の溝形成部分（空隙）に封止部材を充填並びに硬化する工程を概略的に示す。図４５Ｄは、封止部材が充填された溝形成部分に沿って、ダイシングを用いて、光学素子を切り出すための工程を概略的に示す。図４５Ｅは、小片化された光学素子の斜視図である。
図４５Ａは、第１光学部材８１０として用いられるレーザ結晶９１０（Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶）と、レーザ結晶９１０の表面に形成された溝構造９２１を示す。尚、溝構造９２１が形成されたレーザ結晶９１０の表面は、第１主面８１２として、オプティカルコンタクト面８４０の形成に用いられる。また、第１主面８１２と反対側のレーザ結晶９１０の表面は入射端面８１３として用いられる。
図４５Ｂは、溝構造９２１が形成されたレーザ結晶９１０に加えて、第２光学部材８２０として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０を示す。図４５Ｂにおいて、レーザ結晶９１０の第１主面８１２と対向するＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０の表面は、第２主面８２２として用いられる。第２主面８２２と反対側のＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０の表面は、出射端面８２３として用いられる。第１主面８１２及び第２主面８２２はオプティカルコンタクト状態にされ、図４５Ｅに示されるオプティカルコンタクト面８４０が形成される。
図４５Ｃは、溝構造９２１が形成されたレーザ結晶９１０及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０に加えて、溝構造９２１とＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０の第２主面８２２とによって形成された空隙に充填並びに硬化された封止部材８３０を示す。以下に、詳細な作成プロセス並びに作成プロセスの特徴が説明される。
図４５Ａに示される如く、厚さ２ｍｍ、面積１２ｍｍ×１２ｍｍ、ａ−軸カットのレーザ結晶９１０が用意される。レーザ結晶９１０の主面（上面及び下面）は、鏡面研磨されている。レーザ結晶９１０の主面（上面及び下面）のうち一方の面は、オプティカルコンタクトされる第１主面８１２として用いられる。他方の面は、入射端面８１３として用いられる。第１主面８１２として用いられるレーザ結晶９１０の第１主面８１２に対し、ダイシングを用いて、溝構造９２１が形成される。溝構造９２１の形成に、例えば、３００ミクロン程度のダイシングブレード幅を有するダイシングが用いられてもよい。溝構造９２１中の溝のピッチは、例えば、１．２ｍｍに設定されてもよい。また、溝の幅は、４００〜７００ミクロン程度であってもよい。溝の深さは、３０ミクロン程度であってもよい。このような溝構造９２１の形成によって、図４５Ｅに示される小片化された光学素子８００のオプティカルコンタクト面８４０は、５００ミクロン×５００ミクロン程度〜８００ミクロン×８００ミクロン程度の矩形となる。また、図４５Ｅに示される光学素子８００の外形断面寸法は約１ｍｍ×１ｍｍ程度となる。
溝構造９２１が形成されたレーザ結晶９１０に対して、十分な有機洗浄が行われ、溝構造９２１の加工に用いられた樹脂接着剤や他の汚れ成分が除去される。その後、レーザ結晶９１０及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０の基板（厚さ０．５ｍｍ、面積１２ｍｍ×１２ｍｍ、Ｘカット板）に対して、親水性処理が行われる。親水性処理は、第７実施形態に関連して説明された処理と同様である。
図４５Ｂに示される如く、溝構造９２１が形成されたレーザ結晶９１０の第１主面８１２及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０のオプティカルコンタクトすべき主面（即ち、第２主面８２２）が、オプティカルコンタクトされる。レーザ結晶９１０の第１主面８１２とＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０の第２主面８２２との貼り合わせの間、レーザ結晶９１０の結晶軸（Ｃ軸）及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０の結晶軸が平行となるように、レーザ結晶９１０の基板及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０の基板の方向が調整される。
レーザ結晶９１０に形成された溝構造９２１によって区画されたオプティカルコンタクト面８４０の面積は、５００μｍ×５００μｍ程度〜８００μｍ×８００μｍ程度であり、非常に小さいが、貼り合わせ基板（レーザ結晶９１０及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０）全体の面積は、１２ｍｍ×１２ｍｍであり、第１主面８１２と第２主面８２２との吸着（オプティカルコンタクト状態）は比較的容易に達成される。本発明者は、上述の貼り合わせ工程を通じて、吸着状態の形成の容易性は、個々の区画されたオプティカルコンタクト面の面積にのみ依存するのではなく、オプティカルコンタクト組立体の形成に用いられる光学部材（レーザ結晶９１０及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０）全体の面積にも依存することを確認した。オプティカルコンタクト組立体の形成に用いられる光学部材（レーザ結晶９１０及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０）全体の面積が大きくなると、比較的容易に吸着状態が形成されるという傾向は、本発明者によって、初めて明らかにした特徴である。
図４６は、上述の工程を経て得られたオプティカルコンタクト組立体の実態顕微鏡画像を示す。図４６の画像は、出射端面８２３として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０の表面側からオプティカルコンタクト面８４０を撮像した写真である。図４６のセクション（ａ）に示されるオプティカルコンタクト面８４０は、５００μｍ×５００μｍの寸法を有する。図４６のセクション（ｂ）に示されるオプティカルコンタクト面８４０は、８００μｍ×８００μｍの寸法を有する。
図４６中、明るい矩形部分は、レーザ結晶９１０とＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０とによって形成されたオプティカルコンタクト面８４０を表す。図４６中、暗い格子形状部分は、溝構造９２１及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０によって形成された空隙を表す。
オプティカルコンタクト面８４０における虹色の干渉縞は、オプティカルコンタクト面８４０における吸着状態の形成不良を意味するが、図４６において、オプティカルコンタクト面８４０での干渉縞は観察されない。したがって、上述の工程を経て、良好な吸着状態がオプティカルコンタクト面８４０で形成されていることが分かる。
オプティカルコンタクト面８４０における良好な吸着状態の形成の後、溝構造９２１及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０によって形成された空隙に、封止部材８３０として、紫外線硬化樹脂が充填され、その後、硬化される。本実施形態において、様々な種類の紫外線硬化樹脂が適用可能である。本発明者は、ｅｐｏｔｅｋ社製の低粘度のＯＧ１４６（４０ｃｐ）と、ケミテック社製の比較的高粘度のＵ１５４１Ｋ（６００００ｃｐ）を使用した。
粘度の差異は、充填速度の差異に帰結するけれども、両樹脂材料ともに、溝構造９２１とＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０とにより形成された空隙に適切に充填された。また、両樹脂材料ともに、〜２０００ｍＪ／ｃｍ２程度の紫外線照射量で硬化された。本発明者は、両樹脂材料に対して、樹脂が硬化するときの収縮に起因する充填不良を観察しなかった。
樹脂の充填・硬化の後、図４５Ｄに示されるダイシング加工を通じて、オプティカルコンタクト組立体が小片化される。小片化の差異に用いられるダイシングのブレード幅は、封止部材８３０が充填された溝構造９２１の幅（４００〜７００μｍ）よりも薄い。本発明者は、オプティカルコンタクト組立体を小片化するために、１５０ミクロン幅のダイシングブレード幅を使用した。
オプティカルコンタクト組立体が小片化されると、図４５Ｅに示される光学素子８００が形成される。空隙に充填された封止部材８３０は、小片化後も、オプティカルコンタクト面８４０の外縁を覆っている。ダイシング加工時のブレード幅を含めた切除幅は、１８０ミクロン程度であるので、オプティカルコンタクト面８４０の外縁からダイシング部分までの幅（形成された溝構造９２１の幅に応じて、約１００〜約５００ミクロン程度の幅）の領域に封止部材８３０は残存する。
図４７は、上述のダイシング加工を通じて小片化されたオプティカルコンタクト組立体の実態顕微鏡による観察像を示す。
図４７に示される観察像によれば、ダイシング加工の間において、封止部材８３０が充填された領域及びオプティカルコンタクト面８４０への水の浸入やダイシングブレードからオプティカルコンタクト組立体に加わる機械的ストレスに起因するオプティカルコンタクト面８４０の剥離は観察されない。したがって、図４７の観察像から、最終的に、約１ｍｍ×１ｍｍ入出射面と２．５ｍｍの長さとを有する小片化された光学素子８００が好適に形成されたことが分かる。
上述の如く、本実施形態に従う加工工程を通じて、小片化されたオプティカルコンタクト組立体の形成における課題（即ち、オプティカルコンタクト時の吸着状態の形成の容易性の確保に関する課題）は、適切に解決される。また、充填された紫外線硬化樹脂（封止部材８３０）は、オプティカルコンタクト面８４０への水やガスの浸入を抑制する。更に、充填された紫外線硬化樹脂（封止部材８３０）は、オプティカルコンタクト組立体の接合強度を増大させるので、ダイシング加工時の機械的ストレスに対するオプティカルコンタクト組立体の耐性を増大する。かくして、小片化されたオプティカルコンタクト組立体の形成工程において、実用的な効果も得られる。
本実施形態の加工工程は、第７実施形態及び／又は第１１実施形態に示される構造の光学素子に専ら適用可能である。第７実施形態及び／又は第１１実施形態に示される構造の光学素子は、本実施形態の加工工程を通じて、容易且つ効率的に作成される。
本実施形態において、光学素子８００を形成するために、レーザ結晶９１０にのみ溝構造９２１が形成されている。代替的に、ＭｇＯ：ＬＮ結晶にのみ溝構造が形成されてもよい。或いは、光学素子８００を構成する２つの光学部材の両方に溝構造が形成されてもよい。いずれの場合も、上述の同様の効果が得られる。
本実施形態において、封止部材８３０として、紫外線硬化樹脂が用いられる。代替的に、封止部材として熱硬化性の樹脂が用いられてもよい。熱硬化性樹脂が用いられても、同様の効果が得られる。尚、熱溶融性ワックスといった、加熱しながらの充填が要求される樹脂は、本実施形態の加工工程には不向きである。加熱しながらの充填が要求される樹脂が封止部材として用いられるならば、オプティカルコンタクトされる光学部材間の熱膨張の差異による反りは吸着状態の劣化が生ずる可能性がある。
第７実施形態に関連して説明された珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）又はゲル化された珪酸ナトリウムを含むケイ酸が封止部材として用いられてもよい。高濃度の珪酸ナトリウム水溶液は、水に溶かされ、適切な粘度に調整される。その後、珪酸ナトリウム水溶液は、上述の紫外線硬化樹脂と同様に、オプティカルコンタクト組立体の外縁に面した空隙部の開口部から充填される。更にその後、ピペットを用いて、希塩酸が上述の開口部周辺に適量加えられる。この結果、充填部（空隙部）の珪酸ナトリウムが硬化（ゲル化）したケイ酸が生成される。ゲル化によって、光学部材同士が、強固に接着固定される。この結果、オプティカルコンタクト組立体の耐加工性や耐熱変動性が向上する。また、生成されたケイ酸は、樹脂系の封止部材よりも硬度を有する非晶質体（ガラスと似た特性）となるので、例えば、ダイシング加工の際にダイシングブレードの目詰まりを発生させることが少ない。したがって、光学部材に用いられたものと同一のブレードを用いて、切断加工が行われてもよい。
（第１４実施形態）
本実施形態において、上述の第１実施形態乃至第１３実施形態に関連して説明された光学素子又は波長変換レーザ光源を用いた画像表示装置が説明される。
図４８は、レーザ光を光源とするレーザプロジェクタ（２次元変調素子として強誘電体ＬＣＯＳを用いたレーザプロジェクタ）を示す。本実施形態において、レーザプロジェクタは、画像表示装置として例示される。
レーザプロジェクタ１０００は、青色レーザ光源１１００ｂ、赤色レーザ光源１１００ｒ及び緑色レーザ光源１１００ｇを備える。レーザプロジェクタ１０００は、青色レーザ光源１１００ｂ、赤色レーザ光源１１００ｒ及び緑色レーザ光源１１００ｇそれぞれに対応するコリメートレンズ１１１０ｂ、１１１０ｒ及び１１１０ｇを更に備える。青色レーザ光源１１００ｂ、赤色レーザ光源１１００ｒ及び緑色レーザ光源１１００ｇから発せられたレーザ光は、コリメートレンズ１１１０ｂ、１１１０ｒ及び１１１０ｇによってそれぞれ平行光にコリメートされる。本実施形態において、青色レーザ光源１１００ｂ、赤色レーザ光源１１００ｒ及び／又は緑色レーザ光源１１００ｇは、上述の一連の実施形態に示された光学素子を備えるレーザ光源及び／又は上述の一連の実施形態に示された波長変換レーザ光源であってもよい。
レーザプロジェクタ１０００は、コリメートレンズ１１１０ｂ、１１１０ｒ及び１１１０ｇによってコリメートされたレーザ光をそれぞれ反射するミラー１１２０ｂ、１１２０ｒ及び１１２０ｇを更に備える。ミラー１１２０ｂ、１１２０ｒ及び１１２０ｇはそれぞれ、青（波長４００−４６０ｎｍ）、赤（波長６００ｎｍ以上）及び緑（波長５２０−５６０ｎｍ）領域に反射特性を持つ誘電体多層ミラーである。ミラー１１２０ｇの直後で、青色レーザ光源１１００ｂ、赤色レーザ光源１１００ｒ及び緑色レーザ光源１１００ｇのビームパスは同軸となるように、コリメートレンズ１１１０ｂ、１１１０ｒ及び１１１０ｇ及びミラー１１２０ｂ、１１２０ｒ及び１１２０ｇが調整される。
レーザプロジェクタ１０００は、ビームをスキャンするスキャンミラー１１３０を更に備える。図４８において、スキャンミラー１１３０は、ミラー１１２０ｂ、１１２０ｒ及び１１２０ｇからのレーザ光を右方向に屈折させ、スキャンしている。
レーザプロジェクタ１０００は、ビームを線状の輝線に整形するレンズ１１４０を更に備える。レンズ１１４０として、シリンドリカルレンズが用いられてもよい。
レーザプロジェクタ１０００は、レンズ１１５０，１１６０及びレンズ１１５０，１１６０の間に配置された拡散板１１７０を更に備える。レンズ１１５０，１１６０は、一対のリレーレンズ・フィールドレンズである。拡散板１１７０は、レンズ１１４０（シリンドリカルレンズ）によって輝線に整形されたビームを、更に帯状にする。
レーザプロジェクタ１０００は、偏光ビームスプリッタとして用いられるプリズム１１８０と、強誘電体液晶表示デバイス（ＬＣＯＳ１１９０）と、を更に備える。光の偏光方向の回転を通じて、ＬＣＯＳ１１９０のＯＮ・ＯＦＦ制御がなされる。したがって、プリズム１１８０は、偏光ビームスプリッタとして機能する。
ビームは、スキャンミラー１１３０の前で合波される。その後、スキャンミラー１１３０によって光路を振られたビームは、Ｓ偏光でプリズム１１８０に入射される。プリズム１１８０内の反射膜は、Ｓ偏光で反射するように設計されている。したがって、Ｓ偏光の光は、ＬＣＯＳ１１９０を照明する。
レーザプロジェクタ１０００は、投射レンズ１２００と、スクリーン１２１０と、を更に備える。ＬＣＯＳ１１９０によって反射された光は、投射レンズ１２００を通じて、スクリーン１２１０に投影される。
レーザプロジェクタ１０００は、コントローラ１２２０を備える。コントローラ１２２０は、ＬＣＯＳ１１９０を駆動するための第１駆動回路１２２１と、レーザ光源（青色レーザ光源１１００ｂ、赤色レーザ光源１１００ｒ及び緑色レーザ光源１１００ｇ）及びスキャンミラー１１３０を駆動するための第２駆動回路１２２２と、レーザ電流源１２２３と、を備える。本実施形態において、第２駆動回路１２２２は、レーザ駆動回路として例示される。
ビデオ信号１２２４は、第１駆動回路１２２１に入力される。第１駆動回路１２２１は、その後、ＬＣＯＳ１１９０を駆動するためのＬＣＯＳ駆動信号１２２５を生成する。ＬＣＯＳ駆動信号１２２５の１つとして生成されるＶ−ＳＹＮＣ信号１２２６は、トリガ信号として、第２駆動回路１２２２へ出力される。
第２駆動回路１２２２は、その後、Ｖ−ＳＹＮＣ信号１２２６に基づき、発光トリガ１２２７を生成並びに出力する。発光トリガ１２２７は、スキャンミラー１１３０の駆動波形と、レーザ光源（青色レーザ光源１１００ｂ、赤色レーザ光源１１００ｒ及び緑色レーザ光源１１００ｇ）の発光タイミングとを表す。発光トリガ１２２７は、レーザ電流源１２２３へ入力される。レーザ電流源１２２３は、発光トリガ１２２７に基づき、レーザ光源（青色レーザ光源１１００ｂ、赤色レーザ光源１１００ｒ及び緑色レーザ光源１１００ｇ）に電流を供給する。
上述の一連の動作及び制御を通じて、スクリーン１２１０上に画像が表示される。
（第１５実施形態）
本実施形態において、上述の第１実施形態乃至第１３実施形態に関連して説明された光学素子又は波長変換レーザ光源を用いた画像表示装置が説明される。
図４９は、レーザ光を用いたヘッドアップディスプレイ装置を概略的に示す。本実施形態において、ヘッドアップディスプレイ装置は、画像表示装置として例示される。
ヘッドアップディスプレイ装置２０００は、青色レーザ光源２１００ｂ、赤色レーザ光源２１００ｒ及び緑色レーザ光源２１００ｇを備える。ヘッドアップディスプレイ装置２０００は、小型液晶パネル或いはデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）といった２次元変調素子２１１０と、投射レンズ２１２０と、中間スクリーン２１３０と、折り返しミラー２１４０と、これらの要素を制御するためのコントローラ２１５０と、を更に備える。
青色レーザ光源２１００ｂ、赤色レーザ光源２１００ｒ及び緑色レーザ光源２１００ｇから発せられたレーザ光は、光学系（図示せず）を介して、合波・成型され、その後、２次元変調素子２１１０を照明する。２次元変調素子２１１０で変調された光は、投射レンズ２１２０を介して、中間スクリーン２１３０に投影される。この結果、中間スクリーン２１３０上で、描画がなされる。
ヘッドアップディスプレイ装置２０００は、画像データが入力される入力ポート２１６０を更に備える。ヘッドアップディスプレイ装置２０００を用いて表示される画像のデータは、入力ポート２１６０から電気信号として入力される。コントローラ２１５０は、画像データの信号を２次元変調素子２１１０の駆動信号に変換する。また、コントローラ２１５０は、画像データの信号に基づき、青色レーザ光源２１００ｂ、赤色レーザ光源２１００ｒ及び緑色レーザ光源２１００ｇの点灯タイミングを規定するタイミング信号を生成する。
コントローラ２１５０は、タイミング信号に連動して、青色レーザ光源２１００ｂ、赤色レーザ光源２１００ｒ及び緑色レーザ光源２１００ｇに必要な電流を供給し、青色レーザ光源２１００ｂ、赤色レーザ光源２１００ｒ及び緑色レーザ光源２１００ｇを点灯させる。
上述の如く、中間スクリーン２１３０に描画された画像を表す表示光２１７０は、折り返しミラー２１４０によって、車両のフロントガラス２１８０上に取り付けられた反射ミラー２１９０に向けて反射される。反射ミラー２１９０は、更に、表示光２１７０をドライバ２２００に向けて反射する。
この結果、フロントガラス２１８０越しに表示光２１７０により表された画像の虚像２２１０（図４９中、点線で表される領域）を視認することができる。
上述の一連の動作及び制御を通じて、ヘッドアップディスプレイ装置２０００はドライバ２２００に画像を提供することができる。
第１４実施形態及び第１５実施形態に関連して説明された画像表示装置において、例えば、緑色レーザ光源１１００ｇ，２１００ｇに、上述の第１実施形態乃至第１３実施形態に関連して説明された光学素子及び／又は光学素子を備える波長変換レーザ光源の原理が適用されてもよい。この結果、光源は、幅広い温度範囲で長期間安定した出力を達成することができる。かくして、画像表示装置は、幅広い温度範囲で安定した輝度を保つことができる。
上述された実施形態は、以下の構成を主に備える。
上述の実施形態の一局面に係る波長変換レーザ光源は、基本波光を発生するための固体レーザ媒質と、前記基本波光を、前記基本波光よりも高い周波数の第２高調波光へ変換する波長変換素子と、該波長変換素子に接する導電性材料と、を備え、該波長変換素子は、複数の分極反転領域が形成された分極反転構造と、前記分極反転領域と垂直に交わる第１側面と、を含み、前記導電性材料は、前記第１側面に接することを特徴とする。
上記構成によれば、固体レーザ媒質は、基本波光を発生する。波長変換素子は、基本波光よりも高い周波数の第２高調波光へ変換する。波長変換素子は、複数の分極反転領域が形成された分極反転構造と、分極反転領域と垂直に交わる第１側面と、を含む。導電性材料は、第１側面に接するので、長時間に亘って波長変換レーザ光源の出力が維持される。
上記構成において、前記分極反転構造は、前記第１側面に露出し、前記導電性材料は、前記第１側面に露出した前記分極反転構造に直接的に接することが好ましい。
上記構成によれば、導電性材料は、第１側面に露出した分極反転構造に直接的に接するので、長時間に亘って波長変換レーザ光源の出力が維持される。
上記構成において、前記波長変換素子及び前記固体レーザ媒質は、オプティカルコンタクトされ、第１光学素子を形成し、前記固体レーザ媒質は、前記第１側面と連続する第２側面を含み、該第２側面は、前記導電性材料に接することが好ましい。
上記構成によれば、波長変換素子及び固体レーザ媒質は、オプティカルコンタクトされ、第１光学素子を形成する。固体レーザ媒質は、第１側面と連続する第２側面を含む。第２側面は、導電性材料に接するので、導電性材料は、固体レーザ媒質から放熱する。したがって、長時間に亘って波長変換レーザ光源の出力が維持される。
上記構成において、前記固体レーザ媒質が発するレーザ光の横モードを維持する第２光学素子を更に備え、前記第１光学素子及び前記第２光学素子は、オプティカルコンタクトされ、前記第２光学素子は、前記レーザ光が出射される出射部を含み、該出射部は、球面凸レンズ形状に形成されることが好ましい。
上記構成によれば、第１光学素子及び第２光学素子は、オプティカルコンタクトされる。第２光学素子は、レーザ光が出射される出射部を含む。出射部は、球面凸レンズ形状に形成され、固体レーザ媒質が発するレーザ光の横モードを維持することができる。
上記構成において、前記第２光学素子は、前記固体レーザ媒質の端面に接合されることが好ましい。
上記構成によれば、第２光学素子は、固体レーザ媒質の端面に接合されるので、波長変換効率が向上する。
上記構成において、前記第１側面は、前記波長変換素子の分極方向と平行であり、且つ、前記波長変換素子の結晶軸と交わる第１短絡面及び第２短絡面を含み、該第１短絡面及び前記第２短絡面は、互いに電気的に短絡されることが好ましい。
上記構成によれば、第１側面は、波長変換素子の分極方向と平行であり、且つ、波長変換素子の結晶軸と交わる第１短絡面及び第２短絡面を含む。第１短絡面及び第２短絡面は、互いに電気的に短絡されるので、波長変換素子内で発生したチャージが適切にキャンセルされる。したがって、長時間に亘って波長変換レーザ光源の出力が維持される。
上記構成において、前記導電性材料の抵抗率は、１０×１０−５Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。
上記構成によれば、導電性材料の抵抗率は、１０×１０−５Ω・ｃｍ以下であるので、長時間に亘って波長変換レーザ光源の出力が維持される。
上記構成において、前記固体レーザ媒質は、前記波長変換素子にオプティカルコンタクト状態となっている接合面と、該接合面と反対側の対向面と、を含み、前記接合面の面積は、前記対向面の面積よりも大きいことが好ましい。
上記構成によれば、固体レーザ媒質は、波長変換素子にオプティカルコンタクト状態となっている接合面と、接合面と反対側の対向面と、を含む。接合面の面積は、対向面の面積よりも大きいので、固体レーザ媒質と波長変換素子との間の接合力は強くなる。また、対向面周囲における放熱が促されるので、長時間に亘って波長変換レーザ光源の出力が維持される。
上記構成において、前記固体レーザ媒質と前記波長変換素子との間の接合部を封止する封止部材を更に備え、前記固体レーザ媒質は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第１主面を含み、前記波長変換素子は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第２主面を含み、前記接合部は、前記第１主面及び前記第２主面が水素結合を介してオプティカルコンタクト状態にされたオプティカルコンタクト面を含み、該オプティカルコンタクト面は、前記レーザ光の透過を許容し、前記固体レーザ媒質及び前記波長変換素子のうち少なくとも一方には、前記オプティカルコンタクト面の外縁に隣接する凹部又は切欠部が形成され、前記凹部又は前記切欠部に配設された前記封止部材は、前記オプティカルコンタクト面の前記外縁を覆うことが好ましい。
上記構成によれば、封止部材は、固体レーザ媒質と波長変換素子との間の接合部を封止する。固体レーザ媒質は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第１主面を含む。波長変換素子は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第２主面を含む。接合部は、第１主面及び第２主面が水素結合を介してオプティカルコンタクト状態にされたオプティカルコンタクト面を含む。オプティカルコンタクト面は、レーザ光の透過を許容する。固体レーザ媒質及び波長変換素子のうち少なくとも一方には、オプティカルコンタクト面の外縁に隣接する凹部又は切欠部が形成される。凹部又は切欠部は、オプティカルコンタクト面の面積を不必要に増大させないので、第１主面と第２主面との間のオプティカルコンタクトが比較的容易に達成される。凹部又は切欠部に配設された封止部材は、オプティカルコンタクト面の前記外縁を覆うので、オプティカルコンタクト面と外気との接触が適切に防止される。したがって、第１主面と第２主面との接合強度が長期間に亘って適切に維持される。
上述の実施形態の他の局面に係る光学素子は、基本波光を発生するための固体レーザ媒質と、前記基本波光を、前記基本波光よりも高い周波数の第２高調波光へ変換する波長変換素子と、を備え、前記固体レーザ媒質は、前記波長変換素子にオプティカルコンタクト状態となっている接合面と、該接合面と反対側の対向面と、を含み、前記接合面の面積Ｓ１は、前記対向面の面積Ｓ２よりも大きいことを特徴とする。
上記構成によれば、固体レーザ媒質は、基本波光を発生する。波長変換素子は、基本波光よりも高い周波数の第２高調波光へ変換する。固体レーザ媒質は、波長変換素子にオプティカルコンタクト状態となっている接合面と、接合面と反対側の対向面と、を含む。接合面の面積Ｓ１は、対向面の面積Ｓ２よりも大きいので、固体レーザ媒質と波長変換素子との間の接合力は強くなる。また、対向面周囲における放熱が促されるので、長時間に亘って光学素子からの出力が維持される。
上記構成において、前記接合面の前記面積Ｓ１と前記対向面の面積Ｓ２との関係は、０．７５×Ｓ１＞Ｓ２の不等式で表されることが好ましい。
上記構成によれば、接合面の面積Ｓ１と対向面の面積Ｓ２との関係は、０．７５×Ｓ１＞Ｓ２の不等式で表されるので、対向面周囲における放熱が適切に行われる。
上記構成において、前記接合面の外縁を覆う封止部材を更に備え、該封止部材は、前記接合面の外気との接触を防止することが好ましい。
上記構成によれば、接合面の外縁を覆う封止部材は、接合面の外気との接触を防止するので、固体レーザ媒質と波長変換素子との接合が適切に維持される。
上記構成において、前記固体レーザ媒質及び前記波長変換素子は、前記接合面に対して垂直な面を含み、該垂直な面には、前記接合面の外縁に沿う突起部が形成され、該突起部は、前記固体レーザ媒質のｃ軸方向と平行であることが好ましい。
上記構成によれば、固体レーザ媒質及び前記波長変換素子は、前記接合面に対して垂直な面を含む。垂直な面には、接合面の外縁に沿う突起部が形成される。突起部は、固体レーザ媒質のｃ軸方向と平行であるので、使用者は、突起部に基づき、固体レーザ媒質のｃ軸方向を見極めることができる。
上述の実施形態の更に他の局面に係る波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、前記光を前記光学素子に集光する集光光学要素と、を備え、前記光学素子には、前記光の偏光方向に延びる突起部が形成されることを特徴とする。
上記構成によれば、集光光学要素は、励起光源からの光を上述の光学素子に集光する。光学素子には、光の偏光方向に延びる突起部が形成されるので、使用者は、突起部に基づき、光の偏光方向を見極めることができる。
上述の実施形態の更に他の局面に係る波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、前記光を前記光学素子に集光する集光光学要素と、を備え、前記光学素子は、レーザ光を出射する出射部を含み、前記固体レーザ媒質に添加されたレーザ活性物質の濃度は、前記励起光源から前記出射部に向けて低下することを特徴とする。
上記構成によれば、集光光学要素は、励起光源からの光を上述の光学素子に集光する。光学素子は、レーザ光を出射する出射部を含む。固体レーザ媒質に添加されたレーザ活性物質の濃度は、励起光源から出射部に向けて低下するので、励起光源からの光の波長変動に拘わらず、固体レーザ媒質は励起光源からの光を安定して吸収することができる。
上記構成において、出力が５００ｍＷ以上で動作最高温度が４０℃以上であることが好ましい。
上記構成によれば、比較的広い動作温度範囲の下、比較的高い出力が達成される。
上述の実施形態の更に他の局面に係る光学素子は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第１主面を有する第１光学部材と、前記第１主面に水素結合を介したオプティカルコンタクトされ、前記第１主面とともにレーザ光が透過可能なオプティカルコンタクト面を形成する第２主面を含む第２光学部材と、前記オプティカルコンタクト面を封止する封止部材と、を備え、前記第２主面は、少なくとも部分的に鏡面研磨され、前記第１光学部材及び該第１光学部材とは異なる物質から形成された前記第２光学部材のうち少なくとも一方には、前記オプティカルコンタクト面の外縁に隣接する凹部又は切欠部が形成され、前記凹部又は切欠部に配設された前記封止部材は、前記オプティカルコンタクト面の前記外縁を覆うことを特徴とする。
上記構成によれば、固体レーザ媒質は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第１主面を含む。波長変換素子は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第２主面を含む。接合部は、第１主面及び第２主面が水素結合を介してオプティカルコンタクト状態にされたオプティカルコンタクト面を含む。オプティカルコンタクト面は、レーザ光の透過を許容する。固体レーザ媒質及び波長変換素子のうち少なくとも一方には、オプティカルコンタクト面の外縁に隣接する凹部又は切欠部が形成される。凹部又は切欠部は、オプティカルコンタクト面の面積を不必要に増大させないので、第１主面と第２主面との間のオプティカルコンタクトが比較的容易に達成される。凹部又は切欠部に配設された封止部材は、オプティカルコンタクト面の前記外縁を覆うので、オプティカルコンタクト面と外気との接触が適切に防止される。したがって、第１主面と第２主面との接合強度が長期間に亘って適切に維持される。
上記構成において、前記第１光学部材及び該第１光学部材に接合された第２光学部材は、少なくとも１つの平坦な面を形成し、前記凹部又は前記切欠部は、前記オプティカルコンタクト面の前記外縁から前記平坦な面に至るまでの領域に形成されることが好ましい。
上記構成によれば、第１光学部材及び第１光学部材に接合された第２光学部材は、少なくとも１つの平坦な面を形成するので、光学素子は、比較的容易に実装される。また、凹部又は切欠部は、オプティカルコンタクト面の外縁から平坦な面に至るまでの領域に形成されるので、封止部材は、オプティカルコンタクト面と外気との接触を適切に防止する。したがって、第１主面と第２主面との接合強度が長期間に亘って適切に維持される。
上記構成において、前記オプティカルコンタクト面の前記外縁に隣接して配設された前記封止部材は、前記オプティカルコンタクト面の外気との接触を防止することが好ましい。
上記構成によれば、オプティカルコンタクト面の外縁に隣接して配設された封止部材は、オプティカルコンタクト面の外気との接触を防止することができる。
上記構成において、前記凹部又は切り欠き部は、前記第１光学部材と前記第２光学部材とを１ミクロン以上５００ミクロン以下の寸法で離間させる深さ寸法を有することが好ましい。
上記構成によれば、封止部材は、オプティカルコンタクト面と、外気や水分との接触を防止することができる。
上述の実施形態の更に他の局面に係る波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、を備え、該光学素子の前記オプティカルコンタクト面は、前記光学素子を伝搬する前記光に対して、レーザ発振横モード制御を行う光学窓として機能することを特徴とする。
上記構成によれば、波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、を備える。光学素子のオプティカルコンタクト面は、光学素子を伝搬する光に対して、レーザ発振横モード制御を行う光学窓として機能する。したがって、比較的簡素な構成の波長レーザ光源を用いて、レーザ発振横モードの制御がなされる。
上述の実施形態の更に他の局面に係る波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、を備え、前記第１光学部材及び前記第２光学部材のうち少なくとも一方の形状は、前記光の伝搬方向に沿ってテーパ状に形成され、前記伝搬方向に垂直な前記光学部材の断面は、前記光学素子中を伝搬する前記光に対して、レーザ発振横モード制御を行う光学窓として機能することを特徴とする。
上記構成によれば、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、を備える。第１光学部材及び第２光学部材のうち少なくとも一方の形状は、光の伝搬方向に沿ってテーパ状に形成される。伝搬方向に垂直な光学部材の断面は、光学素子中を伝搬する光に対して、レーザ発振横モード制御を行う光学窓として機能する。したがって、比較的簡素な構成の波長レーザ光源を用いて、レーザ発振横モードの制御がなされる。
上述の実施形態の更に他の局面に係る画像表示装置は、光を発するレーザ光源と、前記レーザ光源に電流を供給するレーザ駆動回路と、前記光を変調し、画像を形成する変調素子と、前記変調素子から出射される光を反射する反射ミラーと、前記変調素子を駆動するコントローラと、を備え、前記レーザ光源は、上述の波長変換レーザ光源を含むことを特徴とする。
上記構成によれば、レーザ駆動回路が電流を供給すると、レーザ光源は光を発する。画像変調素子は、レーザ光源からの光を変調する。反射ミラーは、変調素子から出射される光を反射する。コントローラは、画像変調素子を駆動し、画像表示装置が表示する画像を制御する。レーザ光源は、上述の波長変換レーザ光源を含むので、長期間に亘って、高い出力を維持することができる。
上記構成において、前記波長変換素子は、ＭｇＯ添加ニオブ酸リチウム、ＭｇＯ添加タンタル酸リチウム、定比組成のＭｇＯ添加ニオブ酸リチウム、定比組成の添加タンタル酸リチウム及びリン酸チタニルカリウムからなる群から選択される材料から形成されることが好ましい。
上記構成によれば、波長変換効率に優れた波長変換素子が形成される。
上記構成において、前記封止部材は、紫外線硬化樹脂材料から形成されることが好ましい。
上記構成によれば、封止部材によって、オプティカルコンタクト面が簡便且つ適切に封止される。
上記構成において、前記封止部材は、珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）又は珪酸ナトリウムをゲル化したケイ酸（Ｈ２ＳｉＯ３）からなる群から選択される材料から形成されることが好ましい。
上記構成によれば、封止部材によって、オプティカルコンタクト面が簡便且つ適切に封止される。
上記構成において、前記封止部材は、誘電体薄膜からなることが好ましい。
上記構成によれば、封止部材によって、オプティカルコンタクト面が簡便且つ適切に封止される。
上記構成において、前記第１光学部材は、ＹＶＯ４、Ｎｄ（ネオジウム）ドープＹＶＯ４、ＧｄＶＯ４、ＮｄドープＧｄＶＯ４からなる群から選択されるレーザ結晶であり、前記第２光学部材が、電気光学効果、非線形光学効果又は音響光学効果のいずれかを有する誘電体結晶であることが好ましい。
上記構成において、電気光学効果、非線形光学効果又は音響光学効果が得られる。
上述の実施形態の原理にしたがって、オプティカルコンタクト型の波長変換光源において、横モードの変化に起因する緑色光の出力低下が適切に抑制される。かくして、小型且つピーク出力値１０００ｍＷ以上の高い出力を発するレーザ光源装置が提供される。
本発明は、レーザ光源が発するレーザ光を非線形光学効果により波長変換する波長変換レーザ装置に関する。
可視レーザ光や紫外レーザ光を得るための様々な波長変換レーザ光源が開発並びに実用化されてきている。このような波長変換レーザ光源は、例えば、非線形光学効果を用いた波長変換により、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ４レーザから発せられる光を可視光である緑色光に変換する。或いは、波長変換レーザ光源は、変換された緑色光を更に紫外光に変換する。これらの可視レーザ光や紫外レーザ光は、例えば、物質のレーザ加工やレーザディスプレイ等の光源などの用途に用いられる。
このようなレーザ光源は、Ｎｄ：ＹＶＯ４といった固体レーザ媒質と、ニオブ酸リチウムといった波長変換素子を含む。特許文献１乃至３は、接着剤を用いることなく、光学的に接合された固体レーザ媒質及び波長変換素子を備えるマイクロチップ型の波長変換レーザ光源（オプティカルコンタクト型の波長変換レーザ光源）を提案する。マイクロチップ型の波長変換レーザ光源の出力は、大きくても１０ｍＷ程度である。マイクロチップ型の波長変換レーザ光源は、例えば、レーザポインタや照準器用の光源として用いられる。
特許文献１のマイクロチップ型の波長変換レーザ光源は、固体レーザ媒質と波長変換素子との光学的な接合における製造歩留まりの向上を目的とする。特許文献１は、当該目的を達成するために、固体レーザ媒質と波長変換素子との接合面積を拡大することを提案する。
特許文献２のマイクロチップ型の波長変換レーザ光源は、固体レーザ媒質と波長変換素子との境界面に配設された光学薄膜を備える。特許文献２は、光の散乱を抑制するための固体レーザ媒質と波長変換素子との接合方法を提案する。先行文献によれば、固体レーザ媒質と波長変換素子との境界面（接合面）における伝搬する光の散乱や損失を可能な限り低減させることが必要である。
固体レーザ媒質と波長変換素子とを組み合わせて形成された光学素子に対して、長時間、レーザ光が入射されると、光学素子から出力されるレーザ光の出力は、時間の経過とともに低下する。
図５０は、上述のレーザ光の出力低下の課題を説明するプロット図である。図５０を用いて、レーザ光の出力低下が説明される。
図５０のプロット図の縦軸は、光学素子からのレーザ出力強度（高調波出力）を示す。図５０のプロット図の横軸は、光学素子の駆動時間を示す。図５０は、オプティカルコンタクトされた固体レーザ素子及び波長変換素子を備える光学素子の特性を例示する。図５０のプロット図を得るために用いられた光学素子は、外部から入射された励起レーザ光を波長変換し、緑色レーザ光を出力する。
図５０のプロット図によれば、緑色レーザ出力の低下は、光学素子が緑色レーザ光を出射してから数十時間で開始する。この出射光の出力低下は、波長変換後のレーザ光の出力が１００ｍＷ程度であれば、ほとんど観測されない。しかしながら、光学素子が、５００ｍＷ以上（特に１０００ｍＷ以上）のピーク出力の光を出力するとき、顕著な出力低下が確認される。
特開２００８−１０２２２８号公報 特開２００８−１６８３３号公報 特開２０００−３５７８３４号公報
本発明は、光学素子の長時間の駆動に起因するレーザ光の出力低下を抑制するための光学素子、当該光学素子を備える波長変換レーザ光源及び当該波長変換光源を用いた画像表示装置を提供することを目的とする。
本発明の一の局面に係る波長変換レーザ光源は、基本波光を発生するための固体レーザ媒質と、前記基本波光を、前記基本波光よりも高い周波数の第２高調波光へ変換する波長変換素子と、該波長変換素子に接する導電性材料と、を備え、該波長変換素子は、複数の分極反転領域が形成された分極反転構造を含み、前記導電性材料は、前記分極反転領域と垂直に交わる第１側面に接することを特徴とする。
本発明の他の局面に係る光学素子は、基本波光を発生するための固体レーザ媒質と、前記基本波光を、前記基本波光よりも高い周波数の第２高調波光へ変換する波長変換素子と、を備え、前記固体レーザ媒質は、前記波長変換素子にオプティカルコンタクト状態となっている接合面と、該接合面と反対側の対向面と、を含み、前記接合面の面積Ｓ１は、前記対向面の面積Ｓ２よりも大きいことを特徴とする。
本発明の更に他の局面に係る波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、前記光を前記光学素子に集光する集光光学要素と、を備え、前記光学素子には、前記光の偏光方向に延びる突起部が形成されることを特徴とする。
本発明の更に他の局面に係る波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、前記光を前記光学素子に集光する集光光学要素と、を備え、前記光学素子は、前記光に基づき生成されたレーザ光を出力するための出力ミラーを含み、前記固体レーザ媒質に添加されたレーザ活性物質の濃度は、前記励起光源から前記出力ミラーに向けて低下することを特徴とする。
本発明の更に他の局面に係る光学素子は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第１主面を有する第１光学部材と、前記第１主面に水素結合を介したオプティカルコンタクトされ、前記第１主面とともにレーザ光が透過可能なオプティカルコンタクト面を形成する第２主面を含む第２光学部材と、前記オプティカルコンタクト面を封止する封止部材と、を備え、前記第２主面は、少なくとも部分的に鏡面研磨され、前記第１光学部材及び該第１光学部材とは異なる物質から形成された前記第２光学部材のうち少なくとも一方には、前記オプティカルコンタクト面の外縁に隣接する凹部又は切欠部が形成され、前記凹部又は切欠部に配設された前記封止部材は、前記オプティカルコンタクト面の前記外縁を覆うことを特徴とする。
本発明の更に他の局面に係る波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、を備え、前記光学素子の前記オプティカルコンタクト面は、前記光学素子を伝搬する前記光に対して、レーザ発振横モード制御を行う光学窓として機能することを特徴とする。
本発明の更に他の局面に係る波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、を備え、前記第１光学部材及び前記第２光学部材のうち少なくとも一方の形状は、前記光の伝搬方向に沿ってテーパ状に形成され、前記伝搬方向に垂直な前記光学部材の断面は、前記光学素子中を伝搬する前記光に対して、レーザ発振横モード制御を行う光学窓として機能することを特徴とする。
本発明の更に他の局面に係る画像表示装置は、光を発するレーザ光源と、前記レーザ光源に電流を供給するレーザ駆動回路と、前記光を変調し、画像を形成する変調素子と、前記変調素子から出射される光を反射する反射ミラーと、前記変調素子を駆動するコントローラと、を備え、前記レーザ光源は、上述の波長変換レーザ光源を含むことを特徴とする。
一般的なオプティカルコンタクト型の波長変換レーザ光源を概略的に示す図である。 出力光のファーフィールドビーム形状を撮影した写真である。 第１実施形態に従う波長変換素子並びに波長変換素子を用いた波長変換レーザ光源の構成を概略的に示す図である。 レーザ光源の動作時間と高調波出力の関係を示すグラフである。 分極反転構造を有するニオブ酸リチウムの「ｙ面」を覆う導電性材料を有するレーザ光源が連続運転されたときの出力変化を表すグラフ並びに連続運転されているレーザ光源から出力されたレーザ光の横モード形状を表す写真である。 導電性材料の種類、導電性材料の抵抗率及びレーザ光源の出力低下に対する抑制効果をまとめた表である。 第２実施形態に従う波長変換素子並びに波長変換素子を用いた波長変換レーザ光源の構成を概略的に示す図である。 図７に示される波長変換レーザ光源が備える第１光学素子の概略的な斜視図である。 第１光学素子に波長８０８ｎｍの励起光が入力され、第１光学素子から１０００ｍＷの緑色光が出力されるようにレーザ光源が連続運転されたときの動作時間に伴う出力変動を表すグラフ並びにレーザ光源の連続運転中の横モード形状を撮像した写真である。 第３実施形態に従う波長変換レーザ光源に用いられる光学素子の構成を概略的に示す模式図である。 レンズ部の曲率半径「ｒ」とレンズ部の加工高さとの関係を示すプロット図である。 レーザ光源の連続運転中の横モード形状を撮像した写真並びにレーザ光源が連続運転されたときの動作時間に伴う出力変動を示すプロット図である。 連続点灯試験の結果を示すプロット図である。 高出力での連続点灯の結果、出力低下或いは出力停止が生じたときの光学素子を概略的に示す。 整列した複数の光学素子を含む光学素子列の斜視図である。 図１５に示される光学素子列の平面図である。 図１５に示される光学素子列から分離された光学素子の斜視図である。 バー形状の光学素子列及び光学素子を用いた波長変換レーザの構成を例示する図である。 光学素子に波長８０８ｎｍの励起光が入力されたときの光学素子の光入出力特性を示すプロット図である。 光学素子の断面積と、所定の高調波出力に対して必要とされる接合強度との関係を示すグラフである。 光学素子が組み込まれたレーザ光源が連続動作されたときの動作時間と高調波の出力強度との関係を示すプロット図である。 バー形状の光学素子列の写真である。 第５実施形態にしたがう光学素子列の概略的な斜視図である。 図２３に示される光学素子列の平面図である。 図２３に示される光学素子列の正面図である。 第６実施形態にしたがうレーザ光源を概略的に示す図である。 固体レーザ媒質及び固体レーザ媒質内のレーザ活性物質の濃度分布を概略的に示す図である。 異種材料を用いて形成された光学部材をオプティカルコンタクトして作成された光学素子の斜視図である。 図２８に示される断面Ａを概略的に示す。 ＭｇＯ：ＬＮ結晶のＣ軸方向及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶のＣ軸方向における熱膨張係数の差異と、熱膨張係数の差異に起因する結晶の膨張量の差異との算出結果を概略的に示すグラフである。 ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板を示す。 光学素子が組み込まれた共振器型の波長変換レーザ光源を例示する。 オプティカルコンタクトされる前の第１光学部材及び第２光学部材を概略的に示す斜視図である。 オプティカルコンタクトされた第１光学部材及び第２光学部材を備える光学素子の斜視図である。 図３４に示される断面Ｂを概略的に示す。 封止部材が配設される領域内に分散されたオプティカルコンタクト領域を備える光学素子の概略的な斜視図である。 図３６に示される断面Ｃを概略的に示す。 オプティカルコンタクトされた２つの光学部材を備える光学素子の概略的な斜視図である。 図３８Ａ中の断面Ｄを概略的に示す。 図３８Ａ中の矢印の方向から見た光学素子を示す。 オプティカルコンタクトされたテーパ形状の光学部材及び直方体形状の光学部材を備える光学素子の概略的な斜視図である。 図３９Ａ中の断面Ｅを概略的に示す。 図３９Ａ中の矢印の方向から見た光学素子を示す。 光学窓として機能するオプティカルコンタクト面を備える光学素子を概略的に示す斜視図である。 図４０に示される断面Ｆを概略的に示す。 直径φ１ｍｍのオプティカルコンタクト面上で観察されたビームスポットの像を示す。 直径φ３００μｍのオプティカルコンタクト面上で観察されたビームスポットの像を示す。 光学素子の概略的な斜視図である。 図４３中に示される断面Ｇを概略的に示す。 第１光学部材に溝を形成する工程を概略的に示す。 溝形成後の第１光学部材と第２光学部材とをオプティカルコンタクトする工程を概略的に示す。 吸着状態にあるオプティカルコンタクト組立体の溝形成部分に封止部材を充填並びに硬化する工程を概略的に示す。 封止部材が充填された溝形成部分に沿って、ダイシングを用いて、光学素子を切り出すための工程を概略的に示す。 小片化された光学素子の斜視図である。 オプティカルコンタクト組立体の実態顕微鏡画像である。 ダイシング加工を通じて小片化されたオプティカルコンタクト組立体の実態顕微鏡による観察像を示す写真である。 レーザ光を光源とするレーザプロジェクタを示す図である。 レーザ光を用いたヘッドアップディスプレイ装置を概略的に示す図である。 レーザ光の出力低下の課題を説明するプロット図である。
以下に、波長変換レーザ光源、光学素子及び画像表示装置の様々な実施形態が添付の図面を用いて説明される。図中、同様の要素に対して、同様の符号が割り当てられる。同様の要素に関する説明は、冗長となるので、省略される。
以下の説明において、波長変換レーザ光源及び／又は光学素子として、バルク型の波長変換固体レーザ素子が例示される。バルク型の波長変換固体レーザ素子は、オプティカルコンタクトされた機能性光学素子である。オプティカルコンタクトされる２つの光学部材として、Ｎｄ：ＹＶＯ４（ネオジウムドープのイットリウム・バナデート）結晶及び強誘電体結晶ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（酸化マグネシウムドープのニオブ酸リチウム）結晶（以下、ＭｇＬＮ結晶と略す）が例示される。Ｎｄ：ＹＶＯ４（ネオジウムドープのイットリウム・バナデート）結晶は、固体レーザ媒質として例示される。また、ＭｇＬＮ結晶は、波長変換素子として例示される。代替的に、波長変換レーザ光源及び／又は光学素子は、他の適切な物質から形成されてもよい。
図１は、一般的なオプティカルコンタクト型の波長変換レーザ光源を概略的に示す。図１を用いて、一般的なオプティカルコンタクト型の波長変換レーザ光源が内包する課題が説明される。
図１に示されるオプティカルコンタクト型の波長変換レーザ光源は、端面励起型（エンドポンプ型レーザ）と呼ばれる。励起光は、レーザ媒質の端面から入力される。
図１に示されるレーザ光源１００は、励起光源１１０と、コリメートレンズ１２０と、集光レンズ１３０と、光学素子１４０とを備える。励起光源１１０は、励起光ＰＬをコリメートレンズ１２０に向けて照射する。励起光ＰＬは、コリメートレンズ１２０、集光レンズ１３０及び光学素子１４０を順次伝搬する。
光学素子１４０は、固体レーザ媒質１４１と、波長変換素子１４２とを備える。励起光ＰＬが入射された光学素子は、出力光ＯＬを出力する。
レーザ光源１００は、固体レーザ媒質１４１の端面（励起光ＰＬが入射される端面）に形成された光学膜１５０を更に備える。固体レーザ媒質１４１は、光学膜１５０が形成された端面と反対側の第１接合面１４３を含む。第１接合面１４３は、波長変換素子１４２に接合される。
波長変換素子１４２は、出力光ＯＬが出射される出射端面１４４と、出射端面１４４と反対側の第２接合面１４５とを含む。第２接合面１４５は、第１接合面１４３に接合される。固体レーザ媒質１４１の第１接合面１４３は、波長変換素子１４２の第２接合面１４５に、オプティカルコンタクト状態となっている。第１接合面１４３及び第２接合面１４５が、オプティカルコンタクトされることにより、光学素子１４０が形成される。
本実施形態並びに後述される様々な実施形態で用いられる「オプティカルコンタクト」との用語並びにこれに類する用語は、以下の要件を満たす「状態」を意味する。
（１）樹脂材料といった接着材料を介することなく光学要素同士が直接的に接合されている状態。
（２）光学要素同士間に空気層が介在することなく、光学要素同士が吸着・密着されている状態。
光学結晶、セラミックや誘電体膜といった同種材料又は異種材料からなる光学要素間において、電気的力（ファン・デル・ワールス力）、水素結合や機械的外圧力といった力によって、上記要件を満たす状態が形成されているならば、当該状態は、オプティカルコンタクト状態である。
以下の説明において、「オプティカルコンタクトしている／オプティカルコンタクトされている」との用語は、上述の状態となっているものを意味する。また、「オプティカルコンタクトする／オプティカルコンタクトされる」との用語は、上述の状態にすること／されること（手段・動作）を意味する。
以下の説明において、「オプティカルコンタクト面」との用語は、上述の状態下にある光学要素間の界面を意味する。「オプティカルコンタクト組立体」との用語は、上述の状態とされた光学要素から形成された組立体を意味する。
レーザ光源１００の機能及び動作が、以下に、説明される。
上述の如く、励起光源１１０は、励起光ＰＬを発する。コリメートレンズ１２０は、励起光ＰＬを平行光にする。その後、集光レンズ１３０は、光学素子１４０を構成する固体レーザ媒質１４１に集光する。
上述の如く、励起光ＰＬが入射される固体レーザ媒質１４１の端面には、光学膜１５０が形成される。光学膜１５０は、１０６０ｎｍ帯の光を高反射し、共振器ミラーの１つとして機能する。波長変換素子１４２の出射端面１４４にも、高反射光学膜（図示せず）が形成される。出射端面１４４に形成された高反射光学膜も１０６０ｎｍ帯の光を高反射し、もう１つの共振器ミラーとして機能する。
固体レーザ媒質１４１の第１接合面１４３と波長変換素子１４２の第２接合面１４５との境界には、光学膜は形成されず、第１接合面１４３及び第２接合面１４５はオプティカルコンタクトされる。固体レーザ媒質１４１の端面に形成された光学膜１５０（光反射光学膜）と波長変換素子１４２の出射端面１４４に形成された光反射光学膜は、共振器ミラーとして用いられる。これら高反射光学膜の間で、１０６０ｎｍ帯の光が繰り返し反射され、共振する。かくして、光学素子１４０は、光共振器として機能し、１０６０ｎｍ帯のレーザ光を発振する。
上述の如く、固体レーザ媒質１４１として、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶が用いられ、波長変換素子１４２として、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶が用いられると、固体レーザ媒質１４１の屈折率と波長変換素子１４２の屈折率との差は、０．１以下となる。この結果、第１接合面１４３と第２接合面１４５との間に光学薄膜が形成されなくとも、オプティカルコンタクトされた固体レーザ媒質１４１及び波長変換素子１４２は、光学的に低い損失を達成することができる。このように、固体レーザ媒質１４１及び波長変換素子１４２がオプティカルコンタクトされるならば、光学薄膜の形成工程及びレーザ光源を製造する際の調整工程が簡略化される。
発振した１０６０ｎｍ帯の光が波長変換素子１４２を通過すると、１０６０ｎｍ帯の光は、半分の波長の５３０ｎｍ帯の光へ波長変換される。波長変換された５３０ｎｍ帯の光は、出力光ＯＬとして、波長変換素子１４２の出射端面１４４から出力される。なお、光学素子１４０は、レーザ媒質保持具（図示せず）で保持されてもよい。
オプティカルコンタクトされた固体レーザ媒質１４１及び波長変換素子１４２を含む光学素子１４０を備えるレーザ光源１００（オプティカルコンタクト型のレーザ光源）を用いて、例えば、ピーク出力１Ｗの５３０ｎｍ帯の光を連続的に出力する連続点灯試験が行われると、レーザ光源１００から出射される出力光ＯＬ（レーザ光）の出力は、約８０時間で低下するということを、本発明者は確認した。
上述の図５０のプロット図は、連続点灯試験の結果を表している。出力された波長変換後の光（高調波）の横モード形状の観測の結果、レーザ光源１００の点灯開始時において略円形であった高調波の横モード形状は、時間を経るにしたがい歪み、最終的に紡錘形へと変化することが確認された。上述の横モード変化に伴って出射されるレーザ光の出力低下が観測された。動作時間に対する高調波出力の関係を示す図５０から、横モード形状変化に対応して出力が低下していることが分かる。
図２は、出力光ＯＬのファーフィールドビーム形状を撮影した写真である。図２の「（１）」に対応する写真は、レーザ光源１００の点灯開始時における高調波の横モード形状を示す写真である。図２の「（２）」に対応する写真は、レーザ光源１００の点灯開始から６５時間経過後における高調波の横モード形状を示す写真である。図２の「（３）」に対応する写真は、レーザ光源１００の点灯開始から８５時間経過後における高調波の横モード形状を示す写真である。図２の「（１）」、「（２）」及び「（３）」に対応する写真は、図５０中の記号「（１）」、「（２）」及び「（３）」に示される動作時刻にそれぞれ対応する。
固体レーザ媒質１４１及び波長変換素子１４２を含む光学素子１４０を備えるオプティカルコンタクト型のレーザ光源１００だけでなく、分散・分離配置された光学部品（即ち、固体レーザ媒質、波長変換素子及び出力ミラーを用いて形成された共振器を備えるレーザ光源においても、同様の出力低下現象が観察された。尚、レーザ光出力の低下量は、オプティカルコンタクト型のレーザ光源１００において、特に大きくなる。固体レーザ媒質及び波長変換素子がオプティカルコンタクトされていないならば、オプティカルコンタクト型のレーザ光源１００に比べて、レーザ光出力の低下量が１／３程度となる。しかしながら、オプティカルコンタクトされていない固体レーザ媒質及び波長変換素子を備えるレーザ光源においても、上述の出力低下に対する改善は必要とされる。
出力低下現象は、高調波レーザ光（図１に示されるレーザ光源１００では、５３０ｎｍ帯の緑色レーザ光）が、波長変換素子１４２を構成するニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムに吸収されることによって引き起こされると考えられる。ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムによるレーザ光の吸収が、局所的な屈折率の変化を引き起こす結果、レーザ発振した基本波光の波面が乱され（ビーム形状が変化し）、レーザ光源１００からの出力が低下すると考えられる。ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムによるレーザ光の吸収は、波長変換素子１４２内での基本波光のパワー密度やビームウエスト位置を変化させる。この結果、基本波光から高調波光への変換効率が低下し、緑色光の出力が低下する。尚、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムへの可視〜紫外線の光の照射が引き起こす屈折率の変化（「光誘起屈折率変化」）は、以前から知られている。「光誘起屈折率変化」は、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムに、添加物として酸化マグネシウム（以下、ＭｇＯ）が添加されることによって回避されることが、一般的に知られている。しかしながら、レーザ光源が高出力で長時間連続動作されたときに生ずる出力低下現象については知られていない。本発明者は、ＭｇＯを波長変換素子材料に添加する方法ではレーザ出力の低下が十分に抑制されず、高いレーザ出力は、長時間、保たれないという課題を明らかにした。
以下に示される様々な実施形態にしたがって説明される光学素子、光学素子を備える波長変換レーザ光源並びに波長変換レーザ光源を用いた画像表示装置は、上述の課題を適切に解消する。以下、光学素子、光学素子を備える波長変換レーザ光源並びに波長変換レーザ光源を用いた画像表示装置が説明される。
（第１実施形態）
図３は、第１実施形態に従う波長変換素子並びに波長変換素子を用いた波長変換レーザ光源の構成を概略的に示す模式図である。図３を用いて、波長変換素子及び波長変換レーザ光源が説明される。
図３のセクション（ａ）は、レーザ光源２００を概略的に示す。図１に関連して説明されたレーザ光源１００と同様に、励起光ＰＬは、固体レーザ媒質２４０の端面から入力される端面励起型のレーザ光源である。
レーザ光源２００は、上述の固体レーザ媒質２４０に加えて、励起光源２１０、コリメートレンズ２２０、集光レンズ２３０、波長変換素子２５０及び出力ミラー２８０を備える。波長変換素子２５０から出力ミラー２８０を通じて出力光ＯＬが出力される。固体レーザ媒質２４０は、励起光ＰＬの入射に伴い基本波光を発生する。また、波長変換素子２５０は、基本波光を、基本波光よりも高い周波数の第２高調波光へ変換する。
レーザ光源２００は、励起光ＰＬが入射される固体レーザ媒質２４０の入射端面に形成された光学膜２６０を備える。固体レーザ媒質２４０は、光学膜２６０が形成された端面と反対側の第１端面２４１を含む。
波長変換素子２５０は、第２高調波が出射される出射端面２５１と、出射端面２５１と反対側の第２端面２５２と、を含む。波長変換素子２５０の出射端面２５１に対向する出力ミラー２８０の面（曲面２８１）は、凹面形状に形成される。
図３のセクション（ｂ）は、波長変換素子２５０を概略的に示す斜視図である。波長変換素子２５０は、周期状の分極反転構造２５３を備える。分極反転構造２５３は、波長変換素子２５０の内部に形成される。
波長変換素子２５０は、出射端面２５１と第２端面２５２との間で延びる第１側面２５４を含む。ｚ軸（ｃ軸）に平行な第１側面２５４には、分極反転領域が形成された分極反転構造２５３が露出する。第１側面２５４は、分極反転領域と垂直に交わる。本実施形態において、分極反転構造２５３は、第１側面２５４に露出している。代替的に、分極反転構造は、波長変換素子の第１側面に露出しなくともよい。
図３のセクション（ｄ）に示される如く、レーザ光源２００は、導電性材料２７０を更に備える。本実施形態において、導電性材料２７０は、第１側面２５４に露出した分極反転構造２５３に直接的に接触する。代替的に、導電性材料は、分極反転構造が露出していない第１側面に接触してもよい。
以下、第１実施形態に従うレーザ光源２００の機能及び動作が説明される。
励起光源２１０は、励起光ＰＬを発する。コリメートレンズ２２０は、励起光ＰＬを平行光にする。集光レンズ２３０は、励起光ＰＬを固体レーザ媒質２４０へ集光する。固体レーザ媒質２４０への励起光ＰＬの集光までの工程は、図１に関連して説明されたレーザ光源１００と同様である。しかしながら、本実施形態のレーザ光源２００は、一体化された光学部品で形成されたレーザ共振器を備えるレーザ光源１００と異なり、別々に配備された光学部品で形成されたレーザ共振器を備える。
固体レーザ媒質２４０の入射端面に形成された光学膜２６０は、発振する１０６０ｎｍ帯の光とその高調波の５３０ｎｍ帯の光とを高反射する。また、固体レーザ媒質２４０の第１端面２４１（波長変換素子２５０に対向する端面）、波長変換素子２５０の第２端面２５２及び波長変換素子２５０の出射端面２５１には、反射防止特性を有する光学膜が形成されている。第１端面２４１、第２端面２５２及び出射端面２５１に形成された光学膜は、発振する１０６０ｎｍ帯の光とその高調波の５３０ｎｍ帯の光とを透過する。
出力ミラー２８０（凹面ミラー）の曲面２８１には、光学膜が形成される。出力ミラー２８０に形成された光学膜は、発振する１０６０ｎｍ帯の光を高反射する一方で、その高調波である５３０ｎｍ帯の光を透過する。かくして、固体レーザ媒質２４０の入射端面に形成された光学膜２６０と出力ミラー２８０との間で光学的な共振器が形成される。この光学的な共振器によって、１０６０ｎｍ帯の光が、レーザ発振する。
レーザ発振した１０６０ｎｍ帯の光が波長変換素子２５０を通過するたびに、１０６０ｎｍ帯の光の一部は、高調波の５３０ｎｍ帯の光へ波長変換される。最終的に、波長変換された光は、出力光ＯＬとして、出力ミラー２８０から共振器外部へ出力される。
図５０に関連して説明された如く、固体レーザ媒質と波長変換素子とを備える波長変換レーザ光源が長時間駆動されると、緑色出力が低下する現象が確認された。尚、レーザ光の横モードの形状が変化する原因は、波長変換素子（例えば、ニオブ酸リチウム）の内部での光起電力効果に起因して生ずるチャージであると考えられる。発生したチャージがレーザビームの周囲に蓄積し、電気光学効果により波長変換素子内部での屈折率変化が生ずる。この結果、波長変換レーザ光源の横モードが変化する。
図３のセクション（ｄ）に示される如く、本実施形態の光学素子及びレーザ光源２００は、ｙ軸に垂直な第１側面２５４（ｙ面）を覆う導電性材料２７０に特徴づけられる。分極反転構造２５３が露出した第１側面２５４を覆う導電性材料２７０は、波長変換素子２５０の内部に蓄積したチャージの効率的な除去に貢献する。
図３を用いて、波長変換素子２５０が更に説明される。
本実施形態の波長変換素子２５０は、ニオブ酸リチウムに設けられた周期状の分極反転構造２５３を含む。波長変換素子２５０は、第２高調波を発生させる擬似位相整合型の波長変換素子である。尚、波長変換素子２５０の材料に酸化マグネシウム（以下、ＭｇＯと表記する）が添加されてもよい。酸化マグネシウムの添加は、上述の「光誘起屈折率変化」（波長変換素子材料の屈折率の変化）を好適に抑制する。
図３のセクション（ｂ）は、周期状の分極反転構造のニオブ酸リチウムの構成を概略的に示す模式図である。図３のセクション（ｂ）に示される座標は、ニオブ酸リチウム内で光が感じる誘電主軸を示し、誘電主軸のｚ軸は、結晶構造から決定される結晶軸のｃ軸と一致する。本実施形態で示される分極反転構造を有する波長変換素子２５０は、「バルク型」と称され、結晶基板内にも分極反転構造２５３を備える。分極反転構造２５３が形成される間、分極反転構造２５３は、ｚ軸（ｃ軸）に垂直な平面（ｚ面から）ｚ軸座標のマイナス方向に成長し、図３のセクション（ｂ）に示される構造となる。波長変換素子２５０が、ｙ軸に垂直な適切な面において切断されると、波長変換素子２５０の第１側面２５４に周期状の分極反転構造２５３が露出する。また、上述の如く、分極反転構造２５３が露出した第１側面２５４は、ケミカルポリッシングにより研磨されてもよく、及び／又は、化学的エッチング処理を施与されてもよい。かくして、ｙ軸に垂直な面（ｙ面）（第１側面２５４）において、顕微鏡といった観察器具を用いて視認可能な分極反転構造２５３（周期的に変化する分極反転の構造）が露出する。
図３のセクション（ｃ）は、ｚ面（ｚ軸（ｃ軸）に垂直な平面）上の２つの面における電荷の蓄積（焦電効果）に起因するレーザ出力の低下を防ぐための既知の手法を示す。ｚ面上の２つの面における電荷の蓄積を防ぐために、波長変換素子２５０ａの上面と下面に沿って、導電性材料２７０ａが配設される。
図３のセクション（ｃ）に示される導電性材料２７０ａの配置とは異なり、本実施形態において、導電性材料２７０は、周期的に変化している分極反転構造２５３が露出する第１側面２５４（ニオブ酸リチウムでは、「ｙ面」）を覆う。尚、導電性材料２７０が取り付けられる「ｙ面」とは、波長変換素子２５０の材料のｃ軸と平行な面を意味する。また、「ｙ面」は、分極反転構造２５３の分極反転軸（分極方向）と平行な面である。尚、波長変換素子の構造が立方体（或いは、直方体）ではないとき、導電性材料は上述の定義に従って配置されなくともよい。導電性材料で覆われる面は、分極反転構造の断面の分極反転領域に対して、略垂直に形成されていればよい。
図４は、レーザ光源の動作時間と高調波出力の関係を示すグラフである。図４中、「（１）」で示されるプロットは、導電性材料を備えないレーザ光源の動作時間と高調波出力の関係を示す。図３及び図４を用いて、レーザ光源の動作時間と高調波出力の関係が説明される。
図４中、「（２）」で示されるプロットは、「ｚ面」に取り付けられた導電性材料２７０ａ（図３のセクション（ｃ）参照）を備えるレーザ光源の動作時間と高調波出力の関係を示す。図４中、「（３）」で示されるプロットは、「ｙ面」に取り付けられた導電性材料２７０（図３のセクション（ｄ）参照）を備えるレーザ光源２００の動作時間と高調波出力の関係を示す。
＜（１）導電性材料を備えないレーザ光源＞
導電性材料が波長変換素子の表面上に取り付けられていないとき、レーザ光源からの出力は、約８０時間で低下し始める。
＜（２）「ｚ面」に取り付けられた導電性材料を備えるレーザ光源＞
「ｚ面」に取り付けられた導電性材料２７０ａを備えるレーザ光源からの出力は、約１５０時間で低下し始める。導電性材料を備えないレーザ光源に対する改善は認められるが、「ｚ面」に取り付けられた導電性材料２７０ａでは、十分な改善は得られていない。
＜（３）「ｙ面」に取り付けられた導電性材料を備えるレーザ光源＞
「ｙ面」に取り付けられた導電性材料２７０を備えるレーザ光源２００からの出力は、２００時間経過後も、低下しない。したがって、図４に示されるグラフから、「ｙ面」を覆う導電性材料２７０は、最も効果的に出力低下を抑制することが分かる。
図５は、分極反転構造２５３を有するニオブ酸リチウムの「ｙ面」を覆う導電性材料２７０を有するレーザ光源２００が連続運転されたときの出力変化を表すグラフと、連続運転されているレーザ光源２００から出力されたレーザ光の横モード形状を表す写真と、を示す。図５のセクション（ａ）は、出力変化を表すグラフである。図５のセクション（ｂ）は、レーザ光の横モード形状を表す写真である。尚、ニオブ酸リチウムには、ＭｇＯが添加されている。図３及び図５を用いて、レーザ光源２００の出力変化及びレーザ光の横モード形状が説明される。
図５のセクション（ｂ）中の写真（１）は、図５のセクション（ａ）のグラフ中に示される記号「（１）」に対応し、レーザ光源２００の点灯から１０時間経過後の写真である。図５のセクション（ｂ）中の写真（２）は、図５のセクション（ａ）のグラフ中に示される記号「（２）」に対応し、レーザ光源２００の点灯から１００時間経過後の写真である。図５のセクション（ｂ）中の写真（３）は、図５のセクション（ａ）のグラフ中に示される記号「（３）」に対応し、レーザ光源２００の点灯から１９０時間経過後の写真である。
図５のセクション（ｂ）の写真（１）乃至（３）から明らかなように、横モードのレーザ形状はほとんど変化していない。また、連続運転されているレーザ光源２００からの出力変化（出力低下）は、２００時間経過後において、１％以内に収まっている。したがって、レーザ光源２００の出力低下は、好適に抑制されている。
ｚ面に沿う２つの面（波長変換素子２５０の上面２５５及び下面２５６）に電荷が蓄積される焦電効果に対しては、波長変換素子２５０のｚ面（上面２５５及び下面２５６）を覆う導電性材料が有効である。波長変換素子２５０のｚ面（上面２５５及び下面２５６）を覆う導電性材料は、波長変換素子２５０のｚ面（上面２５５及び下面２５６）に発生した電荷を好適に逃がし、レーザ光源２００の出力低下を効果的に抑制する。
高調波光の横モード形状の変化は、「ｚ面」の表面に発生する電荷ではなく、波長変換素子２５０を通るビームパス周辺領域の分極反転境界付近（即ち、波長変換素子２５０の内部）に発生する局所電荷に起因する。したがって、「ｚ面」を覆う導電性材料だけでは、横モード形状の変化を十分に防止することができない。一方で、波長変換素子２５０の「ｙ面」を覆う導電性材料２７０は、波長変換素子２５０の内部の電荷を十分に外部へ逃がすことが出来る。
尚、本実施形態において、分極反転構造２５３は、波長変換素子２５０の一方の「ｚ面」（上面２５５）から他方の「ｚ面」（下面２５６）に貫通していない。波長変換素子２５０の「ｚ面」に沿う上面２５５及び下面２５６のうち一方の面（図３において、下面２５６）には、分極反転構造２５３は、形成されていない。分極反転構造２５３が形成されない面（下面２５６）と、分極反転構造２５３までは、所定の距離だけ、離間している。
「ｚ面」（上面２５５及び下面２５６）間で、分極反転構造２５３は貫通されないので、周期上の分極反転構造２５３を形成する工程において、分極反転・非反転の比（デューティ比）の均一性が保たれ、１０６０ｎｍ帯の光から高調波の５３０ｎｍ帯への光への変換効率が向上される。尚、分極反転の界面（反転壁）の抵抗率は、他の部分よりも低減され、チャージの容易な往来が達成される。したがって、分極反転構造２５３が一方のｚ面（図３において、下面２５６）に貫通されていないならば、「ｙ面」を覆う導電性材料２７０は、波長変換素子２５０に蓄積されたチャージを比較的容易に引き抜くことができる。
導電性材料２７０で覆われる一対の「ｙ面」（第１側面２５４）は、分極反転構造２５３の分極方向と平行であり、且つ、波長変換素子２５０の結晶軸と交わる。一対の第１側面２５４同士は、好ましくは、電気的に接続（短絡）される。この結果、波長変換素子２５０の内部で発生したチャージを適切にキャンセルされる。「ｙ面」（第１側面）が導電性材料によって覆われる限り、導電性材料は、他の形状及び構造を有してもよい。例えば、導電性材料は、波長変換素子の周面（「ｚ面」及び「ｙ面」）全体を覆ってもよい。この結果、波長変換素子２５０に蓄積されたチャージは適切にキャンセルされる。本実施形態において、一対の第１側面２５４のうち一方は、第１短絡面として例示され、他方は第２短絡面として例示される。
本発明者は、レーザ光源２００の出力低下に対する抑制性能は、導電性材料２７０の抵抗値に依存することを見出した。
図６は、導電性材料２７０の種類、導電性材料２７０の抵抗率及びレーザ光源２００の出力低下に対する抑制効果をまとめた表である。図３及び図６を用いて、導電性材料２７０の種類及び／又は抵抗率と、レーザ光源２００の出力低下に対する抑制効果との関係が説明される。尚、以下の説明において、「出力低下」との用語は、レーザ光源２００が１００時間連続運転されたときにおいて、高調波出力が１％以上低下したことを意味する。
図６によれば、導電性材料２７０の抵抗値が、１０×１０−５Ω・ｃｍ以下であるとき、レーザ光源２００の出力低下は好適に抑制される。本実施形態において検証された導電性材料２７０のうち、インジウム（波長変換素子２５０の表面（第１側面２５４）に接触させた状態）、アルミニウム（スパッタ膜）、金（スパッタ膜）及び銅（波長変換素子２５０の表面（第１側面２５４）に接触させた状態）は、好適な抑制効果を発揮した。
導電性材料２７０の抵抗値が、１０×１０−５Ω・ｃｍ以下であれば、導電性材料２７０は、波長変換素子２５０の第１側面２５４に形成された金属膜であってもよく、波長変換素子２５０の第１側面２５４に単純に物理的に接触された板片であってもよい。第１側面２５４に付着した金属膜状の導電性材料２７０及び第１側面２５４に物理的に接触された導電性材料２７０はともに、好適な抑制効果を発揮した。
レーザ光源の波長変換素子が分離反転構造を有するならば、本実施形態で説明された原理にしたがって、レーザ光源の出力低下は適切に抑制される。分極反転構造を形成することができる材料として、ＭｇＯ添加ニオブ酸リチウムの他に、ＭｇＯ添加タンタル酸リチウム、定比組成のＭｇＯ添加ニオブ酸リチウム、定比組成のＭｇＯ添加タンタル酸リチウムやリン酸チタニルカリウム（通称 ＫＴＰ、ＫＴｉＯＰＯ４）が例示される。これら非線形光学材料を用いて形成された分離反転構造を有する波長変換素子に対しても、本実施形態で説明された原理は好適に適用され、上述の出力低下に対する好適な抑制効果が得られる。
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に従う波長変換素子並びに波長変換素子を用いた波長変換レーザ光源の構成を概略的に示す模式図である。図８は、図７に示される波長変換レーザ光源が備える第１光学素子の概略的な斜視図である。図７及び図８を用いて、波長変換素子及び波長変換レーザ光源が説明される。
本実施形態の波長変換レーザ光源が備える固体レーザ媒質の材料として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ４結晶が例示される。波長変換素子の材料として、分極反転構造を形成可能な様々な非線形光学材料（例えば、第１実施形態の波長変換素子に用いられたＭｇＯ添加ニオブ酸リチウム、ＭｇＯ添加タンタル酸リチウム、定比組成のＭｇＯ添加ニオブ酸リチウム、定比組成の添加タンタル酸リチウム、リン酸チタニルカリウム（通称 ＫＴＰ、ＫＴｉＯＰＯ４））が例示される。尚、本実施形態において、固体レーザ媒質には、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶が用いられる。また、波長変換素子にＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶が用いられる。これらの材料から形成された固体レーザ媒質及び波長変換素子を備える波長変換レーザ光源が以下に説明される。
図７は、第２実施形態に従うレーザ光源２００Ａを概略的に示す。図８は、レーザ光源２００Ａが備える第１光学素子３００を概略的に示す。第１実施形態に従うレーザ光源２００と同様の要素は、同様の符号で示されている。これら同様の要素に対して、第１実施形態での説明が援用される。
レーザ光源２００Ａは、励起光源２１０、コリメートレンズ２２０、集光レンズ２３０及び第１光学素子３００を備える。第１光学素子３００は、固体レーザ媒質２４０Ａと波長変換素子２５０Ａとを備える。レーザ光源２００Ａは、導電性材料２７０Ａを更に備える。導電性材料２７０Ａは、第１光学素子３００に取り付けられる。
図８に示される如く、固体レーザ媒質２４０Ａ及び固体レーザ媒質２４０Ａにオプティカルコンタクトされた波長変換素子２５０Ａは、第１光学素子３００を形成する。固体レーザ媒質２４０Ａは、励起光源２１０から出射された励起光ＰＬが入射する入射端面２４２と、入射端面２４２と反対側の第１接合面２４１Ａとを含む。波長変換素子２５０Ａは、第２高調波が出射される出射端面２５１と、出射端面２５１と反対側の第２接合面２５２Ａと、を含む。固体レーザ媒質２４０Ａの第１接合面２４１Ａは、波長変換素子２５０Ａの第２接合面２５２Ａに対して、例えば、オプティカルコンタクト状態となり、密着一体化される。かくして、オプティカルコンタクトされた固体レーザ媒質２４０Ａ及び波長変換素子２５０Ａを備える第１光学素子３００が形成される。
以下、第２実施形態に従うレーザ光源２００Ａの機能及び動作が説明される。
励起光源２１０は、励起光ＰＬを発する。コリメートレンズ２２０は、励起光ＰＬを平行光にする。集光レンズ２３０は、励起光ＰＬを固体レーザ媒質２４０Ａへ集光する。
第１実施形態に関連して説明された波長変換素子２５０と同様に、本実施形態の波長変換素子２５０Ａは、分極反転構造２５３と垂直に交わる第１側面２５４を含む。固体レーザ媒質２４０Ａは、第１側面２５４と連続する第２側面２４４を含む。本実施形態のレーザ光源２００Ａは、導電性材料２７０Ａが第１側面２５４及び第２側面２４４に接触することに特徴づけられる。
第１光学素子３００は、上述の如く、固体レーザ媒質２４０Ａと波長変換素子２５０Ａとを備える。固体レーザ媒質２４０Ａの第１接合面２４１Ａは、波長変換素子２５０Ａの第２接合面２５２Ａにオプティカルコンタクトされる固体レーザ媒質２４０Ａ及び波長変換素子２５０Ａの間のオプティカルコンタクト状態は、接着剤の介在なしに、固体レーザ媒質２４０Ａ及び波長変換素子２５０それぞれの材料同士間に作用する分子間力やファンデルワールス力といった力によって維持される。
固体レーザ媒質２４０Ａの第１接合面２４１Ａは、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶のａ−ｃ面である。波長変換素子２５０Ａの第２接合面２５２Ａは、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ−ｙ面である。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ軸及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶のｃ軸が平行となるように、固体レーザ媒質２４０Ａの第１接合面２４１Ａ及び波長変換素子２５０Ａの第２接合面２５２Ａは、接合される。
固体レーザ媒質２４０Ａの入射端面２４２に励起光ＰＬが入射すると、波長変換素子２５０Ａの出射端面２５１から緑色レーザ光が出力される。固体レーザ媒質２４０Ａの入射端面２４２には、１０６０ｎｍ帯のレーザ光と、高調波の５３０ｎｍ帯のレーザ光とを９９．８％反射する光学膜が形成される。波長変換素子２５０Ａの出射端面２５１には、１０６０ｎｍ帯のレーザ光を９９．８％反射する一方で、高調波の５３０ｎｍ帯のレーザ光を透過する光学膜が形成される。かくして、固体レーザ媒質２４０Ａの入射端面２４２と波長変換素子２５０Ａの出射端面２５１との間で、１０６０ｎｍ帯の光は、共振並びにレーザ発振する。この結果、波長変換素子２５０Ａによって波長変換された緑色光のみが、出射端面２５１から出力される。
本実施形態のレーザ光源２００Ａの導電性材料２７０Ａは、第１実施形態の導電性材料２７０と同様に、波長変換素子２５０Ａの第１側面２５４（「ｙ面」）を覆う。本実施形態のレーザ光源２００Ａは、導電性材料２７０Ａが固体レーザ媒質２４０Ａの第２側面２４４を更に連続的に覆うことに特徴づけられる。
Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶を用いて形成された固体レーザ媒質２４０Ａの線膨張係数は、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶を用いて形成された波長変換素子２５０Ａの線膨張係数と相違する。本発明者は、このように線膨張係数が異なる異種材料から形成された固体レーザ媒質及び波長変換素子を備える光学素子を用いてレーザが発振されると、固体レーザ媒質は発熱し、波長変換素子に応力が付加され、レーザ光源の出力低下が生ずることを見出した。
導電性の高い材料は、一般的に、熱伝導性も高いので、固体レーザ媒質が発した熱を効率よく放熱し、緑色レーザ光の出力低下が効果的に抑制される。本実施形態において、導電性材料２７０Ａとして、アルミニウムのスパッタ膜（１００〜３００ｎｍ厚）が使用され、緑色光の出力低下に対する効果的な抑制作用が確認された。
図９は、第１光学素子３００に波長８０８ｎｍの励起光ＰＬが入力され、第１光学素子３００から１０００ｍＷの緑色光が出力されるようにレーザ光源２００Ａが連続運転されたときの動作時間に伴う出力変動と、レーザ光源２００Ａの連続運転中の横モード形状を撮像した写真を示す。図９のセクション（ａ）は、レーザ光源２００Ａの連続運転中の横モード形状を撮像した写真である。図９のセクション（ｂ）は、レーザ光源２００Ａが連続運転されたときの動作時間に伴う出力変動を示すプロット図である。図７乃至図９を用いて、動作時間に伴う出力変動及び横モード形状の変化が説明される。
図９のセクション（ａ）の写真（１）は、図９のセクション（ｂ）のプロット図中に示される記号「（１）」に対応し、レーザ光源２００Ａの点灯が開始されたとき（点灯初期）の横モード形状の写真である。図９のセクション（ａ）の写真（２）は、図９のセクション（ｂ）のプロット図中に示される記号「（２）」に対応し、点灯初期から１００時間経過後の横モード形状の写真である。図９のセクション（ａ）の写真（３）は、図９のセクション（ｂ）のプロット図中に示される記号「（３）」に対応し、点灯初期から１９０時間経過後の横モード形状の写真である。
点灯初期から１００時間経過後までの期間において、出力低下及び横モードの変化は観察されない。点灯初期から１９０時間経過すると、横モード形状のわずかな変化は確認される一方で、出力低下量は１％以内である。図９から、第１光学素子３００の第１側面２５４及び第２側面２４４を覆う導電性材料２７０Ａは、レーザ光源２００Ａが連続運転されたときの出力低下を効果的に抑制することが分かる。
本実施形態において、第１光学素子３００は、一体化された固体レーザ媒質２４０Ａ及び波長変換素子２５０Ａを備える。波長変換素子２５０Ａは、対向する「ｙ面」（第１側面２５４）に導電性材料２７０Ａが接触する。この結果、第１実施形態に関連して説明された原理に従い、波長変換素子２５０Ａの内部で発生されたチャージは適切にキャンセルされる。更に、導電性材料２７０Ａは、固体レーザ媒質２４０Ａの第２側面２４４まで延出する。この結果、固体レーザ媒質２４０Ａで発生した熱は、効率よく放熱される。かくして、第１光学素子３００の長時間の駆動に起因するレーザ光の出力低下は、効果的に抑制される。
（第３実施形態）
本実施形態にしたがう波長変換レーザ光源は、上述の第２実施形態に関聨して説明された第１光学素子３００（一体化された固体レーザ媒質２４０Ａ及び波長変換素子２５０Ａを備えるオプティカルコンタクトされた素子）の横モード変化を抑制する。この結果、本実施形態にしたがう波長変換レーザ光源が長時間運転されたときの出力低下が好適に抑制される。
図１０は、本実施形態に従う波長変換レーザ光源に用いられる光学素子の構成を概略的に示す模式図である。図１０のセクション（ａ）は、一体化された固体レーザ媒質、波長変換素子及び横モードを維持するための維持機構を備える光学素子の構成を例示する。図１０のセクション（ｂ）は、維持機構の形状を例示する。第１実施形態及び／又は第２実施形態に従うレーザ光源２００，２００Ａと同様の要素は、同様の符号で示されている。これら同様の要素に対して、第１実施形態及び／又は第２実施形態での説明が援用される。
図１０に示される光学素子４００は、固体レーザ媒質２４０Ａと波長変換素子２５０Ｂとを備える。固体レーザ媒質２４０Ａ及び波長変換素子２５０Ｂは、例えば、オプティカルコンタクト状態となり、一体化される。この結果、オプティカルコンタクトされた固体レーザ媒質２４０Ａ及び波長変換素子２５０Ｂを備える第１光学素子３００Ｂが形成される。
第２実施形態のレーザ光源２００Ａと同様に、導電性材料２７０Ａは、波長変換素子２５０Ｂの第１側面２５４及び固体レーザ媒質２４０Ａの第２側面２４４に接触する。導電性材料２７０Ａは、波長変換素子２５０Ｂの内部のチャージをキャンセルするとともに、固体レーザ媒質２４０Ａからの放熱を促す。
光学素子４００は、横モードを維持する維持機構２９０を備える。維持機構２９０は、波長変換素子２５０Ｂに接合される第３接合面２９１を含む。波長変換素子２５０Ｂは、第３接合面２９１に接合される第４接合面２５１Ｂと、固体レーザ媒質２４０Ａに接合される第２接合面２５２Ａと、を含む。固体レーザ媒質２４０Ａは、第２接合面２５２Ａに接合される第１接合面２４１Ａを含む。
維持機構２９０は、第３接合面２９１を含む基台部２９３と、第３接合面２９１と反対側に形成されたレンズ部２９２と、を備える。レーザ光は、レンズ部２９２から出射される。レンズ部２９２は、レンズ形状に加工される。本実施形態において、維持機構２９０は、第２光学素子として例示される。また、レンズ部２９２は、出射部として例示される。
以下、第３実施形態に従う光学素子４００の機能及び動作が説明される。
固体レーザ媒質２４０Ａの第１接合面２４１Ａ及び波長変換素子２５０Ｂの第２接合面２５２Ａが接合され、固体レーザ媒質２４０Ａ及び波長変換素子２５０Ｂが一体化される点において、本実施形態の光学素子４００は、第２実施形態に関連して説明された第１光学素子３００と共通する。しかしながら、光学素子４００は、維持機構２９０を備える点で、第２実施形態と相違する。
維持機構２９０のレンズ部２９２は、波長変換素子２５０Ｂと略等しい屈折率を有する材料を用いて形成される。本実施形態において説明される光学素子４００は、維持機構２９０の第３接合面２９１及び波長変換素子２５０Ｂの第４接合面２５１Ｂがオプティカルコンタクトされ、維持機構２９０及び波長変換素子２５０Ｂが一体化される点に特徴づけられる。
維持機構２９０のレンズ部２９２、例えば、直径５００〜８００μｍ（マイクロメートル）の球面凸レンズ形状に形成され、曲率半径「ｒ」の外面を有する。レンズ部２９２は、高さ０．１〜０．５μｍ（マイクロメートル）で基台部２９３から突出する。
光学素子４００が波長変換レーザ光源に用いられるならば、好適には、曲率半径「ｒ」は、１００〜１０００ｍｍ（ミリメートル）の範囲に設定される。曲率半径「ｒ」が１００ｍｍ未満であるならば、固体レーザ媒質２４０Ａ内での励起光と１０６０ｎｍ帯の光との重なり積分が小さくなり、出力可能な緑色光は過度に小さくなる。曲率半径「ｒ」が１０００ｍｍを超えると、横モードの維持効果が小さくなり、連続運転時の出力低下に対する抑制機能が損なわれる。
レンズ部２９２は、例えば、レジストマスクの形状をドライエッチングにより転写する方法、光学研磨による方法や略等しい屈折率を有するガラス材料を型押しする方法といった様々な加工手法を用いて加工可能である。
図１１は、レンズ部２９２の曲率半径「ｒ」とレンズ部２９２の加工高さとの関係を示すプロット図である。図１１に示されるプロット図において、レンズ部２９２の直径「Ｌ」がパラメータとして用いられている。
図１１に示されるプロット図に従うと、レンズ部２９２の加工高さは、好ましくは、０．５μｍ以下である。尚、レンズ部がドライエッチングで作成されるならば、レンズ部２９２の加工高さは、レンズ部２９２に用いられる材料とレジストマスクとの選択比にも依存する。
図１２は、本実施形態で説明された光学素子４００を備える波長変換レーザ光源を連続動作させたときの出力変化を示す図である。図１２のセクション（ａ）は、レーザ光源の連続運転中の横モード形状を撮像した写真である。図１２のセクション（ｂ）は、レーザ光源が連続運転されたときの動作時間に伴う出力変動を示すプロット図である。図９、図１０及び図１２を用いて、波長変換レーザ光源を連続動作させたときの出力変化が説明される。
図９に示されるように、第２実施形態にしたがうレーザ光源２００Ａは、１９０時間経過後において横モードの形状のわずかな変化を生じた。一方、本実施形態の維持機構２９０を有する光学素子４００が組み込まれた波長変換レーザ光源の横モード形状の変化並びに出力低下は、観測されなかった。本実施形態のレーザ光源から、高出力の波長変換光が安定して得られた。
本実施形態において、図１０に示される如く、維持機構２９０の第３接合面２９１が波長変換素子２５０Ｂの第４接合面２５１Ｂに接合されるように、維持機構２９０は配置される。代替的に、維持機構は、波長変換素子と固体レーザ媒質との間に配設されてもよい。更に代替的に、固体レーザ媒質の入射端面が、横モードを維持することができる曲面形状に形成されてもよい。維持機構の設計（例えば、形状寸法）や配置に応じて、例えば、固体レーザ媒質内のビーム径が拡大され、波長変換素子でのビーム径が小さくされてもよい。固体媒質でのパワー密度と較べて、波長変換素子でのパワー密度が相対的に大きくなるので、波長変換素子内で、１０６０ｎｍ帯の光が好適に集光される。この結果、波長変換効率が向上する。したがって、横モードを維持するためのレンズ構造は、固体レーザ媒質の入射端面に接合されることが更に好適である。
第３実施形態に関連して説明された原理は、第１実施形態及び／又は第２実施形態にも好適に適用される。
（第４実施形態）
図１に関連して説明されたレーザ光源１００（オプティカルコンタクト型の波長変換レーザ光源）は、上述の出力低下に加えて、出力停止を引き起こす他のエラーモードに関する課題を内包する。本実施形態において説明される波長変換レーザ光源及び光学素子は、出力停止に係る課題を適切に解消する。
本発明者は、図１に関連して説明されたレーザ光源１００をもちいて、例えば、１Ｗの５００ｎｍ帯の光が出力されるように連続的に点灯させる試験を行ったとき、８０時間ほどでレーザ光源１００の出力が停止するという課題を発見した。
図１３は、上述の連続点灯試験の結果を示すプロット図である。図１及び図１３を用いて、出力停止の課題が説明される。
図１３に示される出力停止は、第１実施形態に関連して説明された波長変換素子の屈折率の変化に起因する変換効率低下・出力低下とは異なり、共振状態が崩れることに起因する急激且つ大幅な出力低下或いは出力停止である。このような出力の大幅な低下或いは呈しは、レーザ光源１００からの出力が５００ｍＷ以上であるときに生じやすくなることも、本発明者は確認した。本発明者の詳細な研究により、レーザ光源１００が作動している間の光学素子１４０の温度が４０℃を超えると、レーザ光源１００の急激且つ大幅な出力低下或いは出力停止が、特に生じやすくなることを明らかとなった。
図１４は、上述の高出力での連続点灯の結果、出力低下或いは出力停止が生じたときの光学素子を概略的に示す。図１に関連して説明された同様の要素には、同様の符号が付され、これらの要素に対して、図１に関連する説明が援用される。図１及び図１４を用いて、出力低下或いは出力停止の原因が説明される。
光学素子１４０Ｃは、図１に関連して説明された光学素子１４０と同様に、固体レーザ媒質１４１Ｃと波長変換素子１４２Ｃとを備える。固体レーザ媒質１４１Ｃは、波長変換素子１４２Ｃにオプティカルコンタクトされる。
固体レーザ媒質１４１Ｃは、励起光が入射する入射端面１４６と、入射端面１４６と反対側の第１接合面１４３Ｃと、を含む。波長変換素子１４２Ｃは、出力光が出射される出射端面１４４と、出射端面１４４と反対側の第２接合面１４５Ｃと、を含む。
第１接合面１４３Ｃ及び第２接合面１４５Ｃは、連続点灯試験前において、密着されている。しかしながら、連続点灯試験後、第１接合面１４３Ｃと第２接合面１４５Ｃとの間には空隙１４７が形成されている。
図１４には、光学素子１４０Ｃを通過するビームの経路（レーザビームパス：以下、ビームパスＢＰと称される）が示されている。また、図１４は、連続点灯試験後に観察された堆積物ＤＰを示す。堆積物ＤＰは、第１接合面１４３Ｃと第２接合面１４５Ｃとの間の空隙１４７中で観察された。
出力停止を引き起こした光学素子１４０Ｃを解析した結果、光学的に接合された第１接合面１４３Ｃ及び第２接合面１４５Ｃの面精度といった原因により、空隙１４７が第１接合面１４３Ｃと第２接合面１４５Ｃとの間に生ずることが判明した。また、第１接合面１４３Ｃ及び第２接合面１４５Ｃにおいて、レーザ光が通過するビームパスＢＰ上に堆積物ＤＰが付着していることが判明した。堆積物ＤＰは、空隙１４７を通じて、界面（第１接合面１４３Ｃと第２接合面１４５Ｃとの間の境界）内に進入した空気中に浮遊する炭素含有成分を含む。炭素含有成分がレーザトラッピングにより集積された結果、ビームパスＢＰが横切る接合面（第１接合面１４３Ｃ及び／又は第２接合面１４５Ｃ）に堆積物ＤＰとして付着したことが判明した。空隙１４７及び堆積物ＤＰの発生に起因して、オプティカルコンタクト面（第１接合面１４３Ｃと第２接合面１４５Ｃとの間の境界）での基本波光の伝搬損失が増大し、レーザ共振器として用いられる光学素子１４０Ｃの内部損失が大きくなることが判明した。このような光学素子１４０Ｃの内部損失の増大が、上述の出力停止を引き起こすと考えられる。
本発明者は、更に研究を行い、第１接合面１４３Ｃと第２接合面１４５Ｃとの接合面積の狭さが空隙１４７を引き起こす原因であることを見出した。固体レーザ媒質１４１Ｃが発熱並びに膨張すると、固体レーザ媒質１４１Ｃの第１接合面１４３Ｃから波長変換素子１４２Ｃの第２接合面１４５Ｃが剥離することが確認された。第１接合面１４３Ｃと第２接合面１４５Ｃとの接合面積が大きくなると、空隙１４７がほとんど発生しなくなることが実験的に確認された。
本発明者は、しかしながら、第１接合面１４３Ｃと第２接合面１４５Ｃとの接合面積を単純に増大させることは、出力特性の劣化を引き起こすという新たな課題を発見した。出力特性の劣化に関する新たな課題は、固体レーザ媒質１４１Ｃが励起光を吸収するときに、固体レーザ媒質１４１Ｃ内のビームパスＢＰ中で生ずる熱に対する不十分な放熱に起因する。例えば、５００ｍＷ以上の高調波出力を得るために固体レーザ媒質１４１Ｃに強力な励起光が入力されると、出力特性の劣化は顕著となり、必要な出力が得られないという課題が生ずる。
固体レーザ媒質１４１Ｃは、一般的に、熱伝導度が低い。したがって、固体レーザ媒質１４１Ｃによる励起光の吸収に伴って発生する熱を効率よく放熱するためには、好ましくは、励起光が通過する部分と固体レーザ媒質１４１Ｃを保持するホルダ部分との距離は短く設定される。励起光の８割ほどの光量は、固体レーザ媒質１４１Ｃの入射端面１４６の近傍で吸収される。したがって、固体レーザ媒質１４１Ｃの入射端面１４６の近傍で発生した熱を高効率で伝達し、放熱を促すことが好ましい。
本実施形態において、上述の相矛盾する課題を解決するための光学素子が説明される。
図１５は、整列した複数の光学素子を含む光学素子列の斜視図である。図１６は、図１５に示される光学素子列の平面図（図１５中、矢印Ａから見た図）である。図１７は、図１５に示される光学素子列から分離された光学素子の斜視図である。図１５乃至図１７を用いて、光学素子が説明される。尚、図１７において、図１５に示されるシール材（後述される）は示されていない。第１実施形態乃至第３実施形態に関連して説明された要素と同様の要素は、同様の符号で示されている。これら同様の要素に対して、第１実施形態乃至第３実施形態での説明が援用される。
バー形状の光学素子列５００は、整列した複数の光学素子３００Ｃを含む。バー形状の光学素子３００Ｃは、例えば、光学素子列５００の一部を切断及び分離して形成される。
光学素子３００Ｃそれぞれは、基本波光を発生するための固体レーザ媒質２４０Ｃと、基本波光よりも高い周波数の第２高調波へ基本波光を変換する波長変換素子２５０Ｃと、を含む。固体レーザ媒質２４０Ｃは、励起光が入射される入射端面２４２と、入射端面２４２と反対側の第１接合面２４１Ｃと、を含む。波長変換素子２５０Ｃは、出力光が出射される出射端面２５１と、出射端面２５１と反対側の第２接合面２５２Ｃと、を含む。固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃの第２接合面２５２Ｃは、例えば、オプティカルコンタクトされ、固体レーザ媒質２４０Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃは一体化される。図１６及び図１７において、第１接合面２４１Ｃと第２接合面２５２Ｃとの間の境界は、接合位置ＣＰとして示されている。
図１５及び図１６に示される如く、光学素子列５００は、第１接合面２４１Ｃと第２接合面２５２Ｃとの間の境界をシールするシール材２４５を更に備える。シール材２４５は、接合位置ＣＰに沿って配設される。本実施形態において、シール材２４５は封止部材として例示される。シール部材２４５は、第１接合面２４１Ｃと第２接合面２５２Ｃとの間への外気や水分の浸入を抑制する。
光学素子列５００中の光学素子３００Ｃの固体レーザ媒質２４０Ｃ間には、第１切込部２４６が形成される。また、光学素子列５００中の光学素子３００Ｃの波長変換素子２５０Ｃ間には、第２切込部２５７が形成される。
以下、第４実施形態に従う光学素子３００Ｃの機能及び動作が説明される。
上述の如く、固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃの第２接合面２５２Ｃは、オプティカルコンタクトされる。本実施形態にしたがうバー形状の光学素子３００Ｃ（及びバー形状の光学素子列５００）は、第１接合面２４１Ｃと第２接合面２５２Ｃとの接合面積が固体レーザ媒質２４０Ｃの入射端面２４２の面積よりも大きいことに特徴づけられる。本実施形態において、第１接合面２４１は、接合面として例示される。また、第１接合面２４１と反対側の入射端面２４２は対向面として例示される。
＜光学素子の構成＞
以下に、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとを備える光学素子３００Ｃの構成が説明される。光学素子３００Ｃの形成方法は、後述される。
上述の如く、光学素子３００Ｃは、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとを備える。固体レーザ媒質２４０Ｃの材料として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ４結晶といった様々な材料が例示される。波長変換素子２５０Ｃの材料として、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰといった様々な材料が例示される。本実施形態にしたがう光学素子３００Ｃの固体レーザ媒質２４０Ｃは、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶から形成される。本実施形態にしたがう光学素子３００Ｃの波長変換素子２５０Ｃは、例えば、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶から形成される。以下、このような材料から形成された固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとを備える光学素子３００Ｃが説明される。
上述の如く、固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃの第２接合面２５２Ｃは、オプティカルコンタクトされる。固体レーザ媒質２４０Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃの間のオプティカルコンタクトの状態は、接着剤の介在なしに、固体レーザ媒質２４０Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃそれぞれの材料同士間に作用する分子間力やファンデルワールス力といった力によって維持される。
固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃは、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶のａ−ｃ面である。波長変換素子２５０Ｃの第２接合面２５２Ｃは、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ−ｘ面である。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ軸及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶のｃ軸が平行となるように、固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃの第２接合面２５２Ｃは、オプティカルコンタクトされる。第１接合面２４１Ｃ（及び第２接合面２５２Ｃ）の面積は、固体レーザ媒質２４０Ｃの入射端面２４２（第１接合面２４１Ｃと反対側の端面）の面積よりも大きい。
固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの接合面積は比較的大きく設定されるので、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの間の高い接合強度が達成される。また、固体レーザ媒質２４０Ｃの入射端面２４２の面積は、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの接合面積よりも小さいので、固体レーザ媒質２４０Ｃの励起光の吸収によって発生する熱は、効果的に放熱される。したがって、光学素子３００Ｃの比較的高い接合強度及び出射光の良好な出力特性が両立される。
本実施形態の光学素子３００Ｃの長さ（ｌ）は、「２．５ｍｍ」であり、厚さ（ｔ）は、「１．０ｍｍ」であり、幅（ｗ）は「１．０ｍｍ」である。光学素子３００Ｃの「２．５ｍｍ」の長さ（ｌ）は、「０．５ｍｍ」の波長変換素子２５０Ｃの長さと、「２．０ｍｍ」の固体レーザ媒質２４０Ｃの長さとを含む。接合面を形成する第１接合面２４１Ｃ及び第２接合面２５２Ｃの厚さ（１）は、それぞれ、「１．５ｍｍ」である。
本実施形態において、波長変換素子２５０Ｃの出射端面２５１の面積は、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの接合面積よりも小さい。代替的に、波長変換素子の出射端面の面積は、固体レーザ媒質と波長変換素子との接合面積と同等であってもよい。
＜レーザ光源＞
図１８は、バー形状の光学素子列５００及び光学素子３００Ｃを用いた波長変換レーザの構成を例示する。図１８のセクション（ａ）は、光学素子列５００の概略的な平面図である。図１８のセクション（ｂ）は、光学素子３００Ｃの概略的な斜視図である。図１８のセクション（ｃ）は、素子ホルダに収容された光学素子３００Ｃを示す。図１８のセクション（ｄ）は、波長変換レーザの概略的な模式図である。図１５乃至図１８を用いて、波長変換レーザが説明される。図１８において、第１実施形態乃至第３実施形態に関連して説明された要素と同様の要素は、同様の符号で示されている。これら同様の要素に対して、第１実施形態乃至第３実施形態での説明が援用される。
図１８のセクション（ｄ）に示される如く、レーザ光源２００Ｃは、励起光ＰＬを発する励起光源２１０、コリメートレンズ２２０、集光レンズ２３０及び光学素子３００Ｃを備える。上述の如く、光学素子３００Ｃは、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとを備える。固体レーザ媒質２４０Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃは、例えば、上述の如く、オプティカルコンタクト状態にされ、密着一体化される。この結果、オプティカルコンタクトされた固体レーザ媒質２４０Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃを備える光学素子３００Ｃが形成される。
図１８のセクション（ａ）に示される如く、光学素子列５００は、整列した複数の光学素子３００Ｃを備える。図１８のセクション（ａ）及び（ｂ）に示される如く、光学素子３００Ｃは、バー形状の光学素子列５００の一部をなす。光学素子３００Ｃは、例えば、光学素子列５００から切断並びに分離され、レーザ光源２００Ｃに組み込まれる。
図１７に示される如く、光学素子３００Ｃは、第１接合面２４１Ｃ及び／又は第２接合面２５２Ｃに直交する側面３１０（ｙ軸に直交する面）と、側面３１０から突出する突条３２０と、を含む。突条３２０は側面３１０に現れる接合位置ＣＰに沿って延びる。
図１８のセクション（ｃ）及び（ｄ）に示される如く、レーザ光源２００Ｃは、光学素子列５００から分離された光学素子３００Ｃを収容する素子ホルダ２７０Ｃを更に備える。素子ホルダ２７０Ｃは、第１実施形態及び第２実施形態に関連して説明された導電性材料２７０，２７０Ａと同様に、導電性を有してもよい。
図１８のセクション（ｃ）に示される如く、光学素子３００Ｃは、素子ホルダ２７０Ｃ内に固定される。その後、図１８のセクション（ｄ）に示される如く、レーザ光源２００Ｃ内に配置され、レーザ光源２００Ｃの要素として機能する。
以下、第４実施形態に従うレーザ光源２００Ｃの機能及び動作が説明される。
励起光源２１０は、励起光ＰＬを発する。コリメートレンズ２２０は、励起光ＰＬを平行光にする。その後、集光レンズ２３０は、固体レーザ媒質２４０Ｃ内に集光する。励起光ＰＬが固体レーザ媒質２４０Ｃ内に集光されると、光学素子３００Ｃ内で１０６０ｎｍ帯のレーザ発振が生ずる。波長変換素子２５０Ｃは、その後、波長変換を行う。波長変換された５３０ｎｍ帯の光は、光学素子３００Ｃから発せられる。本実施形態において、集光レンズ２３０は、集光光学要素として例示される。
図１９は、光学素子３００Ｃに波長８０８ｎｍの励起光ＰＬが入力されたときの光学素子３００Ｃの光入出力特性を示すプロット図である。図１７乃至図１９を用いて、光学素子３００Ｃの光入出力特性が説明される。
図１９のプロット図の横軸は、励起光ＰＬの入力強度を示す。図１９のプロット図の縦軸は、光学素子３００Ｃから発せられる出力光の強度を示す。図１９から、１Ｗの高調波出力（緑色光）が得られていることが分かる。
本発明者は、接合位置ＣＰにおける断面積、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの間の接合強度及び高調波出力との関係を更に調査した。
図２０は、光学素子３００Ｃの断面積と、所定の高調波出力に対して必要とされる接合強度との関係を示すグラフである。図１４、図１８及び図２０を用いて、接合位置ＣＰにおける断面積、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの間の接合強度及び高調波出力との関係が説明される。
５００ｍＷ以上の高調波出力（緑色光）を得るためには、上述の固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの熱膨張係数差に起因して発生する応力に耐えることができる十分な接合強度を確保可能な接合面積として、１ｍｍ２以上の接合断面積が必要であった（以下、接合断面積１ｍｍ２の時の接合強度は「１」とする）。また、１Ｗ以上の高調波出力を得るためには、１．５以上の接合強度が必要となることが明らかとなった。一方で、５００ｍＷ以上の高調波出力を出力するためには、固体レーザ媒質２４０Ｃの断面積が０．７５ｍｍ２以下でなければ、レーザ光の通過位置であるビームパスＢＰから固体レーザ媒質２４０Ｃの外周面までの距離が大きくなるため、放熱特性が悪化し、出力が飽和することも明らかとなった。
以下の説明において、波長変換素子２５０Ｃと接合する固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃの面積は、記号「Ｓ１」で表される。固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃと対向する入射端面２４２の面積は、記号「Ｓ２」で表される。面積Ｓ１が面積Ｓ２よりも大きくされると、所定の放熱効果は得られる。接合強度及び放熱効果の観点から、面積Ｓ１と面積Ｓ２との関係は、以下に示される不等式の関係を満たすことが好ましい。
〔数１〕
０．７５×Ｓ１＞Ｓ２
接合強度の観点から、接合位置ＣＰにおける光学素子３００Ｃの断面積は、少なくとも１ｍｍ２以上、好ましくは、１．５ｍｍ２以上であることが必要である。一方で、放熱特性の観点から、固体レーザ媒質２４０Ｃ中のビームパスＢＰ（ビーム伝搬方向）に垂直な断面積は、０．７５ｍｍ２以下であることが好ましい。本発明者の研究から、接合強度の観点から必要とされる断面積の大きさ及び放熱特性の観点から必要とされる断面積の大きさは、相反することが明らかになった。
上述の研究結果に基づき、本実施形態において、固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃの断面積（及び波長変換素子２５０Ｃの第２接合面２５２Ｃの断面積）は、少なくとも１ｍｍ２以上、より好ましくは１．５ｍｍ２以上とされる。また、固体レーザ媒質２４０Ｃの断面積（突条３２０が形成された部位を除く部分の断面積）は、０．７５ｍｍ２以下とされる。この結果、５００Ｗ以上の出力強度を有する高調波が出力される場合でも、光学素子３００Ｃの放熱特性及び素子強度（固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの接合強度）は良好に保たれる。
図２１は、本実施形態にしたがう光学素子３００Ｃが組み込まれたレーザ光源２００Ｃ（波長変換レーザ光源）が連続動作されたときの動作時間と高調波の出力強度との関係を示すプロット図である。図１、図１３、図１８及び図２１を用いて、動作時間と高調波の出力強度との関係が説明される。
図１３に関連して説明された如く、図１に示されるような一般的なレーザ光源１００の動作が開始されてから１００時間弱でレーザ発振の停止が観測された。一方で、図２１に示される如く、本実施形態に係る光学素子３００Ｃが組み込まれたレーザ光源２００Ｃからは、６５℃の温度環境下で９００時間を超える長時間の動作の間、５００ｍＷ以上の出力が安定的に得られた。
５００ｍＷ以上の高調波を出射する光学系において、光学素子３００Ｃは、有利な効果を発揮することが上記の説明で述べられているが、５００ｍＷ未満の高調波を出射する光学系においても、同様の効果が得られる。高調波の出力強度が比較的小さい光学系においても、オプティカルコンタクト状態の光学素子３００Ｃの強度の確保及び良好な放熱は両立される。本実施形態の原理に従うと、５００ｍＷ以上の出力で、且つ、動作最高温度が４０℃以上のレーザ光源が好適に形成される。
＜突条＞
図１７を再度用いて、光学素子３００Ｃの更なる特徴が説明される。
図１７に示される如く、固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃと入射端面２４２とが比較されると、幅（ｗ）方向において、第１接合面２４１Ｃの一辺の長さと入射端面２４２の一辺の長さは略等しい。一方で、厚さ（ｔ）方向において、第１接合面２４１Ｃの一辺の長さは入射端面２４２の一辺の長さより長い。第１接合面２４１Ｃ及び入射端面２４２のｚ軸方向の長さは略等しい一方で、ｙ軸方向において第１接合面２４１Ｃの一辺は、入射端面２４２より長い。
固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの接合位置ＣＰに沿って、ｚ軸（及び波長変換素子２５０Ｃのｃ軸）と平行に延びる突条３２０が形成される。一方向に延びる突条３２０によって、使用者は結晶軸の方向を容易に知ることができる。例えば、ＹＶＯ４やＧｄＶＯ４といったバナデート系の結晶を通過する励起光は、ｃ軸に平行な偏光方向を持つよう入力される必要がある。使用者は、光学素子３００Ｃの突条３２０（励起光の偏光方向に延びる突条３２０）によりｃ軸の方向を知ることができる。本実施形態において、突条３２０は、突起部として例示される。
本実施形態において、光学素子３００Ｃの一対の側面３１０に現れる接合位置ＣＰに沿って突条３２０は形成される。追加的に、突条は、光学素子の上面及び下面（ｚ軸に対して直交する光学素子の面）に現れる接合位置に沿って形成されてもよい。即ち、固体レーザ媒質の入射端面の各辺の長さより、第１接合面の各辺の長さが長くされ、且つ、入射端面から固体レーザ媒質をも見たときの第１接合面の投影図が入射端面の投影図を覆うように形成されてもよい。かくして、固体レーザ媒質と波長変換素子との接合部位は、ｚ軸及びｙ軸方向の両方に突出され、固体レーザ媒質と波長変換素子との間の接合面積は、固体レーザ媒質の入射端面よりも一層大きく形成される。
＜シール部材＞
図１４乃至図１７を再度用いて、シール部材が説明される。
オプティカルコンタクトされた固体レーザ媒質２４０Ｃの第１接合面２４１Ｃと波長変換素子２５０Ｃの第２接合面２５２Ｃとの間の界面に外気が接触すると、第１接合面２４１Ｃと第２接合面２５２Ｃとの剥離が促される。固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの接合位置ＣＰに沿って配設されたシール材２４５は、第１接合面２４１Ｃと第２接合面２５２Ｃとの間の界面への外気の接触を抑制する。したがって、光学素子３００Ｃの接合強度は、長期間に亘って高い水準を維持される。第１接合面２４１Ｃ及びと第２接合面２５２Ｃの外縁を覆うシール材２４５は、第１接合面２４１Ｃと第２接合面２５２Ｃとの間の界面への外気の接触だけでなく、炭素といった堆積物ＤＰのビームパスＢＰ周囲での付着（図１４参照）も抑制する。
＜光学素子の作製方法＞
図１５乃至図１８を再度用いて、光学素子３００Ｃの作製方法が説明される。尚、以下に説明される光学素子３００Ｃの作製方法以外の方法で、光学素子３００Ｃが作成されてもよい。
図１５に示される如く、バー形状の光学素子列５００は、光学的に接合された固体レーザ媒質２４０Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃを備える。光学素子３００Ｃは、光学素子列５００から分離して作成される。固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの光学的な接合位置ＣＰは、シール材２４５で封止されている。バー形状の光学素子列５００の厚さ（ｔ）は、１ｍｍであり、長さ（ｌ）は、２．５ｍｍであり、幅（ｗ）は、１０ｍｍである。光学素子列５００の長さ（ｌ）は、０．５ｍｍの波長変換素子２５０Ｃの長さ寸法と、２．０ｍｍの固体レーザ媒質２４０Ｃの長さ寸法とを含む。
固体レーザ媒質２４０Ｃの材料及び波長変換素子２５０Ｃの材料が接合されたとき、第１切込部２４６及び第２切込部２５７は形成されていない。固体レーザ媒質２４０Ｃの材料と波長変換素子２５０Ｃの材料とが接合された後、固体レーザ媒質２４０Ｃ側及び波長変換素子２５０Ｃ側から、例えば、ダイシングソーを用いて切り込みが入れられ、第１切込部２４６及び第２切込部２５７がそれぞれ形成される。第１切込部２４６及び第２切込部２５７はそれぞれ、接合位置ＣＰの手前２００μｍ〜５００μｍの位置まで達する。バー形状の光学素子列５００から光学素子３００Ｃを分離するときの歩留まりの観点から、ダイシングソーの刃先が接合位置ＣＰから１００〜２００μｍの位置に達するまで、固体レーザ媒質２４０Ｃの材料及び波長変換素子２５０Ｃの材料それぞれに切込（第１切込部２４６，第２切込部２５７）が入れられることが好ましい。
図２２は、バー形状の光学素子列５００の写真である。図２２のセクション（ａ）は、光学素子列５００を全体的に示す。図２２のセクション（ｂ）は、光学素子列５００の接合位置ＣＰ、第１切込部２４６及び第２切込部２５７の周囲の拡大写真である。図１５乃至図１８並びに図２２を用いて、光学素子３００Ｃの作製方法が更に説明される。
上述の如く、固体レーザ媒質２４０Ｃは、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶から形成される。また、波長変換素子２５０Ｃは、分極反転構造が形成されたＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３から形成される。固体レーザ媒質２４０Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃが光学的に接合され、光学素子列５００に加工される部材が形成される。
図２２のセクション（ｂ）に示される如く、第１切込部２４６及び第２切込部２５７は、ダイシングソーを用いて、接合位置ＣＰに到達しないように形成される。ダイシングソーのブレード幅及び切れ込みピッチについて適当な値が選択され、光の伝搬方向に対して直交する方向の固体レーザ媒質２４０Ｃの断面積が所望の値に設定される。
図１８のセクション（ａ）及び（ｂ）に示される如く、上述の如く、第１切込部２４６及び第２切込部２５７が形成された光学素子列５００の一部分は、切込部分で分離され、光学素子３００Ｃとなる。隣接する光学素子３００Ｃを接続する狭窄部（図２２のセクション（ｂ）参照）は、例えば、加圧・折り曲げによって容易に破断され、光学素子３００Ｃが分離される。
分離された光学素子３００Ｃの側面３１０から突出する突条３２０は、シール材２４５を用いて封止される（図２２のセクション（ａ）参照）。その後、光学素子３００Ｃは、図１８のセクション（ｃ）に示される如く、素子ホルダ２７０Ｃによって保持され、レーザ光源２００Ｃが形成される。
本発明者は、上述の如く作成された光学素子３００Ｃの断面積を測定した。光学素子３００Ｃの接合位置ＣＰにおける断面積は、１．５ｍｍ２（厚さ１．００ｍｍ×幅１．５０ｍｍ）であった。また、固体レーザ媒質２４０Ｃの入射端面（励起光ＰＬが入射する端面）の断面積は、０．７５ｍｍ２（厚さ１．００ｍｍ×幅０．７５ｍｍ）であった。
上述の作製方法を通じて、複数の光学素子３００Ｃが同時に作成される。バー形状の光学素子列５００が作成されるときに、固体レーザ媒質２４０Ｃのｚ軸と波長変換素子２５０Ｃのｃ軸との位置調整がなされ、固体レーザ媒質２４０Ｃ及び波長変換素子２５０Ｃが接合される。かくして、個別の光学素子３００Ｃの固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの間での軸調整よりも容易に、固体レーザ媒質２４０Ｃと波長変換素子２５０Ｃとの接合方向が決定される。
本実施形態において、光学素子３００Ｃに用いられたＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ−ｘ面及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶のａ−ｃ面が接合される。ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ軸及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶のｃ軸が平行となるように、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶とＮｄ：ＹＶＯ４結晶との接合が調整される。光学素子３００Ｃの側面３１０に形成された突条３２０の長手方向は、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ軸及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶のｃ軸と平行になるように形成されるので、使用者は突条３２０の形状から光学素子３００Ｃの方向を知ることができる。
図１８のセクション（ｂ）に示される側面３１０から突出する突条３２０は、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｙ−ｚ面と、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶のａ−ｃ面との上に形成される。突条３２０の長手方向は、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶のｚ軸方向及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶のｃ軸方向に一致する。ＹＶＯ４やＧｄＶＯ４といったバナデート系の結晶が用いられるとき、励起光ＰＬは、ｃ軸に平行な偏光方向を持つよう入力される必要があるが、使用者は、突条３２０により光学素子３００Ｃの方向を知ることができるので、光学素子３００Ｃを比較的容易に実装することができる。
光学素子３００Ｃは、上述された作製方法以外の手法を用いて作成されてもよい。例えば、第１接合面が、第１接合面と反対側の入射端面よりも大きくなるように固体レーザ媒質が予め形成されてもよい。その後、固体レーザ媒質が波長変換素子にオプティカルコンタクトされ、光学素子が形成されてもよい。
（第５実施形態）
本実施形態において、固体レーザ媒質の第１接合面と固体レーザ媒質の入射端面との面積比が、第４実施形態にしたがう光学素子３００Ｃよりも大きくされた光学素子が説明される。
図２３は、第５実施形態にしたがう光学素子列の概略的な斜視図である。図２４は、図２３に示される光学素子列の平面図（図２３中の矢印Ｂで示される方向から見た図）である。図２５は、図２３に示される光学素子列の正面図（図２３中の矢印Ｃで示される方向から見た図）である。図２３乃至図２５を用いて、光学素子列が説明される。第４実施形態に関連して説明された要素と同様の要素は、同様の符号で示されている。これら同様の要素に対して、第４実施形態での説明が援用される。
バー形状の光学素子列５００Ｄは、固体レーザ媒質２４０Ｄ、波長変換素子２５０Ｄと、シール材２４５と、を備える。図２４において、固体レーザ媒質２４０Ｄと波長変換素子２５０Ｄとの接合部は、接合位置ＣＰとして示されている。シール材２４５は、接合位置ＣＰに沿って配設される。
固体レーザ媒質２４０Ｄは、励起光が入射される入射端面２４２と、波長変換素子２５０Ｄに接合される第１接合面２４１Ｄと、を含む。固体レーザ媒質２４０Ｄには、入射端面２４２から接合位置ＣＰに向けて延びる第１切込部２４６が形成される。
波長変換素子２５０Ｄは、出力光が出射される出射端面２５１と、固体レーザ媒質２４０Ｄの第１接合面２４１Ｄに接合される第２接合面２５２Ｄと、を含む。波長変換素子２５０Ｄには、出射端面２５１から接合位置ＣＰに向けて延びる第２切込部２５７が形成される。
第１切込部２４６及び第２切込部２５７の形成により、光学素子３００Ｄが形成される。
固体レーザ媒質２４０Ｄの第１接合面２４１Ｄ及び波長変換素子２５０Ｄの第２接合面２５２Ｄは、例えば、オプティカルコンタクトされ、固体レーザ媒質２４０Ｄ及び波長変換素子２５０Ｄは一体化される。
図２５には、固体レーザ媒質２４０Ｄの切削部分（上側切削部分２４７及び下側切削部分２４８）が点線で示されている。
シール材２４５は、光学的に接合された固体レーザ媒質２４０Ｄと波長変換素子２５０Ｄとの接合位置ＣＰの周囲を封止する。第４実施形態と同様に、ダイシングソーを用いて形成された第１切込部２４６及び第２切込部２５７によって、光学素子３００Ｄは、光学素子列５００Ｄから容易に分離される。
本実施形態において、固体レーザ媒質２４０Ｄは、ＹＶＯ４結晶から形成される。第４実施形態と異なり、図２５に示されるように、ＹＶＯ４結晶（固体レーザ媒質２４０Ｄ）のａ−ａ面内もダイシングされ、ｃ軸方向の厚さが低減されている。図２５の上側切削部分２４７及び下側切削部分２４８は、ダイシングで切削された部分を示す。上側切削部分２４７及び下側切削部分２４８が切除され、固体レーザ媒質２４０がオプティカルコンタクトされた接合位置ＣＰ以外の断面積（ビームパスから固体レーザ媒質２４０Ｄの外周面までの距離）が低減される。この結果、ビームパス上の固体レーザ媒質２４０の部分から発生した熱の放熱が促される。
バー形状の光学素子列５００Ｄに波長変換素子２５０Ｄ側及び固体レーザ媒質２４０側から２回、ダイシングソーを用いて、切込（第１切込部２４６及び第２切込部２５７）が入れられる。この結果、固体レーザ媒質２４０Ｄの入射端面２４２及び波長変換素子２５０Ｄの出射端面２５１の被切削物がダイシングソーの刃先に付着するチッピングが防止される。かくして、光学素子列５００Ｄの製造における歩留まりが向上する。
ダイシングソーのブレード幅は、目的に応じて、適切に選択される。例えば、固体レーザ媒質２４０Ｄに形成される第１切込部２４６の幅は、好ましくは、波長変換素子２５０Ｄに形成される第２切込部２５７の幅よりも大きく設定され、固体レーザ媒質２４０Ｄの放熱性能が向上されてもよい。
第４実施形態及び第５実施形態の光学素子３００Ｃ，３００Ｄの出射端面２５１の面積は、入射端面２４２の面積よりも大きく設定されてもよい。かくして、光学素子３００Ｃ，３００Ｄの方向は画像処理によって自動的に認識されやすくなる。
第４実施形態及び第５実施形態において、固体レーザ媒質２４０Ｃ，２４０Ｄは、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶から形成される。また、波長変換素子２５０Ｃ，２５０Ｄは、分極反転構造が形成されたＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３結晶から形成される。代替的に、光学薄膜を介さず、固体レーザ媒質及び波長変換素子の材料がオプティカルコンタクトされ、且つ、両材料の屈折率の差が０．１以下であるならば、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶やＭｇＯ：ＬｉＴａＯ３結晶といった他の材料が固体レーザ媒質及び波長変換素子に用いられてもよい。他の材料で形成された固体レーザ媒質及び波長変換素子を含む光学素子も、第４実施形態及び第５実施形態に関連して説明された効果を奏する。
固体レーザ媒質及び波長変換素子は、光学薄膜を介して接合されてもよい。固体レーザ媒質と波長変換素子との間の屈折率の差に適合するように設計並びに成膜された光学薄膜を用いて固体レーザ媒質及び波長変換素子が接合されるならば、固体レーザ媒質と波長変換素子との接合部での光反射は十分に低減される。例えば、固体レーザ媒質は、ＹＡＧ或いはその他のガーネット系セラミックレーザ媒質、ＹＡＧ結晶、又は、セラミックＹＡＧ以外のセラミック材料（例えば、セラミックＹ２Ｏ３といった様々な透光性セラミック材料）から形成されてもよい。これらの材料から形成され、且つ、光学薄膜を介して接合された固体レーザ媒質を含む光学素子も、第４実施形態及び第５実施形態に関連して説明された効果を奏する。
波長変換素子は、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）やＫＴＡ（ＫＴｉＯＡｓＯ４）といった様々な材料を用いて形成されてもよい。これらの材料から形成された波長変換素子を含む光学素子も、第４実施形態及び第５実施形態に関連して説明された効果を奏する。
本実施形態において、固体レーザ媒質２４０Ｄは、Ｎｄが添加されたＹＶＯ４結晶を用いて形成される。代替的に、固体レーザ媒質は、Ｎｄ以外のレーザ活性イオンを用いた材料を用いて形成されてもよい。Ｎｄ以外のレーザ活性イオンを用いた材料から形成された固体レーザ媒質を含む光学素子も、上述の優れた効果を奏する。
本実施形態の原理は、セラミックＹＡＧ以外のセラミック材料（例えばセラミックＹ２Ｏ３といった様々な透光性セラミック材料）に適用されてもよい。
（第６実施形態）
図２６は、第６実施形態にしたがうレーザ光源を概略的に示す模式図である。第４実施形態に関連して説明された要素と同様の要素は、同様の符号で示されている。これら同様の要素に対して、第４実施形態での説明が援用される。
レーザ光源２００Ｅは、励起光ＰＬを発する励起光源２１０、コリメートレンズ２２０、集光レンズ２３０、光学素子３００Ｅ及び光学素子３００Ｅを保持する素子ホルダ２７０Ｃを備える。光学素子３００Ｅは、波長変換素子２５０Ｃと固体レーザ媒質２４０Ｅと、を備える。
励起光源２１０は、励起光ＰＬを発する。コリメートレンズ２２０は、励起光ＰＬを平行光にする。その後、集光レンズ２３０は、固体レーザ媒質２４０Ｅ内に集光する。励起光ＰＬが固体レーザ媒質２４０Ｅ内に集光されると、光学素子３００Ｅ内でレーザ発振が生ずる。波長変換素子２５０Ｃは、その後、波長変換を行う。波長変換された光は、波長変換素子２５０Ｃを通じて出射される。本実施形態において、波長変換素子２５０Ｃは出射部として例示される。
図２７は、固体レーザ媒質２４０Ｅ及び固体レーザ媒質２４０Ｅ内のレーザ活性物質の濃度分布を概略的に示す。図１、図２６及び図２７を用いて、レーザ光源２００Ｅが更に説明される。
固体レーザ媒質２４０Ｅは、励起光ＰＬが入射される入射端面２４２と波長変換素子２５０Ｃに接合される第１接合面２４１Ｃとを含む。固体レーザ媒質２４０Ｅは、入射端面２４２から第１接合面２４１Ｃに向けて整列する３つの領域（第１領域２６１，第２領域２６２，第３領域２６３）を含む。第１領域２６１は、入射端面２４２に近接する領域である。第３領域２６３は、第１接合面２４１Ｃに近接する領域である。第２領域２６２は、第１領域２６１と第３領域２６３との間の領域である。
本実施形態において、固体レーザ媒質２４０Ｅには、レーザ活性物質としてＮｄが添加される。レーザ活性物質の濃度は、第１領域２６１、第２領域２６２及び第３領域２６３の間で段階的に変化される。この結果、固体レーザ媒質２４０Ｅの周囲の環境温度に応じて、励起光を吸収する領域（固体レーザ媒質２４０Ｅ中のビームの伝搬方向に沿う位置）が変動し、動作温度範囲が拡大される。図２７に示される濃度プロファイル（第１領域２６１において最も高いＮｄ濃度、第２領域２６２において２番目に高いＮｄ濃度、第３領域２６３において最も低いＮｄ濃度）を有する固体レーザ媒質２４０Ｅがレーザ光源２００Ｅに用いられると、環境温度によって励起光源２１０の発振波長がシフトし、入射端面２４２から０．５ｍｍの領域（即ち、第１領域２６１）で吸収されない励起光ＰＬが生じても、続く第２領域２６２及び／又は第３領域２６３で、励起光ＰＬは吸収される。かくして、固体レーザ媒質２４０Ｅによる励起光ＰＬの吸収量は略一定となる。
図２７に示される固体レーザ媒質２４０Ｅの第１領域２６１のＮｄの濃度は、２．５％である。尚、第１領域２６１は、入射端面２４２から０．５ｍｍの厚さの領域である。第１領域２６１に隣接する第２領域２６２の厚さは、１ｍｍに設定され、第２領域２６２中のＮｄの濃度は、１．５％に設定される。第２領域２６２に隣接する第３領域２６３の厚さは、０．５ｍｍに設定され、第３領域２６３中のＮｄ濃度は、０．５％に設定される。かくして、固体レーザ媒質２４０Ｅ中のＮｄの濃度は、励起光源２１０から波長変換素子２５０Ｃに向けて段階的に低下する。
本実施形態にしたがう光学素子３００Ｅは、第４実施形態及び／又は第５実施形態に関連して説明された形状（放熱を促す形状）を有する。したがって、図１に関連して説明されたレーザ光源１００の動作温度範囲が２０〜４０℃程度であるのに対し、本実施形態に係るレーザ光源２００Ｅの動作温度は、０〜７０℃の範囲に拡大される。
Ｎｄ濃度の段階的な変動は、ＧｄＶＯ４やＹＶＯ４といった異なる単結晶から構成される媒質の貼り合せ、或いは、接合によって達成されてもよい。この場合においても、レーザ光源の動作温度範囲の拡大効果が得られる。
例えば、固体レーザ媒質中のレーザ活性物質の濃度を単純に増加させると、レーザ活性物質が、発振した光を吸収するという現象が生じ、結果として、レーザ発振ができなくなるという問題が存在する。本実施形態の原理に従い、複数のドーパント濃度プロファイルを有する固体レーザ媒質を用いると、上述の問題は適切に解消される。
（第７実施形態）
本実施形態において、高い耐環境性（特に、高い耐温度特性）を有する異種材料のオプティカルコンタクト組立体（光学素子構造を有するオプティカルコンタクト組立体）が説明される。
複数の光学部材を用いて光学素子を形成するための技術として、接着剤を用いて、複数の光学部材を貼り合わせる技術及び複数の光学部材を直接接合する技術が存在する。以下、接着剤を用いた貼合技術に対する直接接合技術の優位性が説明される。
一体化された光学部材を含む機能性光学素子は、光学素子の小型化及び低コスト化に有効である。光学部材の一体化は、光学部材間の相対位置を固定し、光学素子の機能安定性に貢献する。
光学部材の一体化を行うために、一般的に、接着剤を用いた貼合技術が用いられる。例えば、貼合面に機能性薄膜が配置された光学部材同士が接着され、波長分離や偏光分離を行う光学素子が形成される。
光学部材の一体化を行うための他の手法として、直接接合技術が知られている。直接接合技術は、接着剤を用いることなく、光学部材を強固に接合する技術である。直接接合技術によって、例えば、ガラス、半導体、強誘電体や圧電セラミックスといった様々な材料から形成された光学部材が高精度に接合される。本実施例で述べる「オプティカルコンタクト・オプティカルコンタクト状態」は広義の直接接合技術の一つである。以下に、一般的な直接接合技術の概要と、本実施の形態で示すオプティカルコンタクトについて記載する。
上述の直接接合技術を用いて形成された直接接合体は、例えば、光導波路として利用される。光導波路は、直接接合された異なる２つの光学部材のうち一方が薄板化された後、リッジ加工されることにより形成される。このような光導波路の形成は、光学素子を作成するための有効な手段として注目されている。
ＬｉＮｂＯ３結晶（以下、ＬＮ結晶と称される）、ＬｉＴａＯ３結晶（以下、ＬＴ結晶と称される）、ＭｇＯ：ＬＮ結晶やサファイアといった様々な酸化物結晶基板を用いて、同種の基板間の直接接合や略等しい屈折率及び／又は熱膨張係数を有する異種基板間での直接接合が提案されている。
薄膜を介したこれらの基板の接合も提案されている。当該接合に用いられる薄膜材料として、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、低融点ガラス、金属酸化物といった様々な材料が挙げられる。
接合される面を基準面として光学部材の表面までの加工厚み、距離、面の傾きや平坦度が要求されるならば、接着剤を用いた貼合技術において生ずる接着剤の厚さ分布が光学素子の機能性の劣化を引き起こすので、直接接合技術は、接着剤を用いた貼合技術よりも有利である。
加えて、光学部材の貼合面にレーザ光が透過されるならば、接着剤（例えば、エポキシ系樹脂やアクリレート系樹脂）は、光吸収・光散乱に起因する光パワーロスを引き起こす。また、ハイパワーレーザ光が光学部材の貼合面に透過されるならば、貼合面の接着剤層の劣化（例えば、剥離、焼け或いは変色）が潜在的に引き起こされる。したがって、光学部材間にレーザ光が透過される場合においても、接着剤といった中間材を用いることなく、光学部材を一体化することができる直接接合技術は有利である。
上述の如く、光学部材同士を高精度且つ強固に接合し、様々な特性を有する機能性デバイスを作成することは、直接接合技術の有利な用途の１つである。特に、異なる性質の光学部材を接合する場合には、直接接合技術は、特に有利である。
強誘電体結晶を用いた異種部材を含む直接接合体として、ガラスとＬＮ結晶とを含む異種基板の直接接合体やガラスとＬＴ結晶とを含む異種基板の直接接合体が例示される。これらの異種基板は、一般的に、数１００℃から１０００℃程度の加熱熱処理を受け、直接接合される。したがって、接合される基板間の略等しい熱膨張係数がこれらの異種部材を含む直接接合体の形成に要求される。したがって、上述されたガラスとＬＮ結晶との直接接合やガラスとＬＴ結晶との直接接合よりも、ＬＮ結晶とＭｇＯ：ＬＮ結晶といった熱膨張率がほぼ同等であり、且つ、屈折率の異なる部材同士を直接接合する方が容易であると考えられる。
同種材料又は同一材料系（例えば、ＬＮ結晶とＭｇＯ：ＬＮ結晶）の部材が直接接合されると、上述の加熱処理の結果、直接接合された部材の境界において結晶構造が一体化し（構造的に接合境界がないバルク結晶のような状態になる）、高い接合強度を有する接合体が形成される。
異種材料結晶間では、結晶構造や格子定数のミスマッチが存在するので、例えば、異種材料結晶からなる光学部材を直接接合するために上述の加熱処理を行ったとしても、光学部材間の結晶構造の一体化は困難である。従って、特に異種材料からなる複数部材を一体化した光学素子においては、「材料間の強固な接合状態の形成を目的とする熱処理等のプロセス」を含まない、部材間の密着・吸着状態（本実施例ではこの状態を「オプティカルコンタクト状態」と定義している）での光学特性と耐環境性能の確保が重要となる。
加えて、異種光学部材間の熱膨張係数の相違は、加熱処理時において、密着された光学部材の膨張量の差異を引き起こす。この結果、密着された光学部材に生ずる応力に起因し、接合面の剥離が生じ、及び／又は、光学部材が構造的に脆弱であるならば、光学部材の割れが生ずる。
本発明者は、異種材料からなる光学部材をオプティカルコンタクトして形成される光学素子構造の耐環境性（主として、耐熱性）を向上させるための技術を詳細に研究した。本発明者は、本実施形態において説明される如く、オプティカルコンタクト面の外周に凹部又は切欠部を形成し、凹部又は切欠部に配設された封止部材を用いて接合面の縁部を覆うことによって、高い耐環境性を有する光学素子構造が形成されることを見出した。
本実施形態の原理に従うと、材料に依存することなく、複数の光学部材を含むオプティカルコンタクト組立体が作成される。本実施形態の原理は、材料及び光学部材の選択性を拡げ、様々な光学素子の作成に有利に応用される。
以下、本実施形態の光学素子が説明される。図２８は、本実施形態に従って、異種材料を用いて形成された光学部材をオプティカルコンタクトして作成された光学素子の斜視図である。図２９は、図２８に示される断面Ａを概略的に示す。
光学素子６００は、第１光学部材６１０と、第２光学部材６２０と、を備える。第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０は、オプティカルコンタクトされ、オプティカルコンタクト面６４０が形成される。本実施形態において、第１光学部材６１０として、Ｎｄ：ＹＶＯ４からなるレーザ結晶が例示され、第２光学部材６２０として、ＭｇＯ：ＬＮ結晶が例示される。代替的に、第１光学部材及び第２光学部材が異なる材料から形成されるならば、第１光学部材及び第２光学部材は、他の材料から形成されてもよい。
光学素子６００は、封止部材６３０を備える。封止部材６３０は、紫外線硬化樹脂を用いて形成される。第２光学部材６２０は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶の一部を切り欠いて形成された切欠部６２１を含む（図２９参照）。封止部材６３０は、切欠部６２１に配設される。
図２８及び図２９に示される如く、第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０は、オプティカルコンタクトプロセスにより、樹脂といった接着剤層の介在なしに、オプティカルコンタクト面６４０にて接合される。第１光学部材６１０は、第２光学部材６２０に接合される第１主面６１２を含む。第２光学部材６２０は、第１光学部材６１０の第１主面６１２に接合され、オプティカルコンタクト面６４０を形成する第２主面６２２を含む。第１主面６１２及び第２主面６２２は、少なくとも部分的に光学研磨（鏡面研磨）される。第２主面６２２は、第１主面６１２に水素結合により分子レベルで結合し、第２光学部材６２０は、第１光学部材６１０に吸着する。
第２光学部材６２０の第２主面６２２と接するＭｇＯ：ＬＮ結晶の一部には、段差加工が施与され、第２主面６２２の外周部を取り囲む切欠部６２１が形成される。オプティカルコンタクト面６４０に隣接する切欠部６２１が形成された部分において、第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０は接触していない。封止部材６３０に用いられる紫外線硬化樹脂は、切欠部６２１に充填される。この結果、オプティカルコンタクト面６４０の外縁を覆い、オプティカルコンタクト面６４０を封止する封止部材６３０が形成される。本実施形態において、第２光学部材６２０に切欠部６２１が形成される。代替的に、第１光学部材に切欠部が形成されてもよい。また、切欠部に代えて、第１光学部材及び／又は第２光学部材には、封止部材が配設される凹部が形成されてもよい。
本実施形態において、第１光学部材６１０として用いられるレーザ結晶（Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶）及び第２光学部材６２０として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶はともに、一軸性の異方性結晶である。図２８に示される如く、第１光学部材６１０として用いられるレーザ結晶のＣ軸及び第２光学部材６２０として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶のＣ軸（即ち、Ｚ軸）はともに、オプティカルコンタクト面６４０に対して平行である。また、第１光学部材６１０として用いられるレーザ結晶のＣ軸及び第２光学部材６２０として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶のＣ軸は、略同一方向に向いている（即ち、これらのＣ軸は略平行である）。
図２８及び図２９に示される光学素子６００の作成のために、第２光学部材６２０として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶に切欠部６２１が形成される。切欠部６２１は、様々な手法を用いて形成されてもよい。本実施形態において、切欠部６２１の形成には、ダイシング加工が用いられている。
第２光学部材６２０は、オプティカルコンタクト状態にされる第２主面６２２に加えて、第２主面６２２と反対側の出射端面６２３を含む。第２光学部材６２０の第２主面６２２及び出射端面６２３はともに鏡面研磨される。第２光学部材６２０は、第２主面６２２と出射端面６２３との間での高平行度（第２主面６２２と出射端面６２３との間の１ｍｍの厚さに対して、例えば、０．１ミクロン以下）が保たれた結晶基板である。
第２光学部材６２０に対し、ダイシング溝が形成され、オプティカルコンタクト状態にされる正方形又は長方形の第２主面６２２（数１００ミクロン×数１００ミクロン〜数ｍｍ×数ｍｍ）が形成される。ダイシング溝の幅（ｗ）（光伝搬方向に平行な第２光学部材６２０の側面から第２主面６２２の外縁までの距離）は、例えば、０．２〜１ｍｍ程度である。第２主面６２２からの段差（第１光学部材６１０と第２光学部材６２０との離間距離を規定する深さ（ｄ））は、１０〜３００ミクロン程度である。代替的に、ダイシング溝の深さ（ｄ）は、１ミクロン以上５００ミクロン以下の範囲に設定されてもよい。
ダイシング溝のうち第２主面６２２と接する部分を残しつつ、第２光学部材６２０として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶が完全に切断される。かくして、切欠部６２１を含むブロック状の第２光学部材６２０（ＭｇＯ：ＬＮ結晶）が形成される。
第１光学部材６１０は、オプティカルコンタクト状態にされる第１主面６１２に加えて、第１主面６１２と反対側の入射端面６１３を含む。第１光学部材６１０の第１主面６１２及び入射端面６１３はともに鏡面研磨される。第１光学部材６１０は、第１主面６１２と入射端面６１３との間での高平行度（第１主面６１２と入射端面６１３との間の１ｍｍの厚さに対して、例えば、０．１ミクロン以下）が保たれた結晶基板である。
第１光学部材６１０として用いられるレーザ結晶は、ダイシングによってブロック状に切断され、第２主面６２２よりも大きな第１主面６１２を備える第１光学部材６１０が形成される。尚、第１光学部材６１０の外形状は、第２光学部材６２０の外形状と略等しい。
その後、第１光学部材６１０の第１主面６１２及び第２光学部材６２０の第２主面６２２は、親水性処理される。第１光学部材６１０の第１主面６１２及び第２光学部材６２０の第２主面６２２は、例えば、アセトンを用いて、超音波洗浄される。その後、第１光学部材６１０の第１主面６１２及び第２光学部材６２０の第２主面６２２は、約６０〜７０℃に昇温されたアンモニア水：過酸化水素水：純水＝１：１：６の混合溶液（以下、アンモニア過水と称される）に１５分以上浸される。更にその後、純水でリンス処理がなされた後、第１光学部材６１０の第１主面６１２及び第２光学部材６２０の第２主面６２２に対し、乾燥処理が行われる。
乾燥処理の後、第１光学部材６１０として用いられるレーザ結晶の結晶軸及び第２光学部材６２０として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶の結晶軸の方向が一致するように、第１光学部材６１０の第１主面６１２は、第２光学部材６２０の第２主面６２２に接触される。その後、第１主面６１２及び第２主面６２２はわずかに加圧され、第１主面６１２及び第２主面６２２間の吸着がなされる。かくして、オプティカルコンタクト面６４０が形成される。
オプティカルコンタクト面６４０の外縁を取り囲むように形成された切欠部６２１に、封止部材６３０として用いられる紫外線硬化樹脂が塗布並びに充填される。この結果、封止部材６３０は、オプティカルコンタクト面６４０の外縁と外気とを実質的に遮断する。その後、数１０ミリジュール程度の紫外線が紫外線硬化樹脂に照射される。この結果、紫外線硬化樹脂が硬化し、封止部材６３０となる。このようにして、本実施形態にしたがう複数の光学部材を含むオプティカルコンタクト組立体（一体化光学素子）が作製される。
本実施形態は、オプティカルコンタクト面６４０の外縁に沿って形成された切欠部６２１と切欠部６２１に設けられた封止部材６３０に特徴づけられる。以下に、切欠部６２１及び封止部材６３０がもたらす有利な効果が説明される。
本発明者は、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶（第１光学部材６１０）とＭｇＯ：ＬＮ結晶（第２光学部材６２０）とを用いて、第１主面６１２及び第２主面６２２に対する親水性処理と、第１主面６１２と第２主面６２２とを吸着させる吸着工程とを行い、１ｍｍ×１ｍｍ〜１５ｍｍ×１５ｍｍ程度の異種材料間の面積（オプティカルコンタクト面の面積）を有する結晶基板のオプティカルコンタクト組立体を作製した。本発明者は、作成されたオプティカルコンタクト組立体の接合強度及び耐熱性といった耐環境性能を評価した。
一般に、面同士の貼り合わせや接合の接合強度（単純には、引張力に対して剥離が発生する割合）は、貼合面・接合面の面積の大きさに依存する。即ち、貼合面・接合面の面積が大きいほど、接合強度は大きくなる。
本発明者は、常温下で引張強度試験を行い、吸着された第１主面６１２及び第２主面６２２をそれぞれ有する異種材料部材から形成されたオプティカルコンタクト組立体（光学素子６００）の接合強度が、オプティカルコンタクト面６４０の面積の増大に伴い増加することを確認した。
本発明者は更に、オプティカルコンタクト組立体（光学素子６００）を作成する間において、第１主面６１２及び第２主面６２２間の吸着状態の形成の容易さも、オプティカルコンタクト面６４０の面積に依存することを確認した。大きいオプティカルコンタクト面６４０を有するオプティカルコンタクト組立体（光学素子６００）が作成されるとき、比較的小さな加圧力の下、オプティカルコンタクト面６４０の全体的な吸着状態が容易に達成される。また、オプティカルコンタクト状態にされる第１光学部材６１０の第１主面６１２と第２光学部材６２０の第２主面６２２との間に数ミクロン程度の大きさの異物（コンタミネーション）が介在しても、異物の周辺部（数１０ミクロンの領域）を除き、吸着状態が得られた。オプティカルコンタクト面６４０の面積が小さくなるにつれて、第１主面６１２と第２主面６２２との間の吸着を得るために必要とされる加圧力は増大した。また、オプティカルコンタクト状態にされる第１光学部材６１０の第１主面６１２と第２光学部材６２０の第２主面６２２との間における数ミクロン程度の大きさの異物の介在は、しばしば、第１主面６１２と第２主面６２２との間の吸着を阻害した。特に、オプティカルコンタクト面６４０が２ｍｍ×２ｍｍ以下の大きさになると、上述の傾向は顕著となり、第１光学部材６１０の第１主面６１２及び第２光学部材６２０の第２主面６２２の十分な洗浄・クリーニング並びに数ｋｇｆ／ｃｍ２以上の加圧力が必要とされた。
本発明者は、吸着状態のオプティカルコンタクト面６４０に外部からのガスや水分が浸入したときの、オプティカルコンタクト面６４０の剥離の発生も調査した。本発明者は、異なるオプティカルコンタクト面６４０の面積を有する複数種のオプティカルコンタクト組立体を異種材料からなる結晶基板を用いて作成した。その後、本発明者は、オプティカルコンタクト組立体を純水に浸漬し、オプティカルコンタクト面６４０の外縁からの水の浸入に起因するオプティカルコンタクト面６４０の発生並びに進行を観察した。
観察の結果、オプティカルコンタクト面６４０の面積が小さいならば（例えば、３ｍｍ×３ｍｍ程度以下）、オプティカルコンタクト面６４０の全体に容易に剥離が生ずることが判明した。オプティカルコンタクト面６４０の面積が、１０ｍｍ×１０ｍｍ以上であるならば、オプティカルコンタクト面６４０の外縁近傍で剥離が生じたとしても、当該剥離がオプティカルコンタクト面６４０の全体に拡大するまでには、比較的長い時間が必要とされた。特に、外縁から約３ｍｍ以上離れたオプティカルコンタクト面６４０の中心領域の剥離はほとんど観察されなかった。
異種材料からなる光学部材（第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０）がオプティカルコンタクト状態にされるとき、これらの部材間の熱膨張係数の差異がオプティカルコンタクト面６４０の剥離やこれら部材の割れといった不具合に大きく影響することが予想される。表１は、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶（第１光学部材６１０）及びＭｇＯ：ＬＮ結晶（第２光学部材６２０）の物性値の比較を示す。尚、表１に示される物性値は、公知の値である。
表１中の格子定数の差異から、例えば、環境温度変化に対し、Ｃ軸方向においてＭｇＯ：ＬＮ結晶は、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶の約１．５倍程度の膨張を示すことが分かる。したがって、常温でＮｄ：ＹＶＯ４結晶及びＭｇＯ：ＬＮ結晶が吸着されるならば、オプティカルコンタクト組立体（光学素子６００）のオプティカルコンタクト面６４０には大きなストレスが加わることが予想される。
図３０は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶のＣ軸方向及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶のＣ軸方向における熱膨張係数の差異と、熱膨張係数の差異に起因する結晶の膨張量の差異との算出結果を概略的に示すグラフである。図３０を参照すると、オプティカルコンタクト面６４０に加わるストレスが容易に理解される。
図３０は、以下に示される２つの計算結果を示す。
（１）ＭｇＯ：ＬＮ結晶及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶の２０℃での格子定数（単位結晶格子の長さ）を１としたときにおける２０℃から１０００℃までの環境温度変化に対する格子定数変化。
（２）基準点（常温で吸着されたＭｇＯ：ＬＮ結晶及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶によって形成されたオプティカルコンタクト面６４０中の任意の一点）からＣ軸に沿って１００μｍ離れたＭｇＯ：ＬＮ結晶及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶の表面（第１主面６１２及び第２主面６２２）上の点が、〜１０００℃までの環境温度変化に対して膨張するときの膨張量の差。
図３０に示される算出結果から、温度上昇とともにオプティカルコンタクト面６４０に加わるストレス（水素結合による吸着状態を維持しようとする力及び結晶の熱膨張の差異により発生する応力）が大きくなり、オプティカルコンタクト面６４０の剥離が引き起こされるという結果が推察される。
本発明者は、図３０に示される算出結果から、膨張量の差異が、数１００℃の温度上昇に対して、数％程度にすぎないということに着目した。
図３１は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板を示す。図３１の上図は、常温で重ね合わされ、互いに吸着状態にあるＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板を概略的に示す模式図である。図３１の下図は、温度上昇時における貼り合わせ基板（ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板）の状態を概略的に示す模式図である。図３１を用いて、熱膨張係数の差異に起因してオプティカルコンタクト面へのストレスを生じさせるＣ軸方向の膨張が説明される。
図３１は、Ｃ軸方向の長さが約１０ｍｍのＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板を例示する。図３１に示されるオプティカルコンタクト面の中央の点Ｘは、基準点として示されている。のＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板の外縁は、点Ｘから左右に５ｍｍ離間した位置に存する。図３１において、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶基板の外縁上の点は、点Ｙとして示され、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板の外縁上の点は、点Ｙ’として示されている。
ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板が常温で位置を調整された上、重ね合わせられると（吸着されていない状態）、図３１の上図に示されるように、点Ｙと点Ｙ’の位置は合致している。常温から２００℃への環境温度に対する膨張量の差異は、１００ミクロン当たりのＣ軸方向の長さに対して、１ミクロンであるので、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板の温度が、２００℃となったとき、点Ｙ及び点Ｙ’の間には、約５０ミクロンの位置ズレが発生する。
ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板が常温で吸着されたとき、当該吸着状態が維持されるためには、上述の位置ズレを相殺するための応力が必要とされる。
図３１には、基準点（点Ｘ）から約２ｍｍ左右に離間した位置に点Ｚ及び点Ｚ’が示されている。点Ｚは、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶基板上の点であり、点Ｚ’は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板上の点である。Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶基板及びＭｇＯ：ＬＮ結晶基板の温度が２００℃となったとき、点Ｚと点Ｚ’との位置ズレは、約１０ミクロンだけである。したがって、吸着されたＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板に加わる「点Ｚ−点Ｚ’」に加わる応力は、「点Ｙ−点Ｙ’」に較べて小さくなる。即ち、オプティカルコンタクト面に作用する応力は、接合された部材（ＭｇＯ：ＬＮ結晶基板及びＮｄ：ＹＶＯ４結晶基板）間の膨張率の差ではなく、膨張変位量の差に依存するので、膨張変位量の差が大きいほど応力ストレスが大きくなる。
本発明者は、上記の考察に基づき、小さな面積のオプティカルコンタクト面を有するオプティカルコンタクト組立体の方が、大きな面積のオプティカルコンタクト面を有するオプティカルコンタクト組立体の方が、同一の環境温度の変化の下、オプティカルコンタクト面に作用するストレスが小さくなるので、熱変動による剥離発生の確率が小さくなるとの仮説を導き出した。
本発明者は、上記の仮説を検証するため、上述された様々な大きさのオプティカルコンタクト面を有するオプティカルコンタクト組立体をオーブン内に入れ、環境温度による剥離は割れの発生を観察した。
吸着状態にあるオプティカルコンタクト組立体（サンプル）は、アルミ製のシャーレに載置され、オーブン内に配設された。オーブン内の温度は、室温から所望の温度度（６０℃〜２００℃）まで２℃／分の昇温速度にて上昇された。その後、オーブン内の温度は、所望の温度にて、２０分維持され、更にその後、２℃／分程度の降温速度にて室温まで戻された。その後、オーブンからサンプルが取り出され、オプティカルコンタクト面が顕微鏡観察された。
上述の試験の結果、オプティカルコンタクト面の面積が大きいほど、剥離や割れが発生する発生温度が低いことが判明した。特に、１０ｍｍ×１０ｍｍ以上の面積を有するオプティカルコンタクト面の剥離は、概ね７０〜７５℃の試験温度から得られたサンプルで観察された。また、試験温度が約１００℃を超えると、オプティカルコンタクト面の面積が１０ｍｍ×１０ｍｍ以上であるならば、オプティカルコンタクト状態にされる第１主面６１２（図２９参照）での割れが多発した。５ｍｍ×５ｍｍ以下程度の面積のオプティカルコンタクト面を有するオプティカルコンタクト組立体の剥離発生温度は、約９０〜１１０℃程度であった。特に、２ｍｍ×２ｍｍ以下の面積のオプティカルコンタクト面を有するオプティカルコンタクト組立体の剥離発生温度は、約１２０〜１３０℃程度であった。
上述の結果から、本発明者は、オプティカルコンタクト面の面積を小さくする（即ち、オプティカルコンタクトされる部材（第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０）間の熱膨張量の差を小さくする）ことにより、オプティカルコンタクト面において剥離や割れが発生する発生温度を上昇させることができるとの知見を得た。本発明者は、当該知見に基づき、環境温度の変化に耐えるためのオプティカルコンタクト組立体の特性の向上に成功した。
上述の如く、異種材料からなる部材を含むオプティカルコンタクト組立体の接合強度を向上させるための条件と、熱変動に対するオプティカルコンタクト面の耐剥離性及び割れ発生の低減に対する条件とは、相反する方向性を有する。即ち、接合強度の向上並びにガスや水分の浸入に起因する剥離の抑制といった観点からは、大きな面積のオプティカルコンタクト面が好ましい。一方、熱変動に起因するオプティカルコンタクト面の剥離や割れの低減といった観点からは、小さな面積のオプティカルコンタクト面が好ましい。
本発明者は、異種材料から形成された複数の光学部材を備えるオプティカルコンタクト組立体のオプティカルコンタクト面の外縁に隣接して形成された凹部又は切欠部と、当該凹部又は切欠部にオプティカルコンタクト面の外縁を覆う封止部材と、を案出した。本実施形態の原理を特徴づける凹部又は切欠部並びに封止部材は、以下の効果を奏する。
（１）オプティカルコンタクト面の接合力（水素結合による吸着状態を形成する力）だけでなく、封止部材を用いて光学部材同士が接着されるので、光学部材間の接合強度が補強・向上される。
（２）オプティカルコンタクト面の外周に隣接して凹部又は切欠部が形成されるので、オプティカルコンタクト面の面積が低減される。この結果、上述された熱変動に起因するオプティカルコンタクト面の剥離・割れが低減される。
（３）オプティカルコンタクト面の外縁を覆う封止部材は、オプティカルコンタクト面を外部雰囲気から遮断し、封止状態を作り出す。したがって、ガスや水分の浸入は好適に抑制され、オプティカルコンタクト面の剥離の可能性が低減される。この結果、光学素子の長期間に亘る信頼性並びに耐環境性が大幅に向上される。
図２８及び図２９に示される如く、本実施形態の原理に従って形成された光学素子６００のオプティカルコンタクト面６４０は、レーザ光の透過を許容する。接着剤といった中間層を介することなく形成されたオプティカルコンタクト面６４０によって、第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０が密着固定される。したがって、接着剤といった中間層を用いて貼り合わせられた光学部材を備える光学素子と異なり、レーザ光の照射に起因する中間層の劣化及び中間層の劣化に伴う光吸収・散乱といった不具合は、原理的に発生しない。
図２８及び図２９に関連して説明された光学素子６００の第１主面６１２と第２主面６２２との間には空気層は存在しない。したがって、図２８及び図２９に示される光伝搬に対して、オプティカルコンタクト面６４０において光が感じる屈折率段差は、第１光学部材６１０の屈折率ｎ１と第２光学部材６２０の屈折率ｎ２との差Δｎ＝｜ｎ１−ｎ２｜となる。例えば、光学素子６００内を伝搬する波長１０６４ｎｍのレーザ光がオプティカルコンタクト面６４０に対して垂直に入射されるならば、第１光学部材６１０（レーザ結晶）に対する異常光屈折率は、ｎｅ１（＠１０６４ｎｍ）＝２．１６５２であり、第２光学部材６２０（ＭｇＯ：ＬＮ結晶）異常光屈折率は、ｎｅ２（＠１０６４ｎｍ）＝２．１５であるので、Δｎｅ＝｜ｎｅ１−ｎｅ２｜≒０．０１５となる。
屈折率段差によるフレネル反射率ＲはＲ＝｛（ｎ１−ｎ２）÷（ｎ１＋ｎ２）｝２で表される。したがって、上述のオプティカルコンタクト面６４０におけるフレネル反射は高々０．０１２％となる。このフレネル反射は、多くの光学的用途に対して、第１光学部材６１０と第２光学部材６２０とのオプティカルコンタクト面６４０に反射防止膜を形成する必要がないほど小さい。
したがって、近似する屈折率を有する光学部材を、オプティカルコンタクト技術を用いて一体化し、機能性光学素子が作成されるならば、光学部材間のオプティカルコンタクト面での反射防止膜の形成が不要となる。
図３２は、図２８及び図２９に関連して説明された光学素子６００が組み込まれた共振器型の波長変換レーザ光源を例示する。図３２に示されるレーザ光源に組み込まれた光学素子にレーザ光が透過される。光学素子６００は、第１実施形態に従う光学素子１４０と同様に、レーザ結晶と波長変換素子とを含むオプティカルコンタクト組立体である。図２８、図２９及び図３２を用いて、レーザ光源が説明される。
レーザ光源７００は、光学素子６００を備える。光学素子６００は、第１光学部材６１０と、第２光学部材６２０とを備える。第１光学部材６１０は、Ｎｄ：ＹＶＯ４からなるレーザ結晶である。また、第２光学部材６２０は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶である。第１光学部材６１０は、第１主面６１２と、第１主面６１２と反対側の入射端面６１３とを含む。第２光学部材６２０は、第２主面６２２と、第２主面６２２と反対側の出射端面６２３とを含む。第１主面６１２及び第２主面６２２はオプティカルコンタクトされ、オプティカルコンタクト面６４０が形成される。
光学素子６００は、封止部材６３０を更に備える。封止部材６３０は、紫外線硬化樹脂から形成される。第２光学部材６２０に用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶の一部が切り欠かれ、切欠部６２１が形成される。封止部材６３０は、切欠部６２１に配設される。
レーザ光源７００は、レーザ結晶（第１光学部材６１０）を励起するための励起用半導体レーザ装置（以下、ポンプＬＤ７１０と称される）と、ポンプＬＤ７１０から出射された励起レーザ光をレーザ結晶（第１光学部材６１０）に集光するための集光レンズ７２０と、光学素子６００、ポンプＬＤ７１０及び集光レンズ７２０が固定されるマウント７３０と、を更に備える。本実施形態において、ポンプＬＤ７１０は、励起光源として例示される。
第２光学部材６２０として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶には、周期状の分極反転構造が形成される。所望の基本波レーザ光が入射されると、第２光学部材６２０は、基本波波長に対して半分の波長を持つ第２高調波（Second Harmonic Generation: 以下、ＳＨＧと称される）を発生する。例えば、上述の、周期状の分極反転構造の周期が、入射される基本波の光軸方向に約７ミクロン程度に設定されるならば、波長１０６４ｎｍの基本波は、波長５３２ｎｍの緑色光に波長変換される。このような機能性光学素子は、一般的に、波長変換素子と呼ばれる（特に、ＳＨＧ光への波長変換を行う素子は、ＳＨＧ素子と称される）。尚、高平行度が得られるように研磨加工されたレーザ結晶（第１光学部材６１０）及びＭｇＯ：ＬＮ結晶（第２光学部材６２０）を用いてオプティカルコンタクト組立体（光学素子６００）が形成されると、第１光学部材６１０の入射端面６１３（集光レンズ７２０側の端面）と第２光学部材６２０の出射端面６２３（第１光学部材６１０とオプティカルコンタクトする第２主面６２２と反対側の端面）は、略平行な位置関係になる。
第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０には、必要に応じて、反射防止膜や高反射膜が成膜されてもよい。特に、第１光学部材６１０の入射端面６１３には、８０８ｎｍの波長のレーザ光に対する反射防止特性（例えば、１％以下の反射率）と、１０６４ｎｍの波長のレーザ光に対する高反射特性（例えば、９９．５％以上の反射率）、更には５３２ｎｍの波長のレーザ光に対する高反射特性（例えば、９６％以上の反射率）といった反射透過特性を満たす誘電体多層膜が成膜される。第２光学部材６２０の出射端面６２３には１０６４ｎｍの波長のレーザ光に対する高反射特性（例えば、９９．５％以上の反射率）及び５３２ｎｍの波長のレーザ光に対する反射防止特性（例えば、９６％以上の反射率）の特性を示す誘電体多層膜が成膜されている。
ポンプＬＤ７１０は、波長８０８ｎｍの励起レーザ光を出射する。集光レンズ７２０は、励起レーザ光をレーザ結晶（第１光学部材６１０）に集光する。上述の如く、第１光学部材６１０の入射端面６１３に設けられた膜の８０８ｎｍ光に対する反射防止特性により、励起レーザ光は、ほとんど損失することなく、レーザ結晶（第１光学部材６１０）に照射される。高いパワー密度で集光された励起レーザ光は、レーザ結晶（第１光学部材６１０）内で吸収された後、１０６４ｎｍの基本波レーザ光（以下、基本波と称される）として放出される。
平行配置された第２光学部材６２０の出射端面６２３の高反射特性膜と第１光学部材６１０の入射端面６１３の高反射特性膜とにより、第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０は、１０６４ｎｍ光に対する共振器構造をなす。したがって、レーザ結晶（第１光学部材６１０）で放出された波長１０６４ｎｍの基本波は、共振モードで発振する。共振モードの基本波は、共振器（光学素子６００）内部で増幅される。この結果、共振器内部パワーとしては数ｋＷレベルの高パワーレーザ光が生成される。このような高パワーの基本波がＭｇＯ：ＬＮ結晶（第２光学部材６２０）に照射され、高い波長変換効率で、波長５３２ｎｍのＳＨＧが得られる。
共振器（光学素子６００）内部の基本波は、図３２において右方向に向かう光と、左方向に向かう光とを含む。したがって、発生するＳＨＧも同様に、二方向の成分を含む。しかしながら、第１光学部材６１０の入射端面６１３に形成された膜の５３２ｎｍの波長の光に対する高反射特性により、集光レンズ７２０に向かうＳＨＧ出力は抑えられる。かくして、発生したＳＨＧ光の殆どは、第２光学部材６２０の出射端面６２３より取り出される。
本実施形態にしたがう光学素子６００を用いて、図３２に示されるような非常にコンパクトな波長変換レーザ光源（レーザ光源７００）が形成される。特に、上述された異種材料からなる複数の光学部材（レーザ結晶（第１光学部材６１０）及びＭｇＯ：ＬＮ結晶（第２光学部材６２０））のオプティカルコンタクト組立体（光学素子６００）のオプティカルコンタクト面６４０の外周に隣接して切欠部６２１が形成され、更に、オプティカルコンタクト面６４０の外縁を覆う封止部材６３０（紫外線硬化樹脂）が切欠部６２１に充填配置される。この結果、光学素子６００の接合強度の向上、オプティカルコンタクト面６４０の面積の低減並びに封止部材６３０（紫外線硬化樹脂）による外部からのガスや水分の浸入防止が達成される。かくして、信頼性の高い波長変換レーザ光源（レーザ光源７００）が好適に形成される。
本実施形態において、２つの異種材料から形成された光学部材（第１光学部材６１０及び第２光学部材６２０）のうち一方に切欠部６２１が形成されている。代替的に、両方の光学部材に切欠部が形成されてもよい。
本実施形態において、第２光学部材６２０及び／又は第１光学部材６１０の側面（分極反転領域と垂直に交わる面）に、好ましくは、導電性材料が接触される。この結果、第１実施形態乃至第７実施形態と同様に、第２光学部材６２０からのチャージの除去及び／又は第１光学部材６１０からの放熱が適切になされる。
（第８実施形態）
図３３は、オプティカルコンタクトされる前の第１光学部材及び第２光学部材を概略的に示す斜視図である。図３４は、オプティカルコンタクトされた第１光学部材及び第２光学部材を備える光学素子の斜視図である。図３５は、図３４に示される断面Ｂを概略的に示す。図３３乃至図３５を用いて、第８実施形態にしたがう光学素子が説明される。第７実施形態と同様の要素には、同様の符号が付される。また、これらの要素には、第７実施形態での説明が援用される。
光学素子６００Ａは、第１光学部材６１０Ａと、第２光学部材６２０と、を含む。図３３に示されるように、第１光学部材６１０Ａは、第１主面６１２Ａと、第１主面６１２Ａと反対側の入射端面６１３と、を含む。第２光学部材６２０は、第２主面６２２と、第２主面６２２と反対側の出射端面６２３と、を含む。第１主面６１２Ａ及び第２主面６２２はオプティカルコンタクトされ、オプティカルコンタクト面６４０Ａを形成する（図３４及び図３５参照）。
光学素子６００Ａには、オプティカルコンタクト面６４０Ａに隣接する切欠部６２１Ａが形成される。切欠部６２１Ａは、第１光学部材６１０Ａ及び第２光学部材６２０の両方に切欠加工を使用して形成される。光学素子６００Ａは、切欠部６２１Ａに配設された封止部材６３０Ａを更に備える。封止部材６３０Ａは、オプティカルコンタクト面６４０Ａの外縁を覆う。
封止部材６３０Ａは、第１光学部材６１０Ａ及び第２光学部材６２０の双方を跨ぐ切欠部６２１Ａに充填されるので、第１光学部材６１０Ａ又は第２光学部材６２０と封止部材６３０Ａとの境界を辿り、オプティカルコンタクト面６４０Ａに到達するまでのガスや水分の経路が長くなる。したがって、本実施形態の光学素子６００Ａは、ガスや水分の浸入に対する高い耐性を有することとなる。
（第９実施形態）
図３６は、封止部材が配設される領域内に分散されたオプティカルコンタクト領域を備える光学素子の概略的な斜視図である。図３７は、図３６に示される断面Ｃを概略的に示す。本実施形態において、オプティカルコンタクト面の周囲において、例えば、光学部材（第１光学部材及び／又は第２光学部材）に、特殊な切欠部或いは凹部を形成するためのフォトリソグラフィ工程およびドライエッチング工程が施与され、柱状又は板状の構造体が形成される。その後、第１光学部材及び第２光学部材のオプティカルコンタクトプロセスが実行される。この結果、封止部材が配設される領域内で分散された複数のオプティカルコンタクト領域が形成される。第７実施形態と同様の要素には、同様の符号が付される。また、これらの要素には、第７実施形態での説明が援用される。
光学素子６００Ｂは、第１光学部材６１０Ｂと第２光学部材６２０Ｂとを備える。第１光学部材６１０Ｂ及び第２光学部材６２０Ｂはオプティカルコンタクトされ、オプティカルコンタクト面６４０が形成される。光学素子６００Ｂは、オプティカルコンタクト面６４０の外縁を覆う封止部材６３０Ｂを更に備える。
第２光学部材６２０Ｂには、切欠部６２１Ｂが形成される。切欠部６２１Ｂは、第２光学部材６２０Ｂの一部に、例えば、フォトリソグラフィ工程およびドライエッチング工程といった形状加工を施与することにより形成される。この結果、切欠部６２１の領域内に分散されたオプティカルコンタクト領域が形成される。
切欠部６２１内に分散されたオプティカルコンタクト領域によって、例えば、封止部材６３０Ｂの充填量が低減される。
第７実施形態に関連して説明された光学素子６００の場合、光学素子６００の外形寸法（オプティカルコンタクト面６４０に沿った光学素子の断面積、又は、任意の径方向におけるオプティカルコンタクト面６４０の断面積に光学素子６００の切欠部６２１の幅寸法を加えた寸法）に対して、レーザ光を透過させるオプティカルコンタクト面６４０の寸法（オプティカルコンタクト面６４０の面積）が小さいならば、封止部材６３０が硬化するときの収縮或いは膨張に起因して、切欠部６２１において光学部材（第１光学部材６１０及び／又は第２光学部材６２０）に加わる引張応力又は膨張応力が過度に大きくなる。過度に大きな引張応力又は膨張応力は、オプティカルコンタクト面６４０に不要な力を生じさせ、第１光学部材６１０と第２光学部材６２０との間の吸着状態の劣化や剥離を潜在的に引き起こす。
本実施形態に従う光学素子６００Ｂの場合、オプティカルコンタクト面６４０の周囲の切欠部６２１Ｂ内に分散された複数のオプティカルコンタクト領域によって、封止部材６３０Ｂの充填量が低減される。したがって、上述のオプティカルコンタクト面６４０に加わる不必要な力は低減される。かくして、オプティカルコンタクト面６４０における剥離や、第１光学部材６１０Ｂ及び第２光学部材６２０Ｂの位置ズレが発生しにくくなる。
第７実施形態乃至第９実施形態において、第１光学部材６１０，６１０Ａ，６１０Ｂとして、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶（レーザ結晶）が例示される。固体レーザ結晶としては、Ｎｄ：ＹＶＯ４やＮｄ：ＧｄＶＯ４が好ましい。これらの固体レーザ結晶中のＮｄのドープ量が高くされると、吸収係数が増大する。光の伝搬軸方向に対して短い距離で励起レーザ光が吸収され、基本波が発信されるので、小型のマイクロチップレーザ装置が提供される。
Ｎｄ：ＹＶＯ４やＮｄ：ＧｄＶＯ４が第１光学部材６１０，６１０Ａ，６１０Ｂに用いられると、固体レーザの励起効率が結晶軸に対して異方性を有するので、単一偏光でレーザ発振がなされる点において有利である。特に、本実施形態において例示された非線形光学結晶による波長変換は、偏光依存性を有するので、単一偏光での発振は、変換効率の大幅な向上をもたらす。周期状の分極反転構造を有する結晶の複屈折の光軸及び位相整合の光軸は一致しているので、温度による偏光の変化が少なくなる。また、単一偏光のレーザ結晶が組み合わられると、変換効率が向上し、偏光の安定化が達成される。尚、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶に比べて、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶の熱膨張係数は、ＭｇＯ：ＬＮ結晶の熱膨張係数により近いため、非線形光学結晶及びレーザ結晶がオプティカルコンタクトされるならば、結晶の温度変化に起因して生ずるオプティカルコンタクト面の歪みが小さくなる。このため、外部の環境温度変化に対して安定した接合状態が維持される。
第１光学部材として、ＧｄＳｃＧａ系、ＹＳｃＧａ系やＹＡＧ系といったセラミックレーザ媒質が用いられてもよい。これらのレーザ媒質が、上記のレーザ結晶と同様に用いられてもよい。例えば、オプティカルコンタクトされたこれらのレーザ媒質及び波長変換素子である強誘電体結晶を備える光学素子やこの光学素子を備える波長変換レーザ光源が作製されてもよい。調合・成形・焼成といったセラミックプロセスは、結晶引上げに比べて量産性に優れているので、セラミックレーザ媒質は、レーザ結晶に比べて非常に低コストで作製される点で有利である。特に、ファインセラミックスと呼ばれる機能性セラミックは光学的用途に多く用いられており有用である。
封止部材がオプティカルコンタクト面の外縁を覆うためには、切欠部又は凹部の深さ（図２９に示される寸法「ｄ」（オプティカルコンタクト面からの段差））は、１ミクロン程度で十分である。したがって、フォトリソグラフィとドライエッチングとを用いて、切欠部又は凹部が形成されてもよい。切欠部又は凹部の形成に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングが用いられるならば、オプティカルコンタクト面の形状及び大きさは精密に制御される。また、ダイシング加工に比べて、フォトリソグラフィ及びドライエッチングは大面積の堀込み加工を可能にするので、切欠部又は凹部の形成のための工程が削減される点において、フォトリソグラフィ及びドライエッチングは有利である。
封止部材は、上述の如く、オプティカルコンタクト面の外縁と外部雰囲気とを遮断する効果をもたらす。封止部材のこの重要な役割・効果は、オプティカルコンタクト面の外縁と外部雰囲気との実質的な距離に大きく影響される。
本発明者は、切欠部若しくは凹部の深さ（図２９に示される寸法「ｄ」（オプティカルコンタクト面からの段差））を変動させたサンプルと、切欠部若しくは凹部の幅（図２９に示される寸法「ｗ」（オプティカルコンタクト面からの封止部材の外周縁までの距離））とを変動させたサンプルとを用いて、オプティカルコンタクト面の外縁と外部雰囲気との実質的な距離の変動の影響（遮断効果に与える影響）を調査した。
上記の調査の結果、封止部材によるオプティカルコンタクト面と外部雰囲気との遮断効果は、切欠部又は凹部の深さ及び幅の一方に依存するのではなく、封止部材と光学部材との境界面を辿ってオプティカルコンタクト面に達するまでの実質的な距離が大きいほど遮断効果が大きくなる傾向が明らかとなった。上述の実質的な距離が、５００ミクロン以上であり、封止部材が十分に充填・硬化されている状態であるならば、実用上問題のないレベルで外部からのガスや水分の浸入が長時間防止された。
第７実施形態乃至第９実施形態において、封止部材として、紫外線硬化樹脂が例示される。光学素子の使用環境に応じて、様々な特性を有する紫外線硬化樹脂が選択可能である点において、紫外線硬化樹脂から形成された封止部材は有利である。例えば、粘度、硬化後の屈折率、耐熱性や耐薬品性といった様々な要求に応じて、適切な紫外線硬化樹脂が選択される。代替的に、光学素子に用いられる封止部材として、紫外線硬化樹脂に代えて、例えば、熱硬化性樹脂が用いられてもよい。
封止部材として、珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）又は珪酸ナトリウムをゲル化したケイ酸が用いられてもよい。高濃度の珪酸ナトリウム水溶液は、一般的に、水ガラスとして知られる水飴状の高粘度の液体である。高濃度の珪酸ナトリウム水溶液が、水に溶かされ、適度な粘度にされる。その後、適当な粘度の珪酸ナトリウム水溶液は、オプティカルコンタクト面の外周縁を覆うように、封止部材が配置される光学素子の切欠部に塗布される。その後、ピペットといった適切な器具が用いられ、適量の希塩酸が珪酸ナトリウム水溶液に加えられる。この結果、珪酸ナトリウムと塩酸との化学反応が生じ、珪酸ナトリウムはゲル化し（流動性のない非晶質の状態になり）、ケイ酸（Ｈ２ＳｉＯ３）となる。このようにゲル化したケイ酸が封止部材として用いられると、オプティカルコンタクト面へのガスや水分の浸入が適切に防止される。また、ゲル化によって、光学部材同士が強固に接着固定され、耐加工性や耐熱変動性が向上する。また、ゲル化したケイ酸は、樹脂系の封止部材よりも高い硬度を有する非晶質体（ガラスと似た特性）となるため、例えば、ダイシング加工の際にダイシングブレードの目詰まりが発生しにくくなる。したがって、光学部材と同一のブレードを用いて切断加工がなされてもよい。
尚、封止部材による接着効果を高めるために、封止部材が配置される切欠部又は凹部の加工表面は、好ましくは、鏡面ではなく、凹凸面に形成される。この結果、封止部材と光学部材との接触面積が実質的に増大し、接着効果が大きくなる。
本発明者の研究によると、封止部材として紫外線硬化樹脂が用いられるならば、１０ミクロン以上の表面粗さ（Ｒａ）に切欠部又は凹部が形成されると、封止部材の接着力が向上する。
本発明者は、２ｍｍ×２ｍｍ程度の外形寸法を有する光学素子に、１．２ｍｍ×１．２ｍｍのオプティカルコンタクト面を形成した（即ち、オプティカルコンタクト面の外周縁から光学部材の最外周面までの距離が約４００ミクロン程度となるように切欠部又は凹部が形成された）。オプティカルコンタクト面からの最大段差量（ｄ）が５００ミクロン程度の切欠部に対して、幅１０〜５０ミクロン程度、高さが１００ミクロン程度以上の微細な凹凸が形成された。このとき、上述の接着力の向上効果が顕著に現れた。また、上記構造においては、封止部材と光学部材との境界を辿ってオプティカルコンタクト面の外周縁に達するまでの距離が大きくなるため、外部雰囲気中のガスや水分のオプティカルコンタクト面への浸入が適切に防止された。
上述の説明において、紫外線硬化樹脂が封止部材として用いられている。代替的に、封止部材は、他の誘電体薄膜（例えば、ＳｉＯ２から形成された薄膜）を用いて形成されてもよい。
（第１０実施形態）
オプティカルコンタクト面と外部雰囲気とを遮断する封止部材の配設のための手法として、上述の一連の実施形態で説明されたような切欠部や凹部（オプティカルコンタクト面の外縁に隣接して形成された切欠部や凹部）を形成することなしにオプティカルコンタクト組立体を作成し、オプティカルコンタクト組立体のオプティカルコンタクト面の外縁に沿って封止部材が配設されることが考えられる。この場合、封止部材は、第１光学部材及び／又は第２光学部材の最外部よりも外方にはみ出る。このような形状の光学素子が、例えば、図３２に示されるマウント７３０の平面部に配置固定されるならば、封止部材はマウント７３０の平面部に干渉し、光学部材は水平に配置されにくくなる。したがって、第１光学部材及び／又は第２光学部材の最外部よりも外方にはみ出た封止部材との干渉を避けるための凹部の加工といった対策がマウント７３０に施される必要がある。
図３８Ａ乃至図３９Ｃは、第１光学部材及び／又は第２光学部材の最外部よりも外方にはみ出た封止部材に関連する不具合を解消するための形状を有する光学素子を例示する。図３８Ａ乃至図３９Ｃはともに、オプティカルコンタクトされた２つの光学部材を備える光学素子を示す。２つの光学部材はともに、少なくとも１つの平坦な外面を含む。この平坦な外面とオプティカルコンタクト面の両方に接するように切欠部が形成される。加えて、光学素子は、オプティカルコンタクト面の外縁を覆う封止部材を備える。封止部材は、切欠部に接していないオプティカルコンタクト面の外縁も覆う。図３８Ａ乃至図３９Ｃに示される光学素子の構造は、第７実施形態乃至第９実施形態に関連して説明された利点・効果に加えて、平坦な外面が光学素子が実装されるときの基準面として用いられるという効果をもたらす。光学素子のオプティカルコンタクト面の形状は、円形や矩形であってもよい。或いは、光学素子のオプティカルコンタクト面の形状は、円を直線で切り取った略半円形状であってもよく、多角形状であってもよい。このように、本実施形態において、光学素子のオプティカルコンタクト面は様々な形状であってもよいが、本実施形態は、光学部材の外周面が少なくとも１つの平坦な面を含むことに特徴づけられる。
図３８Ａ乃至図３８Ｃは、略半円形状の断面を有する２つの光学部材を備える光学素子を概略的に示す。図３８Ａは、オプティカルコンタクト状態にされた２つの光学部材を備える光学素子の概略的な斜視図である。図３８Ｂは、図３８Ａ中の断面Ｄを概略的に示す。図３８Ｃは、図３８Ａ中の矢印の方向から見た光学素子を示す。
図３８Ａ乃至図３８Ｃに示される光学素子６００Ｃは、第１光学部材６１０Ｃと、第２光学部材６２０Ｃと、を備える。第１光学部材６１０Ｃ及び第２光学部材６２０Ｃはともに、略半円柱形状に形成される。第１光学部材６１０Ｃは、略平坦な底面６１５と第２光学部材６２０Ｃにオプティカルコンタクト状態にされる第１主面６１２Ｃと、を含む。また、第２光学部材６２０Ｃは、略平坦な底面６２５と、第１主面６１２Ｃにオプティカルコンタクトされる第２主面６２２Ｃと、を含む。第１光学部材６１０Ｃの底面６１５及び第２光学部材６２０Ｃの底面６２５が略面一となるように、第１光学部材６１０Ｃの第１主面６１２Ｃ及び第２光学部材６２０Ｃの第２主面６２２Ｃは接合され、オプティカルコンタクト面６４０Ｃが形成される。第１主面６１２Ｃ及び第２主面６２２Ｃは、略同形同大に形成される。
光学素子６００Ｃは、オプティカルコンタクト面６４０Ｃの外縁を覆う封止部材６３０Ｃを更に備える。第２光学部材６２０Ｃには、切欠部６２１Ｃが形成される。切欠部６２１Ｃは、底面６１５，６２５及びオプティカルコンタクト面６４０Ｃに隣接するように、第２光学部材６２０Ｃの一部を切り欠いて形成される。封止部材６３０Ｃは、オプティカルコンタクト面６４０Ｃの下縁から底面６１５，６２５に至るまでの領域を占める切欠部６２１Ｃだけでなく第１光学部材６１０Ｃ及び第２光学部材６２０Ｃの湾曲面に配設される。
図３９Ａ乃至図３９Ｃは、オプティカルコンタクト面を形成する主面の大きさが異なる２つの光学素子を備える光学素子を概略的に示す。図３９Ａは、オプティカルコンタクトされたテーパ形状の光学部材及び直方体形状の光学部材を備える光学素子の概略的な斜視図である。図３９Ｂは、図３９Ａ中の断面Ｅを概略的に示す。図３９Ｃは、図３９Ａ中の矢印の方向から見た光学素子を示す。
図３９Ａ乃至図３９Ｃに示される光学素子６００Ｄは、第１光学部材６１０Ｄと、第２光学部材６２０Ｄと、を備える。第１光学部材６１０Ｄは、第２光学部材６２０Ｄに向けて狭まる（即ち、光の伝搬方向に向けて狭まる）テーパ状の６面体である。また、第２光学部材６２０Ｄは、直方体である。
第１光学部材６１０Ｄは、略平坦な底面６１５Ｄと第２光学部材６２０Ｄにオプティカルコンタクトされる第１主面６１２Ｄと、を含む。また、第２光学部材６２０Ｄは、略平坦な底面６２５Ｄと、第１主面６１２Ｄにオプティカルコンタクトされる第２主面６２２Ｄと、を含む。第１光学部材６１０Ｄの底面６１５Ｄ及び第２光学部材６２０Ｄの底面６２５Ｄが略面一となるように、第１光学部材６１０Ｄの第１主面６１２Ｄ及び第２光学部材６２０Ｄの第２主面６２２Ｄは接合され、オプティカルコンタクト面６４０Ｄが形成される。このとき、オプティカルコンタクト面６４０Ｄに対し、底面６１５Ｄ，６２５Ｄは略直角である。
光学素子６００Ｄは、オプティカルコンタクト面６４０Ｄの外縁を覆う封止部材６３０Ｄを更に備える。第１光学部材６１０Ｄには、切欠部６２１Ｄが形成される。切欠部６２１Ｄは、底面６１５Ｄ，６２５Ｄ及びオプティカルコンタクト面６４０Ｄに隣接するように、第１光学部材６１０Ｄの一部を切り欠いて形成される。封止部材６３０Ｄは、オプティカルコンタクト面６４０Ｄの下縁から底面６１５Ｄ，６２５Ｄに至るまでの領域を占める切欠部６２１Ｄだけでなく第１光学部材６１０Ｄと第２光学部材６２０Ｄとで形成される角隅部に沿って配設される。
第７実施形態乃至第１０実施形態において、異種材料からなる光学部材を備えるオプティカルコンタクト組立体として、レーザ結晶と波長変換素子とを備える光学素子及び当該光学素子を備える波長変換レーザ光源が例示される。これら一連の実施形態に係る原理は、他の光学素子（例えば、レーザ結晶と電気光学効果を示す非線形光学結晶とが組み合わされた変調器一体型レーザ光源、セラミックレーザと電極を備えるＴｅＯ２といった音響光学素子とが組み合わされた光強度変調器一体型レーザ光源や、電圧印加によるレンズ効果や回折効果を示す複数の光学素子が組み合わされた光回路素子といった様々な光学素子）に適用されてもよい。
（第１１実施形態）
上述の第７実施形態乃至第１０実施形態において、異種材料から形成されたオプティカルコンタクト組立体として、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶（レーザ結晶）とＭｇＯ：ＬＮ結晶（非線形光学結晶）とのオプティカルコンタクト組立体並びに当該オプティカルコンタクト組立体を用いた共振器構造を備える波長変換レーザ光源が例示されている。本実施形態において、オプティカルコンタクト組立体のオプティカルコンタクト面は、レーザ光の横モード制御を行うための光学窓として用いられる。本実施形態の原理は、所望の大きさ・形状のオプティカルコンタクト面を用いて、共振モードとして成立する横モードの制御がなされる点に特徴づけられる。
図４０及び図４１は、本実施形態の光学素子を例示する。図４０及び図４１に示される光学素子は、オプティカルコンタクト状態にされた固体レーザ媒質と共振器ミラーとを備えた光学結晶を含む共振器型の固体レーザ光源に適用される。
図４０は、光学窓として機能するオプティカルコンタクト面を備える光学素子を概略的に示す斜視図である。図４１は、図４０に示される断面Ｆを概略的に示す。第７実施形態と同様の要素には、同様の符号が付される。また、これらの要素には、第７実施形態での説明が援用される。
光学素子６００Ｅは、第１光学部材６１０Ｅとして用いられるレーザ結晶と、第２光学部材６２０Ｅとして用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶と、を備える。第１光学部材６１０Ｅは、第２光学部材６２０Ｅにオプティカルコンタクトされる第１主面６１２Ｅと、第１主面６１２Ｅと反対側の入射端面６１３と、を含む。第２光学部材６２０Ｅは、第１主面６１２Ｅにオプティカルコンタクトされる第２主面６２２Ｅと、第２主面６２２Ｅと反対側の出射端面６２３と、を含む。第１主面６１２Ｅ及び第２主面６２２Ｅは、オプティカルコンタクト状態にされ、オプティカルコンタクト面６４０Ｅを形成する。
第２光学部材６２０Ｅには、ＭｇＯ：ＬＮ結晶の一部を切り欠いて形成された切欠部６２１が形成される。光学素子６００Ｅは、切欠部６２１に配設された封止部材６３０を更に備える。封止部材６３０は、オプティカルコンタクト面６４０Ｅの外縁を覆う。光学素子６００Ｅは、第７実施形態に関連して説明された加工プロセスにしたがって作成可能である。
本実施形態において、光学素子６００Ｅの入射端面６１３（第１光学素子（レーザ結晶）の第１主面６１２Ｅと反対側の端面）から波長８０８ｎｍの励起用レーザ光が入射される。その後、第１光学部材６１０Ｅとして用いられるレーザ結晶において励起された波長１０６４ｎｍのレーザ光は、オプティカルコンタクト面６４０Ｅを通じて、第２光学部材６２０Ｅに伝搬する。更にその後、波長１０６４ｎｍのレーザ光は、第２光学部材６２０Ｅとして用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶の出射端面６２３（第２光学部材６２０Ｅの第２主面６２２Ｅと反対側の端面）で反射される。更に、波長１０６４ｎｍのレーザ光は、第１光学部材６１０Ｅとして用いられるレーザ結晶の入射端面６１３で再度反射される。かくして、光学素子内で、共振モードの発振が生ずる。
上述の共振モードの発振が達成されるために、第１光学部材６１０Ｅとして用いられるレーザ結晶の入射端面６１３には、波長１０６４ｎｍのレーザ光に対する高反射特性（例えば、９９．８％以上の反射率）を示す誘電体多層膜といった反射膜が成膜される。また、第２光学部材６２０Ｅとして用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶の出射端面６２３にも、波長１０６４ｎｍのレーザ光に対する高反射特性（例えば、９９．８％以上の反射率）を示す誘電体多層膜といった反射膜が成膜される。
例えば、高出力の励起用半導体レーザといった光源からレーザ光が第１光学部材６１０Ｅとして用いられるレーザ結晶に入射される。この結果、第１光学部材６１０Ｅ内での光吸収及びエネルギ準位に応じた波長のレーザ光の放出が生ずる。例えば、レーザ結晶として、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶が用いられ、ポンプ光として波長８０８ｎｍの励起レーザ光が用いられると、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶からは波長１０６４ｎｍの光が放出される。この時、励起レーザとして半導体レーザを用いられるならば、ポンプ光ビームのプロファイル（横モード）は楕円状となる。また、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶の照射領域（即ち、レーザ励起領域の断面形状）も楕円形状となる。この結果、励起される１０６４ｎｍの波長の光の横モードも楕円形状となる。
第１光学部材６１０Ｅとして用いられるレーザ結晶内での８０８ｎｍ光から１０６４ｎｍ光への変換は、モード結合（モードカップリング、単にカップリングとも言う）により成立する。８０８ｎｍの波長の光と１０６４ｎｍの波長の光とのカップリングにおいて、例えば、８０８ｎｍの波長の光のシングルモードから１０６４ｎｍの波長の光のマルチモードへのカップリング効率が優位になるときに励起される１０６４ｎｍ光は、横モードマルチとなる。このことは、出力ビームの利用の点において様々な不都合を引き起こす。例えば、波長５３２ｎｍのＳＨＧを得るために、波長１０６４ｎｍのレーザ光が波長変換素子に入射されるならば、シングルモードに比べて、変換効率が大きく低下する。横モードマルチのビームは、ビーム品質の指標である所謂Ｍ２（エムスクウェア）が大きいので、集光特性が悪い。例えば、ＭＥＭＳデバイスを備える走査型のディスプレイ装置への利用は、制限されることになる。
このような共振器構成におけるビーム横モードのシングル化に関して、マルチモードに対する損失を与えるために、共振器内に光学窓（例えば、アパーチャ）を設けることが提案されている。しかしながら、小型の光学部材が組み合わされ、コンパクトな共振器が構成される場合には、例えば、光学部材間にアパーチャを挿入するための構造が必要とされる。したがって、部品点数の増大、アパーチャの挿入位置に関する制御の必要性やアパーチャの固定の不安定性といった様々な課題が生ずる。
上述の課題に関し、本実施形態において、光学素子のオプティカルコンタクト面の形状及び大きさの制御を通じ、光学素子内を通過するレーザ光の横モードが制御される。上述の如く、本実施形態では、オプティカルコンタクトされた光学部材を用いて共振器が形成されること並びにオプティカルコンタクト面が光学窓として用いられることによって、構成部品数の削減並びに共振器構成の安定性が得られるだけでなく、光学窓の位置調整が不要となる。
上述の光学窓の形状及び大きさは、例えば、フォトリソグラフィやドライエッチングプロセスといった加工手法により、サブミクロン単位の精度で制御される。
本発明者は、図４０及び図４１に関連して説明された光学素子６００Ｅに、波長８０８ｎｍの励起レーザ光を実際に入射し、オプティカルコンタクト面６４０Ｅにおける１０６４ｎｍレーザ光のビームスポットを観察した。尚、オプティカルコンタクト面６４０Ｅは、集光位置とされた。また、集光位置でのビーム横モードの最大径が１００μｍ程度となるように励起レーザ光は調整された。
図４２Ａ及び図４２Ｂは、オプティカルコンタクト面６４０Ｅにおいて観察されたビームスポットの像を示す。図４２Ａは、直径φ１ｍｍのオプティカルコンタクト面６４０Ｅ上で観察されたビームスポットの像を示す。図４２Ｂは、直径φ３００μｍのオプティカルコンタクト面６４０Ｅ上で観察されたビームスポットの像を示す。
光学窓として機能しない大面積（φ１ｍｍ程度）のオプティカルコンタクト面６４０Ｅを有する光学素子６００Ｅに対するビームスポットの観察結果によれば、オプティカルコンタクト面６４０ＥにおけるビームのＭ２は、単軸方向で１．３９であり、長軸方向で２．３であった。本発明者は、オプティカルコンタクト面６４０Ｅの面積が異なる光学素子６００Ｅを用いて、オプティカルコンタクト面６４０Ｅの光学窓としての作用を確認した。この結果、φ４００μｍのオプティカルコンタクト面６４０Ｅで観察されたビームのＭ２は、それぞれ単軸方向において１．０７であり、長軸方向において１．５８であり、大幅に改善された。更に、φ３００μｍのオプティカルコンタクト面６４０Ｅで観察されたビームのＭ２は、それぞれ単軸方向において１．０１であり、長軸方向において１．０４であった。したがって、φ３００μｍのオプティカルコンタクト面６４０Ｅ上で、略真円に近いビーム形状が観察された。本発明者は、更に、φ２５０μｍ以下のオプティカルコンタクト面６４０Ｅを有する光学素子６００Ｅを用いた観察を行った。この観察の結果、本発明者は、φ２５０μｍ以下のオプティカルコンタクト面６４０Ｅでは、ビームの多くが光学窓によってはじかれ、実質的に１０６４ｎｍ光の励起効率が極端に低下することを確認した。したがって、オプティカルコンタクト面６４０Ｅの大きさは、オプティカルコンタクト面６４０Ｅにおけるビーム径の約３〜４倍程度に設定されることが好ましい。
（第１２実施形態）
図４３及び図４４は、テーパ形状の光学部材を備える光学素子を示す。光学素子は、共振器として用いられ、第１１実施形態と同様に、光学素子のオプティカルコンタクト面は、光学窓として機能する。
図４３は、光学素子の概略的な斜視図である。図４４は、図４３中に示される断面Ｇを概略的に示す。図４３及び図４４を用いて、光学素子が説明される。第１１実施形態と同様の要素には、同様の符号が付される。また、これらの要素には、第１１実施形態での説明が援用される。
光学素子６００Ｆは、第１光学部材６１０Ｆとして用いられるレーザ結晶と、第２光学部材６２０Ｆとして用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶と、を備える。第１光学部材６１０Ｆは、第２光学部材６２０Ｆにオプティカルコンタクトされる第１主面６１２Ｆと、第１主面６１２Ｆと反対側の入射端面６１３と、を含む。第２光学部材６２０Ｆは、第１主面６１２Ｆにオプティカルコンタクトされる第２主面６２２Ｆと、第２主面６２２Ｆと反対側の出射端面６２３と、を含む。第１主面６１２Ｆ及び第２主面６２２Ｆは、オプティカルコンタクトされ、オプティカルコンタクト面６４０Ｆを形成する。第２主面６２２Ｆは、第１主面６１２Ｆよりも広い。したがって、第１光学部材６１０Ｆの周壁（入射端面６１３と第１主面６１２Ｆとの間で延びる傾斜した壁部）と第２主面６２２Ｆとの間で角隅部が形成される。光学素子６００Ｆは、角隅部に配設された封止部材６３０Ｆを更に備える。封止部材６３０Ｆは、第１主面６１２Ｆと第２主面６２２Ｆとにより形成されたオプティカルコンタクト面６４０Ｆの外縁を封止する。
第１光学部材６１０Ｆとして用いられるレーザ結晶には、形状加工が施与され、切欠部６２１Ｆが形成される。入射端面６１３から第１主面６１２Ｆに亘って行われる形状加工を通じて、第１光学部材６１０Ｆは、テーパ形状に形成され、第２光学部材６２０Ｆに向けて徐々に狭まっている。したがって、入射端面６１３から入射した光の光軸に対して略垂直な第１光学部材６１０Ｆの断面は、光軸に沿って変化する。テーパ状に形成された第１光学部材６１０Ｆに対して、第２光学部材６２０Ｆは、略直方体である。第２光学部材６２０Ｆとして用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶の第２主面６２２Ｆは、第１光学部材６１０Ｆとして用いられるレーザ結晶の第１主面６１２Ｆよりも広い。第１光学部材６１０Ｆとして用いられるレーザ結晶の第１主面６１２Ｆ及びテーパ状に形成されたレーザ結晶の周壁の形状及び大きさは、第１主面６１２Ｆ及び周壁がレーザ光に対する光学窓として実質的に機能するように制御される。テーパ形状加工において設定されるテーパ角度（即ち、第１光学部材６１０Ｆとして用いられる光伝搬方向の長さ、第１主面６１２Ｆの断面形状及び入射端面６１３の断面形状によって決定される第１光学部材６１０Ｆの周壁面それぞれの傾斜角度）は、使用されるレーザ光波長や光学部材の特性や光学素子６００Ｆへのビームの入射条件といった光学的な条件に応じて適切に設定される。
第１光学部材６１０Ｆに対するテーパ加工は、ダイシング、研磨やエッチングといった様々な加工プロセスにより行われてもよい。尚、テーパ形状に加工された面の状態（例えば、面粗さ）は、使用される光ビームに対する損失を増減させるので、テーパ形状に加工された面の状態が適切に制御され、不要な横モードが効率的に除去されてもよい。図４４に示される光学素子６００Ｆのオプティカルコンタクト面６４０Ｆの形状及び大きさが適切に制御され、光学素子６００Ｆ内を通過するレーザ光の横モード制御が達成される。光学部材（第１光学部材６１０Ｆ，第２光学部材６２０Ｆ）がオプティカルコンタクト状態にされ共振器が構成され、且つ、オプティカルコンタクト面６４０Ｆが光学窓として用いられるので、構成部品数が削減されるとともに共振器構成の安定性が得られる。更に、光学窓の位置調整はほとんど必要とされない。
（第１３実施形態）
本実施形態では、第７実施形態に関連して説明された光学素子の作成に係る量産性並びに光学素子の実装に関する有利な特徴が説明される。
第７実施形態に関連して説明されたように、光学素子の作成時において、小片化された光学部材が用意される。光学部材に切欠加工が施された後、親水性処理とオプティカルコンタクト面の形成（第１主面と第２主面との貼り合わせ）が行われる。その後、封止部材の塗布並びに硬化がなされる。このような小片の光学部材のオプティカルコンタクトの工程における不利な点が以下に示される。
（１）オプティカルコンタクト組立体を作成するときの吸着状態の形成の容易性は、接合面の面積に依存する。大きいオプティカルコンタクト面を有するオプティカルコンタクト組立体は、比較的小さな加圧力で容易にオプティカルコンタクト面全体に亘る吸着状態が形成される一方で、オプティカルコンタクト面の面積が小さくなるにつれて、吸着状態を形成するために必要とされる加圧力は大きくなる。
（２）オプティカルコンタクトされる光学部材の表面間に数ミクロン程度の大きさの異物が存在するならば、吸着状態が形成されにくい。したがって、オプティカルコンタクトされる光学部材の表面の十分な洗浄・クリーニングが必要とされる。
上述の不都合な傾向は、特に、２ｍｍ×２ｍｍ以下の面積のオプティカルコンタクト面を有する小片の光学部材を用いてオプティカルコンタクト組立体が形成されるときに顕著となる。
本発明者は、上述の課題を解決するために、大面積のオプティカルコンタクト面を有する光学部材をオプティカルコンタクトした後、微少な面積のオプティカルコンタクト面を有する光学素子を容易に形成する方法について研究した。本発明者は、以下に示される工程を経て、上述の第７実施形態及び第１１実施形態に関連して説明された光学素子を作成した。以下に、本発明者が用いた工程が説明される。
（１）オプティカルコンタクト状態にされる光学部材の大面積の主面に対し、ダイシング加工やドライエッチングといった加工技術を用いて、溝構造（幅：Ｗ１）が形成される。このとき、溝構造の少なくとも一部は、光学部材の主面の外縁まで到達するように、ダイシング加工やドライエッチングが行われる。
（２）溝形成された光学部材の主面に対して、親水性処理が行われる。その後、溝形成された光学部材の主面は、他の光学部材とオプティカルコンタクトされ（光学部材間での吸着状態が形成され）、オプティカルコンタクト面が形成される。
（３）上述の溝構造によって光学部材間に形成されたギャップ（空隙）に封止部材が充填される。封止部材は、その後、硬化される。
（４）上述の溝幅Ｗ１より小さなブレード幅Ｗ２のダイシングブレードといった工具を用いて、封止部材が小片化され、光学素子が形成される。尚、封止部材の一部は、オプティカルコンタクト面の外縁を覆った状態を保っている。
上述の光学素子の作成工程と、第７実施形態及び第１１実施形態に関連して説明された光学素子の構造（即ち、オプティカルコンタクト面の外縁に隣接して凹部又は切欠部が形成され、当該凹部又は切欠部に配設された封止部材がオプティカルコンタクト面の外縁を覆う構造）と、を用いて、小片化された光学部材を備えるオプティカルコンタクト組立体の作成に係る課題が好適に解決される。
図４５Ａ乃至図４５Ｅは、光学素子を作成するための工程を概略的に示す。図４５乃至図４５Ｅに示される工程を通じて、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶（レーザ結晶）及びＭｇＯ：ＬＮ結晶（非線形光学結晶）が、オプティカルコンタクト状態にされ、光学素子が形成される。
図４５Ａは、第１光学部材に溝を形成する工程を概略的に示す。図４５Ｂは、溝形成後の第１光学部材（図４５Ａの工程を経た第１光学部材）と第２光学部材とをオプティカルコンタクトする（貼り合わせる）工程を概略的に示す。図４５Ｃは、吸着状態にあるオプティカルコンタクト組立体の溝形成部分（空隙）に封止部材を充填並びに硬化する工程を概略的に示す。図４５Ｄは、封止部材が充填された溝形成部分に沿って、ダイシングを用いて、光学素子を切り出すための工程を概略的に示す。図４５Ｅは、小片化された光学素子の斜視図である。
図４５Ａは、第１光学部材８１０として用いられるレーザ結晶９１０（Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶）と、レーザ結晶９１０の表面に形成された溝構造９２１を示す。尚、溝構造９２１が形成されたレーザ結晶９１０の表面は、第１主面８１２として、オプティカルコンタクト面８４０の形成に用いられる。また、第１主面８１２と反対側のレーザ結晶９１０の表面は入射端面８１３として用いられる。
図４５Ｂは、溝構造９２１が形成されたレーザ結晶９１０に加えて、第２光学部材８２０として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０を示す。図４５Ｂにおいて、レーザ結晶９１０の第１主面８１２と対向するＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０の表面は、第２主面８２２として用いられる。第２主面８２２と反対側のＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０の表面は、出射端面８２３として用いられる。第１主面８１２及び第２主面８２２はオプティカルコンタクト状態にされ、図４５Ｅに示されるオプティカルコンタクト面８４０が形成される。
図４５Ｃは、溝構造９２１が形成されたレーザ結晶９１０及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０に加えて、溝構造９２１とＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０の第２主面８２２とによって形成された空隙に充填並びに硬化された封止部材８３０を示す。以下に、詳細な作成プロセス並びに作成プロセスの特徴が説明される。
図４５Ａに示される如く、厚さ２ｍｍ、面積１２ｍｍ×１２ｍｍ、ａ−軸カットのレーザ結晶９１０が用意される。レーザ結晶９１０の主面（上面及び下面）は、鏡面研磨されている。レーザ結晶９１０の主面（上面及び下面）のうち一方の面は、オプティカルコンタクトされる第１主面８１２として用いられる。他方の面は、入射端面８１３として用いられる。第１主面８１２として用いられるレーザ結晶９１０の第１主面８１２に対し、ダイシングを用いて、溝構造９２１が形成される。溝構造９２１の形成に、例えば、３００ミクロン程度のダイシングブレード幅を有するダイシングが用いられてもよい。溝構造９２１中の溝のピッチは、例えば、１．２ｍｍに設定されてもよい。また、溝の幅は、４００〜７００ミクロン程度であってもよい。溝の深さは、３０ミクロン程度であってもよい。このような溝構造９２１の形成によって、図４５Ｅに示される小片化された光学素子８００のオプティカルコンタクト面８４０は、５００ミクロン×５００ミクロン程度〜８００ミクロン×８００ミクロン程度の矩形となる。また、図４５Ｅに示される光学素子８００の外形断面寸法は約１ｍｍ×１ｍｍ程度となる。
溝構造９２１が形成されたレーザ結晶９１０に対して、十分な有機洗浄が行われ、溝構造９２１の加工に用いられた樹脂接着剤や他の汚れ成分が除去される。その後、レーザ結晶９１０及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０の基板（厚さ０．５ｍｍ、面積１２ｍｍ×１２ｍｍ、Ｘカット板）に対して、親水性処理が行われる。親水性処理は、第７実施形態に関連して説明された処理と同様である。
図４５Ｂに示される如く、溝構造９２１が形成されたレーザ結晶９１０の第１主面８１２及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０のオプティカルコンタクトすべき主面（即ち、第２主面８２２）が、オプティカルコンタクトされる。レーザ結晶９１０の第１主面８１２とＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０の第２主面８２２との貼り合わせの間、レーザ結晶９１０の結晶軸（Ｃ軸）及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０の結晶軸が平行となるように、レーザ結晶９１０の基板及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０の基板の方向が調整される。
レーザ結晶９１０に形成された溝構造９２１によって区画されたオプティカルコンタクト面８４０の面積は、５００μｍ×５００μｍ程度〜８００μｍ×８００μｍ程度であり、非常に小さいが、貼り合わせ基板（レーザ結晶９１０及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０）全体の面積は、１２ｍｍ×１２ｍｍであり、第１主面８１２と第２主面８２２との吸着（オプティカルコンタクト状態）は比較的容易に達成される。本発明者は、上述の貼り合わせ工程を通じて、吸着状態の形成の容易性は、個々の区画されたオプティカルコンタクト面の面積にのみ依存するのではなく、オプティカルコンタクト組立体の形成に用いられる光学部材（レーザ結晶９１０及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０）全体の面積にも依存することを確認した。オプティカルコンタクト組立体の形成に用いられる光学部材（レーザ結晶９１０及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０）全体の面積が大きくなると、比較的容易に吸着状態が形成されるという傾向は、本発明者によって、初めて明らかにした特徴である。
図４６は、上述の工程を経て得られたオプティカルコンタクト組立体の実態顕微鏡画像を示す。図４６の画像は、出射端面８２３として用いられるＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０の表面側からオプティカルコンタクト面８４０を撮像した写真である。図４６のセクション（ａ）に示されるオプティカルコンタクト面８４０は、５００μｍ×５００μｍの寸法を有する。図４６のセクション（ｂ）に示されるオプティカルコンタクト面８４０は、８００μｍ×８００μｍの寸法を有する。
図４６中、明るい矩形部分は、レーザ結晶９１０とＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０とによって形成されたオプティカルコンタクト面８４０を表す。図４６中、暗い格子形状部分は、溝構造９２１及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０によって形成された空隙を表す。
オプティカルコンタクト面８４０における虹色の干渉縞は、オプティカルコンタクト面８４０における吸着状態の形成不良を意味するが、図４６において、オプティカルコンタクト面８４０での干渉縞は観察されない。したがって、上述の工程を経て、良好な吸着状態がオプティカルコンタクト面８４０で形成されていることが分かる。
オプティカルコンタクト面８４０における良好な吸着状態の形成の後、溝構造９２１及びＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０によって形成された空隙に、封止部材８３０として、紫外線硬化樹脂が充填され、その後、硬化される。本実施形態において、様々な種類の紫外線硬化樹脂が適用可能である。本発明者は、ｅｐｏｔｅｋ社製の低粘度のＯＧ１４６（４０ｃｐ）と、ケミテック社製の比較的高粘度のＵ１５４１Ｋ（６００００ｃｐ）を使用した。
粘度の差異は、充填速度の差異に帰結するけれども、両樹脂材料ともに、溝構造９２１とＭｇＯ：ＬＮ結晶９２０とにより形成された空隙に適切に充填された。また、両樹脂材料ともに、〜２０００ｍＪ／ｃｍ２程度の紫外線照射量で硬化された。本発明者は、両樹脂材料に対して、樹脂が硬化するときの収縮に起因する充填不良を観察しなかった。
樹脂の充填・硬化の後、図４５Ｄに示されるダイシング加工を通じて、オプティカルコンタクト組立体が小片化される。小片化の差異に用いられるダイシングのブレード幅は、封止部材８３０が充填された溝構造９２１の幅（４００〜７００μｍ）よりも薄い。本発明者は、オプティカルコンタクト組立体を小片化するために、１５０ミクロン幅のダイシングブレード幅を使用した。
オプティカルコンタクト組立体が小片化されると、図４５Ｅに示される光学素子８００が形成される。空隙に充填された封止部材８３０は、小片化後も、オプティカルコンタクト面８４０の外縁を覆っている。ダイシング加工時のブレード幅を含めた切除幅は、１８０ミクロン程度であるので、オプティカルコンタクト面８４０の外縁からダイシング部分までの幅（形成された溝構造９２１の幅に応じて、約１００〜約５００ミクロン程度の幅）の領域に封止部材８３０は残存する。
図４７は、上述のダイシング加工を通じて小片化されたオプティカルコンタクト組立体の実態顕微鏡による観察像を示す。
図４７に示される観察像によれば、ダイシング加工の間において、封止部材８３０が充填された領域及びオプティカルコンタクト面８４０への水の浸入やダイシングブレードからオプティカルコンタクト組立体に加わる機械的ストレスに起因するオプティカルコンタクト面８４０の剥離は観察されない。したがって、図４７の観察像から、最終的に、約１ｍｍ×１ｍｍ入出射面と２．５ｍｍの長さとを有する小片化された光学素子８００が好適に形成されたことが分かる。
上述の如く、本実施形態に従う加工工程を通じて、小片化されたオプティカルコンタクト組立体の形成における課題（即ち、オプティカルコンタクト時の吸着状態の形成の容易性の確保に関する課題）は、適切に解決される。また、充填された紫外線硬化樹脂（封止部材８３０）は、オプティカルコンタクト面８４０への水やガスの浸入を抑制する。更に、充填された紫外線硬化樹脂（封止部材８３０）は、オプティカルコンタクト組立体の接合強度を増大させるので、ダイシング加工時の機械的ストレスに対するオプティカルコンタクト組立体の耐性を増大する。かくして、小片化されたオプティカルコンタクト組立体の形成工程において、実用的な効果も得られる。
本実施形態の加工工程は、第７実施形態及び／又は第１１実施形態に示される構造の光学素子に専ら適用可能である。第７実施形態及び／又は第１１実施形態に示される構造の光学素子は、本実施形態の加工工程を通じて、容易且つ効率的に作成される。
本実施形態において、光学素子８００を形成するために、レーザ結晶９１０にのみ溝構造９２１が形成されている。代替的に、ＭｇＯ：ＬＮ結晶にのみ溝構造が形成されてもよい。或いは、光学素子８００を構成する２つの光学部材の両方に溝構造が形成されてもよい。いずれの場合も、上述の同様の効果が得られる。
本実施形態において、封止部材８３０として、紫外線硬化樹脂が用いられる。代替的に、封止部材として熱硬化性の樹脂が用いられてもよい。熱硬化性樹脂が用いられても、同様の効果が得られる。尚、熱溶融性ワックスといった、加熱しながらの充填が要求される樹脂は、本実施形態の加工工程には不向きである。加熱しながらの充填が要求される樹脂が封止部材として用いられるならば、オプティカルコンタクトされる光学部材間の熱膨張の差異による反りは吸着状態の劣化が生ずる可能性がある。
第７実施形態に関連して説明された珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）又はゲル化された珪酸ナトリウムを含むケイ酸が封止部材として用いられてもよい。高濃度の珪酸ナトリウム水溶液は、水に溶かされ、適切な粘度に調整される。その後、珪酸ナトリウム水溶液は、上述の紫外線硬化樹脂と同様に、オプティカルコンタクト組立体の外縁に面した空隙部の開口部から充填される。更にその後、ピペットを用いて、希塩酸が上述の開口部周辺に適量加えられる。この結果、充填部（空隙部）の珪酸ナトリウムが硬化（ゲル化）したケイ酸が生成される。ゲル化によって、光学部材同士が、強固に接着固定される。この結果、オプティカルコンタクト組立体の耐加工性や耐熱変動性が向上する。また、生成されたケイ酸は、樹脂系の封止部材よりも硬度を有する非晶質体（ガラスと似た特性）となるので、例えば、ダイシング加工の際にダイシングブレードの目詰まりを発生させることが少ない。したがって、光学部材に用いられたものと同一のブレードを用いて、切断加工が行われてもよい。
（第１４実施形態）
本実施形態において、上述の第１実施形態乃至第１３実施形態に関連して説明された光学素子又は波長変換レーザ光源を用いた画像表示装置が説明される。
図４８は、レーザ光を光源とするレーザプロジェクタ（２次元変調素子として強誘電体ＬＣＯＳを用いたレーザプロジェクタ）を示す。本実施形態において、レーザプロジェクタは、画像表示装置として例示される。
レーザプロジェクタ１０００は、青色レーザ光源１１００ｂ、赤色レーザ光源１１００ｒ及び緑色レーザ光源１１００ｇを備える。レーザプロジェクタ１０００は、青色レーザ光源１１００ｂ、赤色レーザ光源１１００ｒ及び緑色レーザ光源１１００ｇそれぞれに対応するコリメートレンズ１１１０ｂ、１１１０ｒ及び１１１０ｇを更に備える。青色レーザ光源１１００ｂ、赤色レーザ光源１１００ｒ及び緑色レーザ光源１１００ｇから発せられたレーザ光は、コリメートレンズ１１１０ｂ、１１１０ｒ及び１１１０ｇによってそれぞれ平行光にコリメートされる。本実施形態において、青色レーザ光源１１００ｂ、赤色レーザ光源１１００ｒ及び／又は緑色レーザ光源１１００ｇは、上述の一連の実施形態に示された光学素子を備えるレーザ光源及び／又は上述の一連の実施形態に示された波長変換レーザ光源であってもよい。
レーザプロジェクタ１０００は、コリメートレンズ１１１０ｂ、１１１０ｒ及び１１１０ｇによってコリメートされたレーザ光をそれぞれ反射するミラー１１２０ｂ、１１２０ｒ及び１１２０ｇを更に備える。ミラー１１２０ｂ、１１２０ｒ及び１１２０ｇはそれぞれ、青（波長４００−４６０ｎｍ）、赤（波長６００ｎｍ以上）及び緑（波長５２０−５６０ｎｍ）領域に反射特性を持つ誘電体多層ミラーである。ミラー１１２０ｇの直後で、青色レーザ光源１１００ｂ、赤色レーザ光源１１００ｒ及び緑色レーザ光源１１００ｇのビームパスは同軸となるように、コリメートレンズ１１１０ｂ、１１１０ｒ及び１１１０ｇ及びミラー１１２０ｂ、１１２０ｒ及び１１２０ｇが調整される。
レーザプロジェクタ１０００は、ビームをスキャンするスキャンミラー１１３０を更に備える。図４８において、スキャンミラー１１３０は、ミラー１１２０ｂ、１１２０ｒ及び１１２０ｇからのレーザ光を右方向に屈折させ、スキャンしている。
レーザプロジェクタ１０００は、ビームを線状の輝線に整形するレンズ１１４０を更に備える。レンズ１１４０として、シリンドリカルレンズが用いられてもよい。
レーザプロジェクタ１０００は、レンズ１１５０，１１６０及びレンズ１１５０，１１６０の間に配置された拡散板１１７０を更に備える。レンズ１１５０，１１６０は、一対のリレーレンズ・フィールドレンズである。拡散板１１７０は、レンズ１１４０（シリンドリカルレンズ）によって輝線に整形されたビームを、更に帯状にする。
レーザプロジェクタ１０００は、偏光ビームスプリッタとして用いられるプリズム１１８０と、強誘電体液晶表示デバイス（ＬＣＯＳ１１９０）と、を更に備える。光の偏光方向の回転を通じて、ＬＣＯＳ１１９０のＯＮ・ＯＦＦ制御がなされる。したがって、プリズム１１８０は、偏光ビームスプリッタとして機能する。
ビームは、スキャンミラー１１３０の前で合波される。その後、スキャンミラー１１３０によって光路を振られたビームは、Ｓ偏光でプリズム１１８０に入射される。プリズム１１８０内の反射膜は、Ｓ偏光で反射するように設計されている。したがって、Ｓ偏光の光は、ＬＣＯＳ１１９０を照明する。
レーザプロジェクタ１０００は、投射レンズ１２００と、スクリーン１２１０と、を更に備える。ＬＣＯＳ１１９０によって反射された光は、投射レンズ１２００を通じて、スクリーン１２１０に投影される。
レーザプロジェクタ１０００は、コントローラ１２２０を備える。コントローラ１２２０は、ＬＣＯＳ１１９０を駆動するための第１駆動回路１２２１と、レーザ光源（青色レーザ光源１１００ｂ、赤色レーザ光源１１００ｒ及び緑色レーザ光源１１００ｇ）及びスキャンミラー１１３０を駆動するための第２駆動回路１２２２と、レーザ電流源１２２３と、を備える。本実施形態において、第２駆動回路１２２２は、レーザ駆動回路として例示される。
ビデオ信号１２２４は、第１駆動回路１２２１に入力される。第１駆動回路１２２１は、その後、ＬＣＯＳ１１９０を駆動するためのＬＣＯＳ駆動信号１２２５を生成する。ＬＣＯＳ駆動信号１２２５の１つとして生成されるＶ−ＳＹＮＣ信号１２２６は、トリガ信号として、第２駆動回路１２２２へ出力される。
第２駆動回路１２２２は、その後、Ｖ−ＳＹＮＣ信号１２２６に基づき、発光トリガ１２２７を生成並びに出力する。発光トリガ１２２７は、スキャンミラー１１３０の駆動波形と、レーザ光源（青色レーザ光源１１００ｂ、赤色レーザ光源１１００ｒ及び緑色レーザ光源１１００ｇ）の発光タイミングとを表す。発光トリガ１２２７は、レーザ電流源１２２３へ入力される。レーザ電流源１２２３は、発光トリガ１２２７に基づき、レーザ光源（青色レーザ光源１１００ｂ、赤色レーザ光源１１００ｒ及び緑色レーザ光源１１００ｇ）に電流を供給する。
上述の一連の動作及び制御を通じて、スクリーン１２１０上に画像が表示される。
（第１５実施形態）
本実施形態において、上述の第１実施形態乃至第１３実施形態に関連して説明された光学素子又は波長変換レーザ光源を用いた画像表示装置が説明される。
図４９は、レーザ光を用いたヘッドアップディスプレイ装置を概略的に示す。本実施形態において、ヘッドアップディスプレイ装置は、画像表示装置として例示される。
ヘッドアップディスプレイ装置２０００は、青色レーザ光源２１００ｂ、赤色レーザ光源２１００ｒ及び緑色レーザ光源２１００ｇを備える。ヘッドアップディスプレイ装置２０００は、小型液晶パネル或いはデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）といった２次元変調素子２１１０と、投射レンズ２１２０と、中間スクリーン２１３０と、折り返しミラー２１４０と、これらの要素を制御するためのコントローラ２１５０と、を更に備える。
青色レーザ光源２１００ｂ、赤色レーザ光源２１００ｒ及び緑色レーザ光源２１００ｇから発せられたレーザ光は、光学系（図示せず）を介して、合波・成型され、その後、２次元変調素子２１１０を照明する。２次元変調素子２１１０で変調された光は、投射レンズ２１２０を介して、中間スクリーン２１３０に投影される。この結果、中間スクリーン２１３０上で、描画がなされる。
ヘッドアップディスプレイ装置２０００は、画像データが入力される入力ポート２１６０を更に備える。ヘッドアップディスプレイ装置２０００を用いて表示される画像のデータは、入力ポート２１６０から電気信号として入力される。コントローラ２１５０は、画像データの信号を２次元変調素子２１１０の駆動信号に変換する。また、コントローラ２１５０は、画像データの信号に基づき、青色レーザ光源２１００ｂ、赤色レーザ光源２１００ｒ及び緑色レーザ光源２１００ｇの点灯タイミングを規定するタイミング信号を生成する。
コントローラ２１５０は、タイミング信号に連動して、青色レーザ光源２１００ｂ、赤色レーザ光源２１００ｒ及び緑色レーザ光源２１００ｇに必要な電流を供給し、青色レーザ光源２１００ｂ、赤色レーザ光源２１００ｒ及び緑色レーザ光源２１００ｇを点灯させる。
上述の如く、中間スクリーン２１３０に描画された画像を表す表示光２１７０は、折り返しミラー２１４０によって、車両のフロントガラス２１８０上に取り付けられた反射ミラー２１９０に向けて反射される。反射ミラー２１９０は、更に、表示光２１７０をドライバ２２００に向けて反射する。
この結果、フロントガラス２１８０越しに表示光２１７０により表された画像の虚像２２１０（図４９中、点線で表される領域）を視認することができる。
上述の一連の動作及び制御を通じて、ヘッドアップディスプレイ装置２０００はドライバ２２００に画像を提供することができる。
第１４実施形態及び第１５実施形態に関連して説明された画像表示装置において、例えば、緑色レーザ光源１１００ｇ，２１００ｇに、上述の第１実施形態乃至第１３実施形態に関連して説明された光学素子及び／又は光学素子を備える波長変換レーザ光源の原理が適用されてもよい。この結果、光源は、幅広い温度範囲で長期間安定した出力を達成することができる。かくして、画像表示装置は、幅広い温度範囲で安定した輝度を保つことができる。
上述された実施形態は、以下の構成を主に備える。
上述の実施形態の一局面に係る波長変換レーザ光源は、基本波光を発生するための固体レーザ媒質と、前記基本波光を、前記基本波光よりも高い周波数の第２高調波光へ変換する波長変換素子と、該波長変換素子に接する導電性材料と、を備え、該波長変換素子は、複数の分極反転領域が形成された分極反転構造と、前記分極反転領域と垂直に交わる第１側面と、を含み、前記導電性材料は、前記第１側面に接することを特徴とする。
上記構成によれば、固体レーザ媒質は、基本波光を発生する。波長変換素子は、基本波光よりも高い周波数の第２高調波光へ変換する。波長変換素子は、複数の分極反転領域が形成された分極反転構造と、分極反転領域と垂直に交わる第１側面と、を含む。導電性材料は、第１側面に接するので、長時間に亘って波長変換レーザ光源の出力が維持される。
上記構成において、前記分極反転構造は、前記第１側面に露出し、前記導電性材料は、前記第１側面に露出した前記分極反転構造に直接的に接することが好ましい。
上記構成によれば、導電性材料は、第１側面に露出した分極反転構造に直接的に接するので、長時間に亘って波長変換レーザ光源の出力が維持される。
上記構成において、前記波長変換素子及び前記固体レーザ媒質は、オプティカルコンタクトされ、第１光学素子を形成し、前記固体レーザ媒質は、前記第１側面と連続する第２側面を含み、該第２側面は、前記導電性材料に接することが好ましい。
上記構成によれば、波長変換素子及び固体レーザ媒質は、オプティカルコンタクトされ、第１光学素子を形成する。固体レーザ媒質は、第１側面と連続する第２側面を含む。第２側面は、導電性材料に接するので、導電性材料は、固体レーザ媒質から放熱する。したがって、長時間に亘って波長変換レーザ光源の出力が維持される。
上記構成において、前記固体レーザ媒質が発するレーザ光の横モードを維持する第２光学素子を更に備え、前記第１光学素子及び前記第２光学素子は、オプティカルコンタクトされ、前記第２光学素子は、前記レーザ光が出射される出射部を含み、該出射部は、球面凸レンズ形状に形成されることが好ましい。
上記構成によれば、第１光学素子及び第２光学素子は、オプティカルコンタクトされる。第２光学素子は、レーザ光が出射される出射部を含む。出射部は、球面凸レンズ形状に形成され、固体レーザ媒質が発するレーザ光の横モードを維持することができる。
上記構成において、前記第２光学素子は、前記固体レーザ媒質の端面に接合されることが好ましい。
上記構成によれば、第２光学素子は、固体レーザ媒質の端面に接合されるので、波長変換効率が向上する。
上記構成において、前記第１側面は、前記波長変換素子の分極方向と平行であり、且つ、前記波長変換素子の結晶軸と交わる第１短絡面及び第２短絡面を含み、該第１短絡面及び前記第２短絡面は、互いに電気的に短絡されることが好ましい。
上記構成によれば、第１側面は、波長変換素子の分極方向と平行であり、且つ、波長変換素子の結晶軸と交わる第１短絡面及び第２短絡面を含む。第１短絡面及び第２短絡面は、互いに電気的に短絡されるので、波長変換素子内で発生したチャージが適切にキャンセルされる。したがって、長時間に亘って波長変換レーザ光源の出力が維持される。
上記構成において、前記導電性材料の抵抗率は、１０×１０−５Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。
上記構成によれば、導電性材料の抵抗率は、１０×１０−５Ω・ｃｍ以下であるので、長時間に亘って波長変換レーザ光源の出力が維持される。
上記構成において、前記固体レーザ媒質は、前記波長変換素子にオプティカルコンタクト状態となっている接合面と、該接合面と反対側の対向面と、を含み、前記接合面の面積は、前記対向面の面積よりも大きいことが好ましい。
上記構成によれば、固体レーザ媒質は、波長変換素子にオプティカルコンタクト状態となっている接合面と、接合面と反対側の対向面と、を含む。接合面の面積は、対向面の面積よりも大きいので、固体レーザ媒質と波長変換素子との間の接合力は強くなる。また、対向面周囲における放熱が促されるので、長時間に亘って波長変換レーザ光源の出力が維持される。
上記構成において、前記固体レーザ媒質と前記波長変換素子との間の接合部を封止する封止部材を更に備え、前記固体レーザ媒質は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第１主面を含み、前記波長変換素子は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第２主面を含み、前記接合部は、前記第１主面及び前記第２主面が水素結合を介してオプティカルコンタクト状態にされたオプティカルコンタクト面を含み、該オプティカルコンタクト面は、前記レーザ光の透過を許容し、前記固体レーザ媒質及び前記波長変換素子のうち少なくとも一方には、前記オプティカルコンタクト面の外縁に隣接する凹部又は切欠部が形成され、前記凹部又は前記切欠部に配設された前記封止部材は、前記オプティカルコンタクト面の前記外縁を覆うことが好ましい。
上記構成によれば、封止部材は、固体レーザ媒質と波長変換素子との間の接合部を封止する。固体レーザ媒質は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第１主面を含む。波長変換素子は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第２主面を含む。接合部は、第１主面及び第２主面が水素結合を介してオプティカルコンタクト状態にされたオプティカルコンタクト面を含む。オプティカルコンタクト面は、レーザ光の透過を許容する。固体レーザ媒質及び波長変換素子のうち少なくとも一方には、オプティカルコンタクト面の外縁に隣接する凹部又は切欠部が形成される。凹部又は切欠部は、オプティカルコンタクト面の面積を不必要に増大させないので、第１主面と第２主面との間のオプティカルコンタクトが比較的容易に達成される。凹部又は切欠部に配設された封止部材は、オプティカルコンタクト面の前記外縁を覆うので、オプティカルコンタクト面と外気との接触が適切に防止される。したがって、第１主面と第２主面との接合強度が長期間に亘って適切に維持される。
上述の実施形態の他の局面に係る光学素子は、基本波光を発生するための固体レーザ媒質と、前記基本波光を、前記基本波光よりも高い周波数の第２高調波光へ変換する波長変換素子と、を備え、前記固体レーザ媒質は、前記波長変換素子にオプティカルコンタクト状態となっている接合面と、該接合面と反対側の対向面と、を含み、前記接合面の面積Ｓ１は、前記対向面の面積Ｓ２よりも大きいことを特徴とする。
上記構成によれば、固体レーザ媒質は、基本波光を発生する。波長変換素子は、基本波光よりも高い周波数の第２高調波光へ変換する。固体レーザ媒質は、波長変換素子にオプティカルコンタクト状態となっている接合面と、接合面と反対側の対向面と、を含む。接合面の面積Ｓ１は、対向面の面積Ｓ２よりも大きいので、固体レーザ媒質と波長変換素子との間の接合力は強くなる。また、対向面周囲における放熱が促されるので、長時間に亘って光学素子からの出力が維持される。
上記構成において、前記接合面の前記面積Ｓ１と前記対向面の面積Ｓ２との関係は、０．７５×Ｓ１＞Ｓ２の不等式で表されることが好ましい。
上記構成によれば、接合面の面積Ｓ１と対向面の面積Ｓ２との関係は、０．７５×Ｓ１＞Ｓ２の不等式で表されるので、対向面周囲における放熱が適切に行われる。
上記構成において、前記接合面の外縁を覆う封止部材を更に備え、該封止部材は、前記接合面の外気との接触を防止することが好ましい。
上記構成によれば、接合面の外縁を覆う封止部材は、接合面の外気との接触を防止するので、固体レーザ媒質と波長変換素子との接合が適切に維持される。
上記構成において、前記固体レーザ媒質及び前記波長変換素子は、前記接合面に対して垂直な面を含み、該垂直な面には、前記接合面の外縁に沿う突起部が形成され、該突起部は、前記固体レーザ媒質のｃ軸方向と平行であることが好ましい。
上記構成によれば、固体レーザ媒質及び前記波長変換素子は、前記接合面に対して垂直な面を含む。垂直な面には、接合面の外縁に沿う突起部が形成される。突起部は、固体レーザ媒質のｃ軸方向と平行であるので、使用者は、突起部に基づき、固体レーザ媒質のｃ軸方向を見極めることができる。
上述の実施形態の更に他の局面に係る波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、前記光を前記光学素子に集光する集光光学要素と、を備え、前記光学素子には、前記光の偏光方向に延びる突起部が形成されることを特徴とする。
上記構成によれば、集光光学要素は、励起光源からの光を上述の光学素子に集光する。光学素子には、光の偏光方向に延びる突起部が形成されるので、使用者は、突起部に基づき、光の偏光方向を見極めることができる。
上述の実施形態の更に他の局面に係る波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、前記光を前記光学素子に集光する集光光学要素と、を備え、前記光学素子は、レーザ光を出射する出射部を含み、前記固体レーザ媒質に添加されたレーザ活性物質の濃度は、前記励起光源から前記出射部に向けて低下することを特徴とする。
上記構成によれば、集光光学要素は、励起光源からの光を上述の光学素子に集光する。光学素子は、レーザ光を出射する出射部を含む。固体レーザ媒質に添加されたレーザ活性物質の濃度は、励起光源から出射部に向けて低下するので、励起光源からの光の波長変動に拘わらず、固体レーザ媒質は励起光源からの光を安定して吸収することができる。
上記構成において、出力が５００ｍＷ以上で動作最高温度が４０℃以上であることが好ましい。
上記構成によれば、比較的広い動作温度範囲の下、比較的高い出力が達成される。
上述の実施形態の更に他の局面に係る光学素子は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第１主面を有する第１光学部材と、前記第１主面に水素結合を介したオプティカルコンタクトされ、前記第１主面とともにレーザ光が透過可能なオプティカルコンタクト面を形成する第２主面を含む第２光学部材と、前記オプティカルコンタクト面を封止する封止部材と、を備え、前記第２主面は、少なくとも部分的に鏡面研磨され、前記第１光学部材及び該第１光学部材とは異なる物質から形成された前記第２光学部材のうち少なくとも一方には、前記オプティカルコンタクト面の外縁に隣接する凹部又は切欠部が形成され、前記凹部又は切欠部に配設された前記封止部材は、前記オプティカルコンタクト面の前記外縁を覆うことを特徴とする。
上記構成によれば、固体レーザ媒質は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第１主面を含む。波長変換素子は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第２主面を含む。接合部は、第１主面及び第２主面が水素結合を介してオプティカルコンタクト状態にされたオプティカルコンタクト面を含む。オプティカルコンタクト面は、レーザ光の透過を許容する。固体レーザ媒質及び波長変換素子のうち少なくとも一方には、オプティカルコンタクト面の外縁に隣接する凹部又は切欠部が形成される。凹部又は切欠部は、オプティカルコンタクト面の面積を不必要に増大させないので、第１主面と第２主面との間のオプティカルコンタクトが比較的容易に達成される。凹部又は切欠部に配設された封止部材は、オプティカルコンタクト面の前記外縁を覆うので、オプティカルコンタクト面と外気との接触が適切に防止される。したがって、第１主面と第２主面との接合強度が長期間に亘って適切に維持される。
上記構成において、前記第１光学部材及び該第１光学部材に接合された第２光学部材は、少なくとも１つの平坦な面を形成し、前記凹部又は前記切欠部は、前記オプティカルコンタクト面の前記外縁から前記平坦な面に至るまでの領域に形成されることが好ましい。
上記構成によれば、第１光学部材及び第１光学部材に接合された第２光学部材は、少なくとも１つの平坦な面を形成するので、光学素子は、比較的容易に実装される。また、凹部又は切欠部は、オプティカルコンタクト面の外縁から平坦な面に至るまでの領域に形成されるので、封止部材は、オプティカルコンタクト面と外気との接触を適切に防止する。したがって、第１主面と第２主面との接合強度が長期間に亘って適切に維持される。
上記構成において、前記オプティカルコンタクト面の前記外縁に隣接して配設された前記封止部材は、前記オプティカルコンタクト面の外気との接触を防止することが好ましい。
上記構成によれば、オプティカルコンタクト面の外縁に隣接して配設された封止部材は、オプティカルコンタクト面の外気との接触を防止することができる。
上記構成において、前記凹部又は切り欠き部は、前記第１光学部材と前記第２光学部材とを１ミクロン以上５００ミクロン以下の寸法で離間させる深さ寸法を有することが好ましい。
上記構成によれば、封止部材は、オプティカルコンタクト面と、外気や水分との接触を防止することができる。
上述の実施形態の更に他の局面に係る波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、を備え、該光学素子の前記オプティカルコンタクト面は、前記光学素子を伝搬する前記光に対して、レーザ発振横モード制御を行う光学窓として機能することを特徴とする。
上記構成によれば、波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、を備える。光学素子のオプティカルコンタクト面は、光学素子を伝搬する光に対して、レーザ発振横モード制御を行う光学窓として機能する。したがって、比較的簡素な構成の波長レーザ光源を用いて、レーザ発振横モードの制御がなされる。
上述の実施形態の更に他の局面に係る波長変換レーザ光源は、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、を備え、前記第１光学部材及び前記第２光学部材のうち少なくとも一方の形状は、前記光の伝搬方向に沿ってテーパ状に形成され、前記伝搬方向に垂直な前記光学部材の断面は、前記光学素子中を伝搬する前記光に対して、レーザ発振横モード制御を行う光学窓として機能することを特徴とする。
上記構成によれば、光を発する励起光源と、上述の光学素子と、を備える。第１光学部材及び第２光学部材のうち少なくとも一方の形状は、光の伝搬方向に沿ってテーパ状に形成される。伝搬方向に垂直な光学部材の断面は、光学素子中を伝搬する光に対して、レーザ発振横モード制御を行う光学窓として機能する。したがって、比較的簡素な構成の波長レーザ光源を用いて、レーザ発振横モードの制御がなされる。
上述の実施形態の更に他の局面に係る画像表示装置は、光を発するレーザ光源と、前記レーザ光源に電流を供給するレーザ駆動回路と、前記光を変調し、画像を形成する変調素子と、前記変調素子から出射される光を反射する反射ミラーと、前記変調素子を駆動するコントローラと、を備え、前記レーザ光源は、上述の波長変換レーザ光源を含むことを特徴とする。
上記構成によれば、レーザ駆動回路が電流を供給すると、レーザ光源は光を発する。画像変調素子は、レーザ光源からの光を変調する。反射ミラーは、変調素子から出射される光を反射する。コントローラは、画像変調素子を駆動し、画像表示装置が表示する画像を制御する。レーザ光源は、上述の波長変換レーザ光源を含むので、長期間に亘って、高い出力を維持することができる。
上記構成において、前記波長変換素子は、ＭｇＯ添加ニオブ酸リチウム、ＭｇＯ添加タンタル酸リチウム、定比組成のＭｇＯ添加ニオブ酸リチウム、定比組成の添加タンタル酸リチウム及びリン酸チタニルカリウムからなる群から選択される材料から形成されることが好ましい。
上記構成によれば、波長変換効率に優れた波長変換素子が形成される。
上記構成において、前記封止部材は、紫外線硬化樹脂材料から形成されることが好ましい。
上記構成によれば、封止部材によって、オプティカルコンタクト面が簡便且つ適切に封止される。
上記構成において、前記封止部材は、珪酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）又は珪酸ナトリウムをゲル化したケイ酸（Ｈ２ＳｉＯ３）からなる群から選択される材料から形成されることが好ましい。
上記構成によれば、封止部材によって、オプティカルコンタクト面が簡便且つ適切に封止される。
上記構成において、前記封止部材は、誘電体薄膜からなることが好ましい。
上記構成によれば、封止部材によって、オプティカルコンタクト面が簡便且つ適切に封止される。
上記構成において、前記第１光学部材は、ＹＶＯ４、Ｎｄ（ネオジウム）ドープＹＶＯ４、ＧｄＶＯ４、ＮｄドープＧｄＶＯ４からなる群から選択されるレーザ結晶であり、前記第２光学部材が、電気光学効果、非線形光学効果又は音響光学効果のいずれかを有する誘電体結晶であることが好ましい。
上記構成において、電気光学効果、非線形光学効果又は音響光学効果が得られる。
上述の実施形態の原理にしたがって、オプティカルコンタクト型の波長変換光源において、横モードの変化に起因する緑色光の出力低下が適切に抑制される。かくして、小型且つピーク出力値１０００ｍＷ以上の高い出力を発するレーザ光源装置が提供される。

Claims (23)

  1. 基本波光を発生するための固体レーザ媒質と、
    前記基本波光を、前記基本波光よりも高い周波数の第２高調波光へ変換する波長変換素子と、
    該波長変換素子に接する導電性材料と、を備え、
    該波長変換素子は、複数の分極反転領域が形成された分極反転構造と、前記分極反転領域と垂直に交わる第１側面と、を含み、
    前記導電性材料は、前記第１側面に接することを特徴とする波長変換レーザ光源。
  2. 前記分極反転構造は、前記第１側面に露出し、
    前記導電性材料は、前記第１側面に露出した前記分極反転構造に直接的に接することを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ光源。
  3. 前記波長変換素子及び前記固体レーザ媒質は、オプティカルコンタクトされ、第１光学素子を形成し、
    前記固体レーザ媒質は、前記第１側面と連続する第２側面を含み、
    該第２側面は、前記導電性材料に接することを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換レーザ光源。
  4. 前記固体レーザ媒質が発するレーザ光の横モードを維持する第２光学素子を更に備え、
    前記第１光学素子及び前記第２光学素子は、オプティカルコンタクトされ、
    前記第２光学素子は、前記レーザ光が出射される出射部を含み、
    該出射部は、球面凸レンズ形状に形成されることを特徴とする請求項３に記載の波長変換レーザ光源。
  5. 前記第２光学素子は、前記固体レーザ媒質の端面に接合されることを特徴とする請求項４に記載の波長変換レーザ光源。
  6. 前記第１側面は、前記波長変換素子の分極方向と平行であり、且つ、前記波長変換素子の結晶軸と交わる第１短絡面及び第２短絡面を含み、
    該第１短絡面及び前記第２短絡面は、互いに電気的に短絡されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の波長変換レーザ光源。
  7. 前記導電性材料の抵抗率は、１０×１０−５Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の波長変換レーザ光源。
  8. 前記固体レーザ媒質は、前記波長変換素子にオプティカルコンタクト状態となっている接合面と、該接合面と反対側の対向面と、を含み、
    前記接合面の面積は、前記対向面の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の波長変換レーザ光源。
  9. 前記固体レーザ媒質と前記波長変換素子との間の接合部を封止する封止部材を更に備え、
    前記固体レーザ媒質は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第１主面を含み、
    前記波長変換素子は、少なくとも部分的に鏡面研磨された第２主面を含み、
    前記接合部は、前記第１主面及び前記第２主面が水素結合を介してオプティカルコンタクト状態となっているオプティカルコンタクト面を含み、
    該オプティカルコンタクト面は、前記レーザ光の透過を許容し、
    前記固体レーザ媒質及び前記波長変換素子のうち少なくとも一方には、前記オプティカルコンタクト面の外縁に隣接する凹部又は切欠部が形成され、
    前記凹部又は前記切欠部に配設された前記封止部材は、前記オプティカルコンタクト面の前記外縁を覆うことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の波長変換レーザ光源。
  10. 基本波光を発生するための固体レーザ媒質と、
    前記基本波光を、前記基本波光よりも高い周波数の第２高調波光へ変換する波長変換素子と、を備え、
    前記固体レーザ媒質は、前記波長変換素子にオプティカルコンタクト状態となっている接合面と、該接合面と反対側の対向面と、を含み、
    前記接合面の面積Ｓ１は、前記対向面の面積Ｓ２よりも大きいことを特徴とする光学素子。
  11. 前記接合面の前記面積Ｓ１と前記対向面の面積Ｓ２との関係は、０．７５×Ｓ１＞Ｓ２の不等式で表されることを特徴する請求項１０に記載の光学素子。
  12. 前記接合面の外縁を覆う封止部材を更に備え、
    該封止部材は、前記接合面への水分の浸入を防止することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の光学素子。
  13. 前記固体レーザ媒質及び前記波長変換素子は、前記接合面に対して垂直な面を含み、
    該垂直な面には、前記接合面の外縁に沿う突起部が形成され、
    該突起部は、前記固体レーザ媒質のｃ軸方向と平行であることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の光学素子。
  14. 光を発する励起光源と、
    請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の光学素子と、
    前記光を前記光学素子に集光する集光光学要素と、を備え、
    前記光学素子には、前記光の偏光方向に延びる突起部が形成されることを特徴とする波長変換レーザ光源。
  15. 光を発する励起光源と、
    請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の光学素子と、
    前記光を前記光学素子に集光する集光光学要素と、を備え、
    前記光学素子は、レーザ光を出射する出射部を含み、
    前記固体レーザ媒質に添加されたレーザ活性物質の濃度は、前記励起光源から前記出射部に向けて低下することを特徴とする波長変換レーザ光源。
  16. 出力が５００ｍＷ以上で動作最高温度が４０℃以上であることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の波長変換レーザ光源。
  17. 少なくとも部分的に鏡面研磨された第１主面を有する第１光学部材と、
    前記第１主面に水素結合を介してオプティカルコンタクトされ、前記第１主面とともにレーザ光が透過可能なオプティカルコンタクト面を形成する第２主面を含む第２光学部材と、
    前記オプティカルコンタクト面を封止する封止部材と、を備え、
    前記第２主面は、少なくとも部分的に鏡面研磨され、
    前記第１光学部材及び該第１光学部材とは異なる物質から形成された前記第２光学部材のうち少なくとも一方には、前記オプティカルコンタクト面の外縁に隣接する凹部又は切欠部が形成され、
    前記凹部又は切欠部に配設された前記封止部材は、前記オプティカルコンタクト面の前記外縁を覆うことを特徴とする光学素子。
  18. 前記第１光学部材及び該第１光学部材に接合された第２光学部材は、少なくとも１つの平坦な面を形成し、
    前記凹部又は前記切欠部は、前記オプティカルコンタクト面の前記外縁から前記平坦な面に至るまでの領域に形成されることを特徴とする請求項１７に記載の光学素子。
  19. 前記オプティカルコンタクト面の前記外縁に隣接して配設された前記封止部材は、前記オプティカルコンタクト面の外気との接触を防止することを特徴とする請求項１７又は１８に記載の光学素子。
  20. 前記凹部又は切り欠き部は、前記第１光学部材と前記第２光学部材とを１ミクロン以上５００ミクロン以下の寸法で離間させる深さ寸法を有することを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の光学素子。
  21. 光を発する励起光源と、
    請求項１７から請求項２０のいずれか１項に記載の光学素子と、を備え、
    該光学素子の前記オプティカルコンタクト面は、前記光学素子を伝搬する前記光に対して、レーザ発振横モード制御を行う光学窓として機能することを特徴とする波長変換レーザ光源。
  22. 光を発する励起光源と、
    請求項１７から請求項２０のいずれか１項に記載の光学素子と、を備え、
    前記第１光学部材及び前記第２光学部材のうち少なくとも一方の形状は、前記光の伝搬方向に沿ってテーパ状に形成され、
    前記伝搬方向に垂直な前記光学部材の断面は、前記光学素子中を伝搬する前記光に対して、レーザ発振横モード制御を行う光学窓として機能することを特徴とする波長変換レーザ光源。
  23. 光を発するレーザ光源と、
    前記レーザ光源に電流を供給するレーザ駆動回路と、
    前記光を変調し、画像を形成する変調素子と、
    前記変調素子から出射される光を反射する反射ミラーと、
    前記変調素子を駆動するコントローラと、を備え、
    前記レーザ光源は、請求項１乃至９、請求項１４乃至１６、請求項２１及び請求項２２のいずれか１項に記載の波長変換レーザ光源を含むことを特徴とする画像表示装置。
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