WO2007013513A1 - 波長変換素子、レーザ光源装置、２次元画像表示装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

波長変換素子、レーザ光源装置、２次元画像表示装置及びレーザ加工装置 Download PDF

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WO2007013513A1
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wavelength conversion
conversion element
crystal
wavelength
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Hiroyuki Furuya
Akihiro Morikawa
Kiminori Mizuuchi
Kazuhisa Yamamoto
Shin-Ichi Kadowaki
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
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    • G02F2203/21—Thermal instability, i.e. DC drift, of an optical modulator; Arrangements or methods for the reduction thereof

Definitions

  • Wavelength conversion element Wavelength conversion element, laser light source device, two-dimensional image display device, and laser processing device
  • the present invention relates to a wavelength conversion element using a nonlinear optical crystal used for optical wavelength conversion, a laser light source device using the element, a two-dimensional image display device, and a laser processing device.
  • a high output calendar light source As a light source used in a laser carriage apparatus or a laser display, a high output calendar light source has attracted attention.
  • solid-state lasers such as YAG lasers and fiber lasers using fibers doped with rare earths such as Yb and Nd have been developed.
  • semiconductor lasers using gallium arsenide, gallium nitride, and the like have been developed, and high output is also being studied.
  • LiB 2 O: LBO Lithium triborate
  • j8 barium borate j8—BaB 2 O 3
  • Tanyl potassium KTP
  • cesium lithium borate CsLiB 2 O: CLBO
  • the above-mentioned LBO crystal is susceptible to destruction and deterioration of the crystal due to the fundamental wave and the generated second harmonic. While it has the feature that it does not occur easily, the nonlinear optical constant is small, so to obtain high conversion efficiency, it is necessary to construct a resonator and place crystals inside it, and the device structure is complicated and dense. Adjustment is required.
  • the KTP crystal can achieve high conversion efficiency without configuring a resonator with a large nonlinear optical constant compared to the LBO crystal.
  • the KTP crystal breaks and deteriorates due to the fundamental wave and the generated second harmonic. Has the disadvantage of being prone to occur.
  • Wavelength conversion can be performed by determining crystals to be used in the trade-off or by using a plurality of wavelength conversion elements as in Patent Document 3. It is also being studied to reduce the power density of the fundamental wave per element and suppress degradation.
  • FIG. 30 shows the configuration of the wavelength converter described in Patent Document 3.
  • the fundamental wave emitted from the fundamental light source 101 is wavelength-converted by the wavelength conversion portion 102a, and then the second harmonic (green light) 105a is separated by the separation mirror 103a. Further, the fundamental wave transmitted through the separation mirror 103a is wavelength-converted by the wavelength conversion portion 102b, and then the second harmonic (green light) 105b is separated by the separation mirror 103b, and the remaining fundamental wave 10 6 It becomes. In this case, if the number of wavelength conversion elements increases, the structure becomes complicated and the number of parts doubles! There was a problem.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 described above describe a method of adding magnesium oxide in order to avoid a phenomenon called photodamage.
  • Non-Patent Document 1 also describes a method of adding acid magnesium in order to avoid photodamage.
  • Non-Patent Document 2 reports an example of generating 1.7 W of green light by further heating a lithium niobate crystal containing 5 mol of magnesium oxide to 140 ° C.
  • optical damage described above is caused by a photo-induced refractive index change phenomenon in which electrons are excited by an optical electric field and the refractive index around the position where the laser beam passes changes due to the electro-optical effect of the crystal (photorefractive: Photorefractive). More specifically, optical damage is limited to low-power green light (second harmonic) on the order of several hundred mW when infrared light that is the fundamental wave is converted to green light (second harmonic). Occurs even when no magnesium oxide is added.
  • the impurities that cause the absorption peak in the crystal are removed as much as possible, and the element that constitutes the vacancies that are still generated is still present.
  • the absorption edge of the transmittance can be controlled to be shorter by adding acid magnesium or acid zinc. It has been proposed to improve the transmittance in the general visible range (rather than the transmittance when irradiated at a specific wavelength).
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 3261594
  • Patent Document 2 Japanese Patent No. 3424125
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 11 271823
  • Patent Document 4 Japanese Patent No. 2720525
  • Patent Document 5 Japanese Patent Laid-Open No. 6-242478
  • Patent Document 6 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-267799
  • Patent Document 7 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-267798
  • Non-patent literature 1 Applied Physics letters, 44, 9, 847— 849 (1984)
  • Non-patent literature 2 Applied Physics letters, 59, 21, 2657-5659 (1991) Disclosure of the invention
  • the purpose of the present invention is to improve the visible light transmission characteristics when irradiated with ultraviolet light, thereby preventing crystal breakage and realizing stable output characteristics at high output. Do It is to provide a wavelength conversion element, a laser light source device, a two-dimensional image display device, and a laser processing device.
  • a wavelength conversion element includes a substrate made of a nonlinear optical single crystal in which a polarization structure is periodically inverted, and the substrate is made of lithium niobate or lithium tantalate, When the substrate is irradiated with ultraviolet light, the visible light transmittance of the substrate is 8
  • laser light with a wavelength of 640 nm to 2000 nm is shortened to output laser light with an average output of 1 W or more.
  • a laser light source device includes the above-described wavelength conversion element, and the wavelength conversion element is continuous light having an average output of 2 W or more and a wavelength of 400 nm to 660 nm, or an average output of 1 W or more and a wavelength. Outputs pulsed light of 400nm to 660nm.
  • a two-dimensional image display device includes the above-described laser light source device, and displays an image using laser light emitted from the laser light source device.
  • a laser processing apparatus includes the laser light source apparatus described above, and processes an object using laser light emitted from the laser light source apparatus.
  • the nonlinear optical single crystal is improved. It is possible to prevent destruction and to stabilize output characteristics at high output.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a single crystal growing apparatus for growing a single crystal used in the wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 Mg-doped LiNbO used in the wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a transmission spectrum of a crystal.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a measurement optical system of an evaluation apparatus for ultraviolet light-induced green light absorption.
  • FIG. 4 Mg-doped LiNbO used in the wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing the evaluation results of ultraviolet light-induced green light absorption using the type and concentration of impurities in the crystal as parameters.
  • FIG. 5 is a perspective view showing the configuration of the wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention.
  • It is a schematic diagram showing a wavelength conversion characteristic evaluation optical system.
  • FIG. 6 is a plot diagram showing a wavelength conversion characteristic evaluation result representing a relationship between a fundamental wave input and a green light output when using a light source.
  • FIG. 6 is a plot diagram showing output fluctuation when green light is generated when a wavelength conversion element is used.
  • FIG. 11 is a graph showing the results of measuring the relationship between the Mg concentration and the green light absorption rate of the wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a graph showing the results of measuring the relationship between the Mg concentration of the wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention and the depth of the domain-inverted portion.
  • FIG. 3 is a diagram showing the evaluation results of ultraviolet light-induced green light absorption using the type and concentration of impurities in the crystal as parameters.
  • FIG. 14 is a diagram showing the results of measuring the relationship between the Mg concentration and the green light absorption rate of the wavelength conversion element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram showing the results of measuring the relationship between the concentration of Mg and the depth of the domain-inverted portion of the wavelength conversion element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram showing an example of the effective cross-sectional area in the depth W direction when the duty ratio WZ ⁇ between the width W of the domain-inverted portion and the period ⁇ is 50% on the surface of the substrate.
  • FIG. 17 is a diagram showing an example of the effective cross-sectional area in the depth W direction when the duty ratio WZ ⁇ between the width W of the domain-inverted portion and the period ⁇ exceeds 50% on the surface of the substrate.
  • FIG. 18 is a schematic diagram showing a configuration example for blocking external ultraviolet rays in the wavelength conversion element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a schematic diagram for explaining that the sum frequency of the fundamental wave and the second harmonic is emitted with a walk-off angle.
  • FIG. 20 is a diagram showing the relationship between the wavelength of the fundamental wave and the walk-off angle.
  • FIG. 21 is a schematic diagram showing a configuration of a laser light source device using a wavelength conversion element according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a diagram showing the relationship between the distance between the PPMgLN element and the PPMgLT element shown in FIG. 21 and the SHG output.
  • FIG. 23 is a schematic diagram showing an example of a laser display device using a wavelength conversion element according to the present invention.
  • FIG. 24 is a diagram showing the color reproduction range of the S-RGB standard and the color reproduction range when laser light of 540 nm and 530 nm is selected as green light.
  • FIG. 25 is a schematic diagram showing an example of a second harmonic generator using a wavelength conversion element according to the present invention.
  • FIG. 26 is a schematic diagram showing an example of a laser processing drawing apparatus using a wavelength conversion element according to the present invention.
  • FIG. 28 is a diagram showing a current waveform, an output waveform of a wave fundamental wave, and an output waveform of green light when a rectangular wave is input to the laser processing / drawing apparatus shown in FIG. 26.
  • FIG. 29 is a diagram showing another example of a current waveform input to the excitation laser of the laser cache drawing apparatus shown in FIG. 26.
  • FIG. 30 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional wavelength converter.
  • the crystal destruction caused by ultraviolet light is called crystal destruction caused by ultraviolet induced green light absorption (UVIGA). Distinguish from damage. Crystal breakage due to ultraviolet light-induced green light absorption does not occur with green light (second harmonic) alone, but occurs with a combination of the fundamental and second harmonics. Also, lithium niobate crystals (LN ) Or lithium tantalate (LT) does not occur in the non-doped state, but occurs when magnesium is added.
  • crystal breakdown due to ultraviolet light-induced green light absorption starts to occur when an output of 1 W or more is generated.
  • the threshold value for crystal breakdown decreases, and when the average output is 2 W or more with continuous light, crystal breakdown due to ultraviolet light-induced green light absorption starts to occur.
  • the average output exceeds 1 W, crystal breakage occurs due to ultraviolet light-induced green light absorption.
  • the wavelength conversion element of the present invention includes a substrate made of a nonlinear optical single crystal in which the polarization structure is periodically inverted.
  • the substrate is made of lithium niobate or lithium tantalate, and ultraviolet light is applied to the substrate.
  • the visible light transmittance in the waveguide direction of the substrate is 3 ⁇ 45% or more, and a laser beam having a wavelength of 640 nm to 2000 nm is shortened to output a laser beam having an average output of 1 W or more.
  • this wavelength conversion element by improving the visible light transmission characteristics when irradiated with ultraviolet light, the nonlinear optical single crystal is prevented from being destroyed and the output characteristics are stabilized at high output. To do. This effect also suppresses absorption of the second harmonic (green light) caused by the third harmonic, which is ultraviolet light, and avoids output saturation and crystal breakdown.
  • the fundamental wave output was distributed and generated using a plurality of wavelength conversion elements. By using this wavelength conversion element, the device is simplified and complicated. Adjustment can be avoided and the manufacturing cost can be reduced.
  • a concentration of 5.10 mol in a lithium niobate single crystal having a congruent composition [1 ⁇ 7 (+? «))] Ratio of 0.046 to 0.482: -lethal melting composition).
  • % To 5. About 70 mol% of magnesium, or about 5.0 mol% to 8. Omol% of magnesium in the concentration of lithium tantalate crystals with a conductive composition (LiZTa ratio 94.2 ⁇ 2%).
  • the wavelength of the ultraviolet light is preferably 320 nm to 380 nm, and the wavelength of visible light is 400 ⁇ ! It is preferably ⁇ 660nm. In this case, crystal breakage due to ultraviolet light-induced green light absorption can be prevented, and high-power green light can be output.
  • the temperature during wavelength conversion of the substrate is preferably 20 ° C to 60 ° C. In this case, a heating device such as a heater becomes unnecessary, and a low-cost light source can be realized.
  • the wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention uses a mixed composition lithium niobate crystal supplemented with magnesium oxide (MgO) as a nonlinear optical crystal used for wavelength conversion, and converts infrared light into green light. Convert.
  • MgO magnesium oxide
  • the lithium niobate used in the present embodiment is produced using, for example, the Czochralski method, which is one of crystal growth methods.
  • a method for producing lithium niobate added with magnesium oxide (MgO) will be described below.
  • MgO Weigh (MgO) and calcine at 1100 ° C for 10 hours.
  • MgOZ LiNbO + MgO
  • Mg concentration of crystals including Mg
  • the Mg concentration of the crystal means the molar percentage in the composition of the crystal in the state after pulling, which will be described later, and is the same in the other embodiments.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a single crystal growth apparatus for lithium niobate used in the wavelength conversion element according to the first embodiment of the present invention.
  • the raw material produced as described above was put into a platinum crucible 205 having a diameter of 100 mm and a height of 100 mm, and was melted by high frequency induction heating. The operation of melting while replenishing the raw material was repeated, and when the raw material melt was filled in the crucible 205, the temperature of the melt surface was set to 1260 ° C, and a seed crystal of lithium niobate was introduced.
  • control unit 207 which is also configured with a personal computer etc., keeps the increase per unit time constant while measuring the weight of the single crystal with the load cell 206 so that the thickness of the single crystal 204 to be pulled up is uniform.
  • the temperature (high-frequency current value) of the crucible 205 was controlled.
  • the pulling direction is the Z axis direction (C axis in the crystal axis direction) which is the dielectric main axis of the crystal, and the MgO: LiNbO single crystal having a diameter of 50 mm and a length of about 50 mm in about 2 days.
  • the rotation speed of the seed crystal in the axial rotation direction RA was 20 rpm, and the pulling speed was 2 mmZh.
  • the raw material of the crystal is filled in the crucible 205, and the seed crystal 202 fixed to the pull-up port 201 is brought into contact with the melt 203, and is pulled up gradually.
  • Crystal 204 was grown. In the grown crystal, the upper (shoulder) and lower (tail) parts are cut, subjected to a single domain treatment, cut in a direction perpendicular to the Z axis, and polished on the end face of the MgO: An LN wafer (Z plate) was obtained.
  • Fig. 2 shows the spectrum.
  • Figure 2 shows that the normal transmission spectrum shows no difference at any Mg concentration.
  • a measurement sample 403 was prepared by cutting to a thickness of 1 mm, a longitudinal direction (beam path) of 25 mm, and a width of 5 mm, and optically polishing both end faces (surface of 1 mm x 5 mm).
  • the YAG laser second harmonic (wavelength: 532 nm, output: 30 mW) from the green light source 401 is collected by the lens 402 on the prepared sample 403 and then incident on the measurement sample 403.
  • UV light 405 (wavelength 340 to 400 nm) is irradiated.
  • the second harmonic light output from the output surface of sample 403 is monitored by photodiode 404.
  • the absorptivity of green light was measured. This test method is hereinafter referred to as a mercury lamp irradiation test.
  • the conventional composition LiNbO crystal with 5.Omol% Mg added to prevent photodamage does not emit green light when irradiated with ultraviolet light.
  • LiNbO crystals added with 5.8 mol%, 6. Omol% and 6.5 mol% of Mg (5.8 mol% MgLN, 6. Omol% Mg
  • the decrease (absorption) of the transmittance of green light which is an example of visible light, is 15% or less, and is suppressed to about 8% to about 12%.
  • the light absorption upon irradiation with ultraviolet light is a phenomenon different from this optical damage that can be suppressed only by so-called optical damage that can be suppressed by adding 5 mol or more, which is conventionally known.
  • optical damage that can be suppressed by adding 5 mol or more, which is conventionally known.
  • MgO is added in an amount of 5 mol or more, a decrease in transmittance cannot be avoided uniformly.
  • a decrease in transmittance due to ultraviolet light-induced green light absorption can be avoided.
  • Mg concentration range (For example, 5. lmol% to 5.7 mol%) existed. By adding Mg in this concentration range, the absorption of green light induced by ultraviolet light can be suppressed, and light damage that has been a problem with conventional power can be avoided.
  • the electrode was formed by the above, and the polarization inversion process was performed by applying an electric field.
  • a metal film as an electrode material is formed on a double-sided optically polished substrate (in this embodiment, lmm thick) so that the Z-axis direction, which is the crystal's dielectric main axis, is perpendicular to the substrate surface (Z plate). Evaporate.
  • a photoresist is applied, and an electrode pattern is patterned by a contact exposure method.
  • a metal electrode is formed by a dry etching apparatus.
  • a DC pulse train number of times: 5,000 times, pulse width: 0.5 msec
  • FIG. 5 is a configuration diagram of the wavelength conversion element according to the present embodiment created as described above.
  • the wavelength conversion element according to the present embodiment on the Mg-doped LiNbO substrate 1
  • the polarization inversion part 2 is formed in a periodic shape.
  • This wavelength conversion element is an element that converts the fundamental wave of wavelength ⁇ into the second harmonic of wavelength ⁇ ⁇ 2 by satisfying the phase matching condition by passing light through the polarization inversion unit 2 formed in a periodic shape. is there.
  • the LiNbO substrate 1 used for this element has
  • Mg is doped.
  • the inversion width of the polarization inversion part 2 is W, the depth is D, and the period is ⁇ .
  • Polarization reversal part 2 is + From Z-plane — Formed from Z-plane.
  • the stripe direction of the polarization inversion part 2 is the Y-axis direction. It is desirable that the stripe direction of the domain-inverted part 2 and the Y-axis direction have an angle within ⁇ 5 degrees. If this angle exceeds 5 degrees, the non-uniformity of the polarization inversion section 2 increases, and the conversion efficiency of the wavelength conversion element is greatly reduced.
  • the surface of the wavelength conversion element has a plane substantially perpendicular to the C-axis (Z-axis) of the crystal. This is because since the domain-inverted structure grows along the C-axis, a deep domain-inverted structure can be formed, and the overlap with the fundamental beam passing through the wavelength conversion element can be made sufficiently large.
  • FIG. 6 shows the wavelength conversion characteristic optical system used for this evaluation.
  • the fundamental light source 601 a Yb-doped fiber laser having an oscillation wavelength of 1084 nm was used.
  • the polarization reversal element 603 is fixed to a metal plate, and the temperature is controlled at about 25 ° C. by the Beltier element 605.
  • the second harmonic (green light) generated from the polarization inversion element 603 is separated into a fundamental wave ( ⁇ ) and a second harmonic (2 ⁇ ) by the wavelength separation filter 606, and the separated second harmonic is converted into a power meter.
  • FIG. 7 shows a plot of characteristic evaluation results of the wavelength conversion element according to the present embodiment.
  • the broken line in Fig. 7 shows the present embodiment using LiNbO crystals containing 5.6 mol% Mg.
  • the output characteristics of the wavelength conversion element are shown.
  • the solid line shows LiNbO with 5.0 mol% Mg added.
  • FIG. 9 is a diagram showing measured values and theoretical values of the input / output characteristics of the wavelength conversion element, and FIG. 9 shows the input / output characteristics of the wavelength conversion element of this embodiment using LiNbO crystals to which 5.6 mol% of Mg has been added.
  • the input / output characteristic of the theoretical value is the curve CR, and the input and output are almost proportional.
  • the input / output characteristics of the measured value are the curve CE, and in the section rl where the green light output is less than 1W, the force that the curve CR and the curve CE almost match.
  • the curve CE deviates greatly from the curve CR power, and the green light output becomes unstable.
  • conventional wavelength conversion elements generate significant UV-induced green light absorption when their output exceeds 1W.
  • the input / output characteristic of the theoretical value is the curve IR for the element, and the input / output is almost proportional as above.
  • the input / output characteristic of the measured value is curve IE, and the interval Rl where curve IR and curve IE almost coincide is expanded to the range where the green light output is 1.5 W, and curve IE deviates from curve IR but is stable.
  • the section R2 where green light can be output is also expanded to a range where the green light output is 2.9 W.
  • the wavelength conversion element of the present embodiment can suppress the ultraviolet light-induced green light absorption that occurs when the output exceeds 1 W, and improves the wavelength conversion efficiency by the amount of green light absorption. I was able to.
  • the wavelength conversion element output laser light with an average output of 1.5 W or more, preferably outputting laser light with an average output of 1 W or more.
  • Output 1 It is more preferable to output laser light of 75 W or more. In this case, UV light-induced green light absorption can be suppressed, and wavelength conversion is achieved by reducing green light absorption. Efficiency can be improved.
  • Figure 10 shows the low power output of the wavelength converter using LiNbO crystals with Mg concentrations of 5 mol%, 5.3 mol%, and 5.6 mol%.
  • the conversion element was unstable even when 2.5 W was generated.
  • the Mg addition concentration was set to 5.3 mol% and 5.6 mol%, the effect of heat generation due to green light absorption can be reduced, so that the output stability can also be improved.
  • Fig. 3 is a diagram showing the results of measurement of the relationship between the Mg concentration and the green light absorptance of the wavelength conversion element.
  • the solid line is a curve that smoothly connects the measurement points.
  • the Mg concentration is 5.10 to
  • Figure 12 shows the wavelength change using LiNbO crystals.
  • the Mg concentration is 6.00 m.
  • force with which the domain-inverted part grows to a sufficient depth Mg concentration is 5.80 mol%, it grows at a depth of 200 m or more, and Mg concentration force is 5.60 mol%, 5.
  • Mg concentration was 5.00 mol%, it grew at a depth of about 500 ⁇ m or more.
  • the depth W of the domain inversion part needs to be 200 m or more in consideration of the margin for adjustment.
  • the wavelength conversion element using the LiNbO crystal is obtained from the results shown in FIG.
  • the Mg concentration in the polarization inversion part of the child is preferably 5.80 mol% or less, more preferably 5.60 mol% or less.
  • Mg concentration is 5.10-5.70 mol%.
  • the diameter of the beam emitted from the wavelength conversion element is ensured to be 120 m or more, and green light of 550 nm can be output at a 3 W level while ensuring the transmittance of green light to be 86.5% or more. .
  • the Mg concentration is 5.20-5.54 mol%.
  • the wavelength conversion element force also secures a diameter of the emitted beam of 120 / zm or more, and outputs green light of 540 ⁇ m at 3W level while ensuring a transmittance of green light of 90.0% or more. can do.
  • the Mg concentration is 5.30 to 5.40 mol%.
  • the wavelength conversion element according to the second embodiment of the present invention uses a mixed composition lithium tantalate crystal supplemented with magnesium oxide (MgO) as a nonlinear optical crystal used for wavelength conversion, and converts infrared light into green light. Convert to Hereinafter, the wavelength conversion element will be described in detail.
  • MgO magnesium oxide
  • the lithium tantalate used in the present embodiment is created in the same manner as in the first embodiment.
  • the Mg concentration of the crystal (Mg content ratio) is as follows: 1. Omol%, 3. Omol%, 5. Omol%, 5.3 mol%, 5.6 mol%, 6. Omol%, 7. Omol %, 10. Omol
  • the 3 3 crystal is classified into a conductive composition and a stoichiometric composition according to the LiZTa ratio.
  • the stoichiometric composition has a LiZTa ratio of almost 50Z50 and is called a perfect crystal.
  • the congruent composition has a Li / Ta ratio that deviates from 50/50! /.
  • the Mg-doped LiTaO crystal preferably has a congruent composition.
  • the LiZNb ratio which is the molar ratio between Li and Ta contained in the substrate crystal, is more preferably 94.2 ⁇ 2%.
  • the Li / Ta ratio deviates from 50/50 in the conductive composition, it is possible to add a high concentration of Mg that is arranged in crystal defects with many crystal defects. As a result, it was easy to add 5 mol% or more of Mg, which is necessary for the characteristics, and a high-concentration Mg-doped LiTaO crystal with high crystallinity could be produced.
  • the LiZTa ratio of the conductive composition is more preferably 94.2 ⁇ 2%.
  • the crystal having this conductive composition Is preferably about 94.2 ⁇ 2%.
  • the crystal can be easily pulled up, and low cost can be achieved.
  • mol% MgLT 6. Omol% MgLT, and 7. Omol% MgLT
  • the decrease in the transmittance of green light is suppressed to about 5% or less compared to the case without irradiation.
  • the LiTaO crystal (10. Omol% MgLT) containing 10.Omol of Mg is compared with the non-irradiated case. It can be seen that the green light transmittance is reduced by more than 5%.
  • a wavelength conversion element of the present embodiment was produced in the same manner as the wavelength conversion element shown in FIG. Since the configuration of the wavelength conversion element of the present embodiment is the same as that of the wavelength conversion element shown in FIG. 1, the configuration will be described with reference to FIG.
  • the domain-inverted portion 2 formed in a periodic manner is formed on the Mg-doped LiTaO substrate 1 having a main surface substantially perpendicular to the Z-axis of the crystal.
  • the This wavelength conversion element converts the fundamental wave of wavelength ⁇ into the second harmonic of wavelength ⁇ ⁇ 2 by satisfying the phase matching condition by allowing light to pass through the periodically domain-inverted part 2 It is.
  • ⁇ 3 is 400 nm or less
  • the phase matching wavelength ⁇ is 980 nm or less.
  • the LiTaO substrate used for this element is doped with Mg. Periodic polarization anti
  • the rolling part 2 is formed by applying an electric field between the periodic pattern electrode formed on the + Z surface of the substrate and the electrode formed on the ⁇ Z surface of the substrate. 4k VZmm or less.
  • the inversion width of the polarization inversion part 2 is D for depth and ⁇ for period.
  • Polarization reversal part 2 is formed from the + Z plane to the Z plane.
  • the stripe direction of the domain-inverted part 2 is the Y-axis direction, and the stripe direction of the domain-inverted part 2 and the Y-axis are substantially parallel. It is desirable that the stripe direction of the polarization inversion part 2 and the Y-axis direction have an angle within ⁇ 5 degrees.
  • the surface of the wavelength conversion element has a surface substantially perpendicular to the C-axis (Z-axis) of the crystal. Since the domain-inverted structure grows along the C-axis, a deep domain-inverted structure can be formed, and the force that can sufficiently increase the overlap with the fundamental wave beam passing through the wavelength conversion element.
  • Fig. 3 is a diagram showing the results of measurement of the relationship between the Mg concentration and the green light absorptance of the wavelength conversion element.
  • the black circles in the figure indicate the measured results of the green light absorptivity for each Mg addition concentration.
  • the solid line is a curve that smoothly connects the measurement points. [0071] As shown in FIG. 14, in the wavelength conversion element using the LiTaO crystal, the Mg concentration is 5.0-8.
  • the output reduction due to ultraviolet-induced green light absorption occurs in the wavelength conversion element in which the fundamental wavelength is 1200 nm or less and the period ⁇ of the polarization inversion unit 2 is 11 m or less. It turned out to be.
  • the wavelength conversion element having a periodically poled structure with Mg doping amount of 5.0 to 8. Omol% the improvement of light damage resistance due to Mg doping and the increase of UV-induced green light absorption are suppressed. Therefore, high output and high efficiency tolerance can be realized, and the power density of SHG (Second Harmonic Generation) light is stable at about 10 W with a power density of lMWZcm 2 or more.
  • Figure 15 shows the wavelength change using LiTaO crystal.
  • the Mg concentration is 10. Om.
  • the force with which the domain-inverted part grows to a sufficient depth When ol%, the force with which the domain-inverted part grows to a sufficient depth
  • the Mg concentration is 8. Omol%, it grows at a depth of about 200 m, and the Mg concentration force is 5.6 mol%, 5 When grown at 4 mol%, 5.3 mol%, and 5. Omol%, it grew at a depth of about 250 m or more.
  • the depth W of the domain inversion part needs to be 200 m or more in consideration of the margin for adjustment. In order to satisfy this condition, from the results shown in FIG.
  • the concentration of Mg in the domain-inverted portion is preferably 8.0 mol% or less, more preferably 5.6 mol% or less! /.
  • the wavelength conversion element can also output 540 nm green light at a 10 W level while securing a diameter of the emitted beam of 120 m or more and a green light transmittance of 95.2% or more. .
  • the Mg concentration is 5.0 to 7. Omol%.
  • the wavelength conversion element force can also output 530 nm green light at a 10 W level while securing a diameter of the emitted beam of 120 m or more and ensuring a green light transmittance of 95.8% or more.
  • the Mg concentration is 5.0 to 6. Omol%.
  • the diameter of the beam emitted from the wavelength conversion element is ensured to be 120 / zm or more, and green light of 525 ⁇ m is output at a 10W level while ensuring a green light transmittance of 96.7% or more. can do.
  • the nonlinear optical constant is LiN.
  • the wavelength conversion element of the present embodiment can generate a pulse having a higher peak value, which is advantageous for pulse modulation described later.
  • the shape of the polarization inversion portion 2 was examined in detail.
  • a method is adopted in which the growth of the polarization inversion part 2 is stopped in the middle of the substrate so that the polarization inversion part 2 does not penetrate the back surface.
  • By controlling the growth of the polarization inversion part 2 to prevent penetration reversal it is possible to suppress the resistance decrease between the electrodes and uniformly apply the electric field necessary for the polarization inversion in the electrode surface.
  • a domain-inverted structure can be formed.
  • the depth D of the domain-inverted part 2 is preferably smaller than the thickness of the substrate (the substrate length in the Z direction), and the domain-inverted part 2 is formed. It is preferable that 90% or more of the domain-inverted region does not penetrate to the back surface. That is, a uniform domain-inverted structure can be formed by the configuration in which the domain-inverted portion 2 does not penetrate in a region of 90% or more of the electrode area.
  • the thickness of the substrate in order to prevent the polarization inversion part 2 from penetrating to the back surface, it is preferable to increase the thickness of the substrate. For example, by setting the substrate thickness to 1 mm or more, it is possible to prevent the penetration of polarization inversion and to form a uniform short-period structure, so that a highly efficient wavelength conversion element can be realized.
  • the average depth D of the domain-inverted portions 2 is preferably in the range of 40 to 95% of the thickness of the substrate. Within this range, the substrate can be used effectively. On the other hand, if it exceeds 95%, the resistance decrease of the domain inversion part 2 becomes severe, so that it becomes difficult to form a uniform domain inversion structure. The depth D of the effective polarization reversal part 2 is greatly reduced.
  • the polarization inversion portion 2 has a wedge-like surface force in the depth direction, and the width of the polarization inversion portion 2 decreases as the depth increases.
  • the duty ratio WZA between the width W of the polarization reversal section 2 and the period ⁇ is maximum at 50%.
  • the effective cross-sectional area when the focused beam is incident on the polarization inversion part 2 is 50% of the duty ratio WZ ⁇ between the width W of the polarization inversion part 2 and the period ⁇ 10% It becomes the area of.
  • the duty ratio WZ ⁇ between the width W of the domain-inverted portion 2 and the period ⁇ is 50% on the surface of the substrate
  • the second harmonic (SHG) is generated on the surface of the substrate as shown in FIG. )
  • the output is maximized, but the effective area in the depth W direction is reduced.
  • the duplication on the surface of the substrate When the tee ratio WZ A exceeds 50%, the effective cross-sectional area in the depth W direction greatly increases as shown in Fig. 17.
  • the width W of the polarization inversion portion 2 on the main surface of the substrate is larger than the width ( ⁇ W) of the non-polarization inversion portion.
  • the aspect ratio (DZW) of the polarization inversion section 2 is preferably 200 or more.
  • the aspect ratio is large, the area in which polarization inversion can be used effectively increases, and is particularly necessary for short-period structures.
  • the fundamental wave 65 emitted from the light source 66 is reflected by the fundamental wave 65 emitted from the MgO-doped polarization-inverted lithium tantalate crystal (PPMgLT: Periodically Poled MgO doped LiTaO). Converted to second harmonic (SHG) 65 and output
  • the wavelength conversion element includes the shielding 61, and the shielding 61 shields external light power, and the shielding 61 does not transmit light having a wavelength of 400 nm or less.
  • FIG. 20 shows the force SFG calculated from the relationship between the wavelength of the fundamental wave and the walk-off angle.
  • the walk-off angle approaches 0 at several wavelengths depending on the period of polarization inversion. As the walk-off angle approached 0, the strength of SFG increased and the high output characteristics decreased significantly. In particular, when the walk-off angle is 15 degrees or less, the degradation of the high output characteristics becomes severe. Therefore, the fundamental wave wavelength is preferably 820 nm or less, or 850 to 980 nm, or 1020 ⁇ m or more. In these ranges, the sum frequency generated internally can be reduced, and higher output characteristics can be realized.
  • a solid laser light source or a fiber laser light source can be used as a light source for outputting a fundamental wave.
  • a high-power short-wavelength light source can be realized by installing the wavelength conversion element of this embodiment in a solid-state laser resonator and using it as an internal resonator type wavelength conversion.
  • the wavelength conversion element (PPMgLT) of the present embodiment since the wavelength conversion element (PPMgLT) of the present embodiment has high transmission characteristics, loss in the resonator is reduced, and highly efficient wavelength conversion is possible.
  • a fundamental wave 84 emitted from a light source 86 that is a coherent light source passes through a condensing optical system 85, and is converted into SHG 83 by wavelength conversion by nonlinear optical crystals 8 1 and 82 that are wavelength conversion elements.
  • the light source 86 of the fundamental wave 84 a solid laser light source, a fiber laser light source, or the like can be used. Since the fiber laser light source has high beam quality, high-efficiency conversion is easy with a single-pass configuration, and a high-efficiency short-wavelength light source device can be realized in combination with the wavelength conversion element of this embodiment.
  • Mg-doped LiNbO (MgLN) has a high nonlinear optical effect
  • Mg-doped LiTaO (MgLN)
  • an MgLN (PPMgLN: Periodically Poled MgO doped LiNbO) element having a periodic domain-inverted structure is used as the nonlinear optical crystal 81.
  • An MgLT (PPMgLT) element having a periodic domain-inverted structure was used as the crystal 82, and a PPMgLN element 81 was arranged in the previous stage to convert a fundamental wave 84 of 1064 nm to SHG83 of 532 nm.
  • 3 W green light was generated by the PPMgLN element 81, and then further wavelength conversion was performed by the PPMgLT element 82, thereby generating 10 W green light as SHG83.
  • the phase matching wavelengths of the PPMgLN element 81 and the PPMgLT element 82 are matched.
  • the polarization inversion structure at the crystal edge is adjusted so that the phase relationship between the fundamental wave 84 and SHG83 coincides at the junction between the PPMgLN element 81 and the PPMgLT element 82.
  • the wavelength conversion element of the present embodiment is further combined with the Mg-doped LiTaO substrate.
  • Mg-doped LiNbO O substrate and Mg-doped LiNbO are arranged adjacent to each other, Mg-doped LiTaO substrate and Mg-doped
  • the loop LiNbO has almost the same phase matching conditions.
  • FIG. 22 shows how the SHG output increases with respect to the element length, that is, the distance of the PPMgLN element 81 and the PPMgLT element 82.
  • the PPMgLN element 81 has high conversion efficiency, it was possible to increase the amount of increase in SHG with respect to distance.
  • PPMgLT element 82 has a lower conversion efficiency than PPMgLN element 81, but because it is highly resistant to high output, it can output stably up to high output. In this way, the two-stage wavelength conversion element enables high efficiency and high output, and a high-power light source of 10 W or more can be realized.
  • wavelength conversion can be performed efficiently with a short element length.
  • An expanded and compact laser light source device was realized. Further, if a short wavelength light source is configured by bonding or joining the PPMgLN element 81 and the PPM gLT element 82, a more compact short wavelength light source can be realized.
  • the laser light source device uses red (R), green (G), and blue (B) laser light sources 901a to 901c, and the red light source 901a uses a GaAs semiconductor laser with a wavelength of 638 nm.
  • the red light source 901a uses a GaAs semiconductor laser with a wavelength of 638 nm.
  • a GaN semiconductor laser with a wavelength of 465 ⁇ m is used.
  • the green light source 90 lb uses a wavelength conversion green light source device including a wavelength conversion element that changes the wavelength of the infrared laser to 1Z2.
  • the wavelength conversion element of the wavelength conversion green light source device the first conversion light source described above is used.
  • the wavelength conversion element of the third to third embodiments can be used.
  • a structure in which the output of two to eight semiconductor lasers can be obtained with one fiber output by one power bundle fiber using one semiconductor laser for each color. You may skip. In that case, the wavelength spectrum width is very broad, a few nm, and the generation of speckle noise can be suppressed by this wide spectrum.
  • each light source 901a, 901b, 901c is reflected two-dimensionally from the two-dimensional reflection type 902a to 902c, mirror 910a, lens 910b and After passing through the mirror 910c, the diffusion plates 903a to 903c are irradiated.
  • the laser beams of the respective colors scanned two-dimensionally on the diffusion plates 903a to 903c are guided to the two-dimensional spatial light modulators 905a to 905c after passing through the field lenses 904a to 904c.
  • the image data is divided into R, G, and B, and each signal is input to the two-dimensional spatial light modulators 905a to 905c and multiplexed by the dichroic prism 906. A color image is formed.
  • the combined image is projected onto the screen 908 by the projection lens 907.
  • the diffusion plates 903a to 903c are arranged in front of the two-dimensional spatial modulation elements 905a to 905c as speckle noise removing units, and the speckle noise is reduced by swinging the diffusion plates 903a to 903c. be able to.
  • a lenticular lens or the like may be used as the speckle noise removing unit.
  • a reflective spatial modulation element (DMD mirror) in which ultra-small mirrors are integrated can be used, but a two-dimensional spatial modulation element using liquid crystal, a galvano mirror, A two-dimensional spatial modulator using a mechanical microswitch (MEMS) may be used.
  • MMD mirror reflective spatial modulation element
  • MEMS mechanical microswitch
  • the color reproduction range of the S-RGB standard and the color reproduction range when 540 nm and 530 nm laser light is selected as green light are shown.
  • the color reproduction range shift is also greater than the S-RGB standard color reproduction range that can be reproduced with conventional image display devices.
  • the wavelength range of green light used for 2D image display is 488 nm to 550 nm, more preferably 500 nm to 540 nm, considering color reproducibility.
  • the wavelength range of green light is more preferably 526 nm to 529 nm. If it is less than 526 nm, yellow cannot be reproduced, and if it exceeds 529 nm, the color reproduction range is less than 140% of the NTS C ratio.
  • the configuration of the green light source 901b is not particularly limited to the above example, and the second harmonic of the fiber laser light source using the wavelength conversion element of the first to third embodiments as a wavelength conversion crystal.
  • a second harmonic generation device wavelength conversion fiber laser light source device
  • the configuration of the second harmonic generator will be described with reference to FIG.
  • the second harmonic generator shown in Fig. 25 is composed of a pump (pump) laser 1001, a Yb-doped cladding pump fiber 1003, a polarizer 1004, a fiber grating 1005, a lens 1006, and a wavelength conversion element (SHG crystal). ) 1007, splitter 1008, photodiode (PD) 1009, output controller 1010, and control current source (I current source) 1011.
  • the excitation laser 1001 a laser diode is used, and the Yb-doped cladding pump fiber 1003 is used as a laser medium.
  • the Yb-doped cladding pump fiber 1003 is excited by a pumping laser 1001 (wavelength of about 195 nm, maximum output 30 W), and the wavelength of the Yb-doped cladding pump fiber 1003 is controlled around 1060 nm.
  • Polarai The 1004 converts the oscillated fundamental wave into linearly polarized light.
  • the light converted into the linearly polarized light is incident on the wavelength conversion element 1007 through the fiber grating 1005 and the lens 1006.
  • the light thus oscillated (wavelength of about 1060 nm) is incident on the wavelength conversion element 1007 made of a nonlinear optical crystal (for example, periodically poled MgO: LiNbO crystal, length 10 mm).
  • a nonlinear optical crystal for example, periodically poled MgO: LiNbO crystal, length 10 mm.
  • the wavelength conversion element 1007 Converted to green light of 530nm, which is the wavelength of 1Z2.
  • the wavelength conversion element 1007 is temperature-controlled with an accuracy of 0. oe because the phase matching wavelength changes depending on the temperature of the crystal, and generates the second harmonic of the oscillated light.
  • a part of the generated green light is separated by the splitter 1008 and input to the PD 1009.
  • the PD1009 monitors the output of the wavelength conversion crystal 1006 and measures the intensity of green light.
  • the output controller 1010 performs control to make the output constant based on the second harmonic output detected by the PD1009, and the control current source 1011 receives the control signal from the output controller 1010 and outputs the excitation laser 1001. To control.
  • the output current of the excitation light source can be controlled by the output controller 1010 converting the light intensity measured by the PD 1009.
  • a stable green light output can be obtained even at room temperature. For this reason, it can be used even in the range of 20 ° C to 60 ° C, and the power consumption of the device can be reduced. If the crystal holding temperature is set to room temperature or higher (40 to 60 ° C), it can be replaced with a heater without using an expensive Peltier element, so that the member cost can be further reduced.
  • the present invention employs a form of projecting from behind the screen (rear projection display), and a backlight of a general liquid crystal display element
  • the color reproducibility of the two-dimensional image display device can be improved as described above.
  • R, G, B each need a light source of 2.5W or more, preferably 3W or more.
  • a wavelength-converted green light source using MgO: LiNbO or the like capable of obtaining a W-class green high output is used.
  • a two-dimensional image display apparatus can be configured without requiring an optical system having a complicated configuration.
  • the intensity of green light needs to be 1.5 W or more.
  • the ratio of SHG to the fundamental wave is preferably 25% to 60%. If it is less than 25%, the conversion efficiency decreases and the power consumption increases, and if it exceeds 60%, crystal breakage occurs or the output fluctuation becomes too large.
  • the force described for the laser display is not particularly limited to this example, and the optical device to which the present invention is applied is also effective for an optical disc device and a measuring device.
  • the laser light source device of the present invention is used in an optical disk device, high coherence and stable high output can be obtained, which is also effective for hologram recording.
  • it can be applied to knock lights in liquid crystal devices.
  • the laser light source device of the present invention is used as a light source for a liquid crystal backlight, a liquid crystal having high efficiency and high brightness can be realized with high conversion efficiency. Furthermore, since a wide color range can be expressed by laser light, a display with excellent color reproducibility can be realized.
  • the laser light source device of the present invention can also be used as an illumination light source. If a fiber laser is used as the fundamental wave light source, the conversion efficiency is high, so that high-efficiency conversion of electricity to light is possible. Also, by using fiber, light can be transmitted to a remote location with low loss. As a result, light is generated at a specific location and light is sent to a remote location. It is possible to illuminate the room due to the central generation. In addition, fiber lasers are effective for light distribution because they can be coupled with fiber with low loss.
  • a laser light source device (green light: wavelength 532 nm) using the wavelength conversion element of the first to third embodiments is used as a processing laser light source 1201.
  • This is a laser drawing carriage device suitable for copper power. Note that the configuration of the green light source 1201 is the same as that of the fourth embodiment, and a detailed description thereof will be omitted.
  • the green light emitted from the processing laser light source 1201 is collimated by the assembled lens 1202. Thereafter, the beam diameter is adjusted by passing through the slit 1203, the optical axis is turned back by the mirror 1204, etc., and then guided to the galvanometer mirrors 1206 a and 1206 b through the lens 1205.
  • the galvanometer mirrors 1206a and 1206b move the optical axis of the laser beam in the machining direction (x direction or y direction), and then, by the f ⁇ lens 1207, the caloric object 1208 attached to the xy stage 1209
  • the beam is incident vertically and the desired processing is performed.
  • the wavelength range of the laser beam used for processing is desirably from 400 nm, which can be used for optical disc mastering, to 600 nm, which can be used for resin loading.
  • a laser light source used in such a laser cage apparatus is a laser light source using an LBO crystal.
  • This crystal has deliquescence, and even when not used, the crystal In addition to heating to 150 ° C and use in a dry atmosphere, the surface coating was destroyed due to the difference in thermal expansion coefficient of the crystals.
  • Mg05mol addition: LiNbO which has been reported so far, has the feature of no deliquescence
  • MgO LiNbO or the like capable of obtaining a W-class green high output is used, so that an output of 3 W or more can be stably obtained.
  • the present embodiment it is also possible to generate the wavelength of an argon ion laser (488 nm, 514 nm) by changing the wavelength of the fundamental wave.
  • the volume of the laser light source device used can be reduced to 20-30% compared to conventional light sources that were large light sources using glass tubes. Miniaturization and low power consumption of various analytical instruments such as devices and blood analyzers can be realized.
  • the peak power per pulse generally increases. For this reason, ultraviolet light-induced green light absorption occurs at an average output of 1 W or more in the force pulse oscillation that occurs when the average output is 2 W or more in continuous light.
  • pulse oscillation if the waveform of the current supplied to the excitation laser mounted on the laser light source device is not taken into account, light with an abnormally high peak noise is generated, and laser damage ( Laser damage) and green light generation stops.
  • Fig. 27 (a) to (c) show the current waveform I to the excitation laser when a rectangular wave is input to the conventional laser light source device, and the output waveform of the fundamental wave input to the wavelength conversion element.
  • the inverted distribution formed in the wavelength conversion element which is a laser medium, is output as light, so that the fundamental wave ⁇ ⁇ with unexpected peak power is 1 to 10 as shown in Fig. 27 (b).
  • the wavelength conversion element is destroyed by the high peak input, and the high peak green light is output momentarily as the green light output waveform ⁇ .
  • a predetermined period between the first 1 and: LO / zs is set. 5-30% of peak value, more preferred
  • a current value of 10 to 20% is given, and then the current waveform I is changed to the desired current value (predetermined wave
  • the output waveform ⁇ ⁇ of the fundamental wave input to the wavelength conversion element 1007 rises slowly to a predetermined peak value without having a high peak at the rising edge of the pulse. And can prevent high peak output In this way, the current value at the rising edge of the current waveform supplied to the excitation laser 1001 of the light source for generating the fundamental wave is 5 to 30%, more preferably 10 to By limiting to 20%, the output waveform P of green light shown in Fig. 28 (c) is stable.
  • a green light output can be obtained. Further, it is preferable that the period limited to 5 to 30%, more preferably 10 to 20% with respect to the steady-state current value is in the range of 1 to LO / z s.
  • current waveform I is not particularly limited to the example shown in (a) of FIG. 28, and is not limited to (a) or (b) of FIG.
  • the excitation laser 1001 is preliminarily emitted at a low current in the range of 5 to 30%, more preferably 10 to 20% of the peak value, and then the desired current value is obtained (current Method of combining small pulse and large pulse as waveform I, method of increasing current waveform I in steps, and method of gradually increasing current value as shown in Fig. 29 (c) (current waveform I Can be achieved in the same way as above, that is, it can prevent damage to optical components due to high peak power and the fundamental wave, and stabilize the green light output. Can be realized.
  • the modulation depth is more preferably in the range of 0 to 50%.
  • the output can be modulated with the current waveform of the excitation laser, so that a modulation element using the electro-optic effect or the acousto-optic effect is not required.
  • the wavelength conversion element according to the present invention improves the visible light transmission characteristics when irradiated with ultraviolet light, thereby preventing crystal breakage and realizing stable output characteristics. This effect also suppresses absorption of the second harmonic (green light) caused by the third harmonic, which is ultraviolet light, and avoids output saturation and crystal breakdown.
  • the fundamental wave output was distributed and a plurality of wavelength conversion elements were used to generate a large output.

Abstract

　波長変換素子は、分極構造を周期的に反転させた非線形光学単結晶からなる基板を備え、基板に紫外光を照射した場合、基板の可視光の透過率が８５％以上であり、波長６４０ｎｍ～２０００ｎｍのレーザ光を短波長化して平均出力１Ｗ以上のレーザ光を出力する。このようにして、紫外光を照射した際の可視光透過特性を改善することにより、結晶の破壊を防止するとともに、高出力での出力特性の安定化を実現する。この結果、紫外光が原因となって引き起こされる緑色光の吸収をも抑制し、出力の飽和及び結晶の破壊を回避することが可能となる。

Description

明 細 書
波長変換素子、レーザ光源装置、 2次元画像表示装置及びレーザ加工 装置
技術分野
[0001] 本発明は、光波長変換に用いる非線形光学結晶を用いた波長変換素子、当該素 子を用いたレーザ光源装置、 2次元画像表示装置及びレーザ加工装置に関する。 背景技術
[0002] レーザカ卩ェ装置、あるいはレーザディスプレイなどに使われる光源として、高出カレ 一ザ光源が注目されている。赤外線領域においては、 YAGレーザ等の固体レーザ 、 Yb、 Nd等の希土類が添加されたファイバーを用いたファイバーレーザなどが開発 されている。また、赤色及び青色領域においては、ガリウム'ヒ素、窒化ガリウム等を用 いた半導体レーザが開発されており、高出カイ匕も検討されている。
[0003] 一方、緑色領域においては、半導体力 緑色光を直接発生することは依然として困 難であり、前述の固体レーザ、ファイバーレーザ力 発せられる赤外光を非線形光学 結晶により波長変換して発生させることが一般的である。また、窒化ガリウムが開発さ れる以前は、可視域力 紫外域の光は、非線形光学結晶を用いた波長変換以外に 得る方法がないに等しぐニオブ酸リチウム (LiNbO )、タンタル酸リチウム (LiTaO )
3 3
、リチウムトリボレート（LiB O ： LBO)、 j8バリウムボレート（j8— BaB O )、リン酸チ
3 5 2 4
タニルカリウム（KTiOPO ： KTP)、セシウムリチウムボレート（CsLiB O ： CLBO)
4 6 10 など様々な非線形光学材料が開発されてきた経緯がある。
[0004] 特に非線形光学結晶としてニオブ酸リチウム結晶を用いた場合、その大きな非線 形光学定数により高い変換効率を得ることができることが知られており、装置の構成 も簡単にできることから、この結晶に分極反転技術を用いて形成された擬似位相整 合 (QPM)波長変換素子は、 200〜300mW程度の出力の装置によく用いられて 、 る。また、数 Wクラスの出力を得る装置では、 LBO、 KTPなどの非線形光学結晶が 用いられる。
[0005] 上記の LBO結晶は、基本波や発生した第 2高調波による結晶の破壊及び劣化が 起こりにくいという特徴を持っている一方、非線形光学定数が小さいため、高い変換 効率を得るためには共振器を構成し、その中に結晶を配置する必要があり、装置構 造が複雑で緻密な調整が必要となる。一方、 KTP結晶は、 LBO結晶と比べて非線 形光学定数が大きぐ共振器を構成しなくても高い変換効率が得られる一方、基本 波や発生した第 2高調波による結晶の破壊及び劣化が起こりやすいという欠点を持 つている。
[0006] また、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムでは、特許文献 1の様に結晶に添加物 を導入したり、特許文献 2の様に結晶組成を理想的な組成 (ィ匕学量論:ストィキオメト リー糸且成）に近づけることができる方法で結晶育成したりすることにより、結晶劣化の 一つである、光による屈折率変化すなわち光損傷を抑制する例が報告されている。
[0007] このように、非線形光学結晶には一長一短があり、それらのトレードオフで使用する 結晶を決定するか、特許文献 3のように複数個の波長変換素子を使用することで、波 長変換素子一つ当たりの基本波のパワー密度を低下させ、劣化を抑えることも検討 されて 、る。この特許文献 3に記載されて 、る波長変換装置の構成につ!、て図 30に 示す。
[0008] 図 30に示すように、基本波光源 101から出射された基本波は、波長変換部分 102 aで波長変換された後、分離ミラー 103aで第 2高調波 (緑色光） 105aが分離され、さ らに、分離ミラー 103aを透過した基本波は、波長変換部分 102bで波長変換された 後、分離ミラー 103bで第 2高調波 (緑色光） 105bが分離され、残りが残留基本波 10 6となる。この場合、波長変換素子が増える分、構造が複雑になり、部品点数も倍に 増加すると！/、う問題点があった。
[0009] また、上記の特許文献 1及び特許文献 2は、光損傷と呼ばれる現象を回避するため に酸ィ匕マグネシウムを添加する方法にっ ヽて記述しており、特許文献 4〜特許文献 7 及び非特許文献 1も、光損傷を回避するために酸ィヒマグネシウムを添加する方法に ついて記述している。例えば、ニオブ酸リチウムの場合、 5mol以上の酸ィ匕マグネシゥ ムを添加すれば、この光損傷を回避できることが一般的によく知られている。この他に も、 5molの酸化マグネシウムを添カ卩したニオブ酸リチウム結晶をさらに 140°Cに加熱 することにより、 1. 7Wの緑色光の発生を実現した例が非特許文献 2に報告されてい る。
[0010] 上記の光損傷は、光電界によって電子が励起され、結晶が持つ電気光学効果によ り、レーザビームが通過した位置周辺の屈折率が変化する光誘起屈折率変化現象 ( フォトリフラクティブ： Photorefractive)を意味する。より具体的には、光損傷は、基 本波となる赤外光を緑色光 (第 2高調波）に変換する場合、数百 mWオーダーの低出 力の緑色光 (第 2高調波）のみで発生し、酸ィ匕マグネシウムを添加しな 、場合でも、 発生する。
[0011] 上記した結晶劣化の一つであるフォトリフラクティブを抑制するために、結晶中の吸 収ピークを生じさせる不純物をできるだけ除去した上で、それでも発生する空孔ゃ結 晶を構成する元素が本来と違うサイトに存在するアンチサイト欠陥により発生する電 荷を補償するために、酸ィ匕マグネシウムや酸ィ匕亜鉛を添加することで透過率の吸収 端をより短い波長となるよう制御したり、（特定の波長を照射したときの透過率ではなく )一般的な可視域の透過率を改善したりすることが提案されて 、た。
[0012] し力しながら、上記のような範囲で酸ィ匕マグネシウムを添加しても、結晶破壊及び劣 化を完全には抑制できていないのが現状であり、特に、数 Wオーダーの高出力の高 調波を得る場合にぉ 、ては、結晶の破壊及び劣化を抑制することができな力 た。 特許文献 1：特許第 3261594号公報
特許文献 2：特許第 3424125号公報
特許文献 3 :特開平 11 271823号公報
特許文献 4：特許第 2720525号公報
特許文献 5：特開平 6 - 242478号公報
特許文献 6：特開 2003 - 267799号公報
特許文献 7：特開 2003 - 267798号公報
非特許文献 1 : Applied Physics letters, 44, 9, 847— 849 (1984) 非特許文献 2 : Applied Physics letters, 59, 21, 2657- 5659 (1991) 発明の開示
[0013] 本発明の目的は、紫外光を照射した際の可視光透過特性を改善することにより、結 晶の破壊を防止することができるとともに、高出力での出力特性の安定ィ匕を実現する ことができる波長変換素子、レーザ光源装置、 2次元画像表示装置及びレーザ加工 装置を提供することである。
[0014] 本発明の一局面に従う波長変換素子は、分極構造を周期的に反転させた非線形 光学単結晶からなる基板を備え、前記基板は、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチ ゥムからなり、前記基板に紫外光を照射した場合に前記基板の可視光の透過率が 8
5%以上であり、波長 640nm〜2000nmのレーザ光を短波長化して平均出力 1W以 上のレーザ光を出力する。
[0015] 本発明の他の局面に従うレーザ光源装置は、上記の波長変換素子を備え、前記波 長変換素子は、平均出力 2W以上かつ波長 400nm〜660nmの連続光、又は平均 出力 1W以上かつ波長 400nm〜660nmのパルス光を出力する。
[0016] 本発明の他の局面に従う 2次元画像表示装置は、上記のレーザ光源装置を備え、 前記レーザ光源装置から出射されるレーザ光を用いて画像を表示する。
[0017] 本発明の他の局面に従うレーザ加工装置は、上記のレーザ光源装置を備え、前記 レーザ光源装置から出射されるレーザ光を用いて対象物を加工する。
[0018] 上記の波長変換素子、レーザ光源装置、 2次元画像表示装置及びレーザ加工装 置においては、紫外光を照射した際の可視光透過特性を改善することにより、非線 形光学単結晶の破壊を防止することができるとともに、高出力での出力特性の安定 化を実現することができる。
図面の簡単な説明
[0019] [図 1]本発明の第 1の実施の形態の波長変換素子に用いられる単結晶を育成する単 結晶育成装置の模式図である。
[図 2]本発明の第 1の実施の形態の波長変換素子に用いられる Mg添加 LiNbO単
3 結晶の透過スペクトルを示す図である。
[図 3]紫外光誘起緑色光吸収の評価装置の測定光学系を示す模式図である。
[図 4]本発明の第 1の実施の形態の波長変換素子に用いられる Mg添加 LiNbO単
3 結晶における不純物の種類及び濃度をパラメータとした紫外光誘起緑色光吸収の 評価結果を示す図である。
[図 5]本発明の第 1の実施の形態の波長変換素子の構成を示す斜視図である。 圆 6]波長変換特性評価光学系を示す模式図である。
[図 7]Mgを 5. 6mol%及び 5. Omol%添カ卩した LiNbO結晶を用いた波長変換素子
3
を使用した場合における基本波入力と緑色光出力との関係を表す波長変換特性評 価結果を示すプロット図である。
[図 8]Mgを 5. Omol%添カ卩した LiNbO結晶を用いた従来の波長変換素子の入出
3
力特性の測定値及び理論値を示す図である。
[図 9]Mgを 5. 6mol%添カ卩した LiNbO結晶を用いた本実施の形態の波長変換素
3
子の入出力特性の測定値及び理論値を示す図である。
[図 10]Mgを 5. 3mol%、 5. 6mol%及び 5. Omol%添カ卩した LiNbO結晶を用いた
3
波長変換素子を使用した場合における緑色光発生時の出力変動を示すプロット図 である。
圆 11]本発明の第 1の実施の形態の波長変換素子の Mgの濃度と緑色光の吸収率と の関係を測定した結果を示す図である。
圆 12]本発明の第 1の実施の形態の波長変換素子の Mgの濃度と分極反転部の深さ との関係を測定した結果を示す図である。
圆 13]本発明の第 2の実施の形態の波長変換素子に用いられる Mg添加 LiTaO単
3 結晶における不純物の種類及び濃度をパラメータとした紫外光誘起緑色光吸収の 評価結果を示す図である。
圆 14]本発明の第 2の実施の形態の波長変換素子の Mgの濃度と緑色光の吸収率と の関係を測定した結果を示す図である。
圆 15]本発明の第 2の実施の形態の波長変換素子の Mgの濃度と分極反転部の深さ との関係を測定した結果を示す図である。
[図 16]分極反転部の幅 Wと周期 Λとのデューティ比 WZ Λが基板の表面で 50%と なる場合の深さ W方向の有効断面積の一例を示す図である。
[図 17]分極反転部の幅 Wと周期 Λとのデューティ比 WZ Λが基板の表面で 50%を 超える場合の深さ W方向の有効断面積の一例を示す図である。
圆 18]本発明の第 2の実施の形態の波長変換素子において外部の紫外線を遮断す る構成例を示す模式図である。 [図 19]基本波と第二高調波との和周波がウォークオフ角を持って出射されることを説 明するための模式図である。
[図 20]基本波の波長とウォークオフ角との関係を示す図である。
[図 21]本発明の第 3の実施の形態による波長変換素子を用いたレーザ光源装置の 構成を示す模式図である。
[図 22]図 21に示す PPMgLN素子及び PPMgLT素子の距離と SHG出力との関係 を示す図である。
[図 23]本発明による波長変換素子を用いたレーザディスプレイ装置の一例を示す模 式図である。
[図 24]S— RGB規格の色再現範囲と、緑色光として 540nm及び 530nmのレーザ光 を選択した場合における色再現範囲とを示す図である。
[図 25]本発明による波長変換素子を用いた第 2高調波発生装置の一例を示す模式 図である。
[図 26]本発明による波長変換素子を用いたレーザ加工描画装置の一例を示す模式 図である。
[図 27]従来のレーザ光源装置に矩形波を入力した場合の励起用レーザの電流波形
、波基本波の出力波形及び緑色光の出力波形を示す図である。
[図 28]図 26に示すレーザ加工描画装置に矩形波を入力した場合の励起用レーザの 電流波形、波基本波の出力波形及び緑色光の出力波形を示す図である。
[図 29]図 26に示すレーザカ卩ェ描画装置の励起用レーザに入力される電流波形の他 の例を示す図である。
[図 30]従来の波長変換装置の構成を示す模式図である。
発明を実施するための最良の形態
[0020] 上記した従来の課題を解決するために、本願発明者らは、数 Wの高調波を発生す る際に発生する結晶の破壊及び劣化について鋭意検討を行った結果、上記の光損 傷とは全く異なる原理による結晶の破壊及び劣化の原因を究明した。以下に、この新 たな、結晶の破壊及び劣化の原因について詳述する。
[0021] ニオブ酸リチウム結晶（LN)やタンタル酸リチウム (LT)を用いた擬似位相整合素 子 (QPM— LN素子）は、先に述べた LBO結晶や KTP結晶よりも大きな非線形光学 定数を持っため、高効率及び高出力の波長変換が可能である。しかしながら、 QPM LN素子は、狭い領域に光エネルギーを集光する必要があるため、実質的には Κ TP結晶より基本波や発生した第 2高調波による結晶の破壊及び劣化が起こりやすい
[0022] 上記の大きな非線形光学定数が原因となり、数 Wの高調波を得る場合において、 基本波となる赤外光と変換された緑色光 (第 2高調波）との和周波である紫外光 (第 3 高調波）が位相整合条件からはずれた場合においても発生する。この発生した紫外 光力 可視光の一例である緑色光の吸収を引き起こし、緑色高出力の飽和及び結晶 破壊を引き起こすことを見出した。
[0023] 本明細書にお!、ては、この紫外光 (第 3高調波）による結晶破壊を紫外光誘起緑色 光吸収（UVIGA: ultraviolet induced green light absorption)による結晶破壊と呼び 、上記の光損傷と区別する。紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊は、緑色光 (第 2高調波）単独では発生せず、基本波と第 2高調波との組み合わせで発生するもの であり、また、ニオブ酸リチウム結晶（LN)やタンタル酸リチウム（LT)がノンドープの 状態では発生せず、マグネシウムを添加した場合に発生するものである。
[0024] 素子によっても異なるが、緑色光を発生する場合、 1W以上の出力を発生するとき に紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊が発生し始める。また、短波長の青色光を 発生する場合では、結晶破壊の閾値が低下し、連続光で平均出力 2W以上になると 、紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊が発生し始めることがわ力 ている。また、 尖塔値の高いパルス発振の場合は、平均出力 1W以上になると、紫外光誘起緑色光 吸収による結晶破壊が発生する。
[0025] さらに、紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊は、特許文献 1に記載されているよ うな不純物を添加した LN結晶及び LT結晶や特許文献 2に記載されているストィキォ メトリー組成の LN (SLN)及び LT (SLT)を用いても、抑制できな!/ヽことが実験より判 明した。また、特許文献 3の様に複数個の結晶を用いて発生する方法もあるが、調整 が煩雑になる、製造コストが上昇する等の問題があった。
[0026] 上記知見に基づき、本願発明者らは、紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊を防 止する波長変換素子について鋭意検討を行い、本願発明を完成するに至った。す なわち、本発明の波長変換素子は、分極構造を周期的に反転させた非線形光学単 結晶からなる基板を備え、この基板は、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムから なり、この基板に紫外光を照射した場合に基板の導波方向における可視光の透過率 力 ¾5%以上であり、波長 640nm〜2000nmのレーザ光を短波長化して平均出力 1 W以上のレーザ光を出力する。
[0027] この波長変換素子においては、紫外光を照射した際の可視光透過特性を改善する ことにより、非線形光学単結晶の破壊を防止するとともに、高出力での出力特性の安 定化を実現する。この効果により、紫外光である第 3高調波が原因となって引き起こさ れる第 2高調波（緑色光）の吸収をも抑制し、出力の飽和及び結晶の破壊を回避する ことが可能となる。カロえて、従来大きな出力を得るには、基本波出力を分配して複数 の波長変換素子を用いて発生させていたが、この波長変換素子を用いることで、装 置が簡略化され、複雑な調整を回避し、製造コストを低減することが可能となる。
[0028] 具体的には、コングルェント組成（[1^7( +?«)) ]比率0. 046〜0. 482 :—致溶 融組成）のニオブ酸リチウム単結晶に濃度にして 5. 10mol%〜5. 70mol%程度の マグネシウムを添加することにより、又はコンダルェント組成 (LiZTa比 94. 2 ± 2%) のタンタル酸リチウム結晶に濃度にして 5. 0mol%〜8. Omol%程度のマグネシウム を添加することにより、不要な第 3高調波による第 2高調波の吸収を抑制し、緑色高 出力の飽和及び結晶の破壊を回避している。さらに、パルス発振時においても、励 起用レーザへ入力される電流波形を調整することにより、結晶や光学部品の破壊を 回避することが可能となって 、る。
[0029] 上記の紫外光の波長は、 320nm〜380nmであることが好ましぐ可視光の波長は 、 400ηπ！〜 660nmであることが好ましい。この場合、紫外光誘起緑色光吸収による 結晶破壊を防止し、高出力の緑色光を出力することができる。
[0030] 上記の基板の波長変換時の温度は、 20°C〜60°Cであることが好ましい。この場合 、ヒータ等の加熱装置が不要となり、低コストの光源を実現することができる。
[0031] 以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
[0032] (第 1の実施の形態） 本発明による第 1の実施形態の波長変換素子は、波長変換に用いる非線形光学 結晶として、酸化マグネシウム（MgO)を添カ卩したコンダルェント組成ニオブ酸リチウ ム結晶を用い、赤外光を緑色光に変換する。以下、本波長変換素子について詳細 に説明する。
[0033] 本実施形態に用いられるニオブ酸リチウムは、例えば、結晶育成法の一つであるチ ョクラルスキー法を用いて作製される。酸化マグネシウム（MgO)を添カ卩したニオブ酸 リチウムの作製方法について以下に説明する。
[0034] まず、純度 4Nの炭酸リチウム（Li CO )、酸化ニオブ (Nb O )及び酸化マグネシゥ
2 3 2 5
ム（MgO)を秤量し、 1100°Cで 10時間仮焼する。この場合、酸ィ匕マグネシウム添カロ 量のモル比は、 MgOZ (LiNbO +MgO)により決定した。結晶の Mg濃度（Mg含
3
有比）は、 5. 00mol%、 5. 30mol%、 5. 60mol%、 5. 80mol%、 6. 00mol%、 6 . 50mol%とした。なお、本実施の形態において、結晶の Mg濃度は、後述する引き 上げ後の状態における結晶の組成におけるモルパーセントを意味し、他の実施の形 態でも同様である。
[0035] 図 1は、本発明の第 1の実施の形態の波長変換素子に用いられるニオブ酸リチウム の単結晶育成装置の模式図である。上記のようにして作製した原料を直径 100mm 、高さ 100mmの白金るつぼ 205に入れ、高周波誘導加熱により溶融させた。原料を 補給しながら、溶融させる操作を繰り返し、原料融液がるつぼ 205に満たされたところ で、融液表面の温度を 1260°Cになるよう設定し、ニオブ酸リチウムの種結晶を導入 した。また、パーソナルコンピュータ等力も構成される制御部 207により、引き上げら れる単結晶 204の太さが均一になるようにロードセル 206で単結晶の重量を計測し ながら、時間当たりの増加分が一定となるように、るつぼ 205の温度（高周波電流値） を制御した。
[0036] 本実施の形態では、引き上げ方向を結晶の誘電主軸である Z軸方向（結晶軸方向 では C軸）とし、 2日間程度で、直径 50mm、長さ約 50mmの MgO :LiNbO単結晶
3 を得た。このときの軸回転方向 RAにおける種結晶の回転速度は 20rpm、引き上げ 速度は 2mmZhであった。結晶の原料は、るつぼ 205に満たされており、引き上げ口 ッド 201に固定された種結晶 202を融液 203に接触させ、徐々に引き上げることで単 結晶 204を成長させた。育成した結晶体は、上部 (ショルダー)部分と下部 (テール） 部分とを切断し、単一分域化処理を行い、 Z軸と垂直な方向にカット及び表面の端面 研磨を行うことで MgO： LNウェハー（Z板）を得た。
[0037] このようにして得られたウェハーの一般的な透過スペクトルを分光高度計により測 定した。 Mgを添カ卩しない LiNbO結晶（non—dope LN)と、 Mg濃度 5. Omol%及
3
び 5. 6mol%の LiNbO結晶（5. Omol%MgLN及び 5. 6mol%MgLN)との透過
3
スペクトルを図 2に示す。図 2力ら、通常の透過スペクトルは、いずれの Mg濃度にお Vヽても差違が見られな 、ことが分かる。
[0038] 続いて、紫外線照射時における緑色光の透過率を可視光の一例として測定した。
測定方法について図 3を用いて説明する。それぞれの Mg濃度で、厚さ lmm、長手 方向（ビームパス） 25mm、幅 5mmにカットし、両端面（lmm X 5mmの面）を光学研 磨した測定サンプル 403を作製した。作製したサンプル 403に、グリーン光源 401か らの YAGレーザ第 2高調波（波長 532nm、出力 30mW)をレンズ 402により集光し た後、測定サンプル 403に入射する。このとき、 UVランプ 405 (波長 340〜400nm) の照射あり Zなしの場合における、サンプル 403の出射面からの第 2高調波の光出 力をフォトダイオード 404でモニターすることにより、紫外光照射時の緑色光の吸収 率を測定した。なお、この試験方法を以後、水銀ランプ照射試験と呼ぶ。
[0039] 測定結果について図 4にまとめた。まず、 Mgを添カ卩しない LiNbO (non-dope
3
LN)結晶では、緑色光の透過率の低下が発生していない。ただし、 Mgを添カ卩しない LiNbOでは、従来から問題となっている光損傷（フォトリフラクティブ： Photorefractiv
3
e)が発生してしまうため、 Wクラスの高出力緑色光の発生には適していない。また、 光損傷が発生しないために従来良く用いられている、 Mgを 5. Omol%添加したコン ダルェント組成 LiNbO結晶では、紫外光を照射した場合、非照射時と比べて緑色
3
光の透過率が 15%を超えて低下していることが分かる。また、 Mgを 5. 8mol%、 6. Omol%及び 6. 5mol%添加した LiNbO結晶（5. 8mol%MgLN、 6. Omol%Mg
3
LN及び 6. 5mol%MgLN)でも、非照射時と比べて緑色光の透過率が 15%を超え て低下して ヽることがゎカゝる。
[0040] 一方、上記した紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊を防止するために今回新た に提案している、 MgOを 5. 3mol及び 5. 6mol添カ卩した LiNbO結晶に関しては、
3
可視光の一例である緑色光の透過率の低下量（吸収量）は、 15%以下であり、約 8 %〜約 12%程度に抑えられている。
[0041] 上記の測定結果から、紫外光照射時の光吸収には、従来力 言われている 5mol 以上添加すれば抑制することができるいわゆる光損傷だけでなぐこの光損傷とは別 の現象である紫外光誘起緑色光吸収による結晶破壊があり、 MgOを 5mol以上添カロ すれば一律に透過率低下を回避できるわけではなぐ紫外光誘起緑色光吸収による 透過率の低下を回避できる Mgの濃度範囲（例えば、 5. lmol%〜5. 7mol%)が存 在することが分力つた。この濃度範囲で Mgを添加することにより、紫外光が誘起する 緑色光の吸収を抑制し、なおかつ従来力 問題となっている光損傷も回避することが できることが分力つた。
[0042] 次に、得られた Mg濃度の異なるウェハー（Mg添加 LiNbO )に対しフォトプロセス
3
により電極を形成し、電界を印加することで分極反転処理を行った。まず、結晶の誘 電主軸である Z軸方向が基板表面に垂直となるような (Z板)、両面光学研磨された基 板上 (本実施形態では lmm厚）に電極材料となる金属膜を蒸着する。続いて、フォト レジストを塗布し、密着露光法により電極パターンをパターユングする。その後、ドライ エッチング装置により金属電極を形成する。この金属電極に直流のパルス列（回数 5 000回、パルス幅 0. 5msec)を引加することにより、結晶に分極反転構造を形成した 。このときの反転周期は、例えば、 1084nmの第 2高調波が発生する周期である Λ = 7. とし、素子長は 25mmとした。
[0043] 図 5は、上記のようにして作成された本実施の形態による波長変換素子の構成図で ある。本実施の形態による波長変換素子においては、 Mgドープ LiNbO基板 1上に
3 分極反転部 2が周期状に形成されている。本波長変換素子は、周期状に形成された 分極反転部 2内に光を通すことで、位相整合条件を満足し、波長 λの基本波を波長 λ Ζ2の第 2高調波に変換する素子である。この素子に用いた LiNbO基板 1には、
3
Mgがドープされている。
[0044] 上記の MgLTにお 、て、高効率変換が可能な波長変換素子の構造にっ 、て説明 する。分極反転部 2の反転幅は W、深さは D、周期は Λである。分極反転部 2は、 + Z面より— Z面に向カゝつて形成されている。分極反転部 2のストライプ方向は、 Y軸方 向である。分極反転部 2のストライプ方向と Y軸方向とは ± 5度以内の角度を有するこ とが望ましい。この角度が 5度を超えると、分極反転部 2の不均一性が増大し、波長 変換素子の変換効率が大幅に低下するからである。また、波長変換素子の表面は、 結晶の C軸 (Z軸）とほぼ垂直な面を有するのが望ましい。分極反転構造が C軸に沿 つて成長するため、深い分極反転構造の形成が可能となり、波長変換素子を通過す る基本波のビームとの重なりを十分大きくすることができるからである。
[0045] このようにして形成した素子を波長変換素子 (分極反転素子)として使用する場合 について、実際に波長変換特性の評価を行った。この評価に使用した波長変換特 性光学系を図 6に示す。基本波光源 601には、発振波長 1084nmの Ybドープフアイ バーレーザを用いた。出射した赤外光（平行光：ビーム径 760 μ m)を集光レンズ 60 2 (f= 30mm)で分極反転素子 603内に集光する。分極反転素子 603は金属板に 固定され、ベルチェ素子 605により約 25°Cに温度管理されている。この分極反転素 子 603から発生した第 2高調波 (緑色光)を波長分離フィルタ 606で基本波（ ω )と第 2高調波（2 ω )に分離し、分離した第 2高調波をパワーメータで測定して 、る。
[0046] 図 7に、本実施の形態による波長変換素子の特性評価結果をプロットした図を示す 。図 7中の破線は、 Mgを 5. 6mol%添カ卩した LiNbO結晶を用いた本実施の形態の
3
波長変換素子の出力特性を示し、実線は、 Mgを 5. 0mol%添加した LiNbO
3結晶 を用いた従来の波長変換素子の出力特性を示している。
[0047] 従来の結晶を用いた波長変換素子では、不用意に発生した紫外光による緑色光 吸収により、入力が 8Wを超えた付近から出力が飽和し始め、緑色高出力 2. 4〜2. 8Wで結晶に内部ダメージ損傷が発生していた。一方、 Mgを 5. 6mol%添カ卩した Li NbO結晶を用いた波長変換素子については、入力が 8Wを超えた付近力 わずか
3
に出力が飽和するものの、緑色光出力が 2. 4〜2. 8Wを超え 3W以上でも結晶のク ラックは発生せず、 Mg濃度 5mol%添加と比較して出力飽和が抑えられている。この 結果、紫外光による緑色光の吸収を低減したことによる効果が現れて 、ることがわ力 つた o
[0048] 次に、上記の各波長変換素子について、出力と紫外光誘起緑色光吸収との関係 について検討した。図 8は、 Mgを 5. Omol%添カ卩した LiNbO結晶を用いた従来の
3
波長変換素子の入出力特性の測定値及び理論値を示す図であり、図 9は、 Mgを 5. 6mol%添加した LiNbO結晶を用いた本実施の形態の波長変換素子の入出力特
3
性の測定値及び理論値を示す図である。なお、各図において、測定及び計算に用 いた基本波の波長は 1084nmであり、素子長は 25mmである。また、理論値の計算 は、 Γ. Suhara and M. Fujimura ： Waveguide Nonlinear― Optic Devic es (Springer, Berlin, 2003) p. 208ノ，に記載されている方法を用い、変換効 率等には各素子に応じた値を用いた。
[0049] まず、 Mgを 5. Omol%添カ卩した LiNbO結晶を用いた従来の波長変換素子では、
3
図 8に示すように、理論値の入出力特性は曲線 CRとなり、入力と出力とがほぼ比例 する。一方、測定値の入出力特性は曲線 CEとなり、緑色光出力が 1W未満の区間 rl では、曲線 CRと曲線 CEとがほぼ一致する力 緑色光出力が 1W以上となる区間 r2 では、曲線 CEは曲線 CRから外れて緑色光出力が低下し、緑色光出力が 1. 75W以 上となる区間 r3では、曲線 CEは曲線 CR力 大きく外れ、緑色光出力が不安定とな つた。この結果、従来の波長変換素子では、その出力が 1W以上になると、紫外光誘 起緑色光吸収が顕著に発生することがわ力つた。
[0050] 次に、 Mgを 5. 6mol%添カ卩した LiNbO結晶を用いた本実施の形態の波長変換
3
素子では、図 9に示すように、理論値の入出力特性は曲線 IRとなり、上記と同様に入 出力がほぼ比例する。一方、測定値の入出力特性は曲線 IEとなり、曲線 IRと曲線 IE とがほぼ一致する区間 Rlが、緑色光出力が 1. 5Wとなる範囲まで拡大され、曲線 IE が曲線 IRから外れるが安定に緑色光を出力できる区間 R2も、緑色光出力が 2. 9W となる範囲まで拡大された。この結果、本実施の形態の波長変換素子では、出力が 1 W以上になると発生する紫外光誘起緑色光吸収を抑制することができ、緑色光の吸 収が少ない分だけ波長変換効率を向上することができた。
[0051] 上記の理論値及び測定結果から、本波長変換素子は、平均出力 1W以上のレーザ 光を出力することが好ましぐ平均出力 1. 5W以上のレーザ光を出力することがより 好ましぐ出力 1. 75W以上のレーザ光を出力することがさらに好ましい。この場合、 紫外光誘起緑色光吸収を抑制することができ、緑色光の吸収を少なくして波長変換 効率を向上することができる。
[0052] 次に、高出力時の出力安定性について検討した。図 10に、 Mg濃度 5mol%、 5. 3 mol%及び 5. 6mol%の LiNbO結晶を用いた波長変換素子の高出力時の出力安
3
定性をプロットした図を示す。 Mg濃度 5. 6mol%の LiNbO結晶を用いた波長変換
3
素子では、 3. 0W発生時において素子劣化による出力低下が 8時間にわたって発生 していないことが分かる。また、 Mg濃度 5. 3mol%の LiNbO結晶を用いた波長変
3
換素子では、 4. 3W発生時において素子劣化による出力低下が 8時間にわたって発 生していないことが分かる。一方、 Mg濃度 5mol%の LiNbO結晶を用いた波長変
3
換素子では、 2. 5W発生時においても不安定であった。このように Mgの添加濃度を 5. 3mol%及び 5. 6mol%にすることにより、緑色光吸収による発熱の影響を低減で きるため、出力安定性をも向上することができた。
[0053] 次に、図 6に示す波長変換特定評価光学系を用いて、 LiNbO結晶を用いた波長
3
変換素子の Mg添加濃度の最適範囲について検討した。図 11は、 LiNbO結晶を用
3 いた波長変換素子の Mgの濃度と緑色光の吸収率との関係を測定した結果を示す 図であり、図中の黒丸は、各 Mg添加濃度に対する緑色光の吸収率の実測結果を示 し、実線は各測定点を滑らかに結んだ曲線である。
[0054] 図 11に示すように、 LiNbO結晶を用いた波長変換素子では、 Mg濃度が 5. 10〜
3
5. 70mol%であるとき、可視光の一例である緑色光の透過率を 86. 5%以上確保し ながら、 550nmの緑色光を 3Wレベルで出力することができた。また、 Mg濃度が 5. 20〜5. 54mol%であるとき、緑色光の透過率を 90. 0%以上確保しながら、 540η mの緑色光を 3Wレベルで出力することができた。さらに、 Mg濃度が 5. 30-5. 40 mol%であるとき、緑色光の透過率を 92. 0%以上確保しながら、 530nmの緑色光 を 3Wレベルで出力することができた。なお、上記の範囲以外では、結晶にヮレが生 じた。
[0055] 次に、上記の範囲で Mgを添加した LiNbO結晶を用いた波長変換素子の分極反
3
転部の深さ Wの最適範囲について検討した。図 12は、 LiNbO結晶を用いた波長変
3
換素子の Mg濃度と分極反転部の深さ Wとの関係を測定した結果を示す図である。
[0056] 図 12に示すように、 LiNbO結晶を用いた波長変換素子では、 Mg濃度が 6. 00m ol%のとき、分極反転部が十分な深さだけ成長しな力つた力 Mg濃度が 5. 80mol %のとき、 200 m以上の深さで成長し、 Mg濃度力 5. 60mol%、 5. 40mol%、 5. 30mol%のとき、約 250 m以上の深さで成長し、 Mg濃度が 5. 00mol%のとき、約 500 μ m以上の深さで成長した。
[0057] 上記の LiNbO結晶を用いた波長変換素子を分極反転素子として使用する場合、
3
当該分極反転素子から出射されるビームの直径を 120 mにするためには、調整時 の余裕を考慮すると、分極反転部の深さ Wを 200 m以上にする必要がある。この 条件を満たすためには、図 12に示す結果から、 LiNbO結晶を用いた波長変換素
3
子の分極反転部の Mg濃度は、 5. 80mol%以下であることが好ましぐ 5. 60mol% 以下であることがより好まし 、。
[0058] 上記の図 11及び図 12に示す実験結果から、 LiNbO結晶を用いた波長変換素子
3
では、 Mg濃度が 5. 10〜5. 70mol%であることが好ましい。この場合、波長変換素 子から出射されるビームの直径を 120 m以上確保するとともに、緑色光の透過率を 86. 5%以上確保しながら、 550nmの緑色光を 3Wレベルで出力することができる。
[0059] また、 LiNbO結晶を用いた波長変換素子では、 Mg濃度が 5. 20-5. 54mol%
3
であることがより好ましい。この場合、波長変換素子力も出射されるビームの直径を 1 20 /z m以上確保するととも〖こ、緑色光の透過率を 90. 0%以上確保しながら、 540η mの緑色光を 3Wレベルで出力することができる。
[0060] また、 LiNbO結晶を用いた波長変換素子では、 Mg濃度が 5. 30〜5. 40mol%
3
であることがさらに好ましい。この場合、波長変換素子から出射されるビームの直径を 120 /z m以上確保するとともに、緑色光の透過率を 92. 0%以上確保しながら、 530 nmの緑色光を 3Wレベルで出力することができる。
[0061] このように、本実施の形態の波長変換素子を使用することにより、従来実現が困難 であった、光損傷の回避と紫外光誘起緑色光吸収の低減との双方の課題を同時に 緩和することが可能となっている。また、図 6に示した構成は、図 1に記載の特許文献 3と比較して構成及び部材ともに簡略ィ匕されていることがわかる。したがって、本実施 の形態の波長変換素子を用いることにより、装置の簡略ィ匕及び低コストィ匕を実現する ことができる。 [0062] (第 2の実施の形態）
本発明による第 2の実施形態の波長変換素子は、波長変換に用いる非線形光学 結晶として、酸化マグネシウム（MgO)を添カ卩したコンダルェント組成タンタル酸リチ ゥム結晶を用い、赤外光を緑色光に変換する。以下、本波長変換素子について詳細 に説明する。
[0063] 本実施形態に用いられるタンタル酸リチウムは、第 1の実施の形態と同様に作成さ れる。結晶の Mg濃度 (Mg含有比）は、引き上がった状態において、 1. Omol%、 3. Omol%、 5. Omol%、 5. 3mol%、 5. 6mol%、 6. Omol%、 7. Omol%、 10. Omol
%とした。
[0064] まず、結晶基板である Mgドープ LiTaOの結晶組成について検討した。 LiTaO結
3 3 晶は、 LiZTa比によりコンダルェント組成とストィキオメトリック組成とに分類される。ス トイキォメトリック組成は、 LiZTa比がほぼ 50Z50であり、完全結晶と呼ばれ、コング ルェント組成は、 Li/Ta比が 50/50からずれて!/、る。
[0065] このため、 Mgドープ LiTaO結晶としては、コングルェント組成であることが好ましく
3
、基板結晶に含まれる Liと Taとのモル比である LiZNb比が 94. 2 ± 2%であることが より好ましい。この場合、コンダルェント組成では Li/Ta比が 50/50からずれている ため、結晶欠陥が多ぐ結晶欠陥に配置される Mgを高濃度で添加可能である。この 結果、特性に必要な 5mol%以上の Mg添加が容易となり、結晶性が高い高濃度 Mg ドープの LiTaO結晶を作製することができた。また、コンダルェント組成の LiZTa比
3
は、 94. 2± 2%程度が好ましい。このコンダルェント組成の結晶では、結晶の引き上 げが容易であり、低コストィ匕が可能となった。
[0066] 続いて、図 3に示す評価装置を用いて、紫外線照射時における緑色光の吸収率を 測定し、測定結果について図 13にまとめた。まず、 Mgを 1. Omol%、 3. Omol%、 5 . Omol%、 5. 3mol%、 5. 6mol%、 6. Omol%、 7. Omol%添カ卩したコンク、ルェント 組成 LiTaO結晶（1. Omol%MgLT、 3. Omol%MgLT、 5. Omol%MgLT、 5. 3
3
mol%MgLT、 6. Omol%MgLT及び 7. Omol%MgLT)では、紫外光を照射した 場合、非照射時と比べて緑色光の透過率の低下が約 5%以下に抑えられている。一 方、 Mgを 10. Omol添カ卩した LiTaO結晶（10. Omol%MgLT)では、非照射時と比 ベて緑色光の透過率が 5%以上低下していることがわかる。
[0067] 次に、上記の結晶を用いて、図 1に示す波長変換素子と同様にして、本実施の形 態の波長変換素子を作成した。本実施の形態の波長変換素子の構成は、図 1に示 す波長変換素子と同様であるので、図 1を参照してその構成を説明する。
[0068] 本実施の形態による波長変換素子においては、結晶の Z軸にほぼ垂直な主面を有 する Mgドープ LiTaO基板 1上に周期状に形成された分極反転部 2が形成されて ヽ
3
る。本波長変換素子は、周期状に形成された分極反転部 2内に光を通すことで、位 相整合条件を満足し、波長 λの基本波を波長 λ Ζ2の第 2高調波に変換する素子 である。ここで、 λ Ζ3は、 400nm以下であり、位相整合波長 λは、 980nm以下であ る。この素子に用いた LiTaO基板には、 Mgがドープされている。周期状の分極反
3
転部 2は、基板の +Z面に形成された周期状のパターン電極と、基板の—Z面に形成 された電極との間に電界を印加する工程により形成され、電極間の印加電解は、 4k VZmm以下である。
[0069] 上記の波長変換素子 (MgLT)にお 、て、高効率変換が可能な波長変換素子の構 造について説明する。分極反転部 2の反転幅は、深さは D、周期は Λである。分極反 転部 2は +Z面から— Z面に向力つて形成されている。分極反転部 2のストライプ方向 は、 Y軸方向であり、分極反転部 2のストライプ方向と Y軸とは、ほぼ平行である。分 極反転部 2のストライプ方向と Y軸方向とは ± 5度以内の角度を有することが望ま 、 。この角度が 5度を超えると、分極反転の不均一性が増大し、波長変換素子の変換 効率が大幅に低下するからである。また、波長変換素子の表面は、結晶の C軸 (Z軸 )とほぼ垂直な面を有するのが望ましい。分極反転構造が C軸に沿って成長するため 、深い分極反転構造の形成が可能となり、波長変換素子を通過する基本波のビーム との重なりを十分大きくすることができる力もである。
[0070] 次に、図 6に示す波長変換特定評価光学系を用いて、 LiTaO結晶を用いた波長
3
変換素子の Mg添加濃度の最適範囲について検討した。図 14は、 LiTaO結晶を用
3 いた波長変換素子の Mgの濃度と緑色光の吸収率との関係を測定した結果を示す 図であり、図中の黒丸は、各 Mg添加濃度に対する緑色光の吸収率の実測結果を示 し、実線は各測定点を滑らかに結んだ曲線である。 [0071] 図 14に示すように、 LiTaO結晶を用いた波長変換素子では、 Mg濃度が 5. 0〜8
3
. Omol%であるとき、緑色光の透過率を 95. 2%以上確保しながら、 540nmの緑色 光を 10Wレベルで出力することができた。また、 Mg濃度が 5. 0〜7. Omol%である とき、緑色光の透過率を 95. 8%以上確保しながら、 530nmの緑色光を 10Wレベル で出力することができた。さらに、 Mgの濃度が 5. 0〜6. Omol%であるとき、緑色光 の透過率を 96. 7%以上確保しながら、 525nmの緑色光を 10Wレベルで出力する ことができた。一方、 Mgの濃度が 5. Omol%未満の場合、光損傷 (フォトリフラタティ ブ）が発生し、 8. Omol%を超えると、結晶性が悪ィ匕し、いずれも好ましくないことがわ かった。
[0072] また、 LiTaO結晶を用いた波長変換素子では、 Mgの濃度が 5. Omol%の場合に
3
、実験によっては光損傷がわずかに観測されたため、上記各範囲は、 5. 1〜7. Om ol%、 5. 1〜6. Omol%、 5. 1〜6. Omol%であることがより望ましい。この場合、光 損傷を確実に抑制することができる。
[0073] また、上記と同様の実験から、紫外線誘起緑色光吸収による出力低下が起きるの は、基本波の波長が 1200nm以下、分極反転部 2の周期 Λが 11 m以下の波長変 換素子であることが判明した。この場合、 Mgのドープ量が 5. 0〜8. Omol%の周期 状分極反転構造を備えた波長変換素子では、 Mgドープによる光損傷耐性の向上、 紫外線誘起緑色光吸収の増大が抑圧されるので、高出力及び高効率耐性を実現で き、 SHG (Second Harmonic Generation)光のパワー密度も lMWZcm2以上で約 10 Wの高出力が安定的に得られた。
[0074] 次に、上記の範囲で Mgを添加した LiTaO結晶を用いた波長変換素子の分極反
3
転部の深さ Wの最適範囲について検討した。図 15は、 LiTaO結晶を用いた波長変
3
換素子の Mg濃度と分極反転部の深さ Wとの関係を測定した結果を示す図である。
[0075] 図 15に示すように、 LiTaO結晶を用いた波長変換素子では、 Mg濃度が 10. Om
3
ol%のとき、分極反転部が十分な深さだけ成長しな力つた力 Mg濃度が 8. Omol% のとき、約 200 mの深さで成長し、 Mgの濃度力 5. 6mol%、 5. 4mol%、 5. 3mol %、 5. Omol%のとき、約 250 m以上の深さで成長した。
[0076] 上記の LiTaO結晶を用いた波長変換素子を分極反転素子として使用する場合、 当該分極反転素子から出射されるビームの直径を 120 mにするためには、調整時 の余裕を考慮すると、分極反転部の深さ Wを 200 m以上にする必要がある。この 条件を満たすためには、図 15に示す結果から、 LiTaO結晶を用いた波長変換素子
3
の分極反転部の Mgの濃度は、 8. 0mol%以下であることが好ましぐ 5. 6mol%以 下であることがより好まし!/、。
[0077] 上記の図 14及び図 15に示す実験結果から、 LiNbO結晶を用いた波長変換素子
3
では、 Mg濃度が 5. 0〜6. Omol%であることが好ましい。この場合、波長変換素子 力も出射されるビームの直径を 120 m以上確保するとともに、緑色光の透過率を 9 5. 2%以上確保しながら、 540nmの緑色光を 10Wレベルで出力することができる。
[0078] また、 LiTaO結晶を用いた波長変換素子では、 Mgの濃度が 5. 0〜7. Omol%で
3
あることがより好ましい。この場合、波長変換素子力も出射されるビームの直径を 120 m以上確保するとともに、緑色光の透過率を 95. 8%以上確保しながら、 530nm の緑色光を 10Wレベルで出力することができる。
[0079] また、 LiTaO結晶を用いた波長変換素子では、 Mgの濃度が 5. 0〜6. Omol%で
3
あることがさらに好ましい。この場合、波長変換素子から出射されるビームの直径を 1 20 /z m以上確保するととも〖こ、緑色光の透過率を 96. 7%以上確保しながら、 525η mの緑色光を 10Wレベルで出力することができる。
[0080] このように、本実施の形態の波長変換素子を使用することにより、従来実現が困難 であった、光損傷の回避と紫外光誘起緑色光吸収の低減との双方の課題を同時に 緩和することが可能となっている。また、図 6に示した構成は、図 1に記載の特許文献 3と比較して構成及び部材ともに簡略ィ匕されていることがわかる。したがって、本実施 の形態の波長変換素子を用いることにより、装置の簡略ィ匕及び低コストィ匕を実現する ことができる。
[0081] また、本実施の形態のように、 LiTaO結晶を用いる場合、非線形光学定数が LiN
3
bO結晶の約 3分の 1となり、可視光の吸収率が LiNbO結晶より十分に小さいため、
3 3
より多くの緑色光を発光することができる。この結果、本実施の形態の波長変換素子 は、より高い波高値を有するパルスを発生することができるので、後述するパルス変 調に有利となる。 [0082] 次に、分極反転部 2の形状にっ ヽて詳細に検討した。本実施の形態では、分極反 転部 2が裏面に貫通しないように分極反転部 2の成長を基板の途中で止める方法を 採用した。分極反転部 2の成長を制御して貫通反転を防止することで、電極間の抵 抗低下を抑圧して分極反転に必要な電界を電極面内に均一に印加することが可能 となり、均一な分極反転構造が形成可能となった。
[0083] このように、分極反転構造として、分極反転部 2の深さ Dは、基板の厚さ（Z方向の 基板長)より小さ!/、ことが好ましく、分極反転部 2が形成されて 、る分極反転領域の 9 0%以上の領域が裏面まで貫通していないことが好ましい。すなわち、電極面積の 9 0%以上の領域で分極反転部 2が貫通しない構成により、均一な分極反転構造の形 成が可能となる。
[0084] また、分極反転部 2が裏面まで貫通するのを防止するには、基板の厚さを大きくす ることが好ましい。例えば、基板の厚さを lmm以上にすることで分極反転の貫通を防 止し、均一な短周期構造の形成が可能となるため、高効率の波長変換素子が実現 できた。
[0085] また、分極反転部 2の深さ Dの平均は、基板の厚さの 40〜95%の範囲であることが 好ましい。この範囲であれば、基板を有効に利用できる。一方、 95%を超えると分極 反転部 2抵抗低下が激しくなるため、均一な分極反転構造の形成が困難になり、 40 %未満になると、分極反転部 2の不均一性が大きくなり、使用できる有効な分極反転 部 2の深さ Dが大幅に低下する。
[0086] また、 MgLTにおいては、分極反転部 2は、基板の表面力も深さ方向に楔状となり 、深くなるに従って、分極反転部 2の幅が低下することがわ力 た。 1次の分極反転 周期を持った波長変換素子においては、分極反転部 2の幅 Wと周期 Λとのデューテ ィ比 WZAは 50%で最大となる。バルタの波長変換素子として、集光ビームを分極 反転部 2に入射する場合の有効な断面積は、分極反転部 2の幅 Wと周期 Λとのデュ 一ティ比 WZ Λが 50%士 10%の領域となる。
[0087] ところが、分極反転部 2の幅 Wと周期 Λとのデューティ比 WZ Λが基板の表面で 50 %になった場合、図 16に示すように、基板の表面で第 2高調波（SHG)出力が最大 となるが、深さ W方向の有効断面積が小さくなる。これに対して、基板の表面でデュ 一ティ比 WZ Aが 50%を超えると、図 17に示すように、深さ W方向の有効断面積が 大幅に増加する。有効断面積が増加すると、ビームの調整が簡便になるだけでなぐ 使用できるビームを大きくできるため、基本波及び第 2高調波のパワー密度を低減す ることが可能となり、高出力耐性が大幅に向上する。したがって、基板の主面におけ る分極反転部 2の幅 Wは、非分極反転部の幅（ Λ—W)より大き 、ことが好ま 、。
[0088] また、分極反転部 2のアスペクト比（DZW)は、 200以上であることが好まし 、。ァス ぺクト比が大きいと、分極反転を有効に使える領域が大きくなり、特に、短周期構造 において必要となる。
[0089] 次に、さらに高出力の波長変換素子を実現する構成について考察した。実験結果 から、紫外線による緑色光の吸収増大は、紫外線の波長に依存することが明らかに なった。紫外線としては 320ηπ！〜 380nmの波長範囲の紫外線に対して、緑色光の 吸収が増大した。波長 320nm以下の波長は、結晶の吸収端以下の波長であり、結 晶を透過しないため、影響がないと考えられる。したがって、上記波長の紫外線が当 たると、緑色光の吸収による高出力特性の劣化が観測された。
[0090] 外部の紫外線による高出力特性劣化を防止するには、結晶を外部の紫外線力 遮 断する必要がある。高出力特性の劣化を防止するため、図 18に示すように、 MgO添 加分極反転タンタル酸リチウム結晶（PPMgLT: Periodically Poled MgO doped LiT aO ) 62が光源 66から出射された基本波 65を第二高調波（SHG) 65に変換して出
3
力する場合、 PPMgLT62の回りに波長 250〜400nmの光が透過しない蔽ぃ 61を 設けて、外部からの紫外光を遮断するのが望ましい。すなわち、波長変換素子は、蔽 い 61を備え、蔽ぃ 61により外部光力も遮蔽され、蔽ぃ 61は、波長 400nm以下の光 を透過しな 、ことが好まし 、。
[0091] 次に、基本波と第二高調波との和周波による紫外光発生によって生じる高出力特 性の劣化について説明する。外部からの紫外光を完全に遮断した場合でも、高出力 の緑色光発生で、ダメージが発生する場合がある。この原因を調べたところ、図 19に 示すように、 PPMgLT72では、光源 71からの基本波 74と第二高調波（SHG) 75と の和周波（SFG : Sum Frequency Generation) 76がウォークオフ角 77を持って出射し ていることが判明した。 SFG76の波長は、基本波 74の波長えの 1Z3であり、例えば 1064nmの基本波に対しては 355nmの紫外線となる。これが、 SHG75の吸収の要 因となって、高出力特性を劣化させていることが分力つた。この特性を分析すると波 長依存性を持っている。
[0092] 図 20は、基本波の波長とウォークオフ角との関係を計算したものである力 SFGは 分極反転の周期に依存していくつかの波長でウォークオフ角度が 0に近づく。ウォー クオフ角が 0に近づくと、 SFGの強度が強くなり、高出力特性が大幅に低下すること が分力つた。特に、ウォークオフ角が 15度以下では、高出力特性の劣化が激しくなる oこのため、基本波の波長としては、 820nm以下、又は 850〜980nm、又は 1020η m以上であることが好ましい。これらの範囲では、内部で発生する和周波を低減する ことができるので、より高出力な特性が実現できる。
[0093] なお、基本波を出力する光源としては、固体レーザ光源、ファイバーレーザ光源が 利用できる。また、本実施の形態の波長変換素子を固体レーザ共振器内に設置して 内部共振器型の波長変換として利用することにより、高出力の短波長光源が実現で きる。この場合、本実施の形態の波長変換素子 (PPMgLT)は、透過特性が高いた め、共振器内での損失が低減され、高効率の波長変換が可能となる。
[0094] (第 3の実施の形態）
次に、本発明の第 3の実施の形態による波長変換素子を用いたレーザ光源装置に ついて図 21を用いて説明する。図 21において、コヒーレント光源である光源 86から 出た基本波 84は、集光光学系 85を通って、波長変換素子である非線形光学結晶 8 1、 82によって波長変換され SHG83に変換される。本構成により高効率及び高出力 な波長変換素子が実現できる。なお、基本波 84の光源 86としては、固体レーザ光源 、ファイバーレーザ光源等が利用できる。ファイバーレーザ光源は、ビーム品質が高 いため、シングルパスの構成で高効率変換が容易であり、本実施の形態の波長変換 素子と組み合わせて高効率の短波長光源装置が実現できる。
[0095] Mgドープ LiNbO (MgLN)は、高い非線形光学効果を有し、 Mgドープ LiTaO (
3 3
MgLT)の 3倍の変換効率を実現できる。しかしながら、前述した紫外光発生により、 高出力耐性に問題があるため、 3W程度を超える高出力化が難しい。一方、 Mgドー プ LiTaOの変換効率は、 Mgドープ LiNbOに比べて低いが、 Mgドープにより光損 傷の耐性及び高出力耐性が大幅に向上する。
[0096] そこで、この 2つの結晶を組み合わせることで、変換効率が高くかつ高出力の波長 変換素子が実現できる。なお、波長変換素子を長くして変換効率の向上を図ることも 可能であるが、素子長を長くすると、変換できる基本波の波長許容度が狭くなるので 、高効率変換が難しくなる。また、素子も大きくなり、小型化及び低コスト化に不利で ある。
[0097] 図 21に示すように、非線形光学結晶 81として、周期状の分極反転構造を有する M gLN (PPMgLN： Periodically Poled MgO doped LiNbO )素子を用い、非線开光
3
学結晶 82として、周期状の分極反転構造を有する MgLT(PPMgLT)素子を用い、 PPMgLN素子 81を前段階に配置して 1064nmの基本波 84を 532nmの SHG83 に変換した。このとき、 PPMgLN素子 81によって 3Wの緑色光を発生させ、次に、 P PMgLT素子 82によってさらに波長変換を行うことにより、 SHG83として 10Wの緑色 光を発生させることができた。なお、 PPMgLN素子 81と PPMgLT素子 82との位相 整合波長は一致させている。また、 PPMgLN素子 81と PPMgLT素子 82との接合 部分で基本波 84と SHG83の位相関係が一致するように結晶端での分極反転構造 を調整している。
[0098] このように、本実施の形態の波長変換素子は、 Mgドープ LiTaO基板とともに、さら
3
に周期状の分極反転構造を有する Mgドープ LiNbO基板を備え、 Mgドープ LiTa
3
O基板と Mgドープ LiNbOとが隣接して配置され、 Mgドープ LiTaO基板と Mgド
3 3 3
ープ LiNbOとがほぼ同じ位相整合条件を有して 、る。
3
[0099] 図 22に PPMgLN素子 81及び PPMgLT素子 82の素子長すなわち距離に対する SHG出力の増加の様子を示す。まず、 PPMgLN素子 81では、変換効率が高いた め、距離に対しての SHGの増加量を大きくすることができた。また、 PPMgLT素子 8 2では、変換効率は PPMgLN素子 81に比べて低いが、高出力耐性に優れるため、 高出力まで安定に出力できた。このように、 2段の波長変換素子により高効率化と高 出力化とが可能となり、 10W以上の高出力光源が実現できた。
[0100] 上記のように、本実施の形態では、 PPMgLN素子 81と PPMgLT素子 82とを組み 合わせることにより、短い素子長で高効率な波長変換が行えるので、波長許容度が 拡大し、かつ小型のレーザ光源装置が実現できた。また、 PPMgLN素子 81と PPM gLT素子 82とを接着又は接合して短波長光源を構成すれば、よりコンパクトな短波 長光源を実現できる。
[0101] (第 4の実施の形態）
次に、上記の 、ずれかの波長変換素子を適用したレーザディスプレイ（2次元画像 表示装置）の構成の一例について図 23を用いて説明する。レーザ光源装置には、 赤（R)、緑（G)、青（B)の 3色のレーザ光源 901a〜901cを用い、赤色光源 901aに は、波長 638nmの GaAs系半導体レーザを用い、青色光源 901cには、波長 465η mの GaN系半導体レーザを用いている。また、緑色光源 90 lbには、赤外レーザの 波長を 1Z2にする波長変換素子を具備した波長変換緑色光源装置を用いており、 この波長変換緑色光源装置の波長変換素子として、上記の第 1乃至第 3の実施の形 態の波長変換素子を用いることができる。
[0102] なお、本実施の形態では、色毎に 1つの半導体レーザを使用している力 バンドル ファイバ一により 2個〜 8個の半導体レーザの出力を 1本のファイバー出力で得られる ような構造をとつてもよい。その場合、波長スペクトル幅は、数 nmと非常にブロードな 物となり、この広いスペクトルによりスペックルノイズの発生を抑制することができる。
[0103] 各光源 901a、 901b, 901cより発せられた各色のレーザビームは、反射型 2次元ビ ーム走查咅 902a〜902c【こより 2次元的【こ走査され、ミラー 910a、 レンズ 910b及 びミラー 910cを透過した後、拡散板 903a〜903cを照射する。拡散板 903a〜903c 上を 2次元的に走査される各色のレーザビームは、フィールドレンズ 904a〜904cを 通過した後、 2次元空間光変調素子 905a〜905cへ導かれる。
[0104] ここで、画像データは、 R、 G、 Bそれぞれに分割されており、各信号が 2次元空間 光変調素子 905a〜905cに入力され、ダイクロイツクプリズム 906で合波されることに より、カラー画像が形成される。このように合波された画像は、投射レンズ 907によりス クリーン 908に投影される。このとき、拡散板 903a〜903cがスペックルノイズ除去部 として 2次元空間変調素子 905a〜905cの手前に配置されており、拡散板 903a〜9 03cを揺動することにより、スペックルノイズを低減することができる。
[0105] なお、スペックルノイズ除去部としては、レンチキュラーレンズ等を用いてもよい。 また、 2次元空間変調素子 905a〜905cとしては、超小型ミラーが集積された反射型 空間変調素子 (DMDミラー)を用いることができるが、液晶を用いた 2次元空間変調 素子や、ガルバノミラー、メカ-カルマイクロスィッチ（MEMS)を用いた 2次元空間変 調素子を用いてもよい。
[0106] 図 24の色度図表内に、 S— RGB規格の色再現範囲と、緑色光として 540nm及び 530nmのレーザ光を選択した場合における色再現範囲とを示す。緑色光として 540 nm及び 530nmのレーザ光を選択した場合における色再現範囲の 、ずれも力 従 来の画像表示装置で再現可能な S—RGB規格の色再現範囲よりも広がって 、ること がわかる。このように、本実施の形態による 2次元画像表示装置では、その光源として レーザ光を使用することにより、高精細な映像を再現することが可能となる。また、 2 次元画像表示に使用する緑色光の波長範囲としては、色再現性を考慮すると、 488 nm〜550nmが望ましぐより望ましくは、 500nm〜540nmの範囲内であることが適 当である。また、緑色光の波長範囲は、 526nm〜529nmであることがさらに好まし い。 526nm未満では、黄色が再現できず、 529nmを超えると、色再現範囲が NTS C比で 140%を切るからである。
[0107] なお、緑色光源 901bの構成は、上記の例に特に限定されず、上記の第 1乃至第 3 の実施の形態の波長変換素子を波長変換結晶として用い、ファイバーレーザ光源の 第 2高調波を発生させる第 2高調波発生装置 (波長変換ファイバーレーザ光源装置） を用いてもよい。この第 2高調波発生装置の構成について、図 25を用いて説明する
[0108] 図 25に示す第 2高調波発生装置は、励起用（ポンプ用）レーザ 1001、 Yb添加クラ ッドポンプファイバー 1003、ポラライザ 1004、ファイバーグレーティング 1005、レン ズ 1006、波長変換素子（SHG結晶） 1007、スプリッタ 1008、フォトダイオード（PD) 1009、出力コントローラ 1010、及び制御電流源（I電流源） 1011とを備える。
し
[0109] 励起用レーザ 1001としては、レーザダイオードが用いられ、 Yb添加クラッドポンプ ファイバー 1003は、レーザ媒質として使用される。 Yb添加クラッドポンプファイバー 1 003は、励起用レーザ 1001 (波長約 195nm、最大出力 30W)で励起され、 Yb添加 クラッドポンプファイバー 1003の波長は、 1060nm近辺に制御されている。ポラライ ザ 1004は、発振した基本波を直線偏光に変換する。直線偏光に変換された光は、 ファイバーグレーティング 1005及びレンズ 1006を介して、波長変換素子 1007に入 射される。
[0110] このようにして、発振した光 (波長約 1060nm)は、非線形光学結晶（例えば、周期 分極反転 MgO :LiNbO結晶、長さ 10mm)からなる波長変換素子 1007に入射され
3
、 1Z2の波長である 530nmの緑色光に変換される。このとき、波長変換素子 1007 は、結晶の温度により位相整合波長が変化するため、 0. o eの精度で温度制御さ れており、発振した光の第 2高調波を発生させる。
[0111] 発生した緑色光の一部は、スプリッタ 1008により分離されて PD1009へ入力される 。 PD1009は、波長変換結晶 1006の出力をモニターして緑色光の強度を計測する 。出力コントローラ 1010は、 PD1009により検出された第 2高調波出力を基に出力を 一定にする制御を行い、制御電流源 1011は、出力コントローラ 1010からの制御信 号を受けて励起用レーザ 1001の出力を制御する。このように、出力コントローラ 101 0が PD1009により計測された光の強度を換算することで、励起光源の出力電流をコ ントロールすることが可能となる。
[0112] これまで Wクラスの出力を得る場合、波長変換素子の温度を 100°C以上に加熱す ることが一般的であった力 例えば、 Mg5. 6mol添カ卩の LiNbO結晶を用いた場合
3
、第 1実施の形態でも説明したように、室温に置いても安定した緑色光出力が得られ る。このため、 20°C〜60°Cの範囲であっても使用することができ、装置の消費電力を 低減することができる。カロえて、結晶保持温度を室温以上 (40〜60°C)に設定した場 合、高価なペルチヱ素子を使用しなくてもヒータで代替できるため、さらに部材コスト を低減することができる。
[0113] なお、本発明は、このような構成の 2次元画像表示装置のほかに、スクリーンの背後 から投影する形態（リアプロジェクシヨンディスプレイ）を採用すること、一般的な液晶 表示素子のバックライトに使用することも可能であり、これらの形態においても、上記 と同様に、 2次元画像表示装置の色再現性を向上することが可能となる。特に、リア プロジェクシヨンディスプレイの形態をとる場合や液晶表示素子のバックライトとして用 いる場合、視野角を大きくするためには、光源出力を大きくする必要があり、この場合 、 R、 G、 Bそれぞれ 2. 5W以上望ましくは 3W以上の光源が必要となる。
[0114] このような 2次元画像表示装置において、実用的といえる 5001m以上の明るさを得 るには、 R、 G、 Bそれぞれ 2W以上の光が必要となっている。一方、このような Wクラ スの緑色光を得るにはこれまで、 LBO (リチウムトリボレート: LiB O )結晶を用いた第
3 5
2高調波発生が一般的であった。しかしながら、この LBO結晶には潮解性があるため 、結晶保持温度を 150°Cとする必要があり、加えて変換効率を左右する非線形光学 定数が MgO :LiNbOの 1Z20程度と小さいため、外部共振器など波長変換装置の
3
構成が複雑になるうえ、装置の消費電力が増加するという問題があった。
[0115] し力しながら、本実施の形態においては、 Wクラスの緑色高出力を得ることが可能 な MgO :LiNbO等を使用した波長変換緑色光源を使用しているので、結晶加熱や
3
複雑な構成の光学系を必要とせずに、 2次元画像表示装置を構成することができる。
[0116] また、 2次元画像表示装置として最低限必要な明るさを 300cdZm2とすると、緑色 光の強度は 1. 5W以上必要となる。この強度を実現するためには、基本波に対する SHGの比率は、 25%〜60%であることが好ましい。 25%未満では、変換効率が低 下して消費電力が増大し、 60%を超えると、結晶破壊が発生したり、出力変動が大き くなりすぎる力 である。
[0117] なお、本実施の形態では、レーザディスプレイについて説明した力 本発明が適用 される光学装置は、この例に特に限定されず、光ディスク装置や計測装置にも有効 である。光ディスク装置に本発明のレーザ光源装置を用いた場合、コヒーレンスの高 い、安定な高出力を得ることができ、ホログラム記録にも有効である。そのほか、液晶 装置のノ ックライトへの応用も可能となる。本発明のレーザ光源装置を液晶のバック ライト用の光源として用いれば、高い変換効率により高効率及び高輝度の液晶が実 現できる。さらに、レーザ光によって広い色範囲が表現できるため、色再現性に優れ たディスプレイが実現できる。
[0118] また、本発明のレーザ光源装置は、照明光源としても利用できる。ファイバーレーザ を基本波光源として用いれば、変換効率が高いため、電気—光の高効率変換が可 能となる。また、ファイバーを用いることで、低損失で離れた場所に光を伝送すること ができる。この結果、光発生を特定の場所で行い、離れた場所へ光を送ることで、光 のセントラル発生による室内の照明が可能になる。また、ファイバーレーザは、フアイ バーとの結合が低損失で行えるため、光の配送に有効である。
[0119] (第 5の実施の形態）
次に、上記の!/、ずれかの波長変換素子を適用したレーザ加工装置の一例につ!/ヽ て、図 26を用いて説明する。本実施の形態は、加工用レーザ光源 1201として、上記 の第 1乃至第 3の実施の形態の波長変換素子を用いたレーザ光源装置 (緑色光:波 長 532nm)を使用しており、プリント基板などの銅力卩ェに適したレーザ描画カ卩ェ装置 である。なお、緑色光源 1201の構成は、第 4の実施の形態と同様であるので、詳細 な説明を省略する。
[0120] 加工用レーザ光源 1201を出射した緑色光は、組レンズ 1202によりコリメートされる 。その後、スリット 1203を通過してビーム径が調整され、ミラー 1204などにより光軸を 折り返した後、レンズ 1205を介してガルバノミラー 1206a、 1206bへ導力れる。ガル バノミラー 1206a、 1206bは、レーザ光の光軸を加工方向（x方向又は y方向）に動 力し、その後、 f Θレンズ 1207により、 X yステージ 1209に取り付けられたカロ工対 象物 1208に垂直にビームが入射され、所望の加工が行われる。加工に用いられる レーザ光の波長範囲は、光ディスクのマスタリング等に使用できる 400nmから樹脂の 用着荷使用できる 600nmまでの波長範囲であることが望ましい。
[0121] 従来、このようなレーザカ卩ェ装置に用いるレーザ光源には、 LBO結晶を用いたレー ザ光源が用いられていた力 この結晶には潮解性があり、使用しない場合においても 、結晶を 150°Cに加熱したり、乾燥雰囲気中で使用したりする必要がある上、結晶の 持つ熱膨張係数の違いから表面コーティングが破壊されるという問題点があった。ま た、これまでに報告のあった、 Mg05mol添加： LiNbOは、潮解性がないという特長
3
を持つが、 200〜300mWまでの出力を得た例がほとんどで、前述したように 2W以 上の緑色光出力を得ようとした場合、結晶が割れるなどの問題があった。
[0122] し力しながら、本実施の形態においては、 Wクラスの緑色高出力を得ることが可能 な MgO :LiNbO等を使用しているので、 3W以上の出力が安定して得られるととも
3
に、潮解性がないため、装置を使用しない場合には、電源を遮断した状態でも結晶 劣化をなくすことができる。その結果、ヒータを駆動する装置の消費電力を低減し、さ らには装置の小型化が可能となる。
[0123] また、本実施の形態では、基本波の波長を変化させることにより、アルゴンイオンレ 一ザ (488nm、 514nm)の波長を発生させることも可能である。この場合、ガラスチュ ーブを用いた大型の光源であった従来の光源に比して、使用するレーザ光源装置 の体積を 20〜30%に小型化することができ、光造形装置や、パーティクル分析装置 、血液分析装置など各種分析機器の小型化及び低消費電力化が実現できる。
[0124] また、上記のレーザ加工装置では、加工用レーザ光源 1201をパルス光源として使 用する場合、一般的にパルス当たりのピークパワーは上昇する。そのため、紫外光誘 起緑色光吸収が、連続光では平均出力 2W以上の場合に発生する力 パルス発振 では平均出力で 1W以上で発生する。また、パルス発振では、レーザ光源装置に搭 載される励起用レーザに供給する電流の波形を考慮しなければ、異常に高いピーク ノ ヮ一を持つ光が発生し、結晶やミラーにレーザダメージ (レーザ損傷）が生じ、緑色 光の発生が停止してしまう。
[0125] 図 27の（a)〜（c)に、従来のレーザ光源装置に矩形波を入力した場合における励 起用レーザへの電流波形 I、波長変換素子へ入力される基本波の出力波形 Ρ ω、 し
及び波長変換素子からの緑色光の出力波形 Ρ
greenを示す。
[0126] 図 27の（a)に示すように、電流波形 Iが矩形であっても、パルスの立ち上がりと同 し
時にレーザ媒質である波長変換素子に形成された反転分布が光となって出力される ため、図 27の（b)に示すように、予期せぬピークパワーを有する基本波 Ρ ωが 1〜10 μ sのパルス幅で出力され、図 27の（c)に示すように、高ピーク入力により波長変換 素子等が破壊され、緑色光の出力波形 Ρ にとして高ピークの緑色光が一瞬出力
green
される力 その後、緑色光の出力が得られないという問題があった。
[0127] このため、本実施の形態では、例えば、図 28の（a)に示すように、励起用レーザ 10 01への電流波形 Iとして、最初の 1〜： LO /z sの間、所定の波高値の 5〜30%、より好 し
ましくは 10〜20%の電流値を与え、その後、電流波形 Iを所望の電流値 (所定の波 し
高値）にしている。この結果、図 28の (b)に示すように、波長変換素子 1007へ入力さ れる基本波の出力波形 Ρ ωは、パルスの立ち上がり時に高いピークを有すことなぐ 緩やかに所定のピーク値まで上昇し、高いピーク出力の発生を防止することができる [0128] このように、基本波発生用光源の励起用レーザ 1001に供給される電流波形の立ち 上がり時の電流値を、定常時の電流値に対して 5〜30%、より好ましくは 10〜20% に制限することにより、図 28の（c)に示す緑色光の出力波形 P のように、安定した
green
緑色光の出力を得ることができる。また、定常時の電流値に対して 5〜30%、より好ま しくは 10〜20%に制限する期間は、 1〜： LO /z sの範囲であることが好ましい。
[0129] なお、電流波形 Iは、図 28の（a)に示す例に特に限定されず、図 29の（a)や (b)に
し
示すように、波高値の 5〜30%、より好ましくは 10〜20%の範囲の低電流で、励起 用レーザ 1001を予備的に発光させておき、その後、所望の電流値とする方法 (電流 波形 Iとして小パルスと大パルスとを組み合わせる方法や電流波形 Iをステップ状に し し 上昇させる方法)や、図 29の（c)のように徐々に電流値を上昇させる方法 (電流波形 I しをランプ関数的に上昇させる方法)でも、上記と同様の効果、つまり、高ピークパヮ 一基本波による光学部品の損傷防止及び緑色光出力の安定ィ匕が実現でき、装置の 信頼性向上及び長寿命化が可能となる。
[0130] また、固体レーザやファイバーレーザの発振閾値に満たない電流値で直流バイァ スを電流波形に印加しておき、変調信号を重畳するだけでは、パルス立ち上がり時 の高ピーク出力の発生は回避できないことを確認している。また、励起用レーザの電 流波形に 20MHz以下の高周波信号を重畳してパルス立ち上がり時の高ピーク出力 の発生を回避する場合、画面のちらつき (フリツ力）が発生するため、上記の第 2高調 波発生装置を 2次元画像表示装置に使用するときには、変調深さは 0〜50%の範囲 内であることがより望ましい。
[0131] 上記の駆動方法を用いたレーザ光源装置では、その出力を励起用レーザの電流 波形で変調することが可能となるため、電気光学効果や音響光学効果を用いた変調 素子が不要となり、光源の小型化及び低コストィ匕が可能になる上、ガルバノミラー、メ 力-カルマイクロスィッチ（MEMS)等を用いた 2次元空間変調素子により実現された 、明るさ 1001m以上の 2次元画像表示装置やレーザ加工装置を構成する際に非常 に有用となる。
[0132] なお、以上の各実施の形態に例示した波長変換素子、レーザ光源装置、 2次元画 像表示装置及びレーザ加工装置は、あくまでも一例であり、他の態様をとることが可 能であることは言うまでもな!/、。
産業上の利用可能性
本発明に係る波長変換素子では、紫外光を照射した際の可視光透過特性を改善 することにより、結晶の破壊を防止するとともに、出力特性の安定ィ匕を実現している。 この効果により、紫外光である第 3高調波が原因となって引き起こされる第 2高調波（ 緑色光）の吸収をも抑制し、出力の飽和及び結晶破壊を回避することが可能となる。 カロえて、従来、基本波出力を分配して複数の波長変換素子を用い、大きな出力を発 生させていたが、本発明に係る波長変換素子を用いることで、装置が簡略化され、装 置の信頼性が向上するとともに複雑な調整を回避し、製造コストを低減することが可 能となる。そのため、より単純な構成で、高輝度のレーザディスプレイ等を実現するこ とが可能となる。

Claims

請求の範囲
[1] 分極構造を周期的に反転させた非線形光学単結晶からなる基板を備え、
前記基板は、ニオブ酸リチウムからなり、
前記基板に紫外光を照射した場合に前記基板の可視光の透過率が 85%以上で あり、
波長 640nm〜2000nmのレーザ光を短波長化して平均出力 1W以上のレーザ光 を出力することを特徴とする波長変換素子。
[2] 前記ニオブ酸リチウムは、コンダルェント組成の Mg添加ニオブ酸リチウムであり、 M g濃度が 5. lmol%〜5. 7mol%であることを特徴とする請求項 1に記載の波長変換 素子。
[3] 分極構造を周期的に反転させた非線形光学単結晶からなる基板を備え、
前記基板は、タンタル酸リチウム力 なり、
前記基板に紫外光を照射した場合に前記基板の可視光の透過率が 85%以上で あり、
波長 640nm〜2000nmのレーザ光を短波長化して平均出力 1W以上のレーザ光 を出力することを特徴とする波長変換素子。
[4] 前記タンタル酸リチウムは、コングルェント組成の Mg添カ卩タンタル酸リチウムであり
、 Mg濃度が 5. 0mol%〜8. Omol%であることを特徴とする請求項 3に記載の波長 変換素子。
[5] 前記紫外光の波長は、 320ηπ！〜 380nmであることを特徴とする請求項 1〜4のい ずれか一項に記載の波長変換素子。
[6] 前記可視光の波長は、 400nm〜660nmであることを特徴とする請求項 1〜5のい ずれか一項に記載の波長変換素子。
[7] 前記基板の波長変換時の温度は、 20°C〜60°Cであることを特徴とする請求項 1〜
6の 、ずれか一項に記載の波長変換素子。
[8] 請求項 1〜7のいずれか一項に記載の波長変換素子を備え、
前記波長変換素子は、平均出力 2W以上かつ波長 400ηπ！〜 660nmの連続光を 出力することを特徴とするレーザ光源装置。
[9] 請求項 1〜7のいずれか一項に記載の波長変換素子を備え、
前記波長変換素子は、平均出力 1W以上かつ波長 400ηπ！〜 660nmのパノレス光 を出力することを特徴とするレーザ光源装置。
[10] 請求項 8又は 9に記載のレーザ光源装置を備え、
前記レーザ光源装置力も出射されるレーザ光を用いて画像を表示することを特徴と する 2次元画像表示装置。
[11] 請求項 8又は 9に記載のレーザ光源装置を備え、
前記レーザ光源装置から出射されるレーザ光を用いて対象物を加工することを特 徴とするレーザ加工装置。
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