CN101809494B - 波长转换激光装置及使用该装置的图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种波长转换激光装置，包括：射出激光的激光光源；反射激光的两个反射面；设置在两个反射面之间并将激光转换成波长转换光的波长转换元件；以及使所述激光聚光并射入反射面之间的聚光光学***，其中，两个反射面的至少其中之一具有曲率，让激光的光路发生变化以使激光一边改变射向波长转换元件的入射角一边多次往返于反射面之间，并将激光聚光在反射面之间，聚光光学***被配置成使多次往返于反射面之间的激光的光束束腰位置分散在波长转换元件内，这样，可避免波长转换元件的破坏或波长转换的不稳定性，并获得高输出的波长转换光。

Description

波长转换激光装置及使用该装置的图像显示装置
技术领域
本发明涉及一种进行基波激光的波长转换并输出波长转换激光的波长转换激光装置及使用该波长转换激光装置的图像显示装置。
背景技术
现有一种利用波长转换元件的非线性光学现象，将基波激光的波长转换成第二谐波(Second Harmonic Generation：SHG)、和频、差频等转换波的波长转换激光装置。
例如，如图27所示，波长转换激光装置包括基波激光光源101、使基波激光光源101射出的基波激光聚光的透镜102、产生聚光后的基波激光的第二谐波的波长转换元件103以及分离基波激光与谐波激光的分色镜104。
波长转换元件103采用非线性光学晶体，通过适当地调节晶体的方位或极化反转结构等以使基波与转换波的相位匹配，来进行基波的波长转换。尤其是，使用了极化反转结构的波长转换元件通过准相位匹配，在低功率下也可进行高效的波长转换，通过设计能够进行各种波长转换。所谓极化反转结构，是指设置有使非线性光学晶体103的自发极化周期性地反转的区域的结构。
若将波长转换元件的相互作用长度设为L，将基波的功率设为P，将在波长转换元件中的射束剖面积设为A，将与相位匹配条件的偏差设为Δk，则从基波转换成第二谐波的转换效率η为：
η∝L2P/A×sinc2(ΔkL/2)。
另外，在相对于相互作用长度L为适当的聚光条件的情况下，转换效率η为：
η∝LP×sinc2(ΔkL/2)。
为了提高转换效率，可增加相互作用长度L，但由于对与相位匹配条件的偏差的允许幅度与L成反比例的关系，因此有导致调整或基波的条件变得严格的问题。尤其是在高输出的波长转换激光装置中，会产生波长转换元件引起的基波及转换波的吸收而使波长转换元件发热，因此，波长转换元件的温度变得不均匀，从而导致转换效率劣化。这种现象尤其在波长转换激光强的情况下极为显著。
至今为止，为了提高波长转换激光装置的转换效率，已提出了许多方案。例如，在日本专利公开公报特开平11-44897号中，提出了通过使用多个波长转换元件与聚光装置来提高转换效率。另外，在日本专利公开公报特开2006-208629号中，提出了在波长转换元件中设置基波激光的反射体，使基波激光再次射入波长转换元件。另外，在日本专利公开公报特开2005-268780号中，提出了将波长转换元件配置在相对着的反射镜之间，对往返的基波激光进行波长转换。另外，在日本专利公开公报特开平5-265058号中，提出了将基波激光注入到共振器内，使基波激光集中在共振器的光轴上以进行波长转换。
然而，以往所提出的结构虽然可提高波长转换激光装置的转换效率，但一直考虑的就是提高转换效率，而并未考虑扩大偏离相位匹配条件时的允许幅度等。扩大对与相位匹配条件的偏差的允许幅度，可提高装置的稳定性或可靠性，也可实现装置的小型化等。另外，若使基波激光的功率集中在非线性光学晶体内的一部分，则会存在以下问题，即，由于发生光损伤或发热而使非线性光学晶体中的波长转换迟误，导致波长转换激光装置的转换动作不稳定。
而且，以往所提出的结构虽然可使波长转换激光装置在低输出时的转换效率提高，但由于未考虑高输出时的发热等，所以存在高输出时的光转换率的劣化或温度控制变得复杂的问题。另外，以往所提出的结构并未考虑将基波激光光源作为多模的激光光源时转换效率的提高等。
另外，由于波长转换激光装置中的相位匹配条件严格，所以仅使谱宽狭窄的激光振荡，且激光造成的干涉噪声大，这在影像领域等中成为新的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可提高转换效率、扩大对来自相位匹配条件的偏差的允许幅度、并能稳定地射出高输出的转换波的波长转换激光装置。
本发明的另一目的还在于提供一种进行谱宽宽广的激光振荡的低干涉波长转换激光装置。
本发明所提供的波长转换激光装置包括：射出激光的激光光源；反射所述激光的两个反射面；设置在所述两个反射面之间将所述激光转换成波长转换光的波长转换元件；以及使所述激光聚光并射入所述反射面之间的聚光光学***，其中，所述两个反射面的至少其中之一具有曲率，让所述激光的光路发生变化以使该激光一边改变射向所述波长转换元件的入射角一边多次往返于所述反射面之间，并将所述激光聚光在所述反射面之间，所述聚光光学***被配置成使多次往返于所述反射面之间的激光的光束束腰位置分散在所述波长转换元件内。
根据上述结构，能够实现一种可实现高转换效率和稳定的高输出的出射，且可输出散斑噪声得以降低的低干涉性的波长转换光的波长转换激光装置。
本发明所提供的图像显示装置包括：上述各结构的波长转换激光装置；使从所述波长转换激光装置射出的多束波长转换光重叠的光学***；以及对通过所述光学***而被重叠的波长转换光进行调制的调制元件。
上述各结构的波长转换激光装置，由于可实现高转换效率和稳定的高输出的出射，且可输出散斑噪声得以降低的低干涉性的波长转换光，因此可适合用于图像显示装置。通过由光学***将从该波长转换激光装置射出的多束波长转换光进行叠加，并由调制元件对该光学***所叠加的波长转换光进行调制，可进行最佳的图像显示。
附图说明
图1A是本发明实施方式1中的波长转换激光装置的概要图。图1B是对本发明实施方式1中的波长转换激光装置的基波激光的光路进行说明的说明图。
图2是表示本发明实施方式1中的基波激光的通过通路与基波激光射向波长转换元件的入射角之间的关系的图。
图3是表示本发明实施方式1中的波长转换元件的温度与转换效率之间的关系的图。
图4是本发明实施方式2中的波长转换激光装置的概要图。
图5是表示本发明实施方式3中的波长转换激光装置的概要结构及基波激光的光路的说明图。
图6A是表示本发明实施方式4中的波长转换元件与第1及第2凹面镜的示意图。图6B是表示本发明实施方式4中的波长转换元件的一例的示意图。图6C是表示本发明实施方式4中的波长转换元件的其他例的示意图。
图7A是本发明实施方式5中的波长转换激光装置的概要俯视图。图7B是本发明实施方式5中的波长转换激光装置的概要侧视图。
图8A是本发明实施方式6中的波长转换激光装置的概要俯视图。图8B是本发明实施方式6中的波长转换激光装置的概要侧视图。
图9是本发明实施方式7中的波长转换激光装置的概要图。
图10是表示本发明实施方式7中的针对波长的合计转换效率的图。
图11A是本发明实施方式8中的波长转换激光装置的概要俯视图。图11B是本发明实施方式8中的波长转换激光装置的概要侧视图。
图12是本发明实施方式9中的波长转换激光装置的概要图。
图13是本发明实施方式10中的波长转换激光装置的概要图。
图14是本发明实施方式11中的波长转换激光装置的概要图。
图15是本发明实施方式12中的波长转换激光器的概要图。
图16是本发明实施方式13中的波长转换激光装置的概要图。
图17是本发明实施方式14中的波长转换激光装置的概要图。
图18A是本发明实施方式15中的波长转换激光装置的概要图。图18B是对本发明实施方式15中的波长转换激光装置的基波激光的光路进行说明的说明图。
图19是本发明实施方式16中的波长转换激光装置的概要的立体图。
图20是本发明实施方式17中的波长转换激光装置的概要的立体图。
图21A是本发明实施方式18中的波长转换激光装置的概要俯视图。图21B是本发明实施方式18中的波长转换激光装置的概要侧视图。
图22是表示本发明实施方式19中的基波激光输出波形的时间图。
图23是本发明实施方式20中的波长转换激光装置的概要图。
图24是本发明实施方式21中的波长转换激光装置的概要图。
图25是本发明实施方式22中的图像显示装置的概要图。
图26是本发明实施方式23中的图像显示装置的概要图。
图27是以往的波长转换激光装置的概要图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(实施方式1)
图1A是本发明实施方式1所涉及的波长转换激光装置100的概要图。图1B仅表示基波激光的主光线FW，表示基波激光一边改变射向波长转换元件5的入射角，一边通过该波长转换元件5的情况。
如图1A所示，波长转换激光装置100包括基波激光光源1、聚光光学***2、第1凹面镜3、第2凹面镜4及波长转换元件5。所述第1凹面镜3及第2凹面镜4相互对面地加以配置，在该第1凹面镜3与第2凹面镜4之间配置有波长转换元件5。
从基波激光光源1射出的基波激光，由聚光光学***2对其聚光点(光束束腰(beamwaist)位置PBW)进行聚光控制，射入由第1凹面镜3与第2凹面镜4所构成的反射面之间。然后，基波激光射入设置在第1凹面镜3与第2凹面镜4之间的波长转换元件5，在波长转换元件5中，其一部分被转换成第二谐波(第1通路)。
通过波长转换元件5(第1通路)的基波激光及第二谐波激光到达第1凹面镜3。在此，所述第1凹面镜3的凹面部被施以反射基波激光并让第二谐波激光(波长转换激光)透过的涂层。这样，基波激光被第1凹面镜3反射，而第二谐波激光(波长转换激光)透过第1凹面镜3而输出到外部。
被第1凹面镜3反射的基波激光再次射入波长转换元件5，其一部分被转换成第二谐波(第2通路)。
通过波长转换元件5(第2通路)的基波激光与第二谐波激光到达第2凹面镜4。在此，所述第2凹面镜4的凹面部被施以反射基波激光及第二谐波激光的涂层。这样，基波激光及第二谐波激光被第2凹面镜4反射，并再次射入波长转换元件5。接着，再次射入的基波激光的一部分被波长转换元件5转换成第二谐波(第3通路)。
通过波长转换元件5(第3通路)的基波激光与第二谐波激光再次到达第1凹面镜3。然后，第二谐波激光透过第1凹面镜3输出到外部，而基波激光被第1凹面镜3反射之后再次射入波长转换元件5(第4通路)。
通过重复上述动作，基波激光在往返于第1凹面镜3及第2凹面镜4的两个反射面之间的过程中，反复地通过波长转换元件5(第1通路、第2通路、……第n通路)，而每次通过时都被转换成波长转换激光。
通过对反射面(第1凹面镜3及第2凹面镜4)的曲率及其配置条件、以及聚光光学***2的设定，可使基波激光在反射面之间往返数次至数十次之后，停止在反射面之间的往返。在本实施方式1中，直至基波激光停止往返为止所产生的波长转换激光从第1凹面镜3输出。
对于波长转换元件5的从基波激光到第二谐波的转换效率η，若将波长转换元件5的相互作用长度设为L，将基波激光的功率设为P，将波长转换元件5中的基波激光的光束剖面积设为A，将与相位匹配条件的相位偏差设为Δk，则下面的关系式成立：
η∝L2P/A×sinc2(ΔkL/2)  ……(1)。
由上述式(1)可知，在波长转换元件5中的基波激光的光束剖面积小的区域转换效率高。即，在波长转换元件5中的基波激光所通过的区域中，在基波激光的光束束腰位置PBW，转换效率显著增高。在本实施方式中，通过在基波激光被导入反射面之间的光路上的指定位置配置聚光光学***2，对其进行调整，使得在基波激光往返于反射面之间的期间中，基波激光的光束束腰位置PBW分散在波长转换元件5内。
如果在设置于反射面之间的波长转换元件内光束束腰位置PBW集中，会产生以下问题，即，因光损伤等造成波长转换元件的破坏，或在光束束腰位置PBW的集中部位波长转换变得不稳定。然而，通过像上述的本实施方式的结构那样，使基波激光的光束束腰位置PBW分散在波长转换元件5内，可以解决上述问题。
尤其是，如果用f1及f2分别表示第1凹面镜(第1反射面)3及第2凹面镜(第2反射面)4的各焦距，在将反射面之间的距离设为f1+f2的共焦配置(confocal alignment)(未考虑波长转换元件的折射率的情况)时，基波激光的光束束腰位置会集中在两个反射面的共焦点(confocal point)，波长转换元件的光损伤或波长转换的不稳定性成为问题。
但是，在本实施方式中，通过由聚光光学***2调整基波激光的光束束腰位置PBW，即使在采用所述共焦配置的情况下，也可实现稳定的波长转换激光装置的输出。即，在本实施方式1中，通过聚光光学***2，如图1A所示在入射第1反射面之前形成基波激光的光束束腰PBW，避免光束束腰在多条通路内形成在第1及第2反射面的共焦点，在分散在波长转换元件5内的不同的光束束腰位置PBW进行波长转换，从而可获得稳定的波长转换激光。通过聚光光学***2使光束束腰位置PBW分散，可分别在各光束束腰位置PBW的具有不同相位匹配条件的光束通路稳定地进行波长转换，这成为本实施方式稳定地射出合计的波长转换激光所必需的结构。
图2是表示相对于本实施方式1所涉及的波长转换元件5的基波激光的通路编号与各光束通路的入射角之间的关系的图表。
在实施方式1中，使用焦距f1为25mm的第1凹面镜3和焦距f2为20mm的第2凹面镜4。将第2凹面镜4截断成比第1凹面镜3短，基波激光从该截断部射入所述两个反射面之间。如图1B所示，所谓连接两个反射面的中央的主光线轴ML，是指连接两个反射面各自的曲率中心的光轴。基波激光通过聚光光学***2，与主光线轴ML平行地射入波长转换元件5及第1凹面镜3。使用具有极化反转结构的MgO:LiNbO3(长度为26mm，宽度为10mm)作为波长转换元件5。反射面之间的距离设为58.4mm，与共焦配置稍有偏离。如图2所示，基波激光一边改变射向波长转换元件5的入射角，一边往返于反射面之间，反复地通过波长转换元件5。
所谓相位匹配条件，是指由非线性光学材料(波长转换元件)产生的波长转换光的相位一致，且波长转换效率为最大(Δk＝0)的条件。相位匹配条件取决于激光的波长、非线性光学材料的折射率、激光的入射角及波长转换元件的极化反转结构的周期等。在通过以往的结构进行波长转换的情况下，为了使相位匹配条件一致，需要进行基于温度的非线性光学材料的折射率的调整及激光的入射角的调整。在此种以往的结构中，若所述温度或入射角发生偏离，则会偏离相位匹配条件，Δk＞0，导致波长转换效率下降。另外，在以往的结构中，若激光的波长发生偏移，则会导致偏离相位匹配条件，因此必须再次进行调整或修改结构。
在本实施方式中，由于射向波长转换元件的入射角根据通过通路而改变，因此根据通过通路的不同，满足相位匹配条件的各种因素(激光的波长、非线性光学材料的折射率(温度)、极化反转周期等)发生变化。因此，本实施方式的波长转换激光装置具有多个相位匹配条件。在进行恒定的激光波长的波长转换的情况下，存在多个满足相位匹配条件的温度，即使当温度偏离某一个相位匹配条件时，也可以与其他的通过通路的相位匹配条件相符合，对转换效率的下降予以补充。
图3表示实施方式1中的波长转换元件5的温度与转换效率的关系。图3中，L1表示本实施方式的各通路中的转换效率，L2表示本实施方式的合计转换效率，L3表示以往的结构的转换效率。
在实施方式1中，根据通过通路的不同，基波激光射向波长转换元件5的入射角不同，这样，满足相位匹配条件的温度在各通路中有所不同，将各通路中的转换效率进行合计的整体转换效率，即使波长转换元件5的温度发生变化也不易下降。在图27所示的以往结构的情况下，转换效率的半峰全宽(full width at half maximum)为1.1度，而实施方式1的转换效率的半峰全宽为2.6度，与以往结构相比具有两倍以上的允许幅度。另外，由于基波激光反复地射入波长转换元件5，因此实施方式1的合计转换效率可在比以往结构更宽广的温度范围内达到较高值。在实施方式1中，合计转换效率也较高，实现了相当于以往结构两倍的转换效率的60％以上的转换效率。
在本实施方式所涉及的波长转换激光装置100中，波长转换元件5被配置在反射激光且具有曲率的两个反射面之间，通过聚光光学***2将激光从无反射功能的部位导入到反射面之间。然后，通过激光往返于反射面之间，一边改变射向波长转换元件5的入射角，一边反复地通过波长转换元件5，使相位匹配条件发生变化而重复波长转换。在此，对聚光光学***2进行配置，使得在激光往返于反射面之间的过程中，激光的光束束腰位置PBW分散在波长转换元件5内。另外，相互对面而配置的一对反射面的至少其中之一让经过波长转换后的激光透过而射出波长转换激光。根据上述结构，由于具有高转换效率，并具有多个相位匹配条件，因此，可扩大温度等偏离相位匹配条件的允许幅度，从而可获得相对于环境变化等显得稳定的波长转换激光。另外，通过使激光的光束束腰位置PBW分散在波长转换元件5内，可获得消除了波长转换元件5的光损伤或波长转换的不稳定性的高输出的波长转换激光。
在实施方式1中，使用中心波长为1064nm、谱的半峰全宽为0.1nm的光纤激光器作为基波激光光源1。但是，并不限定于此，除了使用光纤激光器作为基波激光光源1之外，还可使用固态激光器、半导体激光器、气体激光器、波长转换激光器等作为基波激光光源1。另外，在实施方式1中，是进行向第二谐波的波长转换，但本实施方式所涉及的波长转换激光装置100也可通过选择适当的激光光源，用以产生和频、差频及光参量振荡等的波长转换激光。
实施方式1的优选实施例是，当将反射面之间的距离设为D，将两个反射面的各焦距设为f1及f2，将波长转换元件长度设为L时，下式成立：
f1+f2＜D＜f1+f2+L    ……(2)。
在实施方式1中，当f1为25mm，f2为20mm，L为26mm时，将D设为58.4mm。当设定反射面之间的距离D以满足上述的关系式(2)时，由于接近两个反射面的共焦配置，且光束通路的往返次数增多，基波激光通过波长转换元件5的通过次数增大，因此可提高向波长转换激光转换的合计转换效率。所谓反射面的焦距，是指在反射面为非对称透镜的情况下，射向反射面之间的入射光线相对主光线轴ML而偏离的方位的焦距。尤其理想的是，当将波长转换元件5的折射率设为n时，反射面之间的距离D满足下式：
D≠f1+f2+(1-1/n)×L(＝共焦配置)    ……(3)。
在此，所谓共焦配置，是指两个反射面的焦点到达相同位置的距离D。在将反射面之间的距离D设为共焦配置的情况下，激光汇聚在主光线轴ML上，在高输出时可能会引起波长转换元件5的光损伤或波长转换的不稳定性。因此，较为理想的是，将反射面之间的距离D设定在稍微偏离共焦配置的位置的满足上述式(2)的范围内。具体而言，设定距离D，以便将两个反射面配置在偏离共焦配置约0.1mm至3mm的位置。尤其理想的是，将距离D设定在比共焦配置的距离短0.1mm至3mm的范围内。通过将距离D从处于共焦配置的两个反射面之间的距离缩短上述范围，可确保基波激光在反射面之间的往返次数，避免基波激光向反射面的焦点位置汇聚，并可增大射入反射面之间的基波激光和第2凹面镜4(第2反射面)的有效直径的充裕(margins)。在此，所谓反射面的有效直径，是指激光照射在反射面上的范围的长边方向的长度。
实施方式1的聚光光学***2，如图1A所示，具备光纤准直器2a和平凸透镜2b。聚光光学***2在两个反射面的焦点以外，使基波激光聚光到波长转换元件5内，并进行控制，使得往返于反射面之间的基波激光的光束束腰位置PBW分散在波长转换元件5内。在两个反射面的焦点处产生激光的重叠(overlap)，有可能引起波长转换元件的破坏或波长转换的不稳定性。与集中在一处进行波长转换的情况相同，也会引起波长转换元件的破坏或波长转换的不稳定性。在波长转换元件中，虽然在聚光的光束束腰位置PBW强烈地进行波长转换，但是使该光束束腰位置PBW分散在两个反射面的焦点以外。在本实施方式中，通过在波长转换元件5内的分散的光束束腰位置PBW进行波长转换，可输出稳定的波长转换激光。另外，也可在波长转换元件5内的分散的光束束腰位置PBW反复进行波长转换之后，使激光的光束束腰位置PBW汇聚到两个反射面的焦点位置。
如图1A所示，本实施方式的优选实施例是通过聚光光学***2，使基波激光在被第1凹面镜3反射之前在第1凹面镜3与第2凹面镜4的反射面之间聚光。通过基波激光在被反射面反射之前在反射面之间具有聚光点(光束束腰位置PBW)，可以在不通过反射面的焦点附近的多条激光通路中形成光束束腰。
本实施方式中，通过在基波激光初次被反射面反射之前，在反射面之间形成光束束腰，可使多条光束束腰位置分散在波长转换元件5内的广泛的范围中，即使在高输出时，也可进行稳定的波长转换。另外，由于在激光被反射面(第1凹面镜3)反射之前进行波长转换，因此，通过监控在波长转换元件5中的初次的通路中经过波长转换的激光，可调整与反射面无关的波长转换光，并可制作紧凑的波长转换激光装置。而且，由于在激光被反射面反射之前进行波长转换，因此可提高合计转换效率。
在实施方式1中，使用球面的凹面镜作为两个反射面，但也可以使用非球面或平面的反射面。两个反射面的至少其中之一具有曲率，使激光的光路弯折并使激光多次往返于反射面之间，在反射面之间形成激光的光束束腰。两个反射面的组合可以自由地加以设计，只要能使激光多次被两个反射面反射，并使激光以至少两种以上的入射角射入设置在两个反射面之间的波长转换元件5即可。
两个反射面的至少其中之一让波长转换后的激光透过，以输出波长转换后的激光。在实施方式1中，第1凹面镜3让波长转换后的第二谐波透过。第1凹面镜3以99.5％的反射率反射基波激光(波长为1064nm)，并以99％的透射率让第二谐波激光(波长为532nm)透过。第2凹面镜4以99.5％的对于基波(1064nm)的反射率及99％的对于第二谐波(532nm)的反射率，一起反射基波激光和第二谐波激光。若反射面对于激光(基波)的反射率高，则损失减少，因此较为理想。可设成两个反射面均使波长转换激光透过的结构，也可设成仅一个反射面使波长转换激光透过的结构。
在实施方式1中，使用具有极化反转结构的MgO:LiNbO3(PPLN：Periodically PoledLithium Niobate)作为波长转换元件5，其形状为长方体(长度为26mm，宽度为10mm，厚度为1mm)。波长转换元件5采用可进行波长转换的非线性光学晶体。例如，可使用KTP、LBO、CLBO、LT等非线性光学晶体作为波长转换元件5。尤其是，具有极化反转结构且进行准相位匹配的波长转换元件5，由于可根据极化反转周期在同一元件内形成不同的相位匹配条件，因此，用在本实施方式的波长转换激光装置中较为理想。这样，由于在同一元件内具有不同的相位匹配条件，因此，可扩大作为波长转换激光装置整体的对温度或波长的允许幅度。
实施方式1的波长转换元件5被配置成具有与主光线轴ML垂直的入射面。波长转换元件5中的极化反转结构以与入射面平行的周期而形成，其极化反转周期约为7μm。如上所述，极化反转周期在元件内并非必须相同，也可以是使周期或朝向发生变化的结构。波长转换元件5的入射出射面形成有激光(基波)和波长转换激光(第二谐波)的AR(AntiReflection)涂层。这样，为了避免反射面之间的不需要的反射，在波长转换元件5上形成激光和波长转换激光的AR涂层较为理想。
在实施方式1中，第1凹面镜3的有效直径为第2凹面镜4的有效直径为
Figure GPA00001075460600102
波长转换元件5中的激光的往返宽度为5mm，波长转换激光装置能够以细长的紧凑形状稳定地输出高功率的波长转换激光。实施方式1的优选实施例是，射入第1凹面镜3的基波激光的光束直径为
Figure GPA00001075460600103
射入反射面之间的基波激光的光束直径为两个反射面中的有效直径较小的反射面(第2凹面镜)4的有效直径的1/5以下。由于射入反射面之间的基波激光的光束直径相对于反射面的有效直径足够地小，因此，既可缓和在反射面之间的基波激光的重叠，又可增加在反射面之间的激光的往返次数。通过这种重叠的缓和与往返次数的增加，本实施方式1的波长转换激光装置100即使紧凑也可兼顾高输出和高转换效率。此外，在实施方式1的结构中，若使入射光束直径大于反射面的有效直径的1/5，则反射面之间的往返次数约为3次，转换效率降低。
在实施方式1中，从基波激光光源1射出的基波激光的中心波长λ为1064nm，谱半峰全宽Δλ为0.1nm，相干长度(λ2/Δλ)为11.3mm。由于反射面之间的距离D为58.4mm，因此相干长度不足反射面之间距离的两倍。本实施方式的优选实施例是，基波激光的相干长度不足反射面之间的距离的两倍。如果基波激光的相干长度为反射面之间的距离的两倍以上，往返于反射面之间的激光会在发生重叠的点产生干涉，形成光束强度变得非常强的点。因干涉产生的光束强度强的点会引起波长转换元件的晶体破坏或波长转换的不稳定性。本实施方式通过使往返于反射面之间的基波激光的相干长度比往返距离更短，解决了在本发明结构的情况下产生的干涉性的问题。
另外，在实施方式1中，通过第1凹面镜3及第2凹面镜4反复地反射基波激光，在波长转换元件5内形成三个以上的光束束腰。此时，如图1A所示，从由聚光光学***2初次形成的光束束腰起，依次标注i、ii、iii的序号。在本实施方式中，由聚光光学***2初次形成的光束束腰i的光束束腰半径为75μm。基波激光经过第1凹面镜3(f1：25mm)及第2凹面镜4(f2：20mm)的反射，光束束腰ii的光束束腰半径成为60μm，而光束束腰iii的光束束腰半径则为48μm。实施方式1的优选实施例是，通过聚光光学***和具有曲率的两个反射面，使三个以上的光束束腰PBW分散在波长转换元件5内，从基波激光在波长转换元件5内初次形成的光束束腰PBW起，依次设为i、ii、iii，并将这些光束束腰半径设为r_i、r_ii、r_iii时，它们满足r_i＞r_ii＞r_iii的关系。
在本实施方式所涉及的波长转换激光装置100中，在基波激光通过波长转换元件5的多个通路中产生波长转换光，但基波激光在反复进行波长转换的过程中，其功率会下降。在初次或初期形成光束束腰的波长转换元件5的部位，由于基波激光的功率高，因此，与其后的通路相比，有可能波长转换元件5受破坏或波长转换变得不稳定。
像本实施方式这样，通过使光束束腰半径从在波长转换元件5内初次形成的光束束腰起依次缩小以调整激光的功率密度，可避免波长转换元件5的破坏等，且可实现稳定的波长转换。而且，还可以抑制在更后的通路中因激光功率下降而引起的转换效率的下降，提高整体的波长转换效率。
像本实施方式这样，通过使在初次或初期的阶段形成的光束束腰的半径大于其后形成的光束束腰的半径，可抑制基波激光的功率密度，并实现稳定的波长转换。在本实施方式所涉及的波长转换激光装置100中，尤其是在初始的两个光束束腰位置PBW处的强度容易使基波激光的功率密度增大，需要加以留意。此外，更为理想的是，使五个以上的光束束腰PBW分散在波长转换元件5内，并将光束束腰半径设为r_i＞r_ii＞r_iii＞r_iv＞r_v。通过采用使五个光束束腰的半径从初次形成的光束束腰i起依次缩小的结构，可实现更稳定的波长转换并提高整体的转换效率。
(实施方式2)
图4表示实施方式2所涉及的波长转换激光装置200的概要图。对与实施方式1相同的部件标注相同的部件编号。图4所示的波长转换激光装置200包括基波激光光源1、聚光光学***2、第1凹面镜3、第2凹面镜4及波长转换元件51。
波长转换激光装置200的波长转换元件51采用具有极化反转结构的非线性光学晶体，极化反转结构X1相对于连接两个反射面的中心的光轴即主光线轴ML倾斜地加以形成。如图4所示，极化反转结构以从主光线轴ML相对于光束的前进方向倾斜的周期加以形成。本实施方式所涉及的波长转换激光装置200，如图2所示那样，使基波激光一边改变射入波长转换元件51的入射角，一边反复地射入。基波激光射入具有极化反转结构X1的波长转换元件51的入射角发生变化，意指极化反转的周期随入射角而发生变化。
在波长转换元件中，当极化反转结构X1与入射面平行时，极化反转周期根据基波激光的入射角的绝对值而变长。因此，在实施方式1中，相位匹配条件的变化范围是入射角从0度到最大入射角的5.7度为止的范围。
基波激光在通过两个反射面多次反射时，基波激光射向波长转换元件的入射角在正方向和负方向都在大致相同的范围内变化。在本实施方式2的波长转换激光装置200中，通过使极化反转结构X1相对于主光线轴ML倾斜，可使极化反转的基于激光的通过通路的周期变化为基于所述入射角和极化反转结构的倾角的变化。
本实施方式2的优选实施例是，通过相对于主光线轴ML倾斜地形成极化反转结构X1，可扩大相位匹配条件的变化范围。通过使极化反转结构X1相对于主光线轴ML倾斜，可扩大对于温度或基波激光的波长等的波长转换激光装置200的允许幅度。因此，可进一步扩大温度等相位匹配条件的允许幅度，从而可相对于环境变化等而稳定地获得波长转换光。
尤其是，让极化反转结构以基波激光的入射角为最大时在波长转换元件5内的激光角度以上的角度倾斜，使相位匹配条件的变化范围为实施方式1的大约两倍，这是最大限度地利用入射角的变化的优选方式。另外，为了使极化反转结构相对于主光线轴ML倾斜，也可以是使波长转换元件自身相对于主光线轴ML倾斜的结构。
(实施方式3)
图5是示意地表示实施方式3所涉及的波长转换激光装置300中的基波激光的主光线FW的光路的图。对与实施方式1及2相同的部件标注相同的部件编号。图5所示的波长转换激光装置300包括基波激光光源1、聚光光学***21、第1凹面镜3、第2凹面镜4及波长转换元件5(或波长转换元件51)。
在波长转换激光装置300中，通过聚光光学***21，使基波激光相对于连接反射面之间的中心的光轴即主光线轴ML倾斜地射入反射面之间。由于射入由第1凹面镜3与第2凹面镜4所构成的反射面之间的基波激光相对于主光线轴ML倾斜地入射，因此，其与主光线轴ML交叉的点会根据通路而发生变化。这意味着在反射面之间反复地反射的激光线的重叠分散在多处，从而可避免在反射面之间激光的功率集中。
本实施方式的优选实施例是，通过聚光光学***21，使激光相对于主光线轴ML倾斜地射入反射面之间。在本实施方式中，可避免激光的功率集中，避免波长转换元件5(或51)的晶体破坏或波长转换的不稳定性，可稳定地射出高输出的波长转换激光。
本实施方式所涉及的反射面，除了基波激光的入射部之外，具有相对于主光线轴ML从反射面中央呈点对称的形状。
波长转换激光装置300，最好是让射入反射面之间的基波激光的倾斜为相对于主光线轴Ml沿着发散方向(图5中的从左向右扩展的方向)为佳。在两个反射面采用凹面镜的情况下，通过让基波激光从相对于主光线轴ML向发散方向倾斜的光路射入最先进行反射的第1反射面，与无这种倾斜的情况(即与主光线轴ML平行的情况)相比，可减小第2次进行反射的第2反射面(第2凹面镜4)的有效直径。在波长转换激光装置300中，虽然是让基波激光从第2反射面的截断部向反射面之间射入，但从第2反射面一侧向该反射面之间射入更为理想。此时，如上所述，通过使基波激光的行进方向相对于主光线轴ML倾斜，可减小第2反射面的有效直径。若第2反射面的有效直径得以减小，可容易进行基波激光向反射面之间射入时的调整，能消除基波激光射入反射面之间时在第2反射面上的渐晕(vignetting)。
基波激光射入第1反射面时的行进方向相对于主光线轴ML的斜度在0.1度至1度的范围内较为理想。这是因为若小于0.1度则无倾斜效果，而大于1度时，会使反射面的往返次数显著下降。
(实施方式4)
图6A至图6C表示实施方式4的波长转换元件52、53的示意图。对与实施方式1至3相同的部件标注相同的部件编号。
波长转换元件52、53通过极化反转周期结构的准相位匹配进行波长转换。波长转换元件52在其厚度方向上具有极化反转形成部52a及未形成极化反转的无反转晶体部52b。在此，所谓波长转换元件52的厚度方向，是图1中的垂直于纸面的方向，是往返于反射面之间的激光的光路的偏离较少的方向。当激光在反射面之间往返时，相对于波长转换元件52的厚度方向，激光射向波长转换元件52的入射角几乎不变化，如图6A所示，激光光路A(实线)所示的汇聚光或激光光路B(虚线)所示的大致平行的光反复射入波长转换元件52。在激光反复射入波长转换元件52的过程中，激光的光束直径由于衍射而逐渐变大。光束直径变大而无法从波长转换元件52的入射面射入的激光则无法往返于反射面之间，从而成为损失。
在本实施方式中，为了无激光损失地确保充分的往返数，将波长转换元件52的厚度设为1mm以上，更为理想的是设为2mm以上。另外，为了不产生光束损失，必须使波长转换元件52的厚度方向的中央部与光束的中央一致。此时，由于波长转换效率高的光束束腰位置PBW处于波长转换元件52的厚度方向的中央部，因此，极化反转形成部52a形成在波长转换元件52的厚度方向的中央较为理想。通过在波长转换元件52的中央部形成极化反转形成部52a，可以有效地进行波长转换。另外，波长转换元件52中，只要在厚度方向的中央有极化反转形成部52a的一部分即可。
在图27所示的以往结构的情况下，由于极化反转形成部只要是聚光的激光通过1次的区域即可，因此，无需使波长转换元件103加厚，也无需在波长转换元件103的中央设置极化反转形成部。另外，还存在这样的问题，即，从极化反转形成的过程考虑，难以在波长转换元件的厚度方向上均匀地形成周期性的极化反转。而波长转换元件52、53是具有适合于本实施方式的极化反转结构的波长转换元件，其并非在厚度方向上均匀地具有极化反转形成部，而是仅在波长转换元件52、53的中央具有极化反转形成部52a、53a。而且，波长转换元件52、53在厚度方向上还具有未形成极化反转的无反转晶体部52b、53b，极化反转形成部52a、53a被调节成处于波长转换元件52、53的厚度方向的中央。无反转晶体部52b、53b具有与极化反转形成部52a、53a相同的折射率。
无反转晶体部52b、53b也可以是在非线性光学晶体内形成极化反转时未形成极化反转的部位。尤其理想的无反转晶体部52b、53b是下面的两种部位。一种是在非线性光学晶体中形成极化反转结构之后，粘贴了未形成极化反转的晶体的部位。另一种是在将不易形成极化反转的晶体粘贴到非线性光学晶体上之后，形成极化反转结构，这样，在先粘贴的不易形成极化反转结构的晶体中极化反转结构未被形成的部位。
图6B所示的波长转换元件52较为理想的是，在厚度方向上由无反转晶体部52b从两侧夹着极化反转形成部52a，使波长转换元件52变厚，并使极化反转形成部52a位于中央。图6C所示的波长转换元件53较为理想的是，通过在形成极化反转时制作极化反转的非周期部53c，并具有无反转晶体部53b，使极化反转形成部53a位于波长转换元件53的厚度方向的中央，使波长转换元件53变厚。
(实施方式5)
图7A及图7B表示实施方式5所涉及的波长转换激光装置400的概要图。图7A是表示波长转换元件5的宽度方向的波长转换激光装置400的概要俯视图，图7B是表示波长转换元件5的厚度方向的波长转换激光装置400的概要侧视图。对与实施方式1至4相同的部件标注相同的部件编号。图7A及图7B所示的波长转换激光装置400包括基波激光光源1、聚光光学***22、第1凹面镜3、第2凹面镜4及波长转换元件5。
对射入反射面之间的激光进行聚光控制的聚光光学***22较为理想的是，其在波长转换元件5的厚度方向的透镜光学能力(lens power)比在波长转换元件5的宽度方向的透镜光学能力小，且向反射面之间射出激光的厚度方向的出射数值孔径(NA)比宽度方向的出射数值孔径。根据该结构，激光在反射面之间为椭圆光束。在波长转换激光装置400中，如图7A所示，在波长转换元件5的宽度方向上，在基波激光射入第1凹面镜3之前形成光束束腰，而如图7B所示，在波长转换元件5的厚度方向上，徐缓的汇聚光被第1凹面镜3反射之后形成光束束腰。往返于反射面且反复射入波长转换元件5的激光为椭圆光束，光束束腰的形成位置根据方向(波长转换元件5的宽度方向及厚度方向)的不同而不同。这样，在本实施方式中，通过使光束束腰位置PBW根据方向的不同而不同，可使光束束腰位置PBW非常地分散，从而可进行稳定的波长转换。另外，在本实施方式中，通过使在波长转换元件5的厚度方向的透镜光学能力小于宽度方向的透镜光学能力，可减小厚度方向的衍射，并可防止光束直径在波长转换元件5的厚度方向上增大而造成损失。波长转换元件5在厚度方向对激光的衍射会对往返于反射面之间的激光产生限制，但在本实施方式中，可以减少该限制。
聚光光学***22由光纤准直器(fiber collimator)22a和变形透镜(anamorphiclens)22b组合而成。在该聚光光学***22中，较为理想的是，朝向波长转换元件5的厚度方向的反射面之间的出射NA，不足波长转换元件5的宽度方向的NA的1/2。在聚光光学***22中，厚度方向的反射面入射方向的出射NA可以在汇聚方向形成，也可以在发散方向形成，其光束的汇聚角度或发散角度形成得比宽度方向的汇聚角度或发散角度小。可以使用包含柱面透镜(cylindrical lens)的透镜***作为聚光光学***22。
(实施方式6)
图8A及图8B表示实施方式6所涉及的波长转换激光装置500的概要图。图8A是表示波长转换元件5的宽度方向的波长转换激光装置500的概要俯视图，图8B是表示波长转换元件5的厚度方向的波长转换激光装置500的概要侧视图。对与实施方式1至5相同的部件标注相同的部件编号。图8A及图8B所示的波长转换激光装置500包括基波激光光源1、聚光光学***2、变形反射镜31、第2凹面镜4及波长转换元件5。
在本实施方式中，取代实施方式1中所使用的第1凹面镜而使用变形反射镜31。对变形反射镜31的凹面部施以反射基波激光并让第二谐波激光(波长转换激光)透过的涂层。
变形反射镜31是在波长转换元件5的宽度方向和厚度方向上具有不同的曲率的反射面。变形反射镜31在波长转换元件5的宽度方向上具有f1为25mm的焦距，在波长转换元件5的厚度方向上具有f1t为20mm的焦距，且f1t＜f1。另一个反射面是第2凹面镜4，其具有f2为20mm的焦距。射向波长转换激光装置500的反射面之间的入射光线偏离的方位为波长转换元件5的宽度方向。反射面之间的距离D设定在共焦配置附近，由波长转换元件5的宽度方向决定的基波激光在反射面之间的往返次数得以确保。
本实施方式的优选实施例是使用了变形反射镜作为反射面。由于往返于反射面之间的基波激光在被变形反射镜31反射时，根据方向(波长转换元件5的宽度方向及厚度方向)而以不同的曲率反射，因此基波激光成为椭圆光束，并根据所述方向而取得不同的光束束腰位置PBW。由于，进行波长转换的光束束腰位置PBW在波长转换元件5内非常地分散，即使在高输出下也可稳定地获得波长转换激光。
在此，将变形反射镜31(第1反射面)在波长转换元件5的厚度方向上的焦距设为f1t，将第2凹面镜4(第2反射面)在波长转换元件5的厚度方向上的焦距设为f2t。在波长转换激光装置500中，f2＝f2t＝20mm。若将反射面之间的光路长度设为Dn，则在本实施方式中，较为理想的是：
0≤(1-Dn/(2×f1t))×(1-Dn/(2×f2t))≤1   ……(4)。
反射面之间的光路长度Dn由下式来表示：
Dn＝D-(1-1/n)×L    ……(5)。
通过满足上述式(4)的关系，可在波长转换元件5的厚度方向将反射面作为稳定共振器。
此时，由于往返于反射面之间的激光没有因上述厚度方向的衍射造成的光束直径的增大，因此可消除厚度方向的损失。波长转换激光装置500较为理想的是Dn为44.8mm，f1t为20mm，f2t为20mm且满足上述式(4)。
另外，也可以使第1及第2反射面两者都为变形反射镜，也可以仅使第1反射面和第2反射面的其中之一为变形反射镜。另外，还可以采用将柱面透镜等变形透镜***到反射面之间以使反射面的合成焦距可变的结构。
(实施方式7)
图9表示实施方式7所涉及的波长转换激光装置600的概要图。对与实施方式1至6相同的部件标注相同的部件编号。图9所示的波长转换激光装置600包括宽带光纤激光器(broadband fiber laser)11、聚光光学***23、第1凹面镜3、第2凹面镜4及波长转换元件54。
波长转换激光装置600使用宽带光纤激光器11作为产生基波激光的激光光源。宽带光纤激光器11包括激发LD(Laser Diode)11a、掺镱(Yb)光纤11b、光纤布拉格光栅(FBG：Fiber Bragg Grating)11c，在镱(Yb)的非常宽广的增益范围中，通过FBG11c锁定振荡波长。宽带光纤激光器11的FBG11c具有宽带特性，振荡谱为多模，中心波长λ为1064.4nm，谱半峰全宽Δλ为0.8nm。宽带FBG11c可通过将多个周期合成为光栅周期、使周期具有随机性、减少周期的重复次数等来进行设计。
聚光光学***23使基波激光聚光，以便在被第1凹面镜3反射之后形成光束束腰。基波激光在往返于包括第1凹面镜3和第2凹面镜4的一对反射面之间的过程中，一边改变射向波长转换元件54的入射角，一边反复地通过波长转换元件54。通过聚光光学***23控制往返于反射面之间的基波激光的光束束腰位置PBW，使其分散在波长转换元件54内。使用具有极化反转结构的MgO:LiNbO3(长度为13mm，宽度为10mm，厚度为2mm)作为波长转换元件54。
图10表示波长转换的波长允许幅度。图10中，L4表示使波长转换激光装置600中的基波激光的波长发生变化时的合计转换效率，L5表示使以往的波长转换激光装置中的基波激光的波长发生变化时的转换效率。在本实施方式中，一边使入射角变化，一边使基波激光反复地射入波长转换元件54，使相位匹配条件发生变化地重复波长转换，因此，可兼顾非常宽的波长允许幅度和高转换效率。在波长转换激光装置600中，转换效率高的激光波长范围有1nm左右，该范围大于以往的范围。即，在波长转换激光装置600中，波长允许幅度(full width at half maximum(FWHM))从以往的0.18nm扩大五倍达到0.9nm。以往，即使使用宽带激光光源(broadband laser light source)，输出的波长转换激光也因波长允许幅度狭窄而成为窄带域(narrow bandwidth)。而在本实施方式中，通过使用宽带激光光源，可使输出的波长转换激光为宽带域(wide bandwidth)。本实施方式的优选实施例是，使用激光的谱半峰全宽为0.5nm以上的纵向多模(longitudinalmulti-mode)的宽带激光光源。通过使输出的波长转换激光实现宽带域化，可使激光的干涉性下降，并可减少在影像领域等中成为问题的干涉噪声。尤其是可减少会带来称为散斑噪声(speckle noise)的激光的干涉性的随机噪声。至今为止，无法高效地使波长转换激光实现宽带域化，这一直是个大问题，但本实施方式所涉及的波长转换激光装置600解决了该问题。
本实施方式的优选实施例是，激光光源为通过宽带FBG进行波长锁定的光纤激光器。通过宽带FBG进行波长锁定的光纤激光器通过FBG，可对产生的激光的中心波长或带宽进行设计，并可实现高输出。上述的FBG的性能非常适合作为用以产生本实施方式所涉及的宽带域的波长转换激光的激光光源，可实现波长转换激光的宽带域化、高效率化及高输出化。
在波长转换激光装置600中，基波激光相对于极化反转周期的最大角度θ为3度。波长转换激光装置600较为理想的是，为了对射入波长转换元件54的基波激光的波长成分进行转换，当将基波激光的中心波长设为λ，将基波激光的谱半峰全宽设为Δλ时，满足下式的关系：
cosθ≤λ/(λ+Δλ/2)     ……(6)。
本实施方式所涉及的波长转换激光装置600，通过使基波激光相对于波长转换元件54的极化反转周期的角度发生变化来进行宽带域的波长转换，而通过在满足式(6)的关系的范围内使基波激光的角度变化，可进行射入波长转换元件54的基波激光在整个带域的波长范围的转换。通过满足式(6)，可实现适合激光光源的波长转换激光的宽带域化。
在波长转换激光装置600中，通过让波长转换元件54的温度发生变化，可使射出的波长转换激光的中心波长发生变化。在本实施方式中，具有波长转换元件54的温度切换机构较为理想。通过具有波长转换元件54的温度切换机构，可以射出波长可调波长转换激光。期待将波长可调波长转换激光应用于分析领域等。
作为波长转换激光装置600的激光光源，使用具有波长可调种光发生器的光纤放大器激光装置较为理想。光纤放大器激光装置将所射入的种光增幅加以输出。光纤放大器激光装置由于增益幅度为宽带域，因此即使让种光的波长发生变化，也可实现高效率的增幅。波长可调种光发生器在输出种光的共振器中具有以下所示的进行切换的机构。即，波长可调种光发生器具有从多个共振器中选择任意共振器的切换机构、或对共振器的共振波长进行切换的机构。通过由所述切换机构使种光的波长发生变化，可以选择来自光纤放大器激光装置的输出的带域(bandwidth)。本实施方式所涉及的波长转换激光装置600由于波长允许幅度非常大，因此，通过使用具有波长可调种光发生器的光纤放大器激光装置，可进行带域的切换，并同时实现高效率化和高输出化。本实施方式的结构是可获得以往所没有的激光特性的特别理想的方式。
(实施方式8)
图11A及图11B表示实施方式8所涉及的波长转换激光装置700的概要图。图11A是表示波长转换元件5的宽度方向的波长转换激光装置700的概要俯视图，图11B是表示波长转换元件5的厚度方向的波长转换激光装置700的概要侧视图。对与实施方式1至7相同的部件标注相同的部件编号。
图11A及图11B所示的波长转换激光装置700包括基波激光光源1、聚光光学***2、第1凹面镜3、第2凹面镜41、波长转换元件5、反射面之间覆盖层35、波长转换元件保持器(holder)55及吸收激光发热的散热器(heat sink)56。
波长转换激光装置700具有反射面之间覆盖层35，该反射面之间覆盖层35使激光不会从由第1凹面镜3与第2凹面镜41所构成的一对反射面之间漏光到外部。反射面之间覆盖层35吸收激光。第2凹面镜41的表面(凹面部)被施加有基波激光及波长转换激光的反射涂层，其背面被施加有遮光涂层以便透射光不会漏光到外部。通过反射面之间覆盖层35和第2凹面镜41的遮光涂层，除了让激光射入反射面之间的部位以及射出波长转换激光的部位以外，反射面及反射面之间被吸收激光的覆盖部件所覆盖。如图11B所示，波长转换元件5由波长转换元件保持器55所支撑，并设置在反射面之间的主光线轴上。吸收激光发热的散热器56释放因波长转换元件保持器55吸收激光而产生的热、以及因反射面之间覆盖层35吸收激光而产生的热。反射面之间覆盖层35也兼作为支撑第1凹面镜3与第2凹面镜41的反射面保持器。
波长转换激光装置700较为理想的是，在反射面保持器或波长转换元件保持器上具有散热器，释放这些保持器吸收激光而产生的热。在本实施方式所涉及的波长转换激光装置700中，受到各元件中的激光的反射、散射、吸收及激光的衍射造成的影响，激光停止在反射面之间的往返，被波长转换元件保持器及反射面保持器吸收而成为热。尤其是当波长转换元件5的厚度较薄时，因衍射而无法往返的激光被波长转换元件保持器吸收而发热。在波长转换激光装置700中，由于停止了在反射面之间往返的激光的发热，使得在高输出时，波长转换激光的输出会发生变化。在本实施方式中，通过在发热的反射面保持器或波长转换元件保持器上具有散热器，可释放停止在反射面之间往返的激光产生的热，从而可进行稳定的动作。
波长转换激光装置700较为理想的是，由吸收激光的覆盖部件覆盖除了使基波激光射入反射面之间的部位及射出波长转换激光的部位以外的反射面及反射面之间。在本实施方式中，停止了在反射面之间往返的激光的一部分从反射面之间输出到外部。该输出的激光的方向会根据反射面或波长转换元件5的配置而发生变化，因此，随个体而有所不同，从而难以处理。尤其是在高输出时，必须考虑外部的安全性。在本实施方式中，可通过覆盖部件吸收从反射面之间输出到外部的激光并将其转换成热，以确保波长转换激光装置700外部的安全。
(实施方式9)
图12表示实施方式9所涉及的波长转换激光装置800的概要图。对与实施方式1至8相同的部件标注相同的部件编号。图12所示的波长转换激光装置800包括基波激光光源1、聚光光学***2、第1凹面镜3、第2凹面镜4、波长转换元件5、透镜6及内部反射型积分器(internal reflection integrator)7。
波长转换激光装置800包括：将从第1凹面镜3射出的线状的波长转换激光进行均匀化的内部反射型积分器7；以及使从第1凹面镜3射出的波长转换激光聚光到内部反射型积分器7的入射面上的透镜6。内部反射型积分器7通过使入射光在侧面内部反射，在出射面将激光叠合，对光束强度进行均匀化。内部反射型积分器7有利用全反射的积分器、和中空型的在内部具有涂层的积分器。另外，内部反射型积分器7也有具有矩形入射出射面的棒形积分器(rod integrator)或具有圆形入射面的光纤型积分器。
在本实施方式所涉及的波长转换激光装置800中，由于波长转换激光以线状不均匀的强度分布从第1凹面镜3输出，因此难以处理。另外，根据波长转换激光的频率成分的不同，从第1凹面镜3输出的角度也不同。因此，从第1凹面镜3输出的光束的均匀化成为问题。在本实施方式中，对从第1凹面镜3输出的波长转换激光的强度及频率成分进行平均，从而可获得低干涉性且强度分布均匀的波长转换激光。在本实施方式中，当透镜6向内部反射型积分器7的入射面聚光时，通过将波长转换激光的角度方向进行平均，使频率变得平均，然后由内部反射型积分器7对波长转换激光的强度进行平均。
尤其是，内部反射型积分器7具有矩形入射面，且长边方向与射入反射面之间的激光偏离主光线轴较大的方向一致较为理想。通过将长边方向设为上述方向，可增大波长转换激光射入内部反射型积分器7的射入效率，从而可消除传播损失。
(实施方式10)
图13表示实施方式10所涉及的波长转换激光装置900的概要图。对与实施方式1至9相同的部件标注相同的部件编号。图13所示的波长转换激光装置900包括基波激光光源1、聚光光学***2、第1凹面镜3、第2凹面镜4及波长转换元件57。
波长转换元件57在与周期状的极化反转结构X2垂直的方向具有温度梯度。如图13所示，波长转换元件57在该图的上下方向即波长转换元件57的宽度方向上具有温度梯度。为了在波长转换元件57中形成此种温度梯度，可在波长转换元件57的宽度方向的一个端面设置进行加热或冷却的未图示的温度控制元件。例如，可使用珀耳帖元件或加热器作为温度控制元件。
使往返于第1凹面镜3与第2凹面镜4之间的基波激光一边改变入射角，一边反复地射入波长转换元件57。此时，在波长转换元件57中，除了根据入射角的变化之外，还根据波长转换元件57的温度梯度，使通过波长转换元件57的激光的相位匹配条件发生变化。由于该波长转换元件57的温度梯度，即使当入射角相同时，相位匹配条件也会发生变化，从而进行波长转换的激光的中心波长发生变化。本实施方式的优选实施例是，可实现非常宽的波长带的转换的宽带波长转换激光装置。通过将波长转换元件57的温度梯度设在与周期状的极化反转结构X2垂直的方向上，来抑制在激光的各通路内的波长转换元件57的温度变化，避免波长转换效率的下降。
波长转换元件57的上述温度梯度不仅可设为线性温度梯度，而且可设为非线性温度梯度。较为理想的是，波长转换元件57内的最高温度与最低温度之差为1℃以上。这样，通过将温度差设为1℃以上，可使相位匹配条件在波长转换元件57内充分地发生变化。
(实施方式11)
图14表示实施方式11所涉及的波长转换激光装置1000的概要图。对与实施方式1至10相同的部件标注相同的部件编号。图14所示的波长转换激光装置1000包括基波激光光源1、聚光光学***2、第1凹面镜32、第2凹面镜42及波长转换元件50。
波长转换激光装置1000输出基波激光光源1所产生的基波激光的第三谐波(thirdharmonic wave)。波长转换激光装置1000包括波长转换元件50。该波长转换元件50具有两种周期状的极化反转结构。具体而言，波长转换激光装置1000具有从基波转换成第二谐波的周期状的极化反转结构RPA、以及从基波和第二谐波转换成第三谐波的周期状的极化反转结构RPB。
另外，波长转换激光装置1000包括第1凹面镜32、第2凹面镜42及色差修正元件(chromatic aberration correction elements)8。第1凹面镜32反射基波和第二谐波，并使第三谐波透过。第2凹面镜42反射基波及第二、第三谐波。色差修正元件8分别被设置在第1凹面镜32与波长转换元件50的之间及第2凹面镜42与波长转换元件50的之间，进行色差的修正，以便使基波和第二谐波的光路在波长转换元件50内一致。
本实施方式的优选实施例是使用具有两种以上的周期状的极化反转结构的波长转换元件50、及反射多个波长的反射面。在本实施方式中，利用激光反复地射入波长转换元件50，可实现宽广的允许幅度和高转换效率。在本实施方式中，通过使用具有两种以上的周期状的极化反转结构的波长转换元件50和反射多个波长的反射镜，可在具有高稳定性的同时，以高转换效率进行向第三谐波的转换等各种波长转换。
较为理想的是，色差修正元件8在像产生第三谐波、和频或差频等时，使两种以上的波长的激光在反射面之间反复地反射的情况下加以使用。本实施方式存在这样的问题，即，当由于波长转换元件50的波长色散(wavelength dispersion)，有两种以上的波长的激光在反射面之间反复地反射时，根据激光波长的不同而产生光路偏移及角度变化。色差修正元件8可对所述光路偏移及角度变化进行补偿，使两种以上的波长的光路在波长转换元件50内一致，从而带来效率高的波长转换。色差修正元件8采用具有与波长转换元件50相反的色散的元件、或呈棱镜形状的元件。
另外，在本实施方式中，也可使用发出多种波长的激光的光源作为激光光源，进行产生和频或差频的波长转换。在此情况下，较为理想的是，使用分色镜等将多个波长的激光同轴化之后，通过聚光光学***使激光射入反射面之间。
(实施方式12)
图15表示实施方式12所涉及的波长转换激光装置1100的概要图。对与实施方式1相同的部件标注相同的部件编号。图15所示的波长转换激光装置1100包括基波脉冲激光光源15、聚光光学***2、第1凹面镜33、第2凹面镜45及波长转换元件58。
基波脉冲激光光源15使用可射出脉冲宽度为微秒(μsec)以下的脉冲激光的Nd:YAG。基波脉冲激光光源15的振荡波长为1.064μm。另外，基本脉冲激光光源15只要是脉冲射出即可，可使用光纤激光器或LD。作为波长转换元件58采用具有极化反转结构的MgO:LiTaO3(PPLT：Periodically Poled Lithium Tantalate)，其形状为长方体(长度为5mm，宽度为8mm，厚度为1mm)。另外，波长转换元件58的极化反转周期为8μm。
第1凹面镜33的焦距f为f＝4，第2凹面镜45的焦距f为f＝5，这些镜之间的距离为11.7mm。在PPLT(波长转换元件58)的表面施加有基波激光和波长转换光的AR涂层。另外，在第1凹面镜33的凹面部施加有基波激光的HR(High Reflectance)涂层和波长转换光的AR涂层。另外，在第2凹面镜45的凹面部施加有基波激光及波长转换光的HR涂层。
从基波脉冲激光光源15射出的基波激光的脉冲宽度为20nsec，其重复频率为50kHz。此时，只有在从聚光光学***2直接射入波长转换元件58的初次通路的波长转换效率为50％，根据多条通路合计的波长转换光进行计算所得的合计波长转换效率为78％。在本实施方式中，将在初次的通路中形成的光束束腰i的光束束腰半径设为200μm，使初次的通路的聚光直径大于初次以外的通路中的光束束腰(ii、iii、……)的聚光直径(光束束腰径)，以便不使初次的通路中的波长转换效率增高。
本实施方式的优选实施例是，使用射出脉冲状基波激光的激光光源和及具有周期状的极化反转结构的波长转换元件，当将基波激光的脉冲宽度设为T，波长转换元件的元件长度设为L，极化反转周期设为Λ，基波激光的波长设为λ，光速设为c时，满足下式的关系：
(L·λ)/(0.3·Λ·c)＜T    ……(7)，
基波激光通过波长转换元件在最初的光路所产生的波长转换光的输出，低于在波长转换元件的多条的光路所产生的波长转换光的合计输出的2/3。
若像本实施方式这样，通过射出脉冲状基波激光来提高瞬间的功率强度，则可提高波长转换效率。但是，若过分地缩短脉冲宽度，则基波激光的波长有可能扩大，而无法在波长转换元件内进行相位匹配，从而难以进行波长转换。此时，通过使基波激光的脉冲宽度T比(L·λ)/(0.3·Λ·c)更长，以满足上式(7)，可抑制基波激光的波长扩大，可在波长转换元件内稳定地进行相位匹配，输出波长转换光。另外，在使基波激光为脉冲状的情况下，初次射入波长转换元件的通路中的瞬间的波长转换光的光强度增大，在光束束腰位置处，波长转换元件有可能被破坏或发热。在本实施方式中，通过使激光通过波长转换元件在最初的光路所产生的波长转换光的输出低于整体的合计输出的2/3，可防止在最初的光路中集中地产生波长转换光，抑制波长转换元件的破坏或发热，从而可实现更高的波长转换效率和稳定的动作。更为理想的是，使初次通过的光路中的波长转换光的输出低于合计输出的1/2。通过像这样设成低于合计输出的1/2，即使在波长转换激光装置需要100W以上的高峰值功率时，也可实现稳定的动作。
(实施方式13)
图16表示实施方式13所涉及的波长转换激光装置1200的概要图。对与实施方式1相同的部件标注相同的部件编号。图16所示的波长转换激光装置1200包括基波激光光源1、聚光光学***2、第1凸面棱镜36、第2凸面棱镜46及波长转换元件59。
所述第1凸面棱镜36及第2凸面棱镜46是作为基波激光的反射面的光学部件，在凸面侧形成有基波激光的反射涂层，另一端面呈平面状。第1及第2凸面棱镜36、46的平面侧分别波长转换元件59接合，波长转换元件59与第1及第2凸面棱镜36、46形成为一体。另外，在波长转换元件59与第1及第2凸面棱镜36、46之间的边界界面，所述材料的折射率匹配，以不会产生不需要的反射。
第1凸面棱镜36的凸面具有波长转换光的AR涂层，使波长转换光从第1凸面棱镜36输出。第1凸面棱镜36和第2凸面棱镜46的凸面分别呈曲率半径为25mm和曲率半径为20mm的球面形状，球面中心与波长转换元件59的中央轴一致。作为波长转换元件59使用具有极化反转结构的MgO:LiNbO3(PPLN)，其形状为长方体(长度为20mm，宽度为10mm，厚度为1mm)。第1及第2凸面棱镜36、46为了与波长转换元件59接合，其形状与波长转换元件59相匹配，厚度设为1mm。第2凸面棱镜46被切断仅让基波激光从聚光光学***2射入波长转换元件59的部分，该切断部成为基波激光的入射口。
基波激光被两个凸面棱镜反射，一边改变射向波长转换元件59的入射角的一边反复地通过该波长转换元件59，使光束束腰分散在波长转换元件59内。这样，波长转换激光装置1200可实现稳定且高效率的波长转换。
本实施方式的优选实施例是，作为激光反射面的光学部件与波长转换元件接合，使波长转换元件与作为激光反射面的光学部件成为一体。通过将作为反射面的光学部件与波长转换元件接合，不会有反射面与波长转换元件之间的位置关系的偏差，并且也无需进行调整，可提高装置的可靠性并削减制造工序数。
另外，与波长转换元件接合的光学部件也可以是具有涂层的结构，使得即使其折射率与波长转换元件的折射率不匹配，也不会在接合面上产生反射。较为理想的是，与波长转换元件接合的光学部件通过射出成型在波长转换元件上加以形成制作。这样，可以波长转换元件为基准来制作反射面，且可实现低成本的制作。
(实施方式14)
图17表示实施方式14所涉及的波长转换激光装置1300的概要图。对与实施方式1相同的部件标注相同的部件编号。图17所示的波长转换激光装置1300包括基波激光光源1、聚光光学***2、耦合镜(coupling mirror)38、第2凹面镜4及波长转换元件5。
波长转换激光器1300，除了作为基波激光的反射面且作为波长转换光的透射面的部件为耦合镜38以外，其他与实施方式1相同。耦合镜38的凹面侧为基波激光的反射面，反射基波激光，使基波激光再次射入波长转换元件5并聚光。另外，耦合镜38让波长转换光透过，而且，在耦合镜38的波长转换光的输出面侧，形成有与从各通路产生的波长转换光分别对应的透镜阵列(lens array)。通过该透镜阵列进行各通路的聚光，并进行通路的合成，使从各通路产生的波长转换光聚光于一点。在本实施方式中，使来自四条通路的光聚光于一点。耦合镜38由于具有与各通路对应的透镜，因此可将包含多条光束的输出光汇集于一点。通过耦合镜38，可以使分散在波长转换元件5内的光束汇集。
本实施方式的优选实施例是，针对从波长转换元件内的不同的通路产生的波长转换光，具有与每条通路对应的透镜阵列。通过具有与每条通路对应的透镜阵列，可使包含多条光束的输出光汇聚。尤其是，像本实施方式这样，将透镜阵列设置于作为基波激光的反射面的光学部件较为理想。这样，通过调整基波激光的反射面，可同时进行各通路和透镜阵列的调整。
另外，具有基波激光的反射面的部件中的仅让波长转换光透过的面，除了透镜阵列之外，还可被加工成相对各出射光束入射角度分别不同的多个平面、具有多个图案的衍射光栅等与所使用的设备相适应的形状，这样，可使输出的波长转换光形成所期望的强度分布。
(实施方式15)
本发明的其他目的在于提供即使在波长转换元件中产生光吸收等时也可获得高转换效率，且可实现多模的波长转换并射出高输出的转换波的波长转换激光装置。以下说明实现该目的的实施方式。
图18A是本发明实施方式15中的波长转换激光装置1400的概要结构图。图18B仅表示激光的主光线，表示激光每次被反射面反射都改变相对于波长转换元件的角度，并通过该波长转换元件的情况。图18A所示的波长转换激光装置1400包括激光光源1a及1b、聚光光学***24及波长转换元件10。
波长转换激光装置1400具有射出两束波长不同的激光的激光光源1a及1b。激光光源1a采用使1060nm波长的光振荡的光纤激光器，激光光源1b采用使1080nm波长的光振荡的光纤激光器。光纤激光器采用掺镱(Yb)光纤，振荡波长由光纤布拉格光栅(FBG)锁定。从激光光源1a及1b射出的光经过准直器24a，被分色镜24b合波。合波后的光由聚光透镜24c聚光，并从入射部11射入波长转换元件10。聚光光学***24包括所述的准直器24a、分色镜24b及聚光透镜24c，使激光聚光并输入到波长转换元件10中。
波长转换元件10采用具有周期状的极化反转结构的MgO:LiNbO3晶体，其长度为10mm，宽度为5mm，厚度为2mm，相当于图18A及图18B的左右的激光的入射出射端面被研磨成凸型形状。该图是波长转换元件10的俯视图，该图的左右为波长转换元件10的长度方向，该图的上下为波长转换元件10的宽度方向。MgO:LiNbO3的厚度方向为晶体的z轴，该z轴的极化被反转，从而在图18B的示意图所示的方向(波长转换元件10的长度方向)上以6.9μm的周期形成极化反转。波长转换元件10通过利用激光相对于波长转换元件的角度，产生上述两种波长(1060nm、1080nm)的激光的第二谐波即“530nm”及“540nm”、以及该两个波长的和频即“535nm”这三种波长转换光HW。
波长转换元件10的其中之一的端面12是曲率半径为12mm的凸型球面，且形成有用来反射上述激光的红外光的反射涂层、及作为波长转换光的绿色光的AR涂层。所述端面12为包含多条光束的波长转换光的出射面。波长转换元件10的另一端面13是曲率半径为8mm的凸型球面，且形成有红外光和绿色光的反射涂层。上述的端面12及端面13为反射作为红外光的激光的两个反射面。波长转换元件10的入射部11通过在端面13的一部分制作没有无红外光的反射涂层的部位而形成，使激光射入反射面之间。在波长转换元件10上，通过在形成所述反射涂层时遮蔽其一部分来制作入射部11。端面12及端面13被配置成各自球面的曲率中心相对面。在波长转换激光装置1400中，连接端面12与端面13的曲率中心的轴被称为波长转换激光的主光线轴ML。
端面12和端面13作为凹面镜对激光发挥作用，且为聚光面，对通过波长转换元件10的激光赋予聚光能力，从而形成聚光点(光束束腰)。而且，由于聚光面为曲面，因此当激光往返于反射面之间时，一边改变相对于波长转换元件10的角度，一边反复地通过波长转换元件10。但仅以端面12和端面13的聚光能力，会导致聚光点汇聚成一点。为了避免此种情况，通过聚光光学***24使聚光后的激光射入波长转换元件10。通过处于反射面之间的聚光面和聚光光学***2，使通过波长转换元件10的激光形成多个光束束腰，并使光束束腰位置PBW分散在波长转换元件10内。在光束束腰位置PBW，光强度增强，每条光路的转换效率增高。若光束束腰位置仅在一处，则光吸收引起的波长转换元件10的发热部会集中于一点，从而产生波长转换元件10的破坏、或由温度不均匀造成的转换效率的劣化。
从入射部11射入反射面之间的激光与主光线轴ML大致平行地射入，相对于周期状的极化反转结构不具有斜度，以横切周期状的极化反转结构的角度通过波长转换元件10，产生530nm的波长转换光。激光及波长转换光到达端面12之后，波长转换光从端面12射出，而激光被端面12反射并聚光。此时，由于激光通过聚光光学***24而被聚光，因此与端面12的焦点位置不同，在比该焦点位置更靠前的位置形成聚光点。入射部11位于从主光线轴在波长转换元件10的宽度方向移动2mm的位置，在端面12，激光以相对于主光线轴约19度的倾斜被反射。由于激光以较大角度通过周期状的极化反转结构，因此针对激光的极化反转结构的周期实质上变长。在从主光线轴倾斜约19度的该光路中，对1080nm的第二谐波的产生进行相位匹配，波长转换元件10则产生540nm的波长转换光。540nm的波长转换光被端面13反射之后，从端面12输出。激光每当被端面13和端面12反射时，就改变相对于波长转换元件10的角度，并通过波长转换元件10。而且，当激光相对于主光线轴ML的斜度约为14度时，对1060nm和1080nm的和频的产生进行相位匹配，波长转换元件10则产生535nm的波长转换光。535nm的波长转换光也从端面12射出。另外，在斜度接近于0度的激光的通过光路中，对1060nm的第二谐波进行相位匹配，产生530nm的波长转换光，并从端面12射出。
本实施方式的特征在于：在两个激光反射面之间具有波长转换元件、聚光面及波长转换光出射面，通过聚光光学***使激光从无反射功能的部位射入反射面之间，当激光往返于反射面之间时，通过一边改变相对于所述波长转换元件的角度，一边反复地通过波长转换元件，使相位匹配条件发生变化而反复地产生波长转换光，通过聚光光学***及聚光面使多个光束束腰位置分散在波长转换元件内，射出包含多束光束的波长转换光。
在本实施方式中，通过使激光相对于波长转换元件的角度根据通路而变化，使相位匹配条件发生变化，从而可在相同的波长转换元件内实现多模的相位匹配。另外，通过一边使相位匹配条件发生变化，一边使激光多次通过波长转换元件，可实现总体上非常宽广范围的相位匹配和高转换效率。通过宽广范围的相位匹配，可进行宽带域的波长或宽广温度范围的波长转换。在本实施方式中，由于在反射面之间具有聚光面，因此可对往返的激光赋予聚光能力，即使激光的光路变长，光强度也可保持高的状态，并可提高转换效率。另外，聚光面使通过波长转换元件的光路的角度变化。通过聚光光学***和反射面之间的聚光面使光束束腰位置分散在波长转换元件内，可避免波长转换元件的光吸收造成的损伤或转换效率的劣化。另外，通过射出具有多束光束的波长转换光，可获得低干涉的波长转换光。
本实施方式的优选实施例是，激光光源包含振荡波长不同的多个光源，在波长转换元件内产生并射出包含从所述多个激光光源射出的各激光的第二谐波、以及多束激光之间的和频或差频的波长转换光。在本实施方式中，同时射出两个第二谐波及和频。通过将振荡波长不同的多束激光应用于本实施方式的结构中，可同时输出纵向模式不同的多模的波长转换光。由于纵向多模的波长转换光的干涉噪声小，因此可广泛用在影像或照明领域中。为了降低射出的波长转换光的干涉性，多个激光光源的中心波长彼此相差0.1nm较为理想。另外，在相同的波长转换元件内，根据基于激光角度变化的相位匹配条件变化，进行与各振荡波长对应的多模的波长转换，因此较为理想的是，最短振荡波长与最长振荡波长之间的差异不足40nm。
波长转换元件10较为理想的是，其端面呈凸型形状的激光反射面，并同时起到聚光面和激光反射面的作用。通过将波长转换元件10的端面设为激光反射面及聚光面，与在波长转换元件外部配置反射面或聚光面之类的光学部件的结构相比，可减少部件，并可减少调整工序。另外，可使结构变得紧凑。尤其是在像本实施方式这样使用波长不同的多束激光的情况下，通过将波长转换元件的端面设为凸型反射面，可消除波长转换元件的色散造成的激光的分离，即使多束激光的波长不同，也可在波长转换元件内反复地在相同光路中传播，从而可实现模式之间的波长转换与高转换效率。
作为激光光源，除了使用光纤激光器之外，还可使用半导体激光器、固态激光器等各种激光光源。聚光光学***只要可使激光从入射部射入反射面之间，并进行激光的聚光控制，则可使用各种光学组件。可使用各种非线性材料作为波长转换元件。例如，可使用LBO或KTP、具有周期状的极化反转结构的LiNbO3或LiTaO3作为波长转换元件。
另外，在本实施方式中，波长转换光的出射面仅被设在波长转换元件的端面的其中之一(端面12)，但也可以在端面13施加波长转换光的透射涂层，以便从两个端面输出转换波。
(实施方式16)
图19是本发明实施方式16中的波长转换激光装置1500的概要结构图。
波长转换激光装置1500包括作为激光光源的宽条LD(wide stripe LD)1c、聚光光学***25、作为激光的反射面及聚光面的凹面镜37及柱形凹面镜47、波长转换元件60。
宽条LD1c是中心振荡波长为1064nm、条宽度为100μm、纵横多模振荡的高输出LD。波长转换元件60的长度为25mm，宽度为5mm，厚度为1mm，激光前进方向为长度方向。柱形凹面镜47在波长转换元件60的宽度方向上具有曲率，其端部(图19的近前侧)被截断，该截断部位作为激光入射反射面之间的入射部。从宽条LD1c射出的激光从连接凹面镜37及柱形凹面镜47的曲率中心的主光线轴向波长转换元件60的宽度方向偏离，从入射部射入反射面之间。激光通过被具有曲率的凹面镜37及柱形凹面镜47反射，一边在波长转换元件60的宽度方向上改变入射角度，一边通过波长转换元件60。激光通过聚光光学***25在波长转换元件60内形成光束束腰之后，到达凹面镜37，然后往返于反射面之间(凹面镜37与柱形凹面镜47之间)。通过聚光光学***25的聚光能力及两个镜37、47的曲率，激光在往返于反射面之间的过程中，在波长转换元件60内的不同的位置形成多条光束束腰。在波长转换激光装置1500中，通过使用柱形凹面镜47，可在激光的主光线轴方向上形成不同的光束束腰，促进光束束腰位置(聚光点)PBW的分散，以避免光强度在波长转换元件60内的集中。
波长转换元件60采用具有周期状的极化反转结构的MgO:LiNbO3晶体，在其长边方向上均匀地形成有周期状的极化反转结构。在波长转换元件60中，通过使激光一边根据聚光面的曲率而改变角度，一边通过该波长转换元件60，使激光的通过周期发生变化，产生激光的第二谐波和纵向多模之间的和频即以532nm为中心的波长转换光。凹面镜37是曲率半径为25mm的球面镜，具有波长为1064nm的激光的HR涂层及波长为532nm的波长转换光的AR涂层，作为波长转换光的出射面。柱形凹面镜47在波长转换元件60的宽度方向上具有20mm的曲率，且具有激光与波长转换光的反射涂层。凹面镜37与柱形凹面镜47之间的距离约为36mm，处于该两个镜37、47的合计焦距的附近。根据该结构，激光通过波长转换元件60十次以上。在本实施方式中，由于使激光一边改变入射波长转换元件60的角度，一边反复地通过波长转换元件60，使光束束腰位置PBW分散在波长转换元件60内，因此，具有宽广的相位匹配条件范围，从而可实现高转换效率和稳定的输出。
宽条LD1c被配置成其条的宽度方向与波长转换元件60的宽度方向一致。在此，所谓波长转换元件60的宽度方向，是指当激光往返于反射面之间时，使射向波长转换元件60的入射角度发生变化的方向。由于使激光在所述宽度方向上改变入射角度，因此波长转换元件60必须呈宽度较大的形状。为了实现小型化和低成本，对于波长转换元件60的激光通过面的宽度和厚度方向，必须使宽度方向较长。波长转换元件60呈长方体形状，其宽度大于厚度。另外，所谓上述条的宽度方向，是指激光没有被宽条LD1c充分缩小的方向。通过将镜等配置在激光光源与波长转换元件之间，当在激光射入反射面之间之前激光的方向发生变化时，使波长转换元件的宽度方向与激光的没有被充分缩小的方向一致。
聚光光学***25包括准直器25a及聚光透镜25b，在激光射入反射面之前，在波长转换元件60内形成聚光点。而且，聚光光学***25在准直器25a与聚光透镜25b之间具有λ/2板25c，其发挥使激光的偏振方向与LiNbO3的z轴方向对齐的作用。
本实施方式的优选实施例是，激光光源采用射出多模激光的宽条LD，宽条的活性层的宽度方向与所述波长转换元件的宽度方向一致，在激光往返于反射面之间的过程中，波长转换元件产生并射出具有多束光束的多模波长转换光。以往，宽条LD由于多模振荡，因此其转换效率低，无法用作波长转换的基波光源。但是，本实施方式的结构由于利用相位匹配条件的多样化，并使激光多次通过波长转换元件而使转换效率提高，因此，可实现使用了发光效率高的宽条LD的波长转换激光装置。
另外，本实施方式的结构的特征在于：由于使激光一边改变相对于波长转换元件的角度，一边通过波长转换元件，因此，在该角度发生变化的波长转换元件的宽度方向上有长度(即，波长转换元件的激光通过面的宽度方向比厚度方向长)，对光束直径的允许度大。通过使该波长转换元件的宽度方向与宽条LD的条宽度方向一致，即使当使用了宽条LD时，也可实现激光多次通过波长转换元件及相位匹配条件的多样化，并可输出转换效率高的多模波长转换光。另外，由于宽条LD的发光效率高，因此也可提高波长转换激光装置的效率。
另外，实施方式的波长转换激光装置通过射出纵向多模的波长转换光，可获得最适合于影像或照明用途的低干涉激光。另外，所谓实施方式的宽条LD，是指具有5μm以上的条宽度且进行多模振荡的LD。尤其是，为了获得高转换效率，条宽度为5μm以上200μm以下较为理想。这是因为若条宽度大于200μm，则光强度显著降低，转换效率下降。而且，若条宽度大于200μm，则电场强度过分地扩大，宽条LD的发光效率下降。
(实施方式17)
图20是本发明实施方式17中的波长转换激光装置1600的概要结构图。
波长转换激光装置1600包括条型LD(bar type LD)1d、作为聚光光学***的透镜阵列26及波长转换元件61。条型LD1d有两个使1040nm波长的光振荡的单模LD条以1mm的间隔位于相同的堆栈(stack)内，射出两条激光。透镜阵列26以与上述LD条相同的间隔形成阵列，让从各个条射出的激光聚光以使该激光在波长转换元件61内具有焦点。透镜阵列26使两条激光分别从作为波长转换元件61的激光入射部的61a及61b射入波长转换元件61内。
波长转换元件61采用具有周期状的极化反转结构的LiTaO3晶体，其长度为12mm，宽度为1.5mm，厚度为0.8mm，激光的入射侧端面及波长转换光的出射侧端面被加工成凸型。LiTaO3晶体的z轴的方向为波长转换元件61的宽度方向，且与条型LD1d的条方向一致。另外，周期状的极化反转结构被设成周期的方向为波长转换元件61的长度方向。在波长转换元件61中，两条激光通过周期状的极化反转结构被转换成作为波长转换光的第二谐波。另外，当两条激光重叠时，波长转换元件61也会产生和频。
在波长转换元件61中，作为激光的入射面的凸型柱状端面61c被加工成凸型柱状，在条型LD1d的条方向上具有曲率，其曲率半径为8mm。该凸型柱状端面61c除了入射部61a及61b之外还具有激光及波长转换光的反射涂层，作为激光的反射面及聚光面。上述入射部61a及61b具有激光的AR涂层，成为使激光射入反射面之间的入口。
另外，在波长转换元件61中，位于凸型柱状端面61c的长度方向相反侧的凸型球面端面61d被加工成凸型的球面，其曲率半径为16mm。凸型球面端面61d具有激光的反射涂层和波长转换光的AR涂层，既作为激光的反射面及聚光面，又作为波长转换光的出射面。由于凸型球面端面61d为凸型球面形状，因此相对于波长转换光也具有透镜的聚光作用，防止波长转换光的出射光束的扩大。
在波长转换激光装置1600中，波长转换元件61的两个端面61c，61d为激光的反射面及聚光面，使激光一边改变相对于波长转换元件61的角度，一边通过波长转换元件61，在根据该角度不同而不同的相位匹配条件下，波长转换元件61产生波长转换光。另外，波长转换激光装置1600通过聚光光学***和聚光面，使多个光束束腰位置PBW分散在波长转换元件内，可获得稳定的高输出特性。
本实施方式的优选实施例是，激光光源包含发射多束激光的多个光源，所述多束激光从无反射功能的不同部位射入上述两个激光反射面之间。这样，通过在一个波长转换元件的状态下增加激光光源，可增加波长转换光的输出，并可实现波长转换激光装置的高输出化及小型化。另外，本实施方式也不需要将多束激光进行合波的光学***，从而可实现低成本化和小型化。在实施方式中，通过使激光改变射向波长转换元件的入射角度，可获得宽广的相位匹配条件的范围，因此，也可同时对从不同部位射入波长转换元件中的多束激光进行波长转换。另外，在实施方式中，利用在波长转换元件内的激光的重叠，也可进行利用和频或差频等多束激光的波长转换，从而也可获得多模的波长转换光。在高输出的情况下，让激光射入波长转换元件的入射部有可能会损伤，但通过使用本结构将多束激光的入射部设在不同的部位，可防止波长转换元件的损伤，从而可获得可靠性高的高输出波长转换激光装置。
本实施方式所涉及的波长转换激光装置1600优选的是，使用条型LD(多条LD)作为多个激光光源，并使用透镜阵列26作为聚光光学***。根据该结构，可紧凑地配置多个光源和与其对应的聚光光学***，使多个光源和聚光光学***的调整也变得容易。另外，可实现波长转换激光装置的小型化。波长转换元件61优选的是，其宽度及厚度为2mm以下，且端面为激光的反射面。根据该结构，由于可实现波长转换激光装置的小型化，并且也可减小波长转换光的出射面积，因此可将波长转换光引导至光纤等中。
(实施方式18)
图21A及图21B是本发明实施方式18所涉及的波长转换激光装置1700的概要结构图。对与实施方式15至17相同的部件标注相同的部件编号。
波长转换激光装置1700包括激光光源1a、聚光光学***27、波长转换元件62、作为激光的反射面的第1凹面镜34及第2凹面镜48。激光光源1a是使1060nm波长的光振荡的掺镱光纤激光器。聚光光学***27具备准直器27a与聚光透镜27b。聚光透镜27b在波长转换元件62的厚度方向偏芯，使激光向该厚度方向倾斜。第2凹面镜48被截断成D字形，该截断部作为让激光射入反射面之间的入射部。
第1凹面镜34是曲率半径为25mm的球面，且具有激光的反射涂层和波长转换光的AR涂层，作为波长转换光的出射面。第2凹面镜48是曲率半径为20mm的球面，且具有激光及波长转换光的反射涂层。第1凹面镜34和第2凹面镜48被配置成曲率中心彼此对面，将连接曲率中心的轴称为波长转换激光装置的主光线轴ML。
通过聚光光学***27从由主光线轴ML向波长转换元件62的宽度方向偏移的位置射入反射面之间的激光，在波长转换元件62内形成光束束腰之后到达第1凹面镜34。激光在波长转换元件62的厚度方向上，通过聚光光学***27而相对于主光线轴ML倾斜地射入。如图21A所示，激光在入射位置偏离主光线轴ML的方向上改变角度，反复地通过波长转换元件62。另外，如图21B所示，激光在波长转换元件62的厚度方向上也相对于主光线轴ML倾斜地射入，反复改变该厚度方向的角度。这样，使激光通过波长转换元件62的角度在波长转换元件62的宽度方向及和厚度方向的两个轴上发生变化，激光反复地通过波长转换元件62。激光的聚光点也分散在波长转换元件62的宽度方向和厚度方向的两个轴上。
波长转换元件62采用具有周期状的极化反转结构的MgO:LiNbO3晶体，呈长度为25mm，宽度为5mm，厚度为2mm的长方体形状。波长转换元件62在其长度方向上具有反转周期，产生作为波长转换光的激光的第二谐波。由于激光以各种角度通过波长转换元件62，因此在多条光路的总体上具有宽广的相位匹配条件的范围。
本实施方式的优选实施例是，使激光通过波长转换元件的角度在两个轴上发生变化，并反复地通过波长转换元件。通过使角度在两个轴方向上发生变化，可增加通过波长转换元件的光路的体积，并使因光吸收而在波长转换元件中产生的热分散。另外，通过使波长转换元件内的激光的光束束腰位置PBW也在两个轴方向上分散，可避免光束束腰位置PBW集中。在高输出时，转换效率会因波长转换元件的光吸收造成的发热而降低，但通过使发热部分散，可以缓和温度上升，以防止转换效率的降低。
在波长转换激光装置1700中，相对于通过聚光光学***27而形成在波长转换元件62内的初次的光束束腰的光束直径，第2个以后的光束束腰的光束直径逐渐变小。例如，若将初次的光束束腰的光束直径设为125μm，则第2个光束束腰的光束直径为100μm，第3个光束束腰的光束直径为80μm。在形成第2个及第3个光束束腰的波长转换元件62内的光路中，波长转换元件62内的光束直径比初次通过的光路的光束直径小，且转换效率高。因此，与初次通过波长转换元件62的光路相比，在第2个和第3个光路中产生的波长转换光的功率增大。
本实施方式的优选实施例是，与从激光初次通过波长转换元件62的光路输出的波长转换光相比，从其后通过波长转换元件62的光路输出的波长转换光的功率更大。由于初次通过波长转换元件62的光路中的激光的功率最高，因此，容易产生光吸收造成的波长转换元件62的损伤或热透镜等，但通过抑制波长转换光的产生，可防止光吸收的增大，从而防止上述的损伤或热透镜的产生。尤其是，像本实施方式这样，与初次通过波长转换元件62的光路相比，使在其后的光路中光束束腰的光束直径减小较为理想。这样，即使当采用在初次通过波长转换元件62的光路中进行相位匹配的温度条件等时，也由于光束束腰位置PBW的光束直径较大，因此光强度小，从而可防止波长转换元件62的损伤，防止初次通过的光路的转换效率变得过高。
(实施方式19)
图22是表示由本实施方式的波长转换激光装置输出脉冲宽度为毫秒级的脉冲光时激光的功率调制的模式图。对与实施方式15至18相同的部件标注相同的部件编号。在本实施方式中，使用上述实施方式18的波长转换激光装置1700。
在本实施方式中，以120Hz的重复频率射出2.4msec的脉冲宽度的波长转换光。此时，从激光光源射出的激光也以2.4msec的脉冲宽度、120Hz的重复频率射出，激光的输出如图22所示那样被加以调制。即，激光的脉冲内功率在末期(脉冲就要下降之前)比在初期(脉冲刚上升后)更大。在本实施方式中，为了射出6W峰值的波长转换光，激光的功率被线性调制成在脉冲内的初期为9W，在末期为10W。通过像上述那样在脉冲内对激光的功率进行调制，使出射的波长转换光的功率在脉冲内保持恒定。
本实施方式的优选实施例是，从激光光源输出0.1msec以上的脉冲宽度的激光，且激光的脉冲内的功率在末期比在初期更大。在本实施方式的波长转换激光装置1700中，当射出0.1msec以上的脉冲宽度的脉冲光时，有可能会因波长转换元件的温度变化而在脉冲内产生功率波动。在高输出时，光吸收尤其显著。像本实施方式这样，通过对脉冲内的功率进行调制，以使末期的功率大于初期的功率，可减少脉冲内的功率波动，并使波长转换光的输出在脉冲内保持恒定。尤其是，末期的功率比初期的功率高5％以上较为理想。这样，通过使功率增加5％以上，即使在高输出时，也可对在脉冲内的末期产生的功率下降予以补偿。当输出脉冲宽度比0.1msec短的激光时，由于波长转换元件的温度变化的时间响应性，脉冲内的温度变化小，脉冲内的功率波动也变小，因此并不成为问题。本实施方式的功率调制在输出0.1msec以上的脉冲宽度的激光的情况下是必须的。在本实施方式的波长转换激光装置1700中，由于激光多次通过波长转换元件，因此，与以往仅通过一次的结构相比，波长转换元件整体的光吸收增大。为此，本实施方式的功率调制对于本实施方式的波长转换激光装置1700的结构是极为有用的。尤其是在将本实施方式的波长转换激光装置1700应用在影像用途的情况下，脉冲内的末期的输出下降会扰乱灰阶(grayscale)的表现或导致显示的辉度(luminance)的下降，因此，本实施方式的功率调制是极为有效的。
在本实施方式中，如图22所示，激光的脉冲内的功率被线性调制成末期的功率大于初期的功率。但是，本发明并不限定于此，只要是对激光的脉冲内的功率进行调制，使得末期的功率大于初期的功率的结构即可，例如，也可以采用非线性的调制、或使功率大小(power level)从初期至末期呈阶梯状增加的阶梯调制。
(实施方式20)
图23是本发明实施方式20所涉及的波长转换激光装置1800的概要结构图。对与实施方式15至19相同的部件标注相同的部件编号。图23所示的波长转换激光装置1800包括激光光源1e、聚光光学***28、第1凹面镜38、第2凹面镜49、第1非线性光学晶体63及第2非线性光学晶体64。
在波长转换激光装置1800中，配置在反射激光的反射面之间的波长转换元件包括第1非线性光学晶体63和第2非线性光学晶体64。射出激光的激光光源1e是射出波长为1040nm的激光的单模LD。第1非线性光学晶体63为具有周期状的极化反转结构的MgO:LiNbO3晶体，产生作为激光的第二谐波的波长为520nm的第1波长转换光。第2非线性光学晶体64为LBO(LiB3O5)，产生作为所述第1波长转换光的第二谐波的波长为260nm的第2波长转换光。
第1非线性光学晶体63及第2非线性光学晶体64都呈长方体形状，且在激光的入射出射端面具有激光及第1波长转换光的AR涂层。第2非线性光学晶体64在第1非线性光学晶体63一侧的端面具有第2波长转换光的反射涂层，在第1凹面镜38一侧的端面具有第2波长转换光的AR涂层。第1凹面镜38具有激光及第1波长转换光的反射涂层和第2波长转换光的AR涂层，作为第2波长转换光的出射面。第2凹面镜49具有激光和第1波长转换光的反射涂层。第1凹面镜38及第2凹面镜49作为激光的反射面及聚光面，而且也作为第1波长转换光的反射面及聚光面。第2凹面镜49被截断成D字型，该截断部作为激光的入射部。
第1非线性光学晶体63设置在从入射部射入的激光的前进方向的上游侧，第2非线性光学晶体64设置在该激光的前进方向的下游侧。因此，来自激光光源1e的激光经由聚光光学***28最初射入第1非线性光学晶体63。
激光通过具备准直器28a和聚光透镜28b的聚光光学***28，从入射部射入激光反射面之间，在第2非线性光学晶体64内形成光束束腰之后，到达第1凹面镜38。此时，在第1非线性光学晶体63内产生第1波长转换光，该第1波长转换光也在第2非线性光学晶体64内形成光束束腰，在第2非线性光学晶体64内产生第2波长转换光。产生的第2波长转换光从第1凹面镜38射出，而激光和第1波长转换光被第1凹面镜38反射，并射入第2非线性光学晶体64。在第2非线性光学晶体64内，通过从第1波长转换光的转换而再次产生第2波长转换光，该第2波长转换光被第2非线性光学晶体64的第1非线性光学晶体63一侧的端面反射之后，从第1凹面镜38射出。激光一边往返于第1凹面镜38与第2凹面镜49之间，一边形成多条光束束腰，并一边改变入射角度一边射入第1波长转换元件(第1非线性光学晶体63)，反复地产生第1波长转换光。在第1波长转换元件中产生的第1波长转换光往返于第1凹面镜38与第2凹面镜49之间，此时，一边改变入射角度一边反复地射入第2波长转换元件(第2非线性光学晶体64)，产生第2波长转换光。
本实施方式的优选实施例是，波长转换元件至少包括第1非线性光学晶体63和第2非线性光学晶体64，在第1非线性光学晶体63中的多条光路中产生激光的第1波长转换光，在第2非线性光学晶体64中的多条光路中产生使用了第1波长转换光的第2波长转换光，并射出第2波长转换光。以往，被称为3倍波或4倍波的高次的波长转换的转换效率低，为了提高转换效率，需要外部共振器等共振器结构。但是，对于共振器结构而言，为了保持共振，必须以波长级的精度对光学部件进行调整，在成本或稳定性方面存在问题。而在本实施方式中，使用两个非线性光学晶体作为波长转换元件，通过利用使激光通过波长转换元件的角度发生变化，可使第1波长转换光改变通过第2非线性光学晶体64内的角度，从而使第1波长转换光多次通过第2非线性光学晶体64内。因此，利用第1波长转换光产生第2波长转换光，却能提高转换效率，扩大获得第2波长转换光的相位匹配条件的范围。因此，本实施方式所涉及的波长转换激光装置1800能够以高转换效率稳定地获得作为高次转换波的第2波长转换光。另外，与共振器结构不同，光学部件容易调整，且可实现低成本化及小型化。另外，通过使用两种非线性光学晶体，可以针对第1波长转换光产生和第2波长转换光产生，选择对各种波长转换光的光吸收较小且转换效率高的晶体，而且可防止因激光及第1波长转换光多次通过所引起的发热，同时可提高转换效率。
本实施方式所涉及的波长转换激光装置1800优选的是，第2波长转换光为波长短于380nm的紫外光。以往，紫外光由于在非线性光学晶体中的光吸收，因此导致损伤或发热的问题，用于高输出用途的非线性光学晶体的范围受到限制，无法获得高转换效率。但是，在本结构中，由于在多条光路中产生紫外光，因此即使在高输出下，紫外光的光强度也较低，可避免损伤或发热，从而可使用各种非线性光学晶体。因此，可在获得高输出的同时提高转换光率。
第2非线性光学晶体64优选的是，在第1非线性光学晶体63一侧的端面上具有第2波长转换光的反射面。另外，取代这种方式，也可以采用在第1非线性光学晶体63的第2非线性光学晶体64一侧的端面上具有第2波长转换光的反射面的方式。在本实施方式中，较为理想的是，在第1非线性光学晶体63与第2非线性光学晶体64之间存在第2波长转换光的反射面或出射面。这样，通过不使第2波长转换光射入第1非线性光学晶体63，可消除在第1非线性光学晶体63内对第2波长转换光的光吸收。由此，消除第2波长转换光造成的第1非线性光学晶体63的发热，可提高转换效率，并且扩大用于高输出时的第1非线性光学晶体63的选择范围。在本实施方式中，可使用虽然吸收紫外光但非线性光学常数大的MgO:LiNbO3晶体作为第1非线性光学晶体63，从而可提高转换效率。
波长转换激光装置1800优选的是，由聚光光学***28形成的聚光点位于第2非线性光学晶体64内，由此，多个第1波长转换光的光束束腰形成在第2非线性光学晶体64内的。虽然在第2波长转换光的产生中，转换效率变低，但通过在第2非线性光学晶体64内形成多个第1波长转换光的光束束腰，可提高转换效率。
本实施方式的优选实施例是，第1凹面镜38和第2凹面镜49这两个激光反射面反射第1波长转换光，没有被转换成第2波长转换光的第1波长转换光再次通过第2非线性光学晶体64。通过使第1波长转换光一边被激光反射面反射一边往返于反射面之间，可增大射入第2非线性光学晶体64的第1波长转换光的输出，从而可提高转换效率。另外，由于通过第2非线性光学晶体64的第1波长转换光的角度多样地变化，因此可有多种相位匹配条件，若将多条光路合在一起，则可具有非常宽广的相位匹配范围。在宽广的相位匹配范围中，即使温度或入射波长发生变化，也可维持高转换效率，从而可实现波长转换激光装置的稳定动作。
(实施方式21)
图24是本发明实施方式21所涉及的波长转换激光装置1900的概要结构图。对与实施方式15至20相同的部件标注相同的部件编号。图24所示的波长转换激光装置1900包括激光光源1e、聚光光学***29、凹面镜39、第1非线性光学晶体65及第2非线性光学晶体66。
波长转换激光装置1900在激光的反射面之间，具有包括第1非线性光学晶体65和第2非线性光学晶体66的波长转换元件、及作为激光的聚光面的凹面镜39。激光光源1e是振荡1040nm波长的单模LD。第1非线性光学晶体65为具有周期状的极化反转结构的MgO:LiNbO3晶体，产生作为激光的第二谐波的波长为520nm的第1波长转换光。第1非线性光学晶体65的与凹面镜39相反的一侧的端面65a具有激光的反射涂层和第1波长转换光的AR涂层，作为激光的反射面及第1波长转换光的出射面。第2非线性光学晶体66为LBO，产生作为第1波长转换光的第二谐波的波长为260nm的第2波长转换光。第2非线性光学晶体66的与凹面镜39相反的一侧的端面66a具有激光、第1波长转换光及第2波长转换光的反射涂层，作为激光等的反射面。凹面镜39具有激光及第1波长转换光的反射涂层和第2波长转换光的AR涂层，·作为第2波长转换光的出射面。
在波长转换激光装置1900中，从激光光源1e射出的激光通过聚光光学***29而受到聚光作用之后，通过第2非线性光学晶体66的附近(旁边)并射入反射面之间。即，第2非线性光学晶体66的旁边成为射向反射面之间的入射部70。激光通过聚光光学***29在第2非线性光学晶体66的旁边形成光束束腰之后，被凹面镜39反射，射入第1非线性光学晶体65。直至激光到达第1非线性光学晶体65的端面65a为止才产生的第1波长转换光，从第1非线性光学晶体65的端面65a射出。激光被第1非线性光学晶体65的端面65a反射，再次在第1非线性光学晶体65中产生第1波长转换光。激光和第1波长转换光被凹面镜39反射之后，射入第2非线性光学晶体66，在其内部形成光束束腰。在第2非线性光学晶体66中，由第1波长转换光产生第2波长转换光。激光和第1及第2波长转换光被第2非线性光学晶体66的端面66a反射之后，到达凹面镜39。接着，从凹面镜39射出第2波长转换光。然后，被凹面镜39反射的激光及第1波长转换光以与刚才不同的入射角射入第1非线性光学晶体65内。激光在第1非线性光学晶体65内被转换成第1波长转换光，第1波长转换光从第1非线性光学晶体65的端面65a射出。被端面65a反射的激光再次在第1非线性光学晶体65内转换成第1波长转换光，与第1波长转换光一起被凹面镜39反射之后，以与刚才不同的角度射入第2非线性光学晶体66。如此，激光一边往返于反射面之间，一边改变射向非线性光学晶体的入射角，反复地通过非线性光学晶体，并反复地产生第1波长转换光。而且，在多条光路中，也由如此产生的第1波长转换光反复地产生第2波长转换光，最终，第1波长转换光和第2波长转换光从波长转换激光装置1900射出。
在波长转换激光装置1900中，第1非线性光学晶体65的端面65a作为第1波长转换光的出射面，凹面镜39作为第2波长转换光的出射面。本实施方式的优选实施例是，将第1波长转换光和第2波长转换光射出到外部，且第1波长转换光的出射面与第2波长转换光的出射面不同。这样，可从波长转换激光装置1900获得多束不同的波长转换光，并无需分离这些波长转换光地使用各波长转换光。本实施方式的优选实施例是，在第1非线性光学晶体65与第2非线性光学晶体66之间具有第2波长转换光的出射面。这样，通过使第2波长转换光射入第1非线性光学晶体65，可防止在第1非线性光学晶体65中产生损伤或光吸收。
另外，本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内能进行适当变更。当然也可组合使用本发明的各实施方式。另外，波长转换激光装置除了输出第二谐波或和频之外，还可输出差频。另外，波长转换元件也可在自身内部具有周期不同的多种极化反转结构。
(实施方式22)
图25表示实施方式22所涉及的图像显示装置2000的概要图。对与实施方式1至21相同的部件标注相同的部件编号。图25所示的图像显示装置2000包括绿色波长转换激光装置2100、蓝色激光装置2001、红色激光装置2002、聚光透镜2010、正交棱镜2011、棒形积分器(rod integrator)71、中继透镜(relay lens)2012、场透镜2013、空间光调制元件(SLM：Spatial Light Modulator)2014、投射透镜2015及屏幕2016。
图像显示装置2000是包括所述绿色波长转换激光装置2100、蓝色激光装置2001及红色激光装置2002的全彩激光投影仪。
绿色波长转换激光装置2100包括基波激光光源1、聚光光学***2、弯月镜(meniscusmirror)80、第2凹面镜4及波长转换元件5。即，除了作为激光的反射面及波长转换光的透射面的部件是弯月镜80而非第1凹面镜以外，绿色波长转换激光装置2100的结构与实施方式1的波长转换激光装置100(参照图1)相同。
弯月镜80的凹面侧作为激光的反射面以反射激光，进行激光向波长转换元件5的再次入射和聚光。另外，弯月镜80让波长转换光透过，作为具有凹面和凸面的弯月透镜(meniscus lens)对该波长转换光发挥作用。具有多束光束的波长转换光通过弯月镜80而聚光在棒形积分器71的入射面。在本实施方式中，弯月镜80的凸面为聚光透镜，其曲率大于凹面的曲率。另外，也可以使弯月镜80的凸面的曲率中心与凹面的曲率中心相同，消除凹面透镜相对于波长转换光的曲率，使波长转换光的多条光路大致平行。这样，通过将输出波长转换光的镜设为弯月镜，可使从多条通路输出的波长转换光直接聚光或大致平行。在本实施方式所涉及的绿色波长转换激光装置2100中，虽然输出的波长转换光具有多束光束，但通过将弯月镜80设为输出镜，可容易地对光束进行处理。
从蓝色激光装置2001及红色激光装置2002射出的蓝色及红色的激光通过聚光透镜2010而聚光在棒形积分器71的入射面。而且，红色、绿色、蓝色的激光由正交棱镜2011合波之后，射入棒形积分器71。通过棒形积分器71使红色、绿色、蓝色的激光叠加，形成矩形形状的均匀的强度分布。棒形积分器71通过使绿色波长转换激光装置2100射出的多束光束叠加，即使各光束强度不同，仍可整形成均匀的强度分布。从棒形积分器71射出的激光经过中继透镜2012、场透镜2013照明SLM2014。SLM2014采用透射型液晶，分时地调制红色、绿色、蓝色的激光。经过SLM2014调制的光由投射透镜2015放大，并投射到屏幕2016上。
本实施方式所涉及的图像显示装置优选的是，包括波长转换激光装置(绿色波长转换激光装置2100)、使从该波长转换激光装置射出的多束波长转换光叠加的光学***(棒形积分器71)、以及对所述波长转换光进行调制的元件(SLM2014)。本实施方式的波长转换激光装置，由于在多条通路中进行波长转换，因此射出多束强度不同的光束，而通过将这些光束叠加，可获得图像显示装置所必需的均匀性。另外，在图像显示装置中，为了抑制干涉噪声需要低相干光，而对于实施方式的波长转换激光装置射出的多束光束，由于在各光束之间干涉性低，因此通过将这些光束叠加使用，可获得低相干光。尤其是绿色光相对于其他颜色，其视觉感度(visibility)高，干涉性噪声易被收看者看到，因此，使用本实施方式的结构获得低相干光较为理想。在本实施方式中，使用SLM2014进行波长转换光的调制，可将基于图像信号的图像显示在屏幕2016上。
另外，也可使用反射型LCOS(Liquid Crystal On Silicon)或DMD(DigitalMicromirror Device：美国德州仪器半导体公司的商标(the registered trademark ofTexas Instrument Inc.，USA))等空间光调制元件作为SLM2014。另外，也可以是称为三板LCD(Liquid Crystal Display)的对红色、绿色、蓝色的各种激光使用空间光调制元件的结构。另外，对波长转换光进行调制的元件并不限定于SLM，也可以是将波长转换光的强度调制与扫描光学***组合起来的结构。
在本实施方式中，虽然使用棒形积分器作为使波长转换光叠加的光学***，但也可以使用复眼透镜(fly-eye lens)或多透镜(lenticular lens)等。
在本实施方式中，虽然使用绿色波长转换激光装置2100作为适用于图像显示装置的波长转换激光装置，但本发明并不限定于此。即，例如，可使用上述的实施方式1至21所揭示的波长转换激光装置作为适用于本实施方式的波长转换激光装置。
(实施方式23)
图26表示实施方式23所涉及的图像显示装置3000的概要图。对与实施方式1至22相同的部件标注相同的部件编号。图26所示的图像显示装置3000包括绿色波长转换激光装置2100、蓝色激光装置2001、红色激光装置2002、聚光透镜2010、正交棱镜2011、导光棒72，导光板73及液晶面板74。
图像显示装置3000是包括上述的绿色波长转换激光装置2100、蓝色激光装置2001及红色激光装置2002的全彩液晶显示器。
从各激光装置射出的红色、绿色、蓝色的激光由正交棱镜2011合波之后，射入导光棒72。射入导光棒72的激光被导向导光板73。此时，通过导光棒72和导光板73，激光达到均匀的强度分布，照明液晶面板74。
在本实施例中，从绿色波长转换激光装置2100射出的具有多光束的输出光，通过导光棒72和导光板73而被叠加。
本实施方式所涉及的图像显示装置优选的是，包括本实施方式的波长转换激光装置(绿色波长转换激光装置2100)、使从该波长转换激光装置射出的多束波长转换光叠加的光学***(导光棒72及导光板73)、以及对所述波长转换光进行调制的元件(液晶面板74)。本实施方式的波长转换激光装置由于在多条通路中进行波长转换，因此射出多束强度不同的光束，而通过使这些光束叠加，可获得图像显示装置所必需的均匀性。另外，在图像显示装置中，为了抑制干涉噪声需要低相干光，而对于本实施方式的波长转换激光装置射出的多束光束，由于在各光束之间干涉性低，因此通过将这些光束叠加使用，可获得低相干光。尤其是绿色光相对于其他颜色，其视亮度高，干涉性噪声易被收看者看到，因此使用本实施方式的结构获得低相干光较为理想。在本实施例中，使用液晶面板74对波长转换光进行调制，可显示基于图像信号的图像。
另外，在本实施方式中，虽然使用导光棒及导光板作为使波长转换光叠加的光学***，但也可使用圆形或椭圆形的多模光光纤。
在本实施方式中，虽然使用绿色波长转换激光装置2100作为适用于图像显示装置的波长转换激光装置，但本发明并不限定于此。即，例如，也可以使用上述的实施方式1至21所揭示的波长转换激光装置作为适用于本发明的图像显示装置的波长转换激光装置。
如上所述，本发明所提供的波长转换激光装置包括：射出激光的激光光源；反射所述激光的两个反射面；设置在所述两个反射面之间将所述激光转换成波长转换光的波长转换元件；以及使所述激光聚光并射入所述反射面之间的聚光光学***，其中，所述两个反射面的至少其中之一具有曲率，让所述激光的光路发生变化以使该激光一边改变射向所述波长转换元件的入射角一边多次往返于所述反射面之间，并将所述激光聚光在所述反射面之间，所述聚光光学***被配置成使多次往返于所述反射面之间的激光的光束束腰位置分散在所述波长转换元件内。
根据上述的结构，将波长转换元件配置在至少其中之一具有曲率的两个反射面之间，使激光一边改变射向所述波长转换元件的入射角，一边多次往返于所述反射面之间。这样，根据激光通过波长转换元件的通过通路，相位匹配条件发生变化。因此，本波长转换激光装置具有多个相位匹配条件，即使当在某一通过通路中偏离了相位匹配条件时，也可以与其他通过通路中的相位匹配条件相符合，对转换效率的下降予以补充。由此，可实现高转换效率，并可扩大温度或波长等的相位匹配条件的允许幅度，从而可获得相对于环境变化等显得稳定的波长转换光。另外，可获得进行谱宽宽广的激光振荡的低干涉波长转换光。而且，通过由聚光光学***使激光的光束束腰位置分散在波长转换元件内，可获得消除了波长转换元件的光损伤或波长转换的不稳定性的高输出的波长转换光。
如上所述，本波长转换激光装置能够实现一种可实现高转换效率和稳定的高输出的出射，且可输出散斑噪声得以降低的低干涉性的波长转换光的波长转换激光装置。
而且，在上述结构中，较为理想的是，在所述两个反射面的其中之一上形成让所述激光通过的入射部，通过所述聚光光学***而被聚光的激光从所述入射部射入所述反射面之间。
根据上述的结构，通过在两个反射面的其中之一的反射面上形成让激光通过的入射部，将由聚光光学***聚光的激光导入反射面之间时的光路设计的自由度得以提高。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述两个反射面的至少其中之一让所述波长转换光透过而射出该波长转换光。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述聚光光学***使所述激光聚光，以便在所述激光初次被所述反射面反射之前，该激光的光束束腰形成在所述波长转换元件内。
根据上述的结构，由于在激光初次被反射面反射之前，光束束腰形成在反射面之间，因此可使光束束腰位置在波长转换元件内的宽广的范围内分散在多处，即使在高输出时，也可进行稳定的波长转换。而且，由于在激光被反射面反射之前进行波长转换，因此可提高合计转换效率。
而且，在上述结构中，较为理想的是，在所述波长转换元件内，至少分散存在三个所述光束束腰位置，当将在所述波长转换元件内形成的光束束腰从初次形成的光束束腰起依次设为i、ii、iii，将该i、ii、iii的光束束腰半径设为r_i、r_ii、r_iii时，它们满足r_i＞r_ii＞r_iii的关系。
根据上述的结构，通过使光束束腰半径从在波长转换元件内初次形成的光束束腰起依次缩小以调整激光的功率密度，可避免波长转换元件的破坏等，且可实现稳定的波长转换。而且，还可抑制在更后面的通路中因激光功率下降而引起的转换效率的下降，可提高整体的波长转换效率。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述波长转换元件具有周期状的极化反转结构，当将连接所述两个反射面的彼此中心的光轴设为主光线轴时，所述极化反转结构相对于所述主光线轴倾斜。
根据上述的结构，可进一步扩大温度等的相位匹配条件的允许幅度，从而可相对于环境变化等而稳定地获得波长转换光。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述激光光源射出脉冲状的激光，并且所述波长转换元件具有周期状的极化反转结构，当将所述激光的脉冲宽度设为T，将所述波长转换元件的元件长度设为L，将所述极化反转结构的极化反转周期设为Λ，将所述激光的波长设为λ，将光速设为c时，所述激光的脉冲宽度被设定成满足以下关系：
(L·λ)/(0.3·Λ·c)＜T。
根据上述的结构，若通过射出脉冲状的激光来提高瞬间的功率强度，则可提高波长转换效率。此时，通过使激光的脉冲宽度T比(L·λ)/(0.3·Λ·c)更长，可以抑制基波激光的波长扩大，在波长转换元件内稳定地进行相位匹配，并输出波长转换光。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述激光通过所述波长转换元件在最初的光路所产生的波长转换光的输出，低于所述激光通过该波长转换元件在所有的光路所产生的波长转换光的合计输出的2/3。
根据上述的结构，通过使激光通过波长转换元件在最初的光路所产生的波长转换光的输出低于整体的合计输出的2/3，可以防止在最初的光路中集中地产生波长转换光，抑制波长转换元件的破坏或发热，从而可实现更高的波长转换效率和稳定的动作。
而且，在上述结构中，较为理想的是，当将连接所述两个反射面的彼此中心的光轴设为主光线轴时，所述聚光光学***使所述激光相对于所述主光线轴倾斜地射入所述反射面之间。
根据上述结构，由于激光相对于主光线轴倾斜地射入反射面之间，因此，在反射面之间反复地反射的激光的重叠分散在多处，从而可在反射面之间避免激光的功率的集中。由此，可避免波长转换元件的破坏或波长转换的不稳定性，稳定地射出高输出的波长转换光。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述波长转换元件在其厚度方向上具有形成有周期状的极化反转结构的极化反转形成部和及未形成有该极化反转结构的非形成部，该极化反转形成部被设在该元件在厚度方向上的至少中央部。
根据上述的结构，波长转换元件不仅具有极化反转形成部，而且还具有未形成有极化反转结构的非形成部，极化反转形成部被设在该元件的厚度方向上的至少中央部的结构容易实现。而且，由于极化反转形成部形成在波长转换元件的厚度方向上的至少中央部，因此可有效地进行波长转换。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述聚光光学***的在所述波长转换元件的厚度方向的透镜光学能力比在该波长转换元件的宽度方向的透镜光学能力小。
根据上述结构，通过聚光光学***射入反射面之间的激光为椭圆光束，在所述厚度方向和宽度方向获得不同的光束束腰位置。因此，波长转换元件内的光束束腰位置更分散，从而可更稳定地射出高输出的波长转换光。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述两个反射面的至少其中之一采用在所述波长转换元件的厚度方向和宽度方向曲率不同的变形反射镜。
根据上述的结构，由于通过变形反射镜，激光在所述厚度方向和宽度方向以不同的曲率被反射，因此该激光成为椭圆光束，在该厚度方向与宽度方向获得不同的光束束腰位置。因此，波长转换元件内的光束束腰位置更分散，从而可更稳定地射出高输出的波长转换光。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述激光的相干长度不足所述反射面之间的距离的两倍。
如果激光的相干长度被设为反射面之间的距离的两倍以上，往返于反射面之间的激光会在发生重叠的点产生干涉，在因该干涉产生的光束强度强的点处，有可能会产生波长转换元件的破坏或波长转换的不稳定性的问题。但是，像上述结构这样，通过使激光的相干长度不足所述反射面之间的距离的两倍，可避免上述干涉性的问题。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述激光光源为射出的激光的谱半峰全宽为0.5nm以上的纵向多模的激光光源。
在以往的结构中，由于波长允许幅度狭窄，因此即使使用宽带激光光源，也会导致输出的波长转换激光成为窄带。而本波长转换激光装置如上所述，由于对波长的相位匹配条件的允许幅度也宽广，因此，像上述结构这样，通过使用激光的谱半峰全宽为0.5nm以上的纵向多模的激光光源(宽带激光光源)，可实现输出的波长转换光的宽带域化。这样，通过使波长转换光为宽带域，可降低激光的干涉性，并可减少在影像领域等中成为问题的干涉噪声。尤其是可减少称为散斑噪声的会带来激光的干涉性的随机噪声。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述激光光源为具有宽带(broadband)光纤布拉格光栅(FBG、Fiber Bragging Grating)，并通过该宽带FBG进行波长锁定的光纤激光装置。
根据上述的结构，可通过宽带FBG对产生的激光的中心波长及带宽进行设计，并可实现高输出。通过该宽带FBG进行波长锁定的光纤激光装置适合作为用来产生宽带域的波长转换激光的激光光源，可以实现波长转换激光的宽带域化、高效化及高输出化。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述激光光源是具有波长可调种光发生器的光纤放大器激光装置。
根据上述的结构，光纤放大器激光装置将所射入的种光放大并输出。光纤放大器激光装置由于增益幅度为宽带域，因此即使使种光的波长变化，也可以高效率的放大。在此，波长可调种光发生器通过让种光的波长变化，可以选择来自光纤放大器激光装置的输出光的带域。如上所述，由于对于波长的相位匹配条件的允许幅度宽，因此通过使用具有波长可调种光发生器的光纤放大器激光装置作为激光光源，可在进行带域切换的同时实现高效化与高输出化。
而且，较为理想的是，上述的波长转换激光装置还包括支撑所述波长转换元件的波长转换元件保持器；以及设置在所述波长转换元件保持器上进行散热的散热器。
根据上述结构，通过在因吸收激光而发热的波长转换元件保持器上设置进行散热的散热器，可进行稳定的波长转换动作。
而且，较为理想的是，上述的波长转换激光装置还包括吸收所述激光的覆盖部件，所述覆盖部件，覆盖除了让所述激光射入所述反射面之间的部位及让所述波长转换光从该反射面之间射出的部位之外的该两个反射面及反射面之间。
根据上述的结构，由于除了激光的入射及波长转换光的射出所需要的部位之外，两个反射面及反射面之间被覆盖部件所覆盖，因此，激光不会从反射面之间输出到外部而被覆盖部件吸收，可确保波长转换激光装置的外部的安全。
而且，较为理想的是，上述的波长转换激光装置还包括：使从所述反射面之间射出的线状的所述波长转换光聚光的聚光部；以及让经过所述聚光部聚光的所述波长转换光射入，并将该波长转换光的强度及频率进行平均后射出的内部反射型积分器。
根据上述的结构，即使波长转换光以线状的不均匀的强度分布射出，该波长转换光也会被聚光部聚光并射入内部反射型积分器。然后，波长转换光在强度及频率被平均化的状态下从内部反射型积分器射出。这样，通过将波长转换光的强度及频率成分进行平均，可获得低干涉性且强度分布均匀的波长转换光。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述波长转换元件具有周期状的极化反转结构，当将所述激光相对于所述激光通过所述波长转换元件时的极化反转周期的最大角度设为θ，将该激光的中心波长设为λ，将该激光的谱半峰全宽设为Δλ时，满足cosθ≤λ/(λ+Δλ/2)的关系。
根据上述的结构，通过使激光相对于波长转换元件的极化反转周期的角度变化，可进行宽带域的波长转换。在此，通过使激光的角度在满足上述关系式的范围内发生变化，可进行在射入波长转换元件的激光的整个区域的波长范围的转换。即，通过满足上式的关系，利用适合于激光光源所输出的激光的波长转换，可以使波长转换光实现宽带域化。
而且，在上述结构中，较为理想的是，当将所述两个反射面之间的距离设为D，将该两个反射面的焦距设为f1及f2，将所述波长转换元件的长度设为L时，满足f1+f2＜D＜f1+f2+L的关系。
通过将反射面之间的距离D设定成满足上述关系式，既接近两个反射面的共焦配置，且光束通路的往返次数变多，激光通过波长转换元件的通过次数也增大，由此可提高从激光向波长转换光转换的合计转换效率。
而且，在上述结构中，较为理想的是，射入所述反射面之间的所述激光的光束直径在该两个反射面中有效直径较小的反射面的有效直径的1/5以下。
根据上述的结构，由于射入反射面之间的激光的光束直径充分小于有效直径更小的反射面的有效直径(1/5以下)，因此，可缓和在反射面之间的激光的重叠，并可增大在反射面之间的激光的往返次数。通过这样的重叠的缓和及往返次数的增加，本波长转换激光装置即使紧凑也可兼顾高输出与高转换效率。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述波长转换元件具有周期状的极化反转结构，并且在与所述极化反转结构的极化反转周期垂直的方向上具有温度梯度。
根据上述的结构，通过使激光相对于波长转换元件的极化反转周期的入射角度变化，可进行宽带域的波长转换。在此，由于波长转换元件在与极化反转结构的极化反转周期垂直的方向上具有温度梯度，因此，除了所述入射角度的变化之外，还由于该温度梯度，使通过波长转换元件的激光的相位匹配条件发生变化。由于该波长转换元件的温度梯度，即使当入射角度相同时，相位匹配条件也会发生变化，从而进行波长转换的激光的中心波长发生变化。这样，可实现非常宽的波长带域的转换。另外，通过将波长转换元件的温度梯度设在与极化反转周期垂直的方向，可抑制激光的各通路内的波长转换元件的温度变化，从而避免波长转换效率的下降。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述反射面采用光学部件，所述光学部件与于所述波长转换元件接合，使光学部件与波长转换元件成为一体。
根据上述的结构，通过将作为反射面的光学部件与波长转换元件接合，反射面与波长转换元件之间的位置关系的偏差消失，并且也无需其调整工序，从而可提高装置的可靠性及削减制造工序数。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述激光光源包含振荡波长不同的多个激光光源，所述波长转换元件产生包含从所述多个激光光源射出的各激光的第二谐波以及所述多束激光之间的和频或差频的波长转换光。
根据上述的结构，具有振荡波长不同的多个激光光源，并同时产生从所述多个激光光源射出的各激光的第二谐波及和频或差频。这样，通过利用振荡波长不同的多束激光，可同时输出纵向模式不同的多模的波长转换光。而且，由于纵向多模的波长转换光的干涉噪声小，因此可广泛用在影像或照明领域中。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述波长转换元件至少包括第1非线性光学晶体和第2非线性光学晶体，所述第1非线性光学晶体在多条光路中将所述激光转换成第1波长转换光，所述第2非线性光学晶体在多条光路中将所述第1波长转换光转换成第2波长转换光。
根据上述的结构，波长转换元件至少包括第1非线性光学晶体和第2非线性光学晶体，激光一边改变通过第1非线性光学晶体的角度，一边在多条光路中被转换成第1波长转换光。而且，第1波长转换光一边改变通过第2非线性光学晶体的角度，一边在多条光路中被转换成第2波长转换光。因此，利用第1波长转换光产生第2波长转换光，却能提高转换效率，扩大获得第2波长转换光的相位匹配条件的范围。由此，能够以高转换效率稳定地获得作为高次转换波的第2波长转换光。另外，由于不采用共振器结构，因此易于对光学部件进行调整，并可实现装置的低成本化及小型化。另外，由于采用使用第1非线性光学晶体和第2非线性光学晶体这样的不同晶体的结构，因此，针对第1波长转换光的产生和第2波长转换光的产生，可分别选择对各种波长转换光的光吸收小且转换效率高的晶体。这样，可防止波长转换元件的发热，同时可提高转换效率。
而且，在上述结构中，较为理想的是，与所述激光初次通过波长转换元件在光路所产生的波长转换光的功率相比，在其后通过该波长转换元件的光路所产生的波长转换光的功率更大。
根据上述的结构，将激光初次通过波长转换元件的光路所产生的波长转换光的功率，抑制得低于在其后的光路所产生的波长转换光的功率。在初次通过波长转换元件的光路中，由于激光的功率最高，因此，容易产生光吸收造成的波长转换元件的损伤或热透镜等，但通过抑制初次光路中的波长转换光的产生，可防止上述的损伤或热透镜的产生。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述激光光源射出具有0.1msec以上的脉冲宽度的脉冲状激光，所述激光在脉冲内的功率为末期的功率大于初期的功率。
根据上述的结构，当激光光源射出具有0.1msec以上的脉冲宽度的脉冲状激光时，有可能会因波长转换元件的温度变化而在脉冲内产生功率波动。但是，像上述结构这样，通过对脉冲内的功率进行调制，使得末期的功率大于初期的功率，可减少脉冲内的功率波动，使脉冲内波长转换光的输出保持恒定。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述聚光光学***使所述激光相对于所述主光线轴向波长转换元件的厚度方向倾斜地射入所述反射面之间，以使所述激光通过所述波长转换元件的角度在两个轴上发生变化，并反复地通过该波长转换元件。
根据上述的结构，通过使角度在两个轴方向上发生变化，可增加通过波长转换元件的光路的体积，并可分散因光吸收而在波长转换元件内产生的发热。这样，通过使发热部分散，可防止转换效率的减少。另外，由于波长转换元件内的激光的光束束腰位置也在两个轴上分散，因此可避免光束束腰位置的集中。这样，可获得消除了波长转换元件的光损伤或波长转换的不稳定性的高输出的波长转换光。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述波长转换元件的端面呈凸型形状，该端面起到激光的聚光面及所述反射面的作用。
根据上述的结构，由于通过使波长转换元件的端面呈凸型形状，并将该端面作为激光的聚光面及所述反射面，无需在波长转换元件的外部配置反射面或聚光面之类的光学部件，所以可削减部件而使结构变得紧凑，并可削减调整工序。
而且，在上述结构中，较为理想的是，所述激光光源包括射出多束激光的多个激光光源，在所述反射面形成有让所述多束激光分别通过的多个入射部，所述多束激光分别从不同的入射部射入所述反射面之间。
根据上述的结构，通过不增加波长转换元件而增加激光光源，可增加波长转换光的输出，并可实现波长转换激光装置的高输出化和小型化。另外，由于具有分别让多束激光通过的多个入射部，因此，不需要用来将多束激光进行合波的光学***，从而可实现低成本化和小型化。另外，本波长转换激光装置通过使激光射向波长转换元件的入射角度发生变化，而具有宽广的相位匹配条件的范围，因此，也可同时对分别从不同的入射部射入波长转换元件的多束激光进行波长转换。另外，本波长转换激光装置也可利用波长转换元件内的激光的重叠，进行利用和频或差频等多束激光的波长转换，从而也可获得多模的波长转换光。而且，在高输出的情况下，虽然有可能会损伤激光射向波长转换元件的入射部，但像上述结构这样，通过将多束激光的入射部设成不同的部位，可防止波长转换元件的损伤，从而可获得可靠性高的高输出波长转换激光装置。
而且，本发明所提供的图像显示装置包括：上述各结构的波长转换激光装置；使从所述波长转换激光装置射出的多束波长转换光叠加的光学***；以及对所述光学***所叠加的波长转换光进行调制的调制元件。
由于上述各结构的波长转换激光装置可实现高转换效率和稳定的高输出的出射光束，并且可输出散斑噪声得以降低的低干涉性的波长转换光，因此，可适合用在图像显示装置中。通过由光学***将从该波长转换激光装置射出的多束波长转换光叠加，并由调制元件对该光学***所叠加的波长转换光进行调制，可进行最佳的图像显示。
本发明不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内能进行适当变更。当然，也可将本发明的各实施方式进行组合而加以使用。
产业上的利用可能性
本发明的波长转换激光装置可用于显示装置、照明装置、及加工用、医疗用的激光装置等。尤其适合于需要低干涉性的波长转换激光的图像显示装置等的用途。

Claims (31)

1.一种波长转换激光装置，其特征在于包括：
激光光源，射出基波激光；
两个反射面，反射所述基波激光；
波长转换元件，设置在所述两个反射面之间，将所述基波激光转换成波长转换光；以及
聚光光学***，使从所述激光光源射出的所述基波激光聚光并射入所述反射面之间，其中，
所述两个反射面的至少其中之一具有曲率，让所述基波激光的光路变化以使该基波激光一边改变射向所述波长转换元件的入射角一边多次往返于所述反射面之间，并将所述基波激光聚光在所述反射面之间，
所述聚光光学***被配置成使多次往返于所述反射面之间的所述基波激光的光束束腰位置分散在所述波长转换元件内。
2.根据权利要求1所述的波长转换激光装置，其特征在于：
在所述两个反射面的其中之一上形成让所述基波激光通过的入射部，
通过所述聚光光学***而被聚光的基波激光从所述入射部射入所述反射面之间。
3.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：所述两个反射面的至少其中之一让所述波长转换光透过而射出该波长转换光。
4.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：所述聚光光学***聚光所述基波激光，以便在所述基波激光初次被所述反射面反射之前该基波激光的光束束腰形成在所述波长转换元件内。
5.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：
在所述波长转换元件内，至少分散存在三个所述光束束腰位置，
当将所述波长转换元件内形成的光束束腰从初次形成的光束束腰起依次设为i、ii、iii，将该i、ii、iii的光束束腰半径设为r_i、r_ii、r_iii时，它们满足以下关系：
r_i＞r_ii＞r_iii。
6.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：所述波长转换元件具有周期状的极化反转结构，其中，
当将连接所述两个反射面的彼此中心的光轴设为主光线轴时，所述极化反转结构相对于所述主光线轴倾斜。
7.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：
所述激光光源射出脉冲状基波激光，
所述波长转换元件具有周期状的极化反转结构，
当将所述基波激光的脉冲宽度设为T，将所述波长转换元件的元件长度设为L，将所述极化反转结构的极化反转周期设为Λ，将所述基波激光的波长设为λ，光速设为c时，所述基波激光的脉冲宽度被设定成满足以下关系：
(L·λ)/(0.3·Λ·c)＜T。
8.根据权利要求7所述的波长转换激光装置，其特征在于：所述基波激光通过所述波长转换元件在最初的光路所产生的波长转换光的输出，低于所述基波激光通过该波长转换元件在所有的光路所产生的波长转换光的合计输出的2/3。
9.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：当将连接所述两个反射面的彼此中心的光轴设为主光线轴时，所述聚光光学***使所述基波激光相对于所述主光线轴倾斜地射入所述反射面之间。
10.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：所述波长转换元件在其厚度方向上具有形成有周期状的极化反转结构的极化反转形成部和未形成有所述极化反转结构的非形成部，其中，
所述极化反转形成部被设在所述波长转换元件在厚度方向上的至少中央部。
11.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：所述聚光光学***的在所述波长转换元件的厚度方向的透镜光学能力比在所述波长转换元件的宽度方向的透镜光学能力小。
12.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：所述两个反射面的至少其中之一，采用在所述波长转换元件的厚度方向和宽度方向曲率不同的变形反射镜。
13.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：所述基波激光的相干长度不足所述反射面之间的距离的两倍。
14.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：所述激光光源为射出基波激光的谱半峰全宽为0.5nm以上的纵向多模的激光光源。
15.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：所述激光光源为具有宽带光纤布拉格光栅FBG，并通过该宽带FBG进行波长锁定的光纤激光装置。
16.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：所述激光光源为具有波长可调种光发生器的光纤放大器激光装置。
17.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于还包括：
波长转换元件保持器，支撑所述波长转换元件；以及
散热器，设置在所述波长转换元件保持器上进行散热。
18.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于还包括：
吸收所述基波激光的覆盖部件，其中，
所述覆盖部件，覆盖除了让所述基波激光射入所述反射面之间的部位和让所述波长转换光从该反射面之间射出的部位以外的所述两个反射面及反射面之间。
19.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于还包括：
聚光部，使从所述反射面之间射出的线状的所述波长转换光聚光；以及
内部反射型积分器，让通过所述聚光部而被聚光的所述波长转换光射入，并将所述波长转换光的强度及频率进行平均后射出。
20.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：所述波长转换元件具有周期状的极化反转结构，其中，
当将所述基波激光相对于所述基波激光通过所述波长转换元件时的极化反转周期的最大角度设为θ，将该基波激光的中心波长设为λ，将该基波激光的谱半峰全宽设为Δλ时，它们满足以下关系：
cosθ≤λ/(λ+Δλ/2)。
21.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：当将所述两个反射面之间的距离设为D，将所述两个反射面的焦距设为f1及f2，将所述波长转换元件的长度设为L时，它们满足以下关系：
f1+f2＜D＜f1+f2+L。
22.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：射入所述反射面之间的所述基波激光的光束直径在所述两个反射面中有效直径较小的反射面的有效直径的1/5以下。
23.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：所述波长转换元件具有周期状的极化反转结构，并且在与所述极化反转结构的极化反转周期垂直的方向具有温度梯度。
24.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：
所述反射面采用光学部件，
所述光学部件与所述波长转换元件接合，使光学部件与波长转换元件成为一体。
25.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：
所述激光光源包含振荡波长不同的多个激光光源，
所述波长转换元件产生包含从所述多个激光光源射出的各基波激光的第二谐波以及多束所述基波激光之间的和频或差频的波长转换光。
26.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：
所述波长转换元件至少包括第1非线性光学晶体和第2非线性光学晶体，
所述第1非线性光学晶体将所述基波激光在多条光路转换成第1波长转换光，
所述第2非线性光学晶体将所述第1波长转换光在多条光路转换成第2波长转换光。
27.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：与所述基波激光初次通过波长转换元件在光路所产生的波长转换光的功率相比，在其后通过该波长转换元件在光路所产生的波长转换光的功率更大。
28.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：
所述激光光源射出具有0.1msec以上的脉冲宽度的脉冲状基波激光，
所述基波激光在脉冲内的功率为末期的功率比初期的功率大。
29.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：所述波长转换元件的端面呈凸型形状，该端面起到基波激光的聚光面及所述反射面的作用。
30.根据权利要求1或2所述的波长转换激光装置，其特征在于：
所述激光光源包括射出多束基波激光的多个激光光源，
在所述反射面形成有使所述多束基波激光分别通过的多个入射部，
所述多束基波激光分别从不同的入射部射入所述反射面之间。
31.一种图像显示装置，其特征在于包括：
如权利要求1至30中任一项所述的波长转换激光装置；
使从所述波长转换激光装置射出的多束波长转换光叠加的光学***；以及
对由所述光学***叠加的波长转换光进行调制的调制元件。
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