JP2008310308A - レーザ波長変換装置、分極反転構造の形成方法及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光のビーム径を拡大するとともに、結晶破壊を起こさずに高出力波長変換を行う。
【解決手段】レーザ波長変換装置は、基本波となるレーザ光を入射し、レーザ光の一部を入射した基本波と異なる波長を有するレーザ光に変換するレーザ波長変換素子１を備え、レーザ波長変換素子１は、周期的に分極反転部１６が形成されている非線形光学結晶を含み、分極反転部１６には、入射したレーザ光を異なる波長のレーザ光に変換する波長変換効率が均一となる領域が非線形光学結晶の分極方向に広がるように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、非線形光学単結晶基板の分極構造を周期的に反転させたレーザ波長変換素子を備えたレーザ波長変換装置及び分極反転構造の形成方法に関するものである。また、本発明は、上記のレーザ波長変換装置を備える画像表示装置に関するものである。

単分極した強誘電体結晶に分極方向と逆方向の電界を印加すると、電界を印加した部分の分極方向が反転する。特許文献１に記載されるように、周期電極を用いて電界を印加した場合、分極が反転している領域と、そのままの領域を交互に形成し、周期的な分極反転構造を形成することができる。

このように周期的な分極反転構造を形成した強誘電体結晶は、分極反転周期方向に基本波となるレーザ光が入射されると、入射された基本波と異なる波長のレーザ光に変換することができるため、擬似位相整合（ＱＰＭ）波長変換素子として、広くレーザ光の波長変換に用いられている。

更に、近年では、レーザディスプレイ用やレーザ加工用として、数Ｗを超える高出力レーザ波長変換技術の開発が求められている。

しかし、波長変換素子内において、レーザ光の光強度が大きすぎると結晶破壊や劣化が起こりやすい。波長変換に用いるレーザ光のビーム径を拡大し、光強度の増加を抑制することで、結晶破壊や劣化の軽減は可能であるが、周期的な分極反転構造を均一に形成することが可能である結晶の分極方向の幅には限界があり、これが課題となっていた。

図１５は、従来のレーザ波長変換素子における周期的な分極反転構造の形成過程について説明するための図であり、図１６は、周期的な分極反転構造を形成した従来のレーザ波長変換素子を示す図であり、図１７は、従来のレーザ波長変換素子における分極方向の位置と波長変換効率との関係を示す図である。

図１５に示すとおり、分極反転領域は強誘電体結晶３１１の＋Ｚ側表面３１２から始まり、−Ｚ側に広がると同時に横方向（Ｘ方向）にも拡大する。よって、＋Ｚ側表面３１２に形成した周期電極３１３と、−Ｚ側表面３１４に形成した対向電極３１５とによって周期的な分極反転構造を形成する場合、周期電極３１３下部に楔形状の分極反転部３１６が形成され始める。そして更に電界を印加すると分極反転部３１６は拡大し、図１６のように分極反転部３１６の先端部３１７が−Ｚ側表面３１４付近まで拡大する。

図１６に示すように、周期的な分極反転構造を形成した強誘電体結晶３１１の分極反転周期方向に、光源３１８より出射した基本波となるレーザ光３１９を入射し、その一部が入射した基本波と異なる波長のレーザ光３２０に変換される。この場合、波長変換効率σは、基本波のビームパスにおける分極反転部３１６と非分極反転部３２１との割合に依存し、その割合が１：１と等しい場合に波長変換効率σが最大となる。詳細には、分極反転部３１６が全体に対して占める割合をＤ（デューティ比［％］）とすると、波長変換効率σは、下記の（１）式の関係となる。

σ∝ｓｉｎ^２（Ｄ／１００）・・・（１）
更に、分極反転構造は、図１６に示すように楔形、すなわち、Ｚ座標を横軸、デューティ比を縦軸としたグラフが単調増加または単調減少となる形となるため、デューティ比は結晶の＋Ｚ側表面３１２から−Ｚ側表面３１４に向けて１００％から０％に減少する。そのため、結晶の厚みを１ｍｍとすると、波長変換効率は、図１７に示すように結晶のＺ軸方向の中央部分で最大となり、中央部分からＺ軸方向に±２５０μｍ程度離れた位置では、半分程度に低下してしまう。

ただし、ここで例としたレーザ波長変換素子は周期長７μｍのレーザ波長変換素子であり、分極反転部がＺ軸方向に成長する速度と横方向に成長する速度の比は同程度であるため、更に短周期のレーザ波長変換素子においては、波長変換効率の半値幅は周期に比例して短くなる。

また、１ｍｍを超える厚みの結晶を用いた場合においても、分極反転構造の楔形形状、すなわち、Ｚ座標を横軸、デューティ比を縦軸としたグラフの傾きは変化しない。

これらの理由により、ビーム径が数百μｍ以上となる太い基本波レーザ光を波長変換しても、高効率で波長変換される領域が限られるため、波長変換により生成されるレーザのＺ軸方向のビーム径は限られてしまう。
特開２００４−２４６３３２号公報

高出力レーザの波長変換を行う場合、入射したレーザ光や波長変換により生成されたレーザ光の光強度が増大し、結晶破壊や劣化が起こりやすい。波長変換に用いるレーザ光のビーム径を拡大し、光強度の増加を抑制することで、結晶破壊や劣化の軽減は可能であるが、周期的な分極反転構造を均一に形成することが可能であるＺ軸方向の幅には限界があるため、この幅を超えるビーム径の拡大ができない。

また、レーザ波長変換素子を用いて赤外光を波長変換し、緑色光を得る場合、生成した緑色光と赤外光とが掛け合わされることによって紫外光が生成される。そして、紫外光と緑色光とが掛け合わされることによって緑色光が吸収され、結晶破壊が起こる。この現象において、一般的に緑色光強度は入射光強度の二乗に比例し、紫外光強度は三乗に比例するため、ビーム径の拡大による赤外光強度低下が高出力化に不可欠となる。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、レーザ光のビーム径を拡大することができ、結晶破壊を起こさずに高出力波長変換を行うことができるレーザ波長変換装置、分極反転構造の形成方法及び画像表示装置を提供することを目的とするものである。

本発明の一局面に係るレーザ波長変換装置は、基本波となるレーザ光を入射し、前記レーザ光の一部を前記基本波と異なる波長を有するレーザ光に変換するレーザ波長変換素子を備え、前記レーザ波長変換素子は、周期的に分極反転部が形成されている非線形光学結晶を含み、前記分極反転部には、入射したレーザ光を異なる波長のレーザ光に変換する波長変換効率が均一となる領域が前記非線形光学結晶の分極方向に広がるように形成されている。

この構成によれば、入射したレーザ光を異なる波長のレーザ光に変換する波長変換効率が均一となる領域が非線形光学結晶の分極方向に広がるように分極反転部が形成されるので、入射光及び生成光のビーム径を拡大することができ、結晶破壊を起こさずに高出力波長変換を行うことができる。特に、赤外光を波長変換して緑色光を得る場合、紫外光の発生を防ぎ、緑色光の吸収を軽減することが可能となるため、波長変換の高効率化を実現することができる。

また、上記のレーザ波長変換装置において、前記分極反転部は、前記波長変換効率が最大になる位置を、前記非線形光学結晶内を通過する入射光のビーム経路に対して前記非線形光学結晶の分極方向に分布させることが好ましい。

この構成によれば、入射したレーザ光を異なる波長のレーザ光に変換する波長変換効率が最大になる位置が、非線形光学結晶内を通過する入射光のビーム経路に対して非線形光学結晶の分極方向に分布される。したがって、波長変換効率が均一な領域を分極方向に拡大させることができる。

また、上記のレーザ波長変換装置において、前記分極反転部は、前記レーザ光の光軸方向において前記分極反転部が前記非線形光学結晶の全体に対して占める割合を表すデューティ比が略５０％となる位置を、前記非線形光学結晶内を通過する入射光のビーム経路に対して前記非線形光学結晶の分極方向に分布させることが好ましい。

この構成によれば、レーザ光の光軸方向において分極反転部が非線形光学結晶の全体に対して占める割合を表すデューティ比が略５０％となる位置が、非線形光学結晶内を通過する入射光のビーム経路に対して非線形光学結晶の分極方向に分布される。したがって、波長変換効率が均一な領域を分極方向に拡大させることができる。

また、上記のレーザ波長変換装置において、前記レーザ波長変換素子の前記デューティ比は、前記非線形光学結晶の分極方向に対して垂直な任意の平面内において、一定でないことが好ましい。

この構成によれば、非線形光学結晶の分極方向に対して垂直な任意の平面内において、レーザ波長変換素子のデューティ比が一定でないので、分極反転部によって波長変換される波長変換効率のピーク位置をずらすことができ、ピーク位置をずらした波長変換効率を足し合わせることにより、波長変換効率が均一な領域を分極方向に拡大させることができる。

また、上記のレーザ波長変換装置において、前記レーザ波長変換素子は、分極方向に対して垂直な任意の平面内において、前記デューティ比が一定となる複数のレーザ波長変換素子を含み、前記複数のレーザ波長変換素子は、レーザ光の光軸方向に並べられ、基本波レーザ光が通過するビーム経路における前記デューティ比がそれぞれ異なることが好ましい。

この構成によれば、分極方向に対して垂直な任意の平面内において、複数のレーザ波長変換素子のデューティ比が一定となる。そして、複数のレーザ波長変換素子は、レーザ光の光軸方向に並べられ、基本波レーザ光が通過するビーム経路におけるデューティ比がそれぞれ異なる。

したがって、デューティ比がそれぞれ異なる複数のレーザ波長変換素子がレーザ光の光軸方向に並べられるので、分極反転部によって波長変換される波長変換効率のピーク位置をずらすことができ、ピーク位置をずらした波長変換効率を足し合わせることにより、波長変換効率が均一な領域を分極方向に拡大させることができる。

また、上記のレーザ波長変換装置において、前記レーザ波長変換素子は、分極方向に対して垂直な任意の平面内において、前記デューティ比が一定でない少なくとも２つのレーザ波長変換素子を含み、前記少なくとも２つのレーザ波長変換素子は、分極方向に積み重ねられていることが好ましい。

この構成によれば、分極方向に対して垂直な任意の平面内において、少なくとも２つのレーザ波長変換素子のデューティ比が一定でない。そして、少なくとも２つのレーザ波長変換素子は、分極方向に積み重ねられている。したがって、分極方向にレーザ波長変換素子を積み重ねることにより、レーザ波長変換素子が１つの場合に比べて、さらにレーザ光のビーム径を拡大させることができる。

また、上記のレーザ波長変換装置において、前記レーザ波長変換素子は、パルス発振したレーザ光が入射されることが好ましい。この構成によれば、パルス発振したレーザ光を用いることで、波長変換効率を高めることができる。

また、上記のレーザ波長変換装置において、前記非線形光学結晶は、ＭｇドープのＬｉＴａ_{（１−ｘ）}Ｎｂ_ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）を含むことが好ましい。この構成によれば、非線形光学結晶として、ＭｇドープのＬｉＴａ_{（１−ｘ）}Ｎｂ_ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）を用いることができる。

また、上記のレーザ波長変換装置において、前記レーザ波長変換素子は、基本波として赤外レーザ光を入射し、赤外レーザ光の略２倍の波長を有する緑色レーザ光を生成することが好ましい。

この構成によれば、赤外レーザ光から緑色レーザ光が生成されるので、レーザ波長変換素子をレーザプロジェクタやレーザ液晶ディスプレイ等に用いることができる。

また、上記のレーザ波長変換装置において、前記レーザ波長変換素子に入射する基本波レーザ光のビーム径は、２００μｍ以上であることが好ましい。

この構成によれば、レーザ波長変換素子に入射する基本波レーザ光のビーム径を２００μｍ以上にすることで、レーザプロジェクタ用として必要となる緑色レーザ光の生成や、レーザ液晶ディスプレイ用として必要となる緑色レーザ光の生成や、レーザ加工用として必要となる緑色レーザ光の生成が可能となる。

また、上記のレーザ波長変換装置において、前記レーザ波長変換素子に入射する基本波レーザ光は、横マルチモードのビームであることが好ましい。この構成によれば、レーザ波長変換素子に入射する基本波レーザ光として、横マルチモードのビームを用いることができる。

また、上記のレーザ波長変換装置において、前記デューティ比が略５０％となる位置を分極方向に平均した平均位置から、前記分極反転部が形成され始める第１の面に向かって５０μｍ以上ずれた位置において、前記デューティ比が略５０％となる領域が全体の２０％以上であり、前記平均位置から、前記第１の面に対向する第２の面に向かって５０μｍ以上ずれた位置において、前記デューティ比が略５０％となる領域が全体の２０％以上であることが好ましい。

この構成によれば、デューティ比が略５０％となる位置を分極方向に平均した平均位置から、分極反転部が形成され始める第１の面に向かって５０μｍ以上ずれた位置において、デューティ比が略５０％となる領域が全体の２０％以上である。また、デューティ比が略５０％となる位置を分極方向に平均した平均位置から、第１の面に対向する第２の面に向かって５０μｍ以上ずれた位置において、デューティ比が略５０％となる領域が全体の２０％以上である。したがって、レーザ波長変換素子を通過するレーザ光の分極方向の波長変換効率を均一にすることができる。

また、上記のレーザ波長変換装置において、前記レーザ波長変換素子内を通過する基本波レーザ光のビーム経路上において、前記デューティ比の平均値に対して５％以上デューティ比が低い分極反転部と５％以上デューティ比が高い分極反転部とが、素子長全体の分極反転部のそれぞれ２０％以上であることが好ましい。

この構成によれば、レーザ波長変換素子内を通過する基本波レーザ光のビーム経路上において、デューティ比の平均値に対して５％以上デューティ比が低い分極反転部と５％以上デューティ比が高い分極反転部とが、素子長全体の分極反転部のそれぞれ２０％以上である。したがって、レーザ波長変換素子を通過するレーザ光の分極方向の波長変換効率を均一にすることができる。

また、上記のレーザ波長変換装置において、前記レーザ波長変換素子内を通過する基本波レーザ光のビーム経路が、前記デューティ比が略５０％となる分極方向の平均値ライン付近となるように、基本波レーザ光を前記レーザ波長変換素子に入射させることが好ましい。

この構成によれば、レーザ波長変換素子内を通過する基本波レーザ光のビーム経路が、デューティ比が略５０％となる分極方向の平均値ライン付近となるように、基本波レーザ光がレーザ波長変換素子に入射する。したがって、ビーム断面内の波長変換効率の平均値及び均一性を共に最も高くすることができる。

また、上記のレーザ波長変換装置において、前記レーザ波長変換素子の入射側に設けられた、少なくとも基本波レーザ光を反射させる第１の反射膜と、前記レーザ波長変換素子の出射側に設けられた、少なくとも基本波レーザ光を反射させる第２の反射膜とをさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、レーザ波長変換素子の入射側に設けられた第１の反射膜と、レーザ波長変換素子の出射側に設けられた第２の反射膜とでレーザ光を共振させることで、高効率の波長変換が可能となり、上記のレーザ波長変換素子を用いることにより、入射光及び生成光のビーム径を拡大することができ、結晶破壊を起こさずに高出力波長変換を行うことができる。

また、上記のレーザ波長変換装置において、前記レーザ波長変換素子に入射する基本波レーザ光の入射角は、ブリュースター角となることが好ましい。この構成によれば、ブリュースター角で基本波レーザ光をレーザ波長変換素子に入射させるので、レーザ波長変換装置内の基本波レーザ光の損失を軽減し、高効率化を実現することができる。

本発明の他の局面に係る分極反転構造の形成方法は、単一分極の非線形光学結晶の一方の面に複数の電極を周期的に形成するとともに、他方の面に平面電極を形成する電極形成ステップと、前記複数の電極と前記平面電極との間に電界を印加することで、前記複数の電極のそれぞれの直下に分極反転構造を形成する分極反転構造形成ステップとを含み、前記分極反転構造形成ステップは、前記複数の電極と前記平面電極との間に印加する電界の強度、印加時間及び印加中の結晶温度のうちの少なくとも１つを独立に制御する。

この構成によれば、単一分極の非線形光学結晶の一方の面に複数の電極が周期的に形成されるとともに、他方の面に平面電極が形成される。そして、複数の電極と平面電極との間に電界を印加することで、複数の電極のそれぞれの直下に分極反転構造が形成される。また、複数の電極と平面電極との間に印加する電界の強度、印加時間及び印加中の結晶温度のうちの少なくとも１つが独立に制御される。

したがって、複数の電極と平面電極との間に印加する電界の強度、印加時間及び印加中の結晶温度のうちの少なくとも１つが独立に制御されるので、長さが異なる分極反転部を形成することができ、入射したレーザ光を異なる波長のレーザ光に変換する波長変換効率が最大となる位置を、非線形光学結晶内を通過する入射光のビーム経路に対してレーザ波長変換素子の分極方向に分布させることができる。

本発明の他の局面に係る画像表示装置は、スクリーンと、レーザ光源と、前記レーザ光源を用いて前記スクリーン上に画像を形成する光学系とを備え、前記レーザ光源は、基本波レーザ光を出射する基本波レーザ光源と、前記基本波レーザ光源から出射した前記基本波レーザ光の一部を前記基本波レーザ光と異なる波長を有するレーザ光に変換する上記に記載のレーザ波長変換装置とを備える。

この構成によれば、入射したレーザ光を異なる波長のレーザ光に変換する波長変換効率が均一となる領域が非線形光学結晶の分極方向に広がるように分極反転部が形成されるので、入射光及び生成光のビーム径を拡大することができ、結晶破壊を起こさずに高出力波長変換を行うことができる画像表示装置を提供することができる。

本発明の他の局面に係る画像表示装置は、液晶表示パネルと、レーザ光源を含み、前記液晶表示パネルを背面側から照明するバックライト照明装置とを備え、前記レーザ光源は、基本波レーザ光を出射する基本波レーザ光源と、前記基本波レーザ光源から出射した前記基本波レーザ光の一部を前記基本波レーザ光と異なる波長を有するレーザ光に変換する上記に記載のレーザ波長変換装置とを備える。

この構成によれば、入射したレーザ光を異なる波長のレーザ光に変換する波長変換効率が均一となる領域が非線形光学結晶の分極方向に広がるように分極反転部が形成されるので、入射光及び生成光のビーム径を拡大することができ、結晶破壊を起こさずに高出力波長変換を行うことができる画像表示装置を提供することができる。

本発明によれば、入射したレーザ光を異なる波長のレーザ光に変換する波長変換効率が均一となる領域が非線形光学結晶の分極方向に広がるように分極反転部が形成されるので、入射光及び生成光のビーム径を拡大することができ、結晶破壊を起こさずに高出力波長変換を行うことができる。特に、赤外光を波長変換して緑色光を得る場合、紫外光の発生を防ぎ、緑色光の吸収を軽減することが可能となるため、波長変換の高効率化を実現することができる。

以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

従来は、波長変換効率が最大となるように、基本波レーザ光のビーム中心（光軸）が、デューティ比がほぼ５０％となる領域のみを通過する図１６に示すような構成で波長変換が行われていた。なお、デューティ比とは、光軸方向において、レーザ波長変換素子内に形成された分極反転部が全体に対して占める割合を表す。

しかし、波長変換効率は入射する基本波レーザ光の出力に対しても比例する。数Ｗを超えるレーザ波長変換が必要とされるレーザディスプレイやレーザ加工用途に対しては、入射する基本波レーザ光の出力も大きいため、デューティ比が５０％となる位置をそろえて、高効率化を図る構成の必要性は低下する。

このため、デューティ比が５０％となる位置を入射光のビームパスに対して分布を持たせる構成にすることで、高出力波長変換時の光強度増加による結晶破壊や劣化を防ぐ方法による効果は大きくなる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。本実施形態では、従来技術（特許文献１）に記載されるように、強誘電体結晶の＋Ｚ側表面１２に形成された周期電極２２と−Ｚ側表面１４に形成された対向電極１５とを介して、単分極した強誘電体基板に電界を印加し、周期的な分極反転構造を形成する。ただし、図１に示すように周期電極２２は、第１の周期電極２２ａと第２の周期電極２２ｂとに分離され、それぞれに印加する電界の強さ又は印加時間が独立に制御される。これにより、第１の周期電極２２ａの下部と第２の周期電極２２ｂの下部とに形成される分極反転部１６の深さを独立に調整することが可能となる。

なお、本明細書では、図１に示すＺ軸方向、すなわち、光軸に垂直であり、分極反転部が形成される方向を分極方向とし、Ｘ軸方向を光軸方向としている。

図１に示すレーザ波長変換装置は、基本波となるレーザ光２４を入射し、レーザ光２４の一部を入射した基本波と異なる波長を有するレーザ光２５に変換するレーザ波長変換素子１を備える。レーザ波長変換素子１は、周期的に分極反転部（以下、「分極反転領域」とも言う）１６が形成されている非線形光学結晶で構成される。分極反転部１６には、入射したレーザ光２４を異なる波長のレーザ光２５に変換する波長変換効率が均一となる領域が非線形光学結晶の分極方向に広がるように形成されている。第１の周期電極２２ａと第２の周期電極２２ｂとは、レーザ波長変換素子内を通過するレーザ光の光軸方向に沿って交互に配置されている。

不図示のパルスジェネレータによって、周期電極２２と対向電極１５との間に、制御された電圧が印加されることにより、電極間の強誘電体に分極反転領域が形成される。なお、制御された電圧とは、所定の電圧レベルあるいは持続時間を有する、パルス電圧または直流電圧である。

実施形態１では、パルスジェネレータと第１の周期電極２２ａとの間に第１のスイッチが設けられ、パルスジェネレータと第２の周期電極２２ｂとの間に第２のスイッチが設けられている。そして、第１のスイッチをオンするとともに、第２のスイッチをオフした後、パルスジェネレータによって電圧が印加されると、第１の周期電極２２ａの下部にのみ分極反転部１６が形成される。一方、第１のスイッチをオフするとともに、第２のスイッチをオンした後、パルスジェネレータによって電圧が印加されると、第２の周期電極２２ｂの下部にのみ分極反転部１６が形成される。

図１に示すとおり、本実施形態では、第１の周期電極２２ａの下部の分極反転領域は先端が−Ｚ側表面１４まで到達しており、＋Ｚ側表面１２付近のデューティ比は、ほぼ１００％になっている。一方、第２の周期電極２２ｂの下部の分極反転領域は先端が基板の厚み方向に半分程度の位置までしか到達しておらず、＋Ｚ側表面１２付近のデューティ比は、ほぼ５０％になっている。レーザ波長変換素子１に形成される複数の分極反転部１６は、それぞれ楔形形状であり、それぞれの先端部分が分極方向にずれて形成されている。

このため、第１の周期電極２２ａ及び第２の周期電極２２ｂのそれぞれの下部に形成される周期的な分極反転部によって波長変換される効率は図２に示すようにピーク位置が異なる。図２は、実施形態１のレーザ波長変換素子の＋Ｚ側表面からの距離と波長変換効率との関係を示す図である。図２において、四角点は、第１の周期電極２２ａの下部に形成される分極反転部による波長変換効率を表し、三角点は、第２の周期電極２２ｂの下部に形成される分極反転部による波長変換効率を表し、実線は、本実施形態１におけるレーザ波長変換素子の波長変換効率を表している。

本実施形態のレーザ波長変換素子は、第１の周期電極２２ａの下部に形成される分極反転部による波長変換効率と、第２の周期電極２２ｂの下部に形成される分極反転部による波長変換効率とを足し合わせることにより、図２に示すように波長変換効率が均一となる領域が広くなる。

すなわち、第２の周期電極２２ｂの下部に形成される分極反転部による波長変換効率は、＋Ｚ側表面１２からの距離が０ｍｍの場合に最大となり、＋Ｚ側表面１２から離れるに従って低下し、＋Ｚ側表面１２からの距離が０．５ｍｍの場合に０となっている。一方、第１の周期電極２２ａの下部に形成される分極反転部による波長変換効率は、＋Ｚ側表面１２からの距離が０ｍｍの場合に０となり、＋Ｚ側表面１２から離れるに従って増加し、＋Ｚ側表面１２からの距離が０．５ｍｍの場合に最大となり、さらに＋Ｚ側表面１２から離れるに従って低下し、＋Ｚ側表面１２からの距離が１．０ｍｍの場合に０となっている。

そして、第１の周期電極２２ａの下部に形成される分極反転部１６による波長変換効率と、第２の周期電極２２ｂの下部に形成される分極反転部１６による波長変換効率とが足し合わされ、実施形態１に係るレーザ波長変換素子１の波長変換効率は、＋Ｚ側表面１２からの距離が０ｍｍから０．５ｍｍになるまで最大となる。

このように、分極反転部１６は、入射したレーザ光を異なる波長のレーザ光に変換する波長変換効率が最大になる位置を、非線形光学結晶内を通過する入射光のビーム経路に対して非線形光学結晶の分極方向に分布させる。すなわち、分極反転部１６は、レーザ光の光軸方向において分極反転部１６が非線形光学結晶の全体に対して占める割合を表すデューティ比が５０％となる位置を、非線形光学結晶内を通過する入射光のビーム経路に対して非線形光学結晶の分極方向に分布させる。なお、デューティ比は必ずしも５０％である必要はなく、多少の誤差、例えば±３％の誤差は許容範囲内である。

また、レーザ波長変換素子１は、非線形光学結晶内の分極方向に対して垂直な任意の平面内において、デューティ比が一定でない。

このため、レーザ波長変換素子１は、基本波レーザ光源２３から基本波レーザ光２４が入射した場合、素子内におけるビーム径が数百μｍ程度となる基本波レーザ光２４を、基本波レーザ光２４と異なる波長のレーザ光２５に変換することが可能となる。これにより、高出力波長変換時に光強度の増加による結晶の劣化や破壊が軽減される。

また、図３に示すように、第１の周期電極２２ａ及び第２の周期電極２２ｂを複数本ずつ交互に設置した場合についても、上記と同様の効果が得られるレーザ波長変換素子を作製することが可能となる。

図３は、実施形態１の第１の変形例に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。図３に示すように、実施形態１の第１の変形例に係るレーザ波長変換装置は、レーザ波長変換素子１ａを備える。レーザ波長変換素子１ａには、＋Ｚ側表面１２に周期電極２２が形成されるとともに、−Ｚ側表面１４に対向電極１５が形成されている。周期電極２２は、第１の周期電極２２ａ及び第２の周期電極２２ｂで構成され、２つの第１の周期電極２２ａと、２つの第２の周期電極２２ｂとが、レーザ波長変換素子１ａに入射するレーザ光２４の光軸方向に沿って交互に配置されている。

不図示のパルスジェネレータによって、周期電極２２と対向電極１５との間に、制御された電圧が印加されることにより、電極間の強誘電体に分極反転領域が形成される。なお、制御された電圧とは、所定の電圧レベルあるいは持続時間を有する、パルス電圧または直流電圧である。

実施形態１の第１の変形例では、パルスジェネレータと第１の周期電極２２ａとの間に第１のスイッチが設けられ、パルスジェネレータと第２の周期電極２２ｂとの間に第２のスイッチが設けられている。そして、第１のスイッチをオンするとともに、第２のスイッチをオフした後、パルスジェネレータによって電圧が印加されると、第１の周期電極２２ａの下部にのみ分極反転部１６が形成される。一方、第１のスイッチをオフするとともに、第２のスイッチをオンした後、パルスジェネレータによって電圧が印加されると、第２の周期電極２２ｂの下部にのみ分極反転部１６が形成される。

更に、図４に示すように、第１の対向電極２６ａ及び第２の対向電極２６ｂのように、対向電極２６を複数に分離して、印加する電界の強度又は電界を印加する時間を独立に制御した場合についても、上記と同様の効果が得られるレーザ波長変換素子を作製することが可能となる。

図４は、実施形態１の第２の変形例に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。図４に示すように、実施形態１の第２の変形例に係るレーザ波長変換装置は、レーザ波長変換素子１ｂを備える。レーザ波長変換素子１ｂには、＋Ｚ側表面１２に周期電極２２が形成されるとともに、−Ｚ側表面１４に対向電極２６が形成されている。対向電極２６は、第１の対向電極２６ａ及び第２の対向電極２６ｂで構成され、第１の対向電極２６ａと、第２の対向電極２６ｂとが、レーザ波長変換素子１ｂに入射するレーザ光２４の光軸方向に沿って交互に配置されている。

不図示のパルスジェネレータによって、周期電極２２と対向電極２６との間に、制御された電圧が印加されることにより、電極間の強誘電体に分極反転領域が形成される。なお、制御された電圧とは、所定の電圧レベルあるいは持続時間を有する、パルス電圧または直流電圧である。

実施形態１の第２の変形例では、パルスジェネレータと第１の対向電極２６ａとの間に第１のスイッチが設けられ、パルスジェネレータと第２の対向電極２６ｂとの間に第２のスイッチが設けられている。そして、第１のスイッチをオンするとともに、第２のスイッチをオフした後、パルスジェネレータによって電圧が印加されると、第１の対向電極２６ａの上部にのみ分極反転部１６が形成される。一方、第１のスイッチをオフするとともに、第２のスイッチをオンした後、パルスジェネレータによって電圧が印加されると、第２の対向電極２６ｂの上部にのみ分極反転部１６が形成される。

更に、図５に示すように、従来どおりの周期電極及び対向電極を使用し、電界印加中の温度を第１の領域２７ａとその他の第２の領域２７ｂとで変えた場合においても、上記と同様の効果が得られるレーザ波長変換素子を作製することが可能となる。

図５は、実施形態１の第３の変形例に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。図５に示すように、実施形態１の第３の変形例に係るレーザ波長変換装置は、レーザ波長変換素子１ｃを備える。レーザ波長変換素子１ｃには、＋Ｚ側表面１２に周期電極２２が形成されるとともに、−Ｚ側表面１４に対向電極１５が形成されている。レーザ波長変換素子１ｃは、レーザ波長変換素子１ｃに入射するレーザ光２４の光軸方向に沿って、第１の温度に保たれる第１の領域２７ａと、第１の温度とは異なる第２の温度に保たれる第２の領域２７ｂとに分割される。第１の領域２７ａと第２の領域２７ｂとは交互に配置され、各領域の＋Ｚ側表面１２には、それぞれ２つの周期電極２２が形成されている。

不図示のパルスジェネレータによって、周期電極２２と対向電極１５との間に、制御された電圧が印加されることにより、電極間の強誘電体に分極反転領域が形成される。なお、制御された電圧とは、所定の電圧レベルあるいは持続時間を有する、パルス電圧または直流電圧である。

実施形態１の第３の変形例では、第１の領域２７ａと第２の領域２７ｂとがそれぞれ異なる温度に保たれ、パルスジェネレータによって電圧が印加されると、第１の領域２７ａと第２の領域２７ｂとで異なる長さの分極反転部１６が形成される。

なお、本実施形態１の第３の変形例では、第１の領域２７ａと第２の領域２７ｂとに同時に電界を印加しているが、本発明は特にこれに限定されない。レーザ波長変換素子１ｃ全体を第１の温度に保ち、第１の領域２７ａの周期電極２２のみに電界を印加し、その後、レーザ波長変換素子１ｃ全体を第２の温度に保ち、第２の領域２７ｂの周期電極２２のみに電界を印加してもよい。

更に、図６に示す第１の周期電極２８ａ及び第２の周期電極２８ｂの様に、対向電極との距離が異なる電極を周期的に形成することで、それぞれの下部に形成される分極反転部分のＺ方向の位置をずらした場合においても、第１の周期電極２８ａ及び第２の周期電極２８ｂの下部において、図２に示すような波長変換効率の分布を示す。

図６は、実施形態１の第４の変形例に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。図６に示すように、実施形態１の第４の変形例に係るレーザ波長変換装置は、レーザ波長変換素子１ｄを備える。レーザ波長変換素子１ｄの＋Ｚ側表面１２には、レーザ波長変換素子１ｄに入射するレーザ光２４の光軸方向に沿って凹凸が周期的に形成されており、凹部に第１の周期電極２８ａが形成され、凸部に第２の周期電極２８ｂが形成され、−Ｚ側表面１４に対向電極１５が形成されている。

第１の周期電極２８ａの下部に形成される分極反転部１６ａの先端は、対向電極１５に到達している。第２の周期電極２８ｂの下部に形成される分極反転部１６ｂの長さは、分極反転部１６ａの長さと同じである。しかしながら、第２の周期電極２８ｂが、＋Ｚ側表面１２の凸部に形成されているため、分極反転部１６ｂの先端は対向電極１５に到達していない。

不図示のパルスジェネレータによって、第１の周期電極２８ａ及び第２の周期電極２８ｂと対向電極１５との間に、制御された電圧が印加されることにより、電極間の強誘電体に分極反転領域が形成される。なお、制御された電圧とは、所定の電圧レベルあるいは持続時間を有する、パルス電圧または直流電圧である。

実施形態１の第４の変形例では、パルスジェネレータによって第１の周期電極２８ａ及び第２の周期電極２８ｂに同時に電圧が印加されると、第１の周期電極２８ａ及び第２の周期電極２８ｂの下部に分極反転部１６ａ及び分極反転部１６ｂがそれぞれ形成される。そして、第１の周期電極２８ａの下部に形成される分極反転部１６ａの先端が対向電極１５に到達した時点で電圧の印加を終了する。

このようにして分極反転構造が形成されたレーザ波長変換素子を用いて、レーザ光の波長変換が行われる。すなわち、基本波レーザ光源２３から出射した基本波レーザ光２４は、分極反転部１６ａの上部及び分極反転部１６ｂの下部をそれぞれ通過し、基本波レーザ光２４とは波長の異なるレーザ光２５が生成される。

上記の説明では、従来技術に記載されるように、周期電極を用いた周期的な分極反転構造の形成方法に基づいて、本発明の実施形態１に係るレーザ波長変換素子とその作製方法を示した。しかしながら、単分極した強誘電体に電界を印加し、周期的分極反転構造を形成する他の形成方法に対しても、同様に応用可能であることは言うまでもない。また、今後更に深く、更に細い分極反転構造形成技術が確立された場合においても、本実施形態１の分極反転構造の形成方法を用いることにより波長変換効率が均一な領域をＺ方向に拡大することが可能となる。

また、図２では、２種類の周期電極を用いて、それぞれの下部に形成される分極反転部のデューティ比が５０％となるＺ座標の位置を５００μｍずらした場合の、Ｚ座標に対する波長変換効率の分布を示したが、周期電極を３種類以上としてもよく、デューティ比が５０％となるＺ座標の位置をずらす幅を５００μｍ以上、または、５００μｍ以下としてもよい。

周期電極を３種類以上とし、デューティ比が５０％となるＺ座標の位置をずらす幅を縮小するほど波長変換効率が増大し、反対にデューティ比が５０％となるＺ座標の位置をずらす幅を拡大するほど波長変換効率が均一となる領域が拡大し、高出力波長変換が可能となる。このため、波長変換するレーザ光の出力に応じて、デューティ比が５０％となるＺ座標の位置をずらす幅やその割合を調節することが望ましい。

波長変換のため入射する基本波レーザ光のビーム径を１００μｍから２００μｍ、３００μｍ又は４００μｍ程度に拡大することで、生成可能な緑色レーザ光の最大出力は４倍、９倍又は１６倍になる。従来、２Ｗ（ワット）を少し超えるあたりで、起きていた結晶破壊を防ぎ、レーザプロジェクタ用として必要となる８Ｗの緑色レーザ光の生成や、レーザ液晶ディスプレイ用として必要となる１８Ｗ程度の緑色レーザ光の生成や、レーザ加工用として必要となる３０Ｗ程度の緑色レーザ光の生成が可能となる。

このため、２００μｍ以上、３００μｍ以上及び４００μｍ以上の領域における波長変換効率を同程度とすることが望ましく、デューティ比が５０％となる位置がＺ方向に分布する幅は、それぞれ１００μｍ以上、１５０μｍ以上及び２００μｍ以上となることが望ましい。更に、それぞれの場合、デューティ比が５０％となる位置のＺ座標の平均値から、５０μｍ、７５μｍ又は１００μｍ以上＋Ｚ方向にずれた位置で、デューティ比が５０％となる領域が全体の２０％以上であり、同時に同程度−Ｚ方向にずれた位置で、デューティ比が５０％となる領域が全体の２０％以上となることが望ましい。

このように、デューティ比が略５０％となる位置を分極方向に平均した平均位置から、分極反転部が形成され始める第１の面に向かって５０μｍ以上ずれた位置において、デューティ比が略５０％となる領域が全体の２０％以上である。また、デューティ比が略５０％となる位置を分極方向に平均した平均位置から、第１の面に対向する第２の面に向かって５０μｍ以上ずれた位置において、デューティ比が略５０％となる領域が全体の２０％以上である。したがって、レーザ波長変換素子を通過するレーザ光の分極方向の波長変換効率を均一にすることができる。

また、これらの条件は、分極反転領域が楔形形状であることを考えると、ビームパスの中心線（光軸）上において、デューティ比が１０％以上、１５％以上又は２０％以上ばらついていて、更に、その中心線上の平均デューティ比に対して５％以上、７．５％以上又は１０％以上デューティ比が低い領域と高い領域とがそれぞれ、素子長全体の２０％以上を占めることに相当する。

次に、作製したレーザ波長変換素子のデューティ比が所望のばらつきを有しているか否かを評価する方法について説明する。図７は、分極反転構造を評価する方法について説明するための図である。

デューティ比が所望のばらつきとなるレーザ波長変換素子であるかどうかを評価する方法としては、Ｚ方向に垂直でビームパスを含む平面でレーザ波長変換素子を切断し、その平面を光学研磨して、エッチングする方法がある。エッチングにはフッ酸を用いて、常温で１時間程度エッチングする。このように、エッチングされた平面上において、図７に示すように、分極反転部１０１〜１１０と非分極反転部１１６とのエッチングレートの違いから、分極反転部１０１〜１１０と非分極反転部１１６との境界が認識できるようになる。これにより、ビームパス部分全長におけるデューティ比が５０％となる位置を計測することが可能となる。

図７では、説明のために、エッチングされた平面上にＺ方向に垂直な垂線１１１〜１１５を記載する。また、垂線１１１，１１２，１１３，１１４，１１５はそれぞれの間隔を１００μｍとする。図７からわかるように、分極反転領域１０１，１０８は垂線１１１付近でデューティ比が５０％となっている。同様に、分極反転領域１０２，１０５は垂線１１５付近でデューティ比が５０％となっている。同様に、分極反転領域１０３，１０９は垂線１１２付近でデューティ比が５０％となっている。同様に、分極反転領域１０４，１１０は垂線１１４付近でデューティ比が５０％となっている。同様に、分極反転領域１０６，１０７は垂線１１３付近でデューティ比が５０％となっている。

これらから、デューティ比が５０％となる位置のＺ座標の平均値ラインは垂線１１３に相当し、分極反転領域１０１，１０８は平均値より＋Ｚ方向に約２００μｍずれた位置でデューティ比が５０％となっていることが分かる。図７において、分極反転部１０１〜１１０以外の部分は非分極反転部１１６である。

また、基本波レーザ光のビームパスが、デューティ比が５０％となるＺ座標の平均値ライン付近となるように、基本波レーザ光をレーザ波長変換素子に入射させることが望ましい。これにより、ビーム断面内の波長変換効率の平均値及び均一性を共に最も高くすることができる。

また、本実施形態１において、更に望ましくは、入射する基本波をパルス発振させたレーザ光にすることで、波長変換効率を高めることが可能となる。パルス発振させる場合は、平均出力が同程度のＣＷ発振の場合に比べて、数十倍から数百倍の光強度となるため、より低出力で結晶劣化が発生する。そのため、高出力化の要望は更に高く、本発明の実施形態１による高出力化の与える影響は更に増大する。

パルス発振させる場合は、レーザ波長変換素子内におけるビーム径を更に拡大することが望ましく、６００μｍ以上又は９００μｍ以上の領域における波長変換効率を均一とするため、デューティ比が５０％となる位置がＺ方向に分布する幅は、それぞれ３００μｍ以上又は４５０μｍ以上となることが望ましい。更に、それぞれの場合、デューティ比が５０％となる位置のＺ座標の平均値から１５０μｍ又は２２５μｍ以上＋Ｚ方向にずれた位置で、デューティ比が５０％となる領域が全体の２０％以上であり、同時に同程度−Ｚ方向にずれた位置で、デューティ比が５０％となる領域が全体の２０％以上となることが望ましい。

また、これらの条件は、分極反転領域が楔形状であることを考えると、ビームパスの中心線（光軸）上において、デューティ比が３０％以上又は４５％以上ばらついていて、更に、その中心線上の平均デューティ比に対して１５％以上又は２２．５％以上デューティ比が低い領域と高い領域とがそれぞれ、素子長全体の２０％以上を占めることに相当する。

更に望ましくは、レーザ波長変換素子として、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムを用いることにより、高効率波長変換が可能となる。また、特に、非線形光学結晶（レーザ波長変換素子）は、ＭｇドープのＬｉＴａ_{（１−ｘ）}Ｎｂ_ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）であることが好ましい。

また、本実施形態１のレーザ波長変換素子は、基本波として赤外レーザ光を入射し、赤外レーザ光の略２倍の波長を有する緑色レーザ光を生成する。

また、本実施形態１のレーザ波長変換素子に入射させる基本波となる赤外レーザ光は、光強度がビーム断面全域で均一に近いほど高出力化が可能であり、フラットビームであることが最も望ましい。

また、レーザ波長変換素子に入射する基本波レーザ光は、横マルチモードのビームであってもよい。

ビーム断面内におけるピーク光強度が、同出力、同ビーム径のガウシアンビームに対して、１０％以上低いレーザ光を基本波光源として用いる場合、高出力化の効果は２０％以上となるため望ましい。

なお、本実施形態１では、分極反転部を形成するための周期電極及び対向電極がレーザ波長変換素子に形成されたままの状態でレーザ光の波長変換を行っているが、本発明は特にこれに限定されず、分極反転部を形成した後、周期電極及び対向電極をレーザ波長変換素子から除去してもよい。

（実施形態２）
図８は、本発明の実施形態２に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。本実施形態２では、図８に示すように、周期電極と対向電極との間に印加する電界強度、温度、及び印加時間を一定として作製したレーザ波長変換素子を少なくとも二つ以上使用し、第１のレーザ波長変換素子２９と第２のレーザ波長変換素子３０とを結晶のＺ方向にずらして設置する。これにより、第１のレーザ波長変換素子２９における基本波レーザ光２４のビームパスの＋Ｚ側表面１２からの距離と波長変換効率との関係は、図２に示す実施形態１における関係と同じになる。

図８に示すように、実施形態２に係るレーザ波長変換装置は、第１のレーザ波長変換素子２９及び第２のレーザ波長変換素子３０を備える。第１のレーザ波長変換素子２９には、＋Ｚ側表面１２に周期電極２２が形成されるとともに、−Ｚ側表面１４に対向電極１５が形成されている。なお、第２のレーザ波長変換素子３０の構成は、第１のレーザ波長変換素子２９の構成と同じである。

周期電極２２の下部に形成される分極反転部１６の先端は、対向電極１５に到達している。不図示のパルスジェネレータによって、周期電極２２と対向電極１５との間に、制御された電圧が印加されることにより、電極間の強誘電体に分極反転領域が形成される。なお、制御された電圧とは、所定の電圧レベルあるいは持続時間を有する、パルス電圧または直流電圧である。

実施形態２では、パルスジェネレータによって周期電極２２に電圧が印加されると、周期電極２２の下部に分極反転部１６が形成される。そして、周期電極２２の下部に形成される分極反転部１６の先端が対向電極１５に到達した時点で電圧の印加を終了する。このようにして、分極方向に延びる楔形状の分極反転部１６を形成することができる。

そして、分極反転部が形成された第１のレーザ波長変換素子２９及び第２のレーザ波長変換素子３０は、分極方向にずらすとともに、光軸方向に並んで配置される。

また、図９に示すように、第１のレーザ波長変換素子３１と第２のレーザ波長変換素子３２との接続部に、屈折率が２つのレーザ波長変換素子３１，３２と異なる領域３３をビームパスに対して、斜めに形成することにより、第１のレーザ波長変換素子３１内を通過するレーザ光と第２のレーザ波長変換素子３２内を通過するレーザ光とのＺ方向の位置をずらした場合においても、上記と同様の効果が得られるレーザ波長変換素子を作製することが可能となる。

図９は、実施形態２の変形例に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。図９に示すように、実施形態２の変形例に係るレーザ波長変換装置は、第１のレーザ波長変換素子３１及び第２のレーザ波長変換素子３２を備える。なお、実施形態２の変形例に係る第１のレーザ波長変換素子３１及び第２のレーザ波長変換素子３２の構成は、図８に示す第１のレーザ波長変換素子２９及び第２のレーザ波長変換素子３０の構成と同じである。

第１のレーザ波長変換素子３１及び第２のレーザ波長変換素子３２は、光軸方向に並んで配置され、第１のレーザ波長変換素子３１と第２のレーザ波長変換素子３２との間には、第１のレーザ波長変換素子３１及び第２のレーザ波長変換素子３２とは屈折率が異なる領域３３が形成されている。第１のレーザ波長変換素子３１に形成された分極反転部の上部を通過したレーザ光は、領域３３において下方向に屈折し、第２のレーザ波長変換素子３２に形成された分極反転部の下部を通過する。

このように、複数のレーザ波長変換素子３１．３２は、分極方向に対して垂直な任意の平面内において、デューティ比が一定となる。そして、複数のレーザ波長変換素子３１，３２は、レーザ光の光軸方向に並べられ、基本波レーザ光が通過するビーム経路におけるデューティ比がそれぞれ異なる。

したがって、デューティ比がそれぞれ異なる複数のレーザ波長変換素子３１，３２がレーザ光の光軸方向に並べられるので、分極反転部によって波長変換される波長変換効率のピーク位置をずらすことができ、ピーク位置をずらした波長変換効率を足し合わせることにより、波長変換効率が均一な領域を分極方向に拡大させることができる。

なお、実施形態１、２の両形態を組み合わせた場合についても同様の効果を有することは言うまでもない。

また、実施形態２では、２つのレーザ波長変換素子を組み合わせているが、本発明は特にこれに限定されず、３つ以上のレーザ波長変換素子を組み合わせてもよい。

（実施形態３）
図１０は、本発明の実施形態３に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。本実施形態３では、同条件にて作製した厚み０．５ｍｍ程度の２つのレーザ波長変換素子３４，３５を図１０のように＋Ｚ側表面１２が互いに反対となるように設置する。

図１０に示すように、実施形態３に係るレーザ波長変換装置は、第１のレーザ波長変換素子３４及び第２のレーザ波長変換素子３５を備える。第１のレーザ波長変換素子３４には、＋Ｚ側表面１２に周期電極２２が形成されるとともに、−Ｚ側表面１４に対向電極１５が形成されている。なお、第２のレーザ波長変換素子３５の構成は、第１のレーザ波長変換素子３４の構成と同じである。

周期電極２２の下部に形成される分極反転部１６の先端は、対向電極１５に到達している。不図示のパルスジェネレータによって、周期電極２２と対向電極１５との間に、制御された電圧が印加されることにより、電極間の強誘電体に分極反転領域が形成される。なお、制御された電圧とは、所定の電圧レベルあるいは持続時間を有する、パルス電圧または直流電圧である。

第１のレーザ波長変換素子３４及び第２のレーザ波長変換素子３５は、光軸方向に並んで配置される。このとき、第１のレーザ波長変換素子３４の＋Ｚ側表面１２と、第２のレーザ波長変換素子３５の−Ｚ側表面１４とは、隣接して配置される。

この場合、基本波レーザ光の入射位置と＋Ｚ側表面１２との距離によらず、波長変換効率は素子内で均一となる。また、実施形態１及び２に比べて、使用する非線形結晶は少量となる。

なお、実施形態３では、２つのレーザ波長変換素子を組み合わせているが、本発明は特にこれに限定されず、３つ以上のレーザ波長変換素子を組み合わせてもよい。

（実施形態４）
図１１は、本発明の実施形態４に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。本実施形態４では、図１１に示すように実施形態１（図１）のレーザ波長変換素子１を２つ使用し、２つのレーザ波長変換素子１の＋Ｚ側表面１２を研磨し、＋Ｚ側表面１２同士が接するように設置する。

図１１に示すように、実施形態４に係るレーザ波長変換装置は、２つのレーザ波長変換素子１を備える。２つのレーザ波長変換素子１は、＋Ｚ側表面１２同士が当接するように、分極方向に積み重ねられている。

これにより、上下に積み重ねたレーザ波長変換素子の波長変換効率が均一となる領域が隣り合うため、波長変換効率が均一となる領域の幅は、Ｚ方向に１ｍｍ程度となり、実施形態１のように１つのレーザ波長変換装置を用いた場合に比べて、レーザ光のビーム径を略２倍にすることができる。基本波レーザ光源３６より生成したビーム径が１ｍｍ程度の基本波レーザ光３７は、２つのレーザ波長変換素子１によって、基本波レーザ光３７とは異なる波長のレーザ光３８に変換される。

このように、少なくとも２つのレーザ波長変換素子１は、分極方向に対して垂直な任意の平面内において、デューティ比が一定でない。そして、少なくとも２つのレーザ波長変換素子１は、分極方向に積み重ねられている。したがって、分極方向にレーザ波長変換素子１を積み重ねることにより、レーザ波長変換素子１が１つの場合に比べて、さらにレーザ光のビーム径を拡大させることができる。

（実施形態５）
本実施形態５では、実施形態１に示すレーザ波長変換素子を用いた共振器型レーザ波長変換装置について示す。図１２は、本発明の実施形態５に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。図１２に示すレーザ波長変換装置は、レーザ波長変換素子１、固体レーザ２０３及び凹面ミラー２０５を備える。

図１２に示すように、本実施形態５では、半導体レーザチップ２０１は、波長８０９ｎｍのレーザ光２０２を生成する。そして、半導体レーザチップ２０１にて生成する波長８０９ｎｍのレーザ光２０２によって、Ｎｄ：ＹＶＯ_４などからなる固体レーザ２０３を励起させて、波長１０６４ｎｍのレーザ光２１０を発生させる。固体レーザ２０３の入射面２０４には、波長１０６４ｎｍの光を反射させるＨＲコート（第１の反射膜）２１１が施され、凹面ミラー２０５の内側の面２０６には、波長１０６４ｎｍの光を反射させるＨＲコート（第２の反射膜）２１２が施され、ＨＲコート２１１，２１２によってレーザ光を共振させる。

更に、凹面ミラー２０５と固体レーザ２０３との間には、実施形態１に示すレーザ波長変換素子１が設置され、レーザ波長変換素子１によって波長５３２ｎｍのレーザ光２０８が得られる。このとき、固体レーザ２０３の出射面２０９とレーザ波長変換素子１のレーザ光が入出射する両端面とには、波長１０６４ｎｍの光を反射させないＡＲコートが施されている。また、固体レーザ２０３の出射面２０９には、波長５３２ｎｍの光を反射させるＨＲコートが施されおり、入射面２０４には、波長８０９ｎｍの光を反射させないＡＲコートが施されている。また、凹面ミラー２０５のレーザ光が入出射する両端面には、波長５３２ｎｍの光を反射させないＡＲコートが施されている。

このような、レーザ共振器を用いたレーザ波長変換装置では、高効率波長変換が可能となるが、レーザ波長変換素子１内での光強度が増大しやすく、また、基本波レーザ光源として用いられる固体レーザ２０３内の光強度が増加することにより熱レンズなどの問題が発生する。そのため、レーザ波長変換素子１や固体レーザ２０３内のビーム径拡大への要望は更に高く、本実施の形態におけるレーザ波長変換素子１がレーザ波長変換装置の高出力化に与える影響は更に大きい。

また、ブリュースター角で基本波レーザ光をレーザ波長変換素子１に入射させてもよい。この場合、レーザ波長変換素子１の両端面に施す波長１０６４ｎｍの光を反射させないＡＲコートを不要とする。この構成により、レーザ共振器内の基本波レーザ光の損失を軽減し、高効率化が可能となるが、レーザ波長変換素子１内のＺ方向のビーム径は更に約２倍に拡大される。したがって、本実施の形態におけるレーザ波長変換素子１による波長変換領域の拡大への要望が最も高い。

また、赤外光を緑色光に波長変換する場合、波長変換に用いる赤外レーザ光のビーム径が従来の１５０μｍ程度から３００μｍ、４５０μｍ又は６００μｍ程度に拡大されることで、生成可能な緑色レーザ光の最大出力は４倍、９倍又は１６倍になる。従来、２Ｗを少し超えるあたりで、起きていた結晶破壊を防ぎ、レーザプロジェクタ用として必要となる８Ｗの緑色レーザ光の生成や、レーザ液晶ディスプレイ用として必要となる１８Ｗ程度の緑色レーザ光の生成や、レーザ加工用として必要となる３０Ｗ程度の緑色レーザ光の生成が可能となる。

このため、３００μｍ、４５０μｍ及び６００μｍ以上の領域における波長変換効率を同程度とすることが望ましく、デューティ比が５０％となる位置がＺ方向に分布する幅は、それぞれ１５０μｍ以上、２２５μｍ以上及び３００μｍ以上となることが望ましい。更に、それぞれの場合、デューティ比が５０％となる位置のＺ座標の平均値から、７５μｍ、１１２．５μｍ又は１５０μｍ以上＋Ｚ方向にずれた位置で、デューティ比が５０％となる領域が全体の２０％以上であり、同時に同程度−Ｚ方向にずれた位置で、デューティ比が５０％となる領域が全体の２０％以上となることが望ましい。

（実施形態６）
図１３は、実施の形態１〜５で示したレーザ波長変換装置を適用した実施の形態６に係る画像表示装置の模式的な構成の一例を示す図である。光源には赤、緑及び青の３色のレーザ光源４１ａ，４１ｂ，４１ｃを用いている。赤色レーザ光源４１ａには波長６４０ｎｍの光ビームを出射するＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ装置が用いられる。青色レーザ光源４１ｃには波長４５０ｎｍの光ビームを出射するＧａＮ系材料からなる半導体レーザ装置が用いられる。また、緑色レーザ光源４１ｂは、基本波レーザ光としての赤外レーザ光を出射する基本波レーザ光源４１１と、赤外レーザ光の波長を１／２にするレーザ波長変換装置４１２とを備え、波長５３０ｎｍの光ビームを出射する。なお、レーザ波長変換装置４１２は、上記の実施の形態１〜５で示したレーザ波長変換装置を用いて構成される。

図１３に示すように、本実施の形態６の画像表示装置４０は、複数のレーザ光源４１ａ，４１ｂ，４１ｃと、レーザ光源４１ａ，４１ｂ，４１ｃから出射された光ビームを走査する反射型２次元ビーム走査部４２ａ，４２ｂ，４２ｃとを備えている。レーザ光源４１ａ，４１ｂ，４１ｃは、少なくとも赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれ出射する。

次に、本実施の形態６の画像表示装置４０のレーザ光源を用いて画像を形成する光学系の構成について説明する。画像表示装置４０の赤、緑及び青の各レーザ光源４１ａ，４１ｂ，４１ｃから出射されたレーザビームは、集光レンズ４９ａ，４９ｂ，４９ｃにより集光された後、反射型２次元ビーム走査部４２ａ，４２ｂ，４２ｃにより拡散板４３ａ，４３ｂ，４３ｃ上に走査される。

拡散板４３ａ，４３ｂ，４３ｃによって拡散されたレーザビームは、フィールドレンズ４４ａ，４４ｂ，４４ｃによって絞られ、空間変調素子４５ａ，４５ｂ，４５ｃに入射する。画像データは赤、緑及び青それぞれのデータに分割されており、各データは空間変調素子４５ａ，４５ｂ，４５ｃに入力される。空間変調素子４５ａ，４５ｂ，４５ｃによって変調されたレーザビームは、ダイクロイックプリズム４６で合波され、カラー画像が形成される。このように合波したカラー画像は、投射レンズ４７によりスクリーン４８に投影される。ただし、緑色レーザ光源４１ｂから空間光変調素子４５ｂに入射する光路中には、空間変調素子４５ｂでの緑色光のスポットサイズを赤色光や青色光と同じにするための凹レンズ４９が挿入されている。

このように、本実施の形態６の画像表示装置４０において、レーザ光源部に本発明の実施の形態１〜５で示したレーザ波長変換装置を用いることにより、入射光及び生成光のビーム径を拡大することができ、結晶破壊を起こさずに高出力波長変換を行うことができる。

（実施形態７）
図１４は、実施の形態１〜５で示したレーザ波長変換装置を含むバックライト照明装置を適用した実施の形態７に係る画像表示装置の模式的な構成の一例を示す図である。図１４は、このような画像表示装置の一例として液晶表示装置５０の模式的な構成図を示している。

図１４に示すように液晶表示装置５０は、液晶表示パネル５６と、液晶表示パネル５６を背面側から照明するバックライト照明装置５１とを備えて構成されている。そして、バックライト照明装置５１は、複数のレーザ光源５２を含んで構成され、複数のレーザ光源５２は少なくとも赤色、緑色及び青色をそれぞれ出射する光源を備える。すなわち、複数のレーザ光源５２は、赤色のレーザ光を出射する赤色レーザ光源５２ａ、緑色のレーザ光を出射する緑色レーザ光源５２ｂ及び青色のレーザ光を出射する青色レーザ光源５２ｃで構成される。

赤色レーザ光源５２ａには波長６４０ｎｍの赤色光を出射するＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ装置が用いられ、青色レーザ光源５２ｃには波長４５０ｎｍの青色光を出射するＧａＮ系材料からなる半導体レーザ装置が用いられる。また、緑色レーザ光源５２ｂは、基本波レーザ光としての赤外レーザ光を出射する基本波レーザ光源５２１と、赤外レーザ光の波長を１／２にするレーザ波長変換装置５２２とを備え、波長５３０ｎｍの光ビームを出射する。なお、レーザ波長変換装置５２２は、上記の実施の形態１〜５で示したレーザ波長変換装置を用いて構成される。

次に、本実施の形態７の液晶表示装置５０の構成についてさらに説明する。液晶表示パネル５６は、バックライト照明装置５１から出射される赤色光、緑色光及び青色光の各レーザ光を利用して画像表示を行う偏光板５７と、液晶板５８とで構成される。図１４に示す本実施の形態７のバックライト照明装置５１は、複数のレーザ光源５２と、複数のレーザ光源５２からの赤色光、緑色光及び青色光のレーザ光をまとめて導光部５４を介して導光板５５に導く光ファイバ５３と、導光部５４から導入した赤色光、緑色光及び青色光で均一に満たされた主面（図示せず）からレーザ光を出射する導光板５５とから構成されている。

このように、本実施の形態７の液晶表示装置５０において、バックライト照明装置５１のレーザ光源部に本発明の実施の形態１〜５で示したレーザ波長変換装置を用いることにより、入射光及び生成光のビーム径を拡大することができ、結晶破壊を起こさずに高出力波長変換を行うことができる。

本発明に係るレーザ波長変換装置、分極反転構造の形成方法及び画像表示装置は、レーザ光のビーム径を拡大することができ、結晶破壊を起こさずに高出力波長変換を行うことができ、非線形光学単結晶基板の分極構造を周期的に反転させたレーザ波長変換素子を備えたレーザ波長変換装置及び分極反転構造の形成方法として有用である。特に、レーザ波長変換装置は、例えば、赤外光を基本波とし、緑色光を得る場合、コンパクトで高出力な緑色レーザ光源として、液晶テレビのバックライト、プロジェクションテレビ及びプロジェクタなどに有用である。

本発明の実施形態１に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。 実施形態１のレーザ波長変換素子の＋Ｚ側表面からの距離と波長変換効率との関係を示す図である。 実施形態１の第１の変形例に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。 実施形態１の第２の変形例に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。 実施形態１の第３の変形例に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。 実施形態１の第４の変形例に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。 分極反転構造を評価する方法について説明するための図である。 本発明の実施形態２に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。 実施形態２の変形例に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態３に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態４に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態５に係るレーザ波長変換装置の構成を示す図である。 実施の形態１〜５で示したレーザ波長変換装置を適用した実施の形態６に係る画像表示装置の模式的な構成の一例を示す図である。 実施の形態１〜５で示したレーザ波長変換装置を含むバックライト照明装置を適用した実施の形態７に係る画像表示装置の模式的な構成の一例を示す図である。 従来のレーザ波長変換素子における周期的な分極反転構造の形成過程について説明するための図である。 周期的な分極反転構造を形成した従来のレーザ波長変換素子を示す図である。 従来のレーザ波長変換素子における分極方向の位置と波長変換効率との関係を示す図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ、１ｄ レーザ波長変換素子
１２ ＋Ｚ側表面
１４ −Ｚ側表面
１５，２６ 対向電極
１６，１６ａ，１６ｂ 分極反転部
２２ 周期電極
２２ａ，２８ａ 第１の周期電極
２２ｂ，２８ｂ 第２の周期電極
２３，３６ 基本波レーザ光源
２４，３７ 基本波レーザ光
２５，３８ レーザ光
２６ａ 第１の対向電極
２６ｂ 第２の対向電極
２９，３１，３４ 第１のレーザ波長変換素子
３０，３２，３５ 第２のレーザ波長変換素子
２０１ 半導体レーザチップ
２０３ 固体レーザ
２０５ 凹面ミラー
２１１，２１２ ＨＲコート

Claims (19)

1. 基本波となるレーザ光を入射し、前記レーザ光の一部を前記基本波と異なる波長を有するレーザ光に変換するレーザ波長変換素子を備え、
   前記レーザ波長変換素子は、周期的に分極反転部が形成されている非線形光学結晶を含み、
   前記分極反転部には、入射したレーザ光を異なる波長のレーザ光に変換する波長変換効率が均一となる領域が前記非線形光学結晶の分極方向に広がるように形成されていることを特徴とするレーザ波長変換装置。
2. 前記分極反転部は、前記波長変換効率が最大になる位置を、前記非線形光学結晶内を通過する入射光のビーム経路に対して前記非線形光学結晶の分極方向に分布させることを特徴とする請求項１記載のレーザ波長変換装置。
3. 前記分極反転部は、前記レーザ光の光軸方向において前記分極反転部が前記非線形光学結晶の全体に対して占める割合を表すデューティ比が略５０％となる位置を、前記非線形光学結晶内を通過する入射光のビーム経路に対して前記非線形光学結晶の分極方向に分布させることを特徴とする請求項２記載のレーザ波長変換装置。
4. 前記レーザ波長変換素子の前記デューティ比は、前記非線形光学結晶の分極方向に対して垂直な任意の平面内において、一定でないことを特徴とする請求項３記載のレーザ波長変換装置。
5. 前記レーザ波長変換素子は、分極方向に対して垂直な任意の平面内において、前記デューティ比が一定となる複数のレーザ波長変換素子を含み、
   前記複数のレーザ波長変換素子は、レーザ光の光軸方向に並べられ、基本波レーザ光が通過するビーム経路における前記デューティ比がそれぞれ異なることを特徴とする請求項３記載のレーザ波長変換装置。
6. 前記レーザ波長変換素子は、分極方向に対して垂直な任意の平面内において、前記デューティ比が一定でない少なくとも２つのレーザ波長変換素子を含み、
   前記少なくとも２つのレーザ波長変換素子は、分極方向に積み重ねられていることを特徴とする請求項３記載のレーザ波長変換装置。
7. 前記レーザ波長変換素子は、パルス発振したレーザ光が入射されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ波長変換装置。
8. 前記非線形光学結晶は、ＭｇドープのＬｉＴａ_{（１−ｘ）}Ｎｂ_ｘＯ_３（０≦ｘ≦１）を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のレーザ波長変換装置。
9. 前記レーザ波長変換素子は、基本波として赤外レーザ光を入射し、赤外レーザ光の略２倍の波長を有する緑色レーザ光を生成することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のレーザ波長変換装置。
10. 前記レーザ波長変換素子に入射する基本波レーザ光のビーム径は、２００μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のレーザ波長変換装置。
11. 前記レーザ波長変換素子に入射する基本波レーザ光は、横マルチモードのビームであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のレーザ波長変換装置。
12. 前記デューティ比が略５０％となる位置を分極方向に平均した平均位置から、前記分極反転部が形成され始める第１の面に向かって５０μｍ以上ずれた位置において、前記デューティ比が略５０％となる領域が全体の２０％以上であり、
    前記平均位置から、前記第１の面に対向する第２の面に向かって５０μｍ以上ずれた位置において、前記デューティ比が略５０％となる領域が全体の２０％以上であることを特徴とする請求項３記載のレーザ波長変換装置。
13. 前記レーザ波長変換素子内を通過する基本波レーザ光のビーム経路上において、前記デューティ比の平均値に対して５％以上デューティ比が低い分極反転部と５％以上デューティ比が高い分極反転部とが、素子長全体の分極反転部のそれぞれ２０％以上であることを特徴とする請求項３記載のレーザ波長変換装置。
14. 前記レーザ波長変換素子内を通過する基本波レーザ光のビーム経路が、前記デューティ比が略５０％となる分極方向の平均値ライン付近となるように、基本波レーザ光を前記レーザ波長変換素子に入射させることを特徴とする請求項３記載のレーザ波長変換装置。
15. 前記レーザ波長変換素子の入射側に設けられた、少なくとも基本波レーザ光を反射させる第１の反射膜と、
    前記レーザ波長変換素子の出射側に設けられた、少なくとも基本波レーザ光を反射させる第２の反射膜とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のレーザ波長変換装置。
16. 前記レーザ波長変換素子に入射する基本波レーザ光の入射角は、ブリュースター角となることを特徴とする請求項１５記載のレーザ波長変換装置。
17. 単一分極の非線形光学結晶の一方の面に複数の電極を周期的に形成するとともに、他方の面に平面電極を形成する電極形成ステップと、
    前記複数の電極と前記平面電極との間に電界を印加することで、前記複数の電極のそれぞれの直下に分極反転構造を形成する分極反転構造形成ステップとを含み、
    前記分極反転構造形成ステップは、前記複数の電極と前記平面電極との間に印加する電界の強度、印加時間及び印加中の結晶温度のうちの少なくとも１つを独立に制御することを特徴とする分極反転構造の形成方法。
18. スクリーンと、
    レーザ光源と、
    前記レーザ光源を用いて前記スクリーン上に画像を形成する光学系とを備え、
    前記レーザ光源は、
    基本波レーザ光を出射する基本波レーザ光源と、
    前記基本波レーザ光源から出射した前記基本波レーザ光の一部を前記基本波レーザ光と異なる波長を有するレーザ光に変換する請求項１に記載のレーザ波長変換装置とを備えることを特徴とする画像表示装置。
19. 液晶表示パネルと、
    レーザ光源を含み、前記液晶表示パネルを背面側から照明するバックライト照明装置とを備え、
    前記レーザ光源は、
    基本波レーザ光を出射する基本波レーザ光源と、
    前記基本波レーザ光源から出射した前記基本波レーザ光の一部を前記基本波レーザ光と異なる波長を有するレーザ光に変換する請求項１に記載のレーザ波長変換装置とを備えることを特徴とする画像表示装置。

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