JP5654576B2 - 波長変換レーザ光源 - Google Patents

Description

本発明は、波長変換レーザ光源及び画像表示装置に関する。

レーザ光源は、産業用機器や民生用機器に組み込まれる組み込みデバイスとして広く用いられている。レーザ光源として、半導体レーザダイオードや固体レーザ光源が例示される。半導体レーザダイオードや固体レーザ光源による直接発振によっては得られにくい波長のレーザ光を得るための他のレーザ光源として、波長変換レーザ光源が例示される。

波長変換レーザ光源は、典型的には、波長変換素子を備える。波長変換レーザ光源は、波長変換素子に入射された基本波レーザ光（以下、基本波光と称される）を、基本波光の２倍の周波数の光（以下、第２高調波光と称される）を発生するＳｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ素子（ＳＨＧ素子）を用いて、レーザ光の周波数を変換する。代替的に、波長変換レーザ光源は、波長変換素子に入射された２つの周波数の光から２つの周波数の和の周波数の光（和周波）を発生するＳｕｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ素子（ＳＦＧ素子）を用いて、レーザ光の周波数を変換する。ＳＨＧやＳＦＧといった非線形光学効果によるレーザ光の周波数変換の結果、波長が変換されたレーザ光が出力される。

既知の波長変換レーザ光源のうち１つは、１対の反射鏡からなる共振器並びに１対の反射鏡間に配設されたレーザ媒質及び波長変換素子を備える。

図１６は、従来の波長変換レーザ光源の概略図である。図１６を用いて、従来の波長変換レーザ光源が説明される。

従来の波長変換レーザ光源９００は、固体レーザ媒質９１０と、波長変換素子９２０と、凹面レンズ９３０と、誘電体多層膜９４０と、を備える。誘電体多層膜９４０は、基本波光ＦＬに対して高い反射率を有し、第２高調波光ＣＬに対して低い反射率を有する。凹面レンズ９３０は、基本波光ＦＬに対して高い反射率を有し、第２高調波光ＣＬに対して低い反射率を有する誘電体多層膜を含む。非線形光学結晶から形成された波長変換素子９２０の結晶の方位や分極反転構造の周期は、基本波光ＦＬと第２高調波光ＣＬとの位相が一致するように制御される。

凹面レンズ９３０及び誘電体多層膜９４０は、共振器として動作する。共振器内部の基本波光ＦＬは、波長変換素子９２０によって第２高調波光ＣＬへ変換される。共振器内部で発生した第２高調波光ＣＬは、波長変換素子９２０の端面から共振器外部へ出力される。

波長変換レーザ光源の波長変換素子内でのビーム断面積が小さくなると、投入電力から第２高調波への変換効率が増大する。特許文献１や特許文献２は、波長変換素子内にビームウエストを形成し、高い波長変換効率を達成することを提案する。

特許文献１や特許文献２によれば、レーザ媒質の近くに、所定の曲率の曲面を有する反射鏡が配置される。波長変換素子の端面には、基本波光を高い反射率で反射する反射コーティング層が形成される。反射鏡と反射コーティング層は、共振器として動作する。ビームウエストは、波長変換素子の端面に形成される。波長変換素子内での基本波光のビーム断面積が小さくなるので、高い波長変換効率が達成される。

特許文献１に開示される小型且つ低コストの波長変換レーザ光源は、高い変換効率を達成する。また、特許文献２に開示される波長変換レーザ光源は、固体レーザの熱をＳＨＧ素子側に放熱し、安定した出力を得る。しかしながら、これらの従来技術は、共振器の安定化に取り組むものではない。

特開平５−１４５１６０号公報 特開２０００−１８３４３３号公報

本発明は、高い波長変換効率並びに安定した出力が得られる波長変換レーザ光源を提供することを目的とする。

本発明の一の局面に係る波長変換レーザ光源は、基本波光を発生するレーザ媒質と、前記基本波光をレーザ発振させるためのレーザ共振器と、前記レーザ共振器からレーザ発振された前記基本波光を異なる波長の変換光へと変換する波長変換領域を備えた波長変換素子と、前記レーザ媒質を励起するための励起レーザ光源と、を備え、前記レーザ共振器は、前記基本波を反射する少なくとも１つの反射面と、前記波長変換素子の端面に設けられ、前記基本波を反射する第１反射要素と、を含み、前記波長変換領域は、前記少なくとも１つの反射面と前記第１反射要素との間に配置され、前記波長変換素子は、前記波長変換領域に形成された周期状の第１分極反転構造と、前記第１反射要素と前記波長変換領域との間に形成された非変換領域と、を含み、前記非変換領域は、前記基本波光を前記変換光へ変換しないことを特徴とする。

本発明の他の局面に係る画像表示装置は、赤、緑及び青のうち少なくとも１つの色相のレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を変調する空間光変調素子と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記空間変調素子へ導く光学系と、を備え、前記レーザ光源は、上述の波長変換レーザ光源を含むことを特徴とする。

第１実施形態の波長変換レーザ光源の概略図である。 典型的な波長変換レーザ光源から出射される第２高調波光の出力の時間変化を概略的に示すグラフである。 図１に示される波長変換レーザ光源から出射される第２高調波光の出力の時間変化を概略的に示すグラフである。 Δλ_s=０．１［ｎｍ］のときの非変換領域の長さｄ_１とΔφ/π[rad]との間の関係を概略的に示すグラフである。 第２実施形態の波長変換レーザ光源の概略図である。 図４に示される波長変換レーザ光源の波長変換素子の概略的な斜視図である。 第３実施形態の波長変換レーザ光源の概略図である。 第４実施形態の波長変換レーザ光源の概略図である。 第５実施形態の波長変換レーザ光源の概略図である。 第６実施形態の波長変換レーザ光源の概略図である。 非変換領域に２つの異なる材料が同時に用いられたときに得られる基本波光の発振波長のスペクトルを概略的に示すグラフである。 第７実施形態の波長変換レーザ光源の概略図である。 図１１に示される波長変換レーザ光源の固体レーザ媒質中の基本波光のビーム径を示す概略図である。 ブリュースター角を説明する概略図である。 スラブ構造を有する波長変換レーザ光源の概略的な斜視図である。 第８実施形態の画像表示装置として例示される液晶表示装置の概略図である。 従来の波長変換レーザ光源の概略図である。 共振器内の基本波光の大きさを表す概略図である。

以下、一実施形態に従う波長変換レーザ及び画像表示装置が、図面を用いて説明される。図面中、同一、同様の作用或いは同様の動作をなす構成要素には、同様の符号が付されている。冗長な説明を避けるために、必要に応じて、重複する説明は省略される。一連の実施形態の原理の理解を助けるために、図面に示される構成要素は、模式的に示されている。したがって、図面に示される構成要素の形状も模式的であり、以下に説明される実施形態の原理を何ら限定するものではない。

（波長変換レーザ光源が有する課題）
図１６は、上述の如く、従来の波長変換レーザ光源９００の概略図である。図１７は、共振器内の基本波光ＦＬの大きさを表す概略図である。図１６及び図１７を用いて、従来の波長変換レーザ光源９００が説明される。

上述の如く、図１６に示される波長変換レーザ光源９００は、固体レーザ媒質９１０と、波長変換素子９２０と、凹面レンズ９３０と、誘電体多層膜９４０と、を備える。波長変換レーザ光源９００は、励起レーザ光ＰＬを生成する半導体レーザダイオード（以下、励起ＬＤ９５０と称される）と、励起レーザ光ＰＬを集光するための集光レンズ９６０と、を備える。凹面レンズ９３０は、曲率Ｒ１の凹面９３１を含む。固体レーザ媒質９１０は、基本波光ＦＬが出射される出射端面９１１を含む。また、波長変換素子９２０は、第２高調波光ＣＬが出射される出射端面９２１を含む。図１７には、基本波光ＦＬのビーム径は、「Ｄ」の記号を用いて表されている。

波長変換素子９２０には、波長変換素子９２０の全体に亘って、周期状の分極反転構造が形成される。分極反転構造は、基本波光ＦＬと第２高調波光ＣＬとを位相整合させる。

上述の如く、波長変換素子９２０の出射端面９２１には、誘電体多層膜９４０が形成される。誘電体多層膜９４０は、基本波光ＦＬに対して高い反射率を有し、第２高調波光ＣＬに対して低い反射率を有する。凹面レンズ９３０の凹面９３１にも、誘電多層膜が形成される。凹面レンズ９３０の凹面９３１に形成された誘電体多層膜は、基本波光ＦＬに対して高い反射率を有する。この結果、凹面レンズ９３０の凹面９３１及び波長変換素子９２０の出射端面９２１に形成された誘電体多層膜９４０は、基本波光ＦＬに対して、共振器として動作する。

励起ＬＤ９５０から出射された励起レーザ光ＰＬは、集光レンズ９６０によって集光される。集光された励起レーザ光ＰＬは、固体レーザ媒質９１０に入射し、固体レーザ媒質９１０を励起する。励起された固体レーザ媒質９１０は、例えば、波長１０６４ｎｍの光を自然放出する。基本波光ＦＬは、凹面レンズ９３０の凹面９３１と波長変換素子９２０の出射端面９２１に形成された誘電体多層膜９４０とによって形成された共振器内で共振する。この結果、基本波光ＦＬがレーザ発振する。

共振器を構成する反射面の１つとして用いられる誘電体多層膜９４０は、波長変換素子９２０の出射端面９２１に形成される。図１７に示される如く、基本波光ＦＬは、波長変換素子９２０内で集光される。この結果、基本波光ＦＬから第２高調波光ＣＬへの変換効率が増大する。したがって、第２高調波光ＣＬは、共振器外へ効率よく出射する。

本発明者は、波長変換素子９２０の出射端面９２１に形成された誘電体多層膜９４０を含む共振器を用いた基本波光ＦＬから第２高調波光ＣＬへの変換の効率は、経時的に低下することを見出した。本発明者は、基本波光ＦＬから第２高調波光ＣＬへの変換効率の経時的な低下は、波長変換素子９２０の出射端面９２１付近での光電界の集中が引き起こす波長変換素子９２０の屈折率の部分的な変化に起因することを更に見出した。

以下に示される一連の実施形態の原理は、本発明者が新たに見出した従来の波長レーザ光源の課題を適切に改善する。

（第１実施形態）
第１実施形態の波長変換レーザ光源は、波長変換素子の出射端面側に形成された「非変換領域」に主に特徴付けられる。「非変換領域」との用語は、基本波光から第２高調波への波長変換にほとんど寄与しない領域を意味する。

（波長変換レーザ光源の構造）
図１は、第１実施形態の波長変換レーザ光源の概略図である。図１を用いて、波長変換レーザ光源が説明される。

本実施形態の波長変換レーザ光源１００は、励起レーザ光ＰＬを生成する励起レーザ光源１１０と、励起レーザ光ＰＬを集光する集光レンズ１２０と、曲率Ｒ１で形成された凹面１３１を含む凹面レンズ１３０と、励起レーザ光源１１０からの励起レーザ光ＰＬによって励起され、基本波光ＦＬを発生させる固体レーザ媒質１４０と、基本波光ＦＬを、基本波光ＦＬとは異なる波長の変換光に変換する波長変換素子１５０と、を備える。波長変換素子１５０は、基本波光ＦＬを変換光として第２高調波光ＣＬへ変換する波長変換領域１５１と、基本波光ＦＬから変換光への変換に寄与しない非変換領域１５２と、を備える。本実施形態において、固体レーザ媒質１４０は、レーザ媒質として例示される。

図１に示される符号「ＰＬａ」は、励起レーザ光ＰＬの光路を意味する。図１に示される符号「ＦＬａ」及び符号「ＦＬｂ」は、基本波光ＦＬの光路を意味する。図１に示される符号「ＣＬａ」及び符号「ＣＬｂ」は、第２高調波光ＣＬの光路を意味する。

波長変換素子１５０は、図１に示される光の伝搬経路（光路ＦＬａ、ＦＬｂ、ＣＬａ、ＣＬｂ）を横切る端面１５３を含む。波長変換素子１５０の端面１５３は、第２高調波光ＣＬが出射する出射端面１５４と、出射端面１５４とは反対側の入射端面１５５と、を含む。入射端面１５５には、基本波光ＦＬが入射する。本実施形態において、出射端面１５４は、第２出射端面として例示される。

固体レーザ媒質１４０は、図１に示される光の伝搬経路（光路ＰＬａ、ＦＬａ、ＦＬｂ）を横切る端面１４３を含む。固体レーザ媒質１４０の端面１４３は、基本波光ＦＬが出射する出射端面１４４と、励起レーザ光ＰＬが入射する入射端面１４５と、を含む。本実施形態において、出射端面１４４は、第１出射端面として例示される。

励起レーザ光源１１０として、ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザ（Laser Diode）が例示される。本実施形態において、励起レーザ光源１１０は、約８０８ｎｍの波長の励起レーザ光ＰＬを発振する。

固体レーザ媒質１４０として、ネオジウムドープのＹＶＯ_４（以下、Ｎｄ：ＹＶＯ_４と称される）が例示される。本実施形態において、固体レーザ媒質１４０は、約１０６４ｎｍの波長の基本波光ＦＬを発振する。

集光レンズ１２０として、凸レンズが例示される。また、本実施形態において、約２０ｍｍの曲率Ｒ１で形成された凹面１３１を有する平凹レンズが、凹面レンズ１３０として用いられる。

波長変換素子１５０として、非線形光学結晶が用いられてもよい。非線形光学結晶として、マグネシウムドープ二オブ酸リチウム（ＭｇＯ:ＬｉＮｂＯ_３）（以下、ＭｇＬＮと称される）が例示される。

波長変換領域１５１（長さＬ＝０．５ｍｍ）には、周期状の分極反転構造が形成される。波長変換領域１５１に形成された分極反転構造は、Λ（≒7μｍ）の分極反転周期を有する。波長変換領域１５１に形成された分極反転構造は、基本波光ＦＬと第２高調波光ＣＬとを位相整合させる。本実施形態において、波長変換領域１５１に形成された分極反転構造は、第１分極反転構造として例示される。

波長変換領域１５１とは異なり、非変換領域１５２には、周期状の分極反転構造は形成されず、単一分極化される。非変換領域１５２は、ｄ_１の長さ（ｄ_１＝４００μｍ）を有する。

波長変換レーザ光源１００は、波長変換素子１５０の出射端面１５４を覆うように形成された誘電体多層膜１６０を更に備える。誘電体多層膜１６０は、基本波光ＦＬに対して高い反射率を有し、第２高調波光ＣＬに対して低い反射率を有する。

波長変換レーザ光源１００は、固体レーザ媒質１４０の出射端面１４４を覆うように形成された誘電体多層膜１７０を更に備える。誘電体多層膜１７０は、基本波光ＦＬに対して低い反射率を有し、第２高調波光ＣＬに対して高い反射率を有する。

波長変換レーザ光源１００は、凹面レンズ１３０の凹面１３１を覆うように形成された誘電体多層膜１８０を更に備える。誘電体多層膜１８０は、基本波光ＦＬに対して高い反射率を有する。

本実施形態において、凹面レンズ１３０の凹面１３１に形成された誘電体多層膜１８０及び波長変換素子１５０の出射端面１５４に形成された誘電体多層膜１６０は、基本波光ＦＬをレーザ発振させるための共振器として動作する。基本波光ＦＬを反射する誘電体多層膜１８０は、少なくとも１つの反射面として例示される。また、基本波光ＦＬを反射する誘電体多層膜１６０は、第１反射要素及び第１反射膜として例示される。

（波長変換レーザ光源の動作）
図１を用いて、波長変換レーザ光源１００の動作が説明される。

励起レーザ光源１１０から出射された励起レーザ光ＰＬは、集光レンズ１２０によって集光される。その後、励起レーザ光ＰＬは、固体レーザ媒質１４０に入射する。この結果、固体レーザ媒質１４０は励起し、１０６４ｎｍの波長の光を自然放出する。固体レーザ媒質１４０から自然放出した光は、凹面レンズ１３０の凹面１３１に設けられた誘電体多層膜１８０と波長変換素子１５０の出射端面１５４に形成された誘電体多層膜１６０とによって形成された共振器内で共振する。この結果、基本波光ＦＬがレーザ発振する。

凹面レンズ１３０の凹面１３１に設けられた誘電体多層膜１８０と波長変換素子１５０の出射端面１５４に形成された誘電体多層膜１６０とによって共振された基本波光ＦＬは、曲率Ｒ１で湾曲した凹面レンズ１３０の凹面によって集光され、波長変換素子１５０の出射端面１５４近傍でビームウエストを形成する。この結果、波長変換素子１５０内での基本波光ＦＬのビーム径は低減され、基本波光ＦＬから第２高調波光ＣＬへの変換効率が増大する。

凹面レンズ１３０から波長変換素子１５０へ向かう光路ＦＬａに沿って伝搬する基本波光ＦＬは、誘電体多層膜１６０，１８０間に配設された波長変換素子１５０の波長変換領域１５１によって第２高調波光ＣＬに変換された後、光路ＣＬａに沿って、波長変換素子１５０の出射端面１５４から共振器の外へ出射される。一方、波長変換素子１５０から凹面レンズ１３０へ向かう光路ＦＬｂに沿って伝搬する基本波光ＦＬは、波長変換素子１５０によって第２高調波光ＣＬに変換された後、固体レーザ媒質１４０の出射端面１４４に形成された誘電体多層膜１７０によって、波長変換素子１５０に向けて反射される。その後、第２高調波光ＣＬは、波長変換素子１５０を通過し、共振器外へ出射される（図１中、光路ＣＬｂ参照）。

上述の如く、本実施形態の波長変換レーザ光源１００は、波長変換素子１５０の出射端面１５４を形成する非変換領域１５２を備える。誘電体多層膜１６０と波長変換領域１５１との間に配設された非変換領域１５２が形成する出射端面１５４を覆う誘電体多層膜１６０が基本波光ＦＬを反射するので、波長変換領域１５１に形成された周期状の分極反転構造の劣化は生じにくくなる。この結果、基本波光ＦＬから第２高調波光ＣＬへの変換効率は低下しにくくなる。

「周期状の分極反転構造の劣化」との用語は、波長変換素子１５０内での屈折率変化に起因して生ずる周期状の分極反転構造の一部の周期の見かけ上の変化を意味する。周期状の分極反転構造の一部の周期の変化は、設計周期からの乖離を引き起こす。この結果、第２高調波光ＣＬの出力が低下する。

（非変換領域の効果）
図２Ａは、図１６に関連して説明された波長変換レーザ光源９００から出射される第２高調波光ＣＬの出力の時間変化を概略的に示すグラフである。図２Ｂは、図１に関連して説明された波長変換レーザ光源１００から出射される第２高調波光ＣＬの出力の時間変化を概略的に示すグラフである。図１乃至図２Ｂ並びに図１６を用いて、第２高調波光ＣＬの出力の時間変化が説明される。

本発明者は、図１６に示される波長変換レーザ光源９００を連続駆動し、第２高調波光ＣＬの出力を調査した。図２Ａに示される如く、１０時間の連続駆動後に波長変換レーザ光源９００から出射される第２高調波光ＣＬの出力は、連続駆動開始時と比べて約半分になることが分かった。

本発明者は、図１に関連して説明された波長変換レーザ光源１００を同様に連続駆動し、第２高調波光ＣＬの出力を調査した。図２Ｂに示される如く、１０時間の連続駆動の間、波長変換レーザ光源１００から出射される第２高調波光ＣＬの出力は、ほとんど低下しないことが分かった。

図２Ａ及び図２Ｂに示される結果から、波長変換素子１５０の出射端面１５４側に配設された非変換領域１５２は、周期状の分極反転構造の劣化を生じにくくすることが分かる。また、非変換領域１５２は、第２高調波光ＣＬの出力を低下しにくくすることが分かる。

（非変換領域の長さの設定）
本実施形態において、非変換領域１５２の長さｄ_１（伝搬される光の光路に沿う方向の長さ寸法）は、４００μｍに設定されている。代替的に、波長変換素子１５０が基本波光ＦＬを変換光としてΔλ_ｓｎｍの波長幅（半値全幅）の第２高調波光ＣＬに変換するならば、非変換領域１５２の長さｄ_１は、以下の数式１で規定される関係を満足するように設定されてもよい。

［数１］
ｄ_１≦４０μｍ／Δλ_ｓ

数式１で規定される関係が満足されるならば、同様に、周期状の分極反転構造の劣化が生じにくくなり、基本波光ＦＬから第２高調波光ＣＬへの変換効率の低下が生じにくくなる。また、波長変換領域１５１に形成された周期状の分極反転構造がΛ（μｍ）の周期を有するならば、非変換領域１５２の長さｄ_１は、以下の数式２で規定される関係を満足するように設定されてもよい。

［数２］
ｄ_１≧Λ

上述の数式２の関係が満足されるならば、同様に、周期状の分極反転構造の劣化が生じにくくなり、基本波光ＦＬから第２高調波光ＣＬへの変換効率の低下が生じにくくなる。

上述の数式１及び数式２で表される関係が組み合わされた条件（即ち、Λ≦ｄ_１≦４０μｍ／Δλ_ｓ）が満足されるように、非変換領域１５２の長さｄ_１は、設定されてもよい。この結果、非変換領域１５２に起因する共振器内の損失が低減され、共振器内部の基本波光ＦＬが増大する。加えて、基本波光ＦＬから第２高調波光ＣＬへの変換効率が増大する。

上述の非変換領域１５２の長さｄ_１の設定が更に説明される。以下の説明において、第２高調波光ＣＬの中心波長は、λ_sｎｍで表される。また、第２高調波光ＣＬの波長幅（半値全幅）は、Δλ_ｓｎｍで表される。波長変換素子１５０の出射端面１５４における波長「λ_ｓ−Δλ/２」と波長「λ_ｓ＋Δλ/２」の位相差は、Δφ/π[rad]で表される。

図３は、Δλ_s=０．１［ｎｍ］のときの非変換領域１５２の長さｄ_１とΔφ/π[rad]との間の関係を概略的に示すグラフである。図１及び図３を用いて、非変換領域１５２の長さｄ_１とΔφ/π[rad]の関係が説明される。

非変換領域１５２の長さｄ_１が「０」のとき（即ち、波長変換素子１５０の入射端面１５５から出射端面１５４に亘って、波長変換領域１５１が形成されているとき）、波長「λ_ｓ−Δλ/２」から波長「λ_ｓ＋Δλ/２」までの第２高調波光ＣＬの位相が全てそろっている（Δφ/π＝０）。「Δφ/π＝０」の条件下において、波長変換素子１５０の出射端面１５４における電界強度は大きくなるので、波長変換素子１５０の出射端面１５４の近傍において、屈折率の変化が引き起こされる。波長変換素子１５０の出射端面１５４の近傍での屈折率変化は、周期状の分極反転構造の劣化（周期状の分極反転構造の一部の周期の見かけ上の変化）を引き起こす。周期状の分極反転構造の劣化は、基本波光ＦＬから第２高調波光ＣＬへの波長変換効率を低下させるので、第２高調波光ＣＬの出力は低下する。

非変換領域１５２の長さｄ_１が長く設定されると、Δφ/π［ｒａｄ］は増大する。この結果、波長変換素子１５０の出射端面１５４における電界強度が下がる。「ｄ_１≧４０／Δλ_ｓ」に規定される条件が満足されるとき、ΔΦ/πが０．０５［ｒａｄ］以上となるので、波長変換素子１５０の屈折率変化が特に生じにくくなる。かくして、第２高調波光ＣＬの出力の低下が生じにくくなる。

非変換領域１５２の長さｄ_１がΛ（周期状の分極反転構造の周期）よりも長く設定されても、第２高調波光ＣＬの出力低減の抑制のために有効なΔφ/πの値が得られ、波長変換素子１５０の屈折率の変化が緩和される。この結果、第２高調波光ＣＬの出力低減は、同様に、生じにくくなる。尚、非変換領域１５２の長さｄ_１の短縮は、共振器内部の損失の低減に帰結する。このことは、基本波光ＦＬから第２高調波光ＣＬへの変換効率を向上させるので、より高い「電気‐光変換効率」の達成のために、比較的短い非変換領域１５２の長さｄ_１が設定されてもよい。

非変換領域１５２の長さｄ_１の延長は、共振器内部の損失を増大させる。したがって、非変換領域１５２の長さｄ_１は、好ましくは、共振器の損失の増加が０．４％以下となるように設定される。非変換領域１５２の長さｄ_１が、例えば、２０００μｍ以下に設定されるならば、共振器の損失の増加は、０．４％以下となる。上述の検討から、波長変換領域１５１に形成された周期状の分極反転構造の周期Λ及び非変換領域１５２の長さｄ_１は、好ましくは、以下の数式３で示される関係を満足するように設定される。本実施形態において、波長変換領域１５１に形成された周期状の分極反転構造の周期Λは、第１分極反転周期として例示される。

［数３］
Λ≦ｄ_１≦２０００μｍ

本実施形態において、非変換領域１５２の全領域は、単一分極化されるので、基本波光ＦＬは、分極壁（分極が入れ替わる境界面）をまたぐ必要がない。この結果、共振器の損失は低くなる。また、低減された共振器の損失に起因して、基本波光ＦＬの強度が向上するので、高い変換効率が達成される。

特に、非変換領域１５２の長さｄ_１が、「Λ≦ｄ_１＜４０μｍ／Δλ」に規定される関係を満たし、且つ、非変換領域１５２が単一分極化されるならば、波長変換素子１５０の屈折率の変化は、一方向（単調増加又は単調減少）に限定されるので、共振器内部における横モードへの影響が好適に低減される。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の波長変換レーザ光源の概略図である。図４を用いて、第２実施形態の波長変換レーザ光源が説明される。

本実施形態の波長変換レーザ光源１００Ａは、第１実施形態に関連して説明された波長変換レーザ光源１００と同様の励起レーザ光源１１０、集光レンズ１２０、凹面レンズ１３０、固体レーザ媒質１４０及び誘電体多層膜１６０，１７０，１８０に加えて、波長変換素子１５０Ａを備える。波長変換素子１５０Ａは、第１実施形態に関連して説明された波長変換領域１５１に加えて、非変換領域１５２Ａを備える。非変換領域１５２Ａには、基本波光ＦＬから第２高調波光ＣＬへの変換に寄与しない分極反転構造が形成される。

図５は、波長変換素子１５０Ａの概略的な斜視図である。図４及び図５を用いて、波長変換素子１５０Ａが説明される。

波長変換領域１５１には、図５中、Ｙ方向に分極反転させる周期状の分極反転構造が形成される。非変換領域１５２Ａには、波長変換領域１５１の分極反転方向に対して、垂直方向（Ｘ軸方向）に分極反転させる分極反転構造が形成される。「Ｙ方向に分極反転させる分極反転構造の形成」との用語は、分極反転壁がＹ軸方向に沿う面となることを意味する。「Ｘ方向に分極反転させる分極反転構造の形成」との用語は、分極反転壁がＸ軸方向に沿う面となることを意味する。非変換領域１５２Ａに形成される分極反転構造は、周期状でなくともよい。非変換領域１５２Ａに形成される分極反転壁は、Ｙ軸に対して、７５度以上且つ１０５度以下の範囲で傾斜していてもよい。この範囲で傾斜する分極反転壁を有する非変換領域１５２Ａの分極反転構造であっても、波長変換領域１５１の分極反転方向に対して、垂直方向に分極反転させる分極反転構造と同様の効果をもたらす。

（第３実施形態）
図６は、第３実施形態の波長変換レーザ光源の概略図である。図６を用いて、第３実施形態の波長変換レーザ光源が説明される。

本実施形態の波長変換レーザ光源１００Ｂは、第１実施形態に関連して説明された波長変換レーザ光源１００と同様の励起レーザ光源１１０、集光レンズ１２０、凹面レンズ１３０、固体レーザ媒質１４０及び誘電体多層膜１６０，１７０，１８０に加えて、波長変換素子１５０Ｂを備える。波長変換素子１５０Ｂは、第１実施形態に関連して説明された波長変換領域１５１に加えて、非変換領域１５２Ｂを備える。非変換領域１５２Ｂには、波長変換領域１５１と同様に、周期状の分極反転構造が形成される。尚、非変換領域１５２Ｂに形成される分極反転構造の分極反転の方向は、波長変換領域１５１に形成される分極反転構造の分極反転の方向と同じであってもよい。しかしながら、非変換領域１５２Ｂに形成される分極反転構造の周期は、波長変換領域１５１に形成される分極反転構造の周期と異なる。本実施形態において、非変換領域１５２Ｂに形成される分極反転構造は、第２分極反転構造として例示される。

非変換領域１５２Ｂに形成される分極反転構造の周期は、好ましくは、波長変換領域１５１に形成される分極反転構造の周期の１/２ｎ（ｎは自然数）に設定される。この結果、非変換領域１５２Ｂの寸法や特性が製造過程においてばらついたとしても、基本波光ＦＬから第２高調波光ＣＬへの波長変換に対する影響は小さくなる。本実施形態において、非変換領域１５２Ｂに形成される分極反転構造の周期は、第２分極反転周期として例示される。

本実施形態において、波長変換領域１５１に形成された周期状の分極反転構造の周期Λ及び非変換領域１５２Ｂの長さｄ_１は、第１実施形態での検討に基づき、以下の数式４で表される関係が満足されるように設定されることが好ましい。

［数４］
２ｎΛ≦ｄ_１≦２０００μｍ

尚、非変換領域１５２Ｂに形成された分極反転構造の周期は、波長変換領域１５１に形成された分極反転構造の周期のｍ/４倍（ｍは３以上の奇数）であってもよい。代替的に、非変換領域１５２Ｂに形成された分極反転構造の周期は、波長変換領域１５１に形成された分極反転構造の周期のｐ/２倍（ｐは３以上の奇数）であってもよい。更に代替的に、非変換領域１５２Ｂに形成された分極反転構造の周期は、波長変換領域１５１に形成された分極反転構造の周期のｑ倍（ｑは正の偶数）であってもよい。

本発明者は、以下の条件に基づき作成された波長変換素子を作成し、波長変換素子の作成工程におけるばらつきが生じたときの非変換領域１５２Ｂが与える影響を調査した。

条件１：
波長変換領域１５１における分極反転周期に対して、非変換領域１５２Ｂにおける分極反転周期が１/２ｎ倍（ｎは自然数）

条件２：
波長変換領域１５１における分極反転周期に対して、非変換領域１５２Ｂにおける分極反転周期がｐ/２倍（ｐは３以上の奇数）又はｑ倍（ｑは正の偶数）

条件３：
波長変換領域１５１における分極反転周期に対して、非変換領域１５２Ｂにおける分極反転周期がｍ/４倍（ｍは３以上の奇数）

波長変換素子の作成工程におけるばらつきが生じたときの非変換領域１５２Ｂが与える影響は、「条件３」の下で最も大きくなり、「条件１」の下で、最も小さくなった（条件３＞条件２＞条件１）。

非変換領域１５２Ｂに形成される周期状の分極反転構造の周期が大きいほど、非変換領域１５２Ｂは容易に作成され、波長変換素子１５０Ｂの生産コストが低減される。しかしながら、波長変換領域１５１における分極反転周期と非変換領域１５２Ｂにおける分極反転周期の差異が大きくなるほど、波長変換領域１５１と非変換領域１５２Ｂとの間の境界領域における分極反転構造の形成が困難になる。したがって、非変換領域１５２Ｂにおける分極反転周期は、波長変換領域１５１における分極反転周期の７倍以下であることが好ましい。非変換領域１５２Ｂの周期状の分極反転の周期が１μｍ以上、且つ、波長変換領域１５１の分極反転周期の７倍以下に設定されるならば、波長変換領域１５１と非変換領域１５２Ｂとの間の境界領域における分極反転構造は、設計に沿って作成されやすくなる。したがって、波長変換素子１５０Ｂは、高い効率で波長を変換することができる。

非変換領域１５２Ｂにおける分極反転周期は、波長変換領域１５１における分極反転周期と略同一であってもよい。尚、「略同一」との用語は、非変換領域１５２Ｂにおける分極反転周期が、波長変換領域１５１における分極反転周期に対して、９３．４％以上、且つ、１０７％以下の範囲に設定されることを意味する。非変換領域１５２Ｂにおける分極反転周期が、このような範囲に設定されるならば、上述の有利な効果がもたらされる。

代替的に、非変換領域１５２Ｂにおける分極反転周期は、波長変換領域１５１における分極反転周期に対して、８７．７％以上、且つ、１１４％以下の範囲に設定されてもよい。この場合でも、上述の有利な効果に近い効果がもたらされる。

（波長変換素子の材料）
第１実施形態乃至第３実施形態に関連して説明された波長変換素子１５０，１５０Ａ，１５０Ｂの波長変換領域１５１及び非変換領域１５２，１５２Ａ，１５２Ｂは、同一の材料から形成されてもよい。代替的に、波長変換領域１５１及び非変換領域１５２，１５２Ａ，１５２Ｂは、異なる材料から形成されてもよい。

第１実施形態乃至第３実施形態に関連して説明された波長変換素子１５０，１５０Ａ，１５０Ｂの波長変換領域１５１は、ＭｇＬＮを用いて形成される。非変換領域１５２，１５２Ａ，１５２Ｂは、例えば、タンタル酸リチウムを用いて形成されてもよい。タンタル酸リチウムを用いて形成された非変換領域１５２，１５２Ａ，１５２Ｂは、基本波光ＦＬをほとんど吸収せず、高い出力の第２高調波光ＣＬが出射される。

非変換領域１５２，１５２Ａ，１５２Ｂに用いられる材料として、タンタル酸リチウムが例示されるが、波長変換領域１５１に用いられる材料と等しい或いは近似した屈折率を有する材料が用いられてもよい。例えば、非変換領域１５２，１５２Ａ，１５２Ｂに用いられる他の材料として、ＹＶＯ_４（イットリウム・バナデート）、ＧＶＯ_４（ガドリニウム・バナデート）やＫＮｂＯ_３（ニオブ酸カリウム）が例示される。これらの結晶材料が非変換領域１５２，１５２Ａ，１５２Ｂに用いられても、上述の有利な効果がもたらされる。

非変換領域１５２，１５２Ａ，１５２Ｂに用いられる結晶の屈折率が、波長変換領域１５１に用いられる結晶の屈折率と相違するならば、波長変換素子１５０、１５０Ａ、１５０Ｂは、非変換領域１５２，１５２Ａ，１５２Ｂに用いられる結晶の屈折率と波長変換領域１５１に用いられる結晶の屈折率との中間の値の屈折率を有する緩衝膜を更に備えてもよい。非変換領域１５２，１５２Ａ，１５２Ｂと波長変換領域１５１との間に配設された緩衝膜は、非変換領域１５２，１５２Ａ，１５２Ｂと波長変換領域１５１との間の界面における反射を好適に低減するので、波長変換効率が低下しにくくなる。

（第４実施形態）
図７は、第４実施形態の波長変換レーザ光源の概略図である。図７を用いて、第４実施形態の波長変換レーザ光源が説明される。

本実施形態の波長変換レーザ光源１００Ｃは、第１実施形態に関連して説明された波長変換レーザ光源１００と同様の励起レーザ光源１１０、集光レンズ１２０、凹面レンズ１３０、固体レーザ媒質１４０、波長変換素子１５０及び誘電体多層膜１６０，１８０に加えて、誘電体多層膜１７０Ｃを備える。波長変換素子１５０の入射端面１５５を覆うように形成された誘電体多層膜１７０Ｃは、第２高調波光ＣＬに対して高い反射率を有する。誘電体多層膜１７０Ｃは、光路ＣＬｂに沿って、波長変換素子１５０の出射端面１５４から入射端面１５５に向けて伝搬する第２高調波光ＣＬを反射する。この結果、出射端面１５４に向けて発生した第２高調波光ＣＬの光路ＣＬａ及び入射端面１５５に向けて発生した第２高調波光ＣＬの光路ＣＬｂが好適に揃うので、共振器から出射された第２高調波光ＣＬは容易に一点で集光される。

（第５実施形態）
第４実施形態に関連して説明された波長変換レーザ光源１００Ｃの波長変換素子１５０の入射端面１５５の近傍領域において、周期状の分極反転構造の劣化を引き起こされることがある。また、第２高調波光ＣＬから基本波光ＦＬへの逆変換に起因して、第２高調波光ＣＬの出力変動が生ずることもある。

第５実施形態の波長変換レーザ光源は、波長変換素子の入射端面において、第２高調波光を反射する。本実施形態の波長変換レーザ光源は、波長変換素子の入射端面側に形成された非変換領域に特徴付けられる。

図８は、第５実施形態の波長変換レーザ光源の概略図である。図８を用いて、第５実施形態の波長変換レーザ光源が説明される。

本実施形態の波長変換レーザ光源１００Ｄは、第４実施形態に関連して説明された波長変換レーザ光源１００Ｃと同様の励起レーザ光源１１０、集光レンズ１２０、凹面レンズ１３０、固体レーザ媒質１４０及び誘電体多層膜１６０，１７０Ｃ，１８０に加えて、波長変換素子１５０Ｄを備える。波長変換素子１５０Ｄは、第４実施形態に関連して説明された波長変換素子１５０と同様の波長変換領域１５１及び非変換領域１５２に加えて、波長変換領域１５１と誘電体多層膜１７０Ｃとの間に配設された非変換領域１５６を備える。非変換領域１５６は、波長変換素子１５０Ｄの入射端面１５５を形成する。本実施形態において、非変換領域１５６は、第２非変換領域として例示される。また、非変換領域１５６によって形成された入射端面１５５を覆う誘電体多層膜１７０Ｃは、第２反射膜として例示される。加えて、波長変換素子１５０Ｄの端面１５３に形成された誘電体多層膜１７０Ｃ、１６０は、第１反射要素として例示される。

非変換領域１５６は、ｄ_２の長さを有する。第２高調波光ＣＬが、Δλ_ｓ[ｎｍ]の波長幅（半値全幅）を有するとき、非変換領域１５６の長さｄ_２は、好ましくは、以下の数式５に規定される関係を満足する。

［数５］
ｄ_２≦４０μｍ／Δλ_ｓ

上述の数式５の関係が満足されるならば、波長変換領域１５１に形成された周期状の分極反転構造は、劣化しにくくなり、基本波光ＦＬから第２高調波光ＣＬへの変換効率が低下しにくくなる。

波長変換領域１５１の周期状の分極反転構造は、Λの周期を有する。非変換領域１５６の長さｄ_２は、好ましくは、以下の数式６に規定される関係を満足する。

［数６］
ｄ_２≧Λ

上述の数式６の関係が満足されるならば、波長変換領域１５１に形成された周期状の分極反転構造は、劣化しにくくなり、基本波光ＦＬから第２高調波光ＣＬへの変換効率が低下しにくくなる。

基本波光ＦＬは、Δλ_ｆ[ｎｍ]の波長幅（半値全幅）を有する。基本波光ＦＬの波長幅Δλ_ｆが０．２ｎｍであるとき、非変換領域１５６の長さｄ_２は、好ましくは、１ｍｍ以上に設定される。この結果、第２高調波光ＣＬから基本波光ＦＬへの逆変換に起因する第２高調波光ＣＬの出力変化は、２０％以下に低減される。非変換領域１５６の長さｄ_２が、２ｍｍに設定されるならば、第２高調波光ＣＬの出力変化は、５％以下に低減され、更に安定した第２高調波光ＣＬの出力が達成される。

波長変換素子１５０Ｄが有する波長分散特性の結果、非変換領域１５６において、基本波光ＦＬと第２高調波光ＣＬとの間の位相差は平均化される。この結果、第２高調波光ＣＬから基本波光ＦＬへの逆変換の量が安定化される。かくして、非変換領域１５６の長さｄ_２が長い方が、第２高調波光ＣＬの出力は安定する。しかしながら、非変換領域１５６の延長は、共振器の内部の損失の増大に帰結する。この結果、共振器内部の基本波光ＦＬが減少する。基本波光ＦＬの過度の減少を防ぐために、非変換領域１５６の長さｄ_２は、好ましくは、２ｍｍ以下に設定される。

上述の説明では、基本波光の波長幅Δλ_ｆ（半値全幅）は、０．２ｎｍである。しかしながら、基本波光の波長幅Δλ_ｆ（半値全幅）は、他の数値であってもよい。非変換領域１５６の長さｄ_２が、以下の数式７の関係を満たすならば、第２高調波光ＣＬの出力変化は、２０％以下に抑制される。

［数７］
０．２ｍｍ／Δλ_ｆ≦ｄ_２[mm]

更に、非変換領域１５６の長さｄ_２が、以下の数式８の関係を満たすならば、第２高調波光ＣＬの出力変化は、５％以下に抑制される。

［数８］
ｄ_２ [mm]＝０．３ｍｍ／Δλ_ｆ

上述の検討から、非変換領域１５６の長さｄ_２は、以下の数式９に規定される関係を満たすように設定されることが好ましい。以下の数式９の関係が満たされるならば、基本波光ＦＬから第２高調波光ＣＬへの変換効率は低下しにくくなり、且つ、第２高調波光ＣＬの出力は安定する。

［数９］
０．２ｍｍ／Δλ_ｆ≦ｄ_２≦０．３ｍｍ／Δλ_ｆ

本実施形態に関連して説明された波長変換素子１５０Ｄの波長変換領域１５１及び非変換領域１５６は、同一の材料から形成されてもよい。代替的に、波長変換領域１５１及び非変換領域１５６は、異なる材料から形成されてもよい。本実施形態において、波長変換領域１５１に用いられる材料として、ＭｇＬＮが例示される。このとき、非変換領域１５６は、タンタル酸リチウムを用いて形成されてもよい。この結果、基本波光ＦＬの吸収は低減され、且つ、高い出力の第２高調波光ＣＬが出射される。

（第６実施形態）
図９は、第６実施形態の波長変換レーザ光源の概略図である。図８及び図９を用いて、第６実施形態の波長変換レーザ光源が説明される。

本実施形態の波長変換レーザ光源１００Ｅは、第５実施形態に関連して説明された波長変換レーザ光源１００Ｄと同様の励起レーザ光源１１０、集光レンズ１２０、凹面レンズ１３０及び誘電体多層膜１６０，１７０Ｃ，１８０に加えて、波長変換素子１５０Ｅを備える。波長変換素子１５０Ｅは、第５実施形態に関連して説明された波長変換素子１５０Ｄと同様の波長変換領域１５１及び非変換領域１５２に加えて、波長変換領域１５１と誘電体多層膜１７０Ｃとの間に配設された非変換領域１５６Ｅを備える。

非変換領域１５６Ｅは、複屈折率を有する固体レーザ媒質を用いて形成される。この結果、第５実施形態に関連して説明された波長変換レーザ光源１００Ｄと同様の有利な効果がもたらされる。

第５実施形態に関連して説明された波長変換レーザ光源１００Ｄと異なり、本実施形態の波長変換レーザ光源１００Ｅは、波長変換素子と別体に設けられた固体レーザ媒質を必要としない。したがって、波長変換レーザ光源１００Ｅは、小型に形成される。

本実施形態において、非変換領域１５６Ｅに用いられる固体レーザ媒質として、Ｎｄ：ＹＶＯ_４が例示される。代替的に、非変換領域１５６Ｅに用いられる固体レーザ媒質として、ＮｄがドープされたＧｄＶＯ_４、ＮｄがドープされたＹＡＧやＹｂがドープされたＹＡＧ結晶が用いられてもよい。更に代替的に、結晶ではなく、セラミック材料から形成された固体レーザ媒質が非変換領域１５６Ｅに用いられてもよい。

図１０は、非変換領域１５６Ｅに２つの異なる材料が同時に用いられたときに得られる基本波光の発振波長のスペクトルを概略的に示すグラフである。図９及び図１０を用いて、波長変換レーザ光源１００Ｅが更に説明される。

非変換領域１５６Ｅは、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ_４とＮｄ：ＧｄＶＯ_４の２つの材料を用いて形成されてもよい。非変換領域１５６Ｅに２つの異なる材料が用いられるならば、２つのピーク波長を有する発振波長スペクトルの基本波光ＦＬが得られる。尚、基本波光ＦＬの波長幅Δλ_ｆは、このとき、図１０に示される如く、短い波長でピークを有する発振波長スペクトルの半値全幅を規定する波長のうち小さい方の波長から長い波長でピークを有する発振波長スペクトルの半値全幅を規定する波長のうち大きい方の波長までの波長幅を意味する。

（第７実施形態）
図１１は、第７実施形態の波長変換レーザ光源の概略図である。図１１を用いて、第７実施形態の波長変換レーザ光源が説明される。

本実施形態の波長変換レーザ光源１００Ｆは、第５実施形態に関連して説明された波長変換レーザ光源１００Ｄと同様の励起レーザ光源１１０、集光レンズ１２０、凹面レンズ１３０、波長変換素子１５０Ｄ及び誘電体多層膜１６０、１８０を備える。また、波長変換レーザ光源１００Ｆは、第１実施形態に関連して説明された波長変換レーザ光源１００と同様の誘電体多層膜１７０を備える。波長変換レーザ光源１００Ｆは、固体レーザ媒質１４０Ｆを更に備える。第２高調波光ＣＬに対して高い反射率を有する誘電体多層膜１７０は、固体レーザ媒質１４０Ｆの出射端面１４４を覆うように形成される。誘電体多層膜１７０は、波長変換素子１５０Ｄが固体レーザ媒質１４０Ｆに向けて変換光として発生させた第２高調波光ＣＬを反射する。本実施形態において、誘電体多層膜１７０は、第２反射要素として例示される。

固体レーザ媒質１４０Ｆは、基本波光ＦＬが出射される出射端面１４４が、第２高調波光ＣＬが出射される波長変換素子１５０Ｄの出射端面１５４に対して角度θで傾斜するように配設される。固体レーザ媒質１４０Ｆの出射端面１４４と波長変換素子１５０Ｄの出射端面１５４との間の角度θが、０．１°以上８９．９°以下に設定されるならば、第２高調波光ＣＬから基本波光ＦＬへの逆変換が抑制される。本実施形態において、固体レーザ媒質１４０Ｆの出射端面１４４は、第１出射端面として例示される。

図１１に示される如く、固体レーザ媒質１４０Ｆの出射端面１４４は、固体レーザ媒質１４０Ｆの入射端面１４５に対して略平行であってもよい。この場合、固体レーザ媒質１４０Ｆは、全体的に、光路に対して傾斜され、固体レーザ媒質１４０Ｆの出射端面１４４と波長変換素子１５０Ｄの出射端面１５４との間の角度θが、０．１°以上８９．９°以下に設定に設定されてもよい。固体レーザ媒質１４０Ｆの出射端面１４４が、波長変換素子１５０Ｄの出射端面１５４に対して傾斜されると、波長変換素子１５０Ｄが出射端面１５４に向けて発生させた第２高調波光ＣＬの光路ＣＬａは、波長変換素子１５０Ｄが入射端面１５５に向けて発生させた第２高調波光ＣＬの光路ＣＬｂからずれる。この結果、第２高調波ＣＬの出力変動に帰結する第２高調波光ＣＬから基本波光ＦＬへの逆変換が生じにくくなる。

固体レーザ媒質１４０Ｆの傾斜は、固体レーザ媒質１４０Ｆ内での基本波光ＦＬのビーム径を大きくする点からも、固体レーザ媒質１４０Ｆの傾斜配置は好ましい。

図１２は、波長変換レーザ光源１００Ｆの固体レーザ媒質１４０Ｆ中の基本波光ＦＬのビーム径を示す概略図である。

図１２中、点線で示される領域は、波長変換素子１５０Ｄの出射端面１５４に対して略平行に配設された固体レーザ媒質中の基本波光ＦＬの光路ＢＰ１を表す。図１２中、実線で示される領域は、波長変換素子１５０Ｄの出射端面１５４に対して傾斜した固体レーザ媒質１４０Ｆ中の基本波光ＦＬの光路ＢＰ２を表す。

図１２中、符号「Ｄ１」は、波長変換素子１５０Ｄの出射端面１５４に対して略平行に配設された固体レーザ媒質中の基本波光ＦＬのビーム径を表す。図１２中、符号「Ｄ２」は、波長変換素子１５０Ｄの出射端面１５４に対して傾斜した固体レーザ媒質１４０Ｆ中の基本波光ＦＬのビーム径を表す。

傾斜した固体レーザ媒質１４０Ｆに入射した基本波光ＦＬは、入射端面１４５において屈折する。入射端面１４５における基本波光ＦＬの屈折の結果、固体レーザ媒質１４０Ｆ中の基本波光ＦＬのビーム径は大きくなる。基本波光ＦＬは、その後、固体レーザ媒質１４０Ｆから出射する。基本波光ＦＬは、固体レーザ媒質１４０Ｆの出射端面１４４において、再度、屈折する。この結果、傾斜した固体レーザ媒質１４０Ｆから出射された基本波光ＦＬのビーム径Ｄ２は、光路ＢＰ１で表される基本波光ＦＬのビーム径Ｄ１と等しくなる。

非変換領域１５２において、屈折率変化が生じ、共振器内の横モードが変化しても、固体レーザ媒質１４０Ｆ内でのビーム径Ｄ２は大きくなっているので、励起レーザ光ＰＬから基本波光ＦＬへの変換効率は低下しにくい。したがって、第２高調波光ＣＬの出力変動も生じにくくなる。

固体レーザ媒質１４０Ｆ中において、励起レーザ光ＰＬの屈折率は、基本波光ＦＬの屈折率と相違する。したがって、好ましくは、励起レーザ光ＰＬと基本波光ＦＬとの間のビームの重畳を考慮し、固体レーザ媒質１４０Ｆの出射端面１４４と波長変換素子１５０Ｄの出射端面１５４との間の角度θは、好ましくは、７０°以下に設定される。

固体レーザ媒質１４０Ｆの端面１４３が励起レーザ光ＰＬの光路に対してブリュースター角で傾斜するように、固体レーザ媒質１４０Ｆが配設されてもよい。固体レーザ媒質１４０Ｆの端面１４３が励起レーザ光ＰＬの光路に対してブリュースター角で傾斜するように、固体レーザ媒質１４０Ｆが配設されるならば、固体レーザ媒質１４０Ｆの端面１４３に対して、Ｐ偏光となる基本波光ＦＬの透過率が高くなり、基本波光ＦＬに対して反射率が低くなる多層膜は、固体レーザ媒質１４０Ｆの端面に形成される必要が無くなる。この結果、波長変換レーザ光源１００Ｆは低コスト化される。

一方、固体レーザ媒質１４０Ｆの端面１４３に対してＳ偏光となる基本波光ＦＬの反射率は高くなるので、Ｓ偏光の発振はしにくくなる。この結果、基本波光ＦＬが発振する偏光は、単一偏光化される。単一偏光化は、基本波光ＦＬから第２高調波光ＣＬへの変換効率の向上に帰結する。加えて、横モードの競合が無くなるので、第２高調波光ＣＬの出力は安定化される。

図１３は、ブリュースター角を説明する概略図である。図１２及び図１３を用いて、波長変換レーザ光源１００Ｆが更に説明される。

図１３には、屈折率ｎ１の媒質及び屈折率ｎ２の媒質が示されている。ブリュースター角とは、屈折率ｎ１の媒質から屈折率ｎ２の媒質に入射する光の入射角が、ａｒｃｔａｎ（ｎ２／ｎ１)で表されるときの角度を意味する。

図１３に示されるブリュースター角の原理が波長変換レーザ光源１００Ｆに適用されるならば、共振器内の屈折率は、「ｎ１」で表される。また、固体レーザ媒質１４０Ｆの屈折率は、「ｎ２」で表される。波長変換素子１５０Ｄの出射端面１５４と固体レーザ媒質１４０Ｆの出射端面１４４との間の角度θが、ブリュースター角、或いは、ブリュースター角に対して９６．４％以上、且つ、１０４％以下の範囲に設定されるならば、上述の有利な効果が得られる。

（スラブ構造を有する波長変換レーザ光源）
上述の一連の実施形態の原理は、スラブ構造を有する波長変換レーザ光源に好適に適用される。

図１４は、スラブ構造を有する波長変換レーザ光源の概略的な斜視図である。図１４を用いて、波長変換レーザ光源が説明される。

図１４に示される波長変換レーザ光源３００は、スラブ構造を有する。波長変換レーザ光源３００は、励起レーザ光源３１０、集光レンズ３２０、レーザ媒質３４０及びＳＨＧ素子３５０（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ素子）を備える。レーザ媒質３４０及び／又はＳＨＧ素子３５０の上下面は、光学研磨され、低屈折率の材料でコーティングされる。この結果、レーザ媒質３４０及び／又はＳＨＧ素子３５０は、クラッドを形成し、レーザ媒質３４０及び／又はＳＨＧ素子３５０内で光が導波される。ＳＨＧ素子３５０に対向するレーザ媒質３４０の端面３４２及びレーザ媒質３４０に対向するＳＨＧ素子３５０の端面３５２には、無反射膜がコーティングされる。

励起レーザ光源３１０は、励起レーザ光を集光レンズ３２０に向けて出射する。集光レンズ３２０は、励起レーザ光を水平方向に集光する。尚、励起レーザ光は、クラッドに閉じ込められるため、励起レーザ光の垂直方向の集光は必要とされない。

励起レーザ光源３１０に対向する集光レンズ３２０の端面は、第１反射面３２１として機能する。第１反射面３２１は、例えば、１０６０ｎｍ帯域の光及び５３０ｎｍ帯域の光を反射する。

第２高調波光が出射されるＳＨＧ素子３５０の出射端面は、第２反射面３５１として機能する。第２反射面３５１は、１０６０ｎｍ帯域の光を反射し、５３０ｎｍ帯域の光の透過を許容する。第１反射面３２１及び第２反射面３５１は、共振器として機能する。

レーザ媒質３４０は、集光レンズ３２０によって集光された励起レーザ光を吸収する。この結果、レーザ媒質３４０は、１０６０ｎｍ帯域の基本波光を発生する。基本波光は、第１反射面３２１及び第２反射面３５１によって形成された共振器内でレーザ発振する。

レーザ発振した基本波光がＳＨＧ素子３５０を通過すると、５３０ｎｍ帯域の第２高調波光が出力される。

レーザ媒質３４０及びＳＨＧ素子３５０は、例えば、約１００μｍの厚さであってもよい。この結果、発生した１０６０ｎｍ帯域の基本波光のパワー密度は、レーザ媒質３４０及びＳＨＧ素子３５０内で増大される。この結果、基本波光から第２高調波光への変換効率が向上する。

上述の如く、スラブ構造を有する波長変換レーザ光源は、大きな光パワー密度に起因して、図１６及び図１７に関連して説明された課題は顕著となる。

ＳＨＧ素子３５０には、上述の一連の実施形態で関連して説明された非変換領域が組み込まれる。この結果、ＳＨＧ素子３５０の屈折率変化は生じにくくなる。かくして、屈折率変化に起因する分極反転構造の劣化も生じにくくなる。したがって、波長変換レーザ光源３００は、小型に形成され、且つ、高い波長変換効率を有する。加えて、波長変換レーザ光源３００は、高い出力の第２高調波光を出射することができる。

上述の一連の実施形態において、波長変換素子は、ＭｇＬＮを用いて形成される。代替的に、波長変換素子は、タンタル酸リチウムやリン酸チタニルカリウムといった材料を用いて形成されてもよい。これらの材料に周期状の分極反転構造が形成されるならば、上述の一連の実施形態に関連して説明された有利な効果がもたらされる。

上述の一連の実施形態において、波長変換素子は、波長１０６４ｎｍの基本波光を波長５３２ｎｍの第２高調波光に変換する。代替的に、波長変換素子は、他の波長の基本波光に基づき、当該基本波光の高調波光、和周波光や差周波光に変換してもよい。このような波長変換素子が組み込まれた波長変換レーザ光源も、上述の一連の実施形態に関連して説明された有利な効果をもたらす。

基本波光は、複数の波長を有してもよい。波長変換素子は、当該基本波光の和周波光や差周波光を発生させてもよい。このような波長変換素子が組み込まれた波長変換レーザ光源も、上述の一連の実施形態に関連して説明された有利な効果をもたらす。

上述の一連の実施形態において、波長変換素子の波長変換領域に形成された分極反転構造の分極反転の周期Λは、約７μｍの単一周期である。代替的に、波長変換素子の波長変換領域には、周期の異なる分極反転構造が形成されてもよい。波長変換領域に形成された分極反転領域に位相制御領域が介挿されてもよい。更に、分極反転構造の分極反転の周期は、チャープ状に変化されてもよい。これら様々な分極反転構造は、位相整合可能な波長の許容幅を好適に拡大する。

上述の一連の実施形態において、周期状の分極反転構造が形成された波長変換領域と基本波光から第２高調波光への波長変換に寄与しない非変換領域を有する擬似位相整合型の波長変換素子が説明されている。上述の一連の実施形態は、波長変換レーザ光源の一例にすぎない。したがって、上述の説明は、上述の実施形態の原理の適用範囲を限定するものではない。上述の原理の真意及び範囲を逸脱することなしに、当業者は、様々な変形や組み合わせを行うことが可能であることは容易に理解されるべきである。

（第８実施形態）
第８実施形態において、画像表示装置として例示される液晶表示装置が説明される。第８実施形態の液晶表示装置は、上述の第１実施形態乃至第７実施形態に関連して説明された波長変換レーザ光源を含むバックライト照明装置を備える。

図１５は、液晶表示装置の概略図である。図１５を用いて、液晶表示装置が説明される。

液晶表示装置５００は、バックライト照明装置５１０を備える。バックライト照明装置は、光源部５１１を備える。光源部５１１は、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源（以下、Ｒ光源５１１Ｒと称される）、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源（以下、Ｇ光源５１１Ｇと称される）及び青色レーザ光を出射する青色レーザ光源（以下、Ｂ光源５１１Ｂと称される）を含む。

バックライト照明装置５１０は、光ファイバ５１２と、光ファイバ５１２の先端部に設けられた導光部５１３と、導光部５１３からのレーザ光を均一化する導光板５１４と、を更に備える。

液晶表示装置５００は、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光を変調する空間変調素子として用いられる液晶表示パネル５２０と、液晶表示パネル５２０からの光を偏光する偏光板５３０と、を更に備える。

光源部５１１中、Ｇ光源５１１Ｇとして、上述の第１実施形態乃至第７実施形態のいずれかに従う波長変換レーザ光源が用いられる。Ｒ光源５１１Ｒとして、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系材料を用いて形成された半導体レーザが用いられる。Ｒ光源５１１Ｒは、波長６４０ｎｍの赤色レーザ光を出射する。Ｂ光源５１１Ｂとして、ＧａＮ系材料を用いて形成された半導体レーザが用いられる。Ｒ光源５１１Ｒは、波長４５０ｎｍの青色レーザ光を出射する。

光ファイバ５１２は、光源部５１１からの赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光をまとめて、導光部５１３を介して、導光板５１４へ導く。導光板５１４は、導光部５１３を介して導入されたレーザ光を均一に主面（図示せず）から出射する。本実施形態において、光ファイバ５１２は、レーザ光源から出射されたレーザ光を空間変調素子へ導く光学系として例示される。

Ｇ光源５１１Ｇは、第１実施形態乃至第７実施形態に関連して説明された波長変換レーザ光源に加えて、集光レンズといった光学部品を備えてもよい。この結果、Ｇ光源５１１Ｇからの出力光は、光ファイバ５１２に効率よく結合され、導光板５１４へ導かれる。

上述の液晶表示装置５００は、低消費電力で、色再現性に優れた画像を表示することができる。

大画面の画像表示装置は、一般的には、安定的に高出力のレーザ光源を要求する。上述の第１実施形態乃至第７実施形態に関連して説明された波長変換レーザ光源は、大画面の画像表示装置の要求特性を満足するので、画像表示装置の大画面化が可能となる。

本実施形態において、レーザ光源を用いた画像表示装置として、透過型の液晶パネルを空間光変調素子として利用する液晶表示装置が例示される。代替的に、Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ （ＤＭＤ）や反射型液晶（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ： ＬＣＯＳ）といった空間変調素子を用いたプロジェクタといった装置が画像表示装置として用いられてもよい。これら画像表示装置に対しても、上述の一連の実施形態の原理が好適に適用され、上述の有利な効果がもたらされる。

本実施形態において、レーザ光源から出射された光は、光ファイバ、導光部及び導光板を用いて、空間変調素子に導かれる。代替的に、これら光学素子に代えて、ダイクロイックミラー、クロスプリズムやロッドインテグレータといった適切な光学素子が用いられてもよい。

上述の一連の実施形態は、波長変換レーザ光源及び画像表示装置の一例にすぎない。したがって、上述の説明は、上述の実施形態の原理の適用範囲を限定するものではない。上述の原理の真意及び範囲を逸脱することなしに、当業者は、様々な変形や組み合わせを行うことが可能であることは容易に理解されるべきである。

上述された実施形態は、以下の構成を主に備える。以下の構成を備える波長変換レーザ光源及び画像表示装置は、典型的には、波長変換素子内に基本波光を集光し、投入電力から第２高調波光への変換効率を増大する。非変換領域は、波長変換レーザ光源及び画像表示装置の長時間の動作の間の経時変化（例えば、横モード変化や共振器長の変化）を生じにくくする。この結果、共振器が安定化され、高い変換効率が維持される。かくして、波長変換レーザ光源及び画像表示装置は、安定的に、第２高調波光を出力することができる。

上述の実施形態の一局面に係る波長変換レーザ光源は、基本波光を発生するレーザ媒質と、前記基本波光をレーザ発振させるためのレーザ共振器と、前記レーザ共振器からレーザ発振された前記基本波光を異なる波長の変換光へと変換する波長変換領域を備えた波長変換素子と、前記レーザ媒質を励起するための励起レーザ光源と、を備え、前記レーザ共振器は、前記基本波を反射する少なくとも１つの反射面と、前記波長変換素子の端面に設けられ、前記基本波を反射する第１反射要素と、を含み、前記波長変換領域は、前記少なくとも１つの反射面と前記第１反射要素との間に配置され、前記波長変換素子は、前記波長変換領域に形成された周期状の第１分極反転構造と、前記第１反射要素と前記波長変換領域との間に形成された非変換領域と、を含み、前記非変換領域は、前記基本波光を前記変換光へ変換しないことを特徴とする。

上記構成によれば、レーザ媒質は、励起レーザ光源によって励起され、基本波光を発生する。レーザ共振器は、レーザ媒質が発生させた基本波光をレーザ発振させる。波長変換素子は、レーザ共振器からレーザ発振された基本波光を異なる波長の変換光へと変換するための波長変換領域を備える。レーザ共振器は、基本波を反射する少なくとも１つの反射面と、基本波を反射する第１反射要素と、を含む。第１反射要素は、波長変換素子の端面に設けられる。波長変換領域は、少なくとも１つの反射面と第１反射要素との間に配置される。波長変換素子は、波長変換領域に形成された周期状の第１分極反転構造と、第１反射要素と前記波長変換領域との間に形成された非変換領域と、を含む。非変換領域は、長時間の波長変換レーザ光源の動作の間、横モード変化や共振器長の変化といった経時変化を発生させにくくするので、共振器は、安定的に動作することができる。したがって、高い変換効率の下、安定的に、変換光が出力される。

上記構成において、前記第１分極反転構造は、Λ[μm]の第１分極反転周期を有し、前記非変換領域は、ｄ₁[μm]の長さを有し、前記第１分極反転周期及び前記非変換領域の長さは、Λ≦ｄ_１≦２０００μｍによって規定される関係を満足することが好ましい。

上記構成によれば、第１分極反転構造は、Λ[μm]の第１分極反転周期を有し、非変換領域は、ｄ₁[μm]の長さを有する。第１分極反転周期及び非変換領域の長さは、Λ≦ｄ_１≦２０００μｍによって規定される関係を満足するので、共振器による損失が低減される。

上記構成において、前記波長変換素子は、前記基本波光を、前記変換光として、Δλ_ｓの波長幅の第２高調波光へ変換し、単一分極化された前記非変換領域の長さは、Λ≦ｄ_１≦４０μｍ／Δλ_ｓによって規定される関係を満足することが好ましい。

上記構成によれば、波長変換素子は、基本波光を、変換光として、Δλ_ｓの波長幅の第２高調波光へ変換する。単一分極化された非変換領域の長さは、Λ≦ｄ_１≦４０μｍ／Δλ_ｓによって規定される関係を満足するので、第２高調波光の出力は低下しにくくなる。

上記構成において、前記非変換領域は、周期状の第２分極反転構造を含み、前記第２分極反転構造の第２分極反転周期は、前記第１分極反転構造の第１分極反転周期の１／２ｎ（ｎは自然数）倍に相当し、前記非変換領域の長さは、２ｎΛ≦ｄ_１≦２０００μｍによって規定される関係を満足することが好ましい。

上記構成によれば、非変換領域は、周期状の第２分極反転構造を含む。第２分極反転構造の第２分極反転周期は、前記第１分極反転構造の第１分極反転周期の１／２ｎ倍に相当する。非変換領域の長さは、２ｎΛ≦ｄ_１≦２０００μｍによって規定される関係を満足するので、非変換領域が基本波光から変換光への変換に与える影響が低減される。

上記構成において、前記端面は、前記変換光が出射する出射端面を含み、前記第１反射要素は、前記出射端面に設けられ、前記基本波光を反射する第１反射膜を含み、前記非変換領域は、前記出射端面を形成する第１非変換領域を含むことが好ましい。

上記構成によれば、端面は、変換光が出射する出射端面を含む。第１反射要素は、出射端面に設けられ、基本波光を反射する第１反射膜を含む。非変換領域は、出射端面を形成する第１非変換領域を含むので、共振器は、安定的に動作することができる。したがって、高い変換効率の下、安定的に、変換光が出力される。

上記構成において、前記端面は、前記基本波光が入射する入射端面を含み、前記第１反射要素は、前記入射端面に設けられ、前記変換光を反射する第２反射膜を含み、前記非変換領域は、前記入射端面を形成する第２非変換領域を含み、前記基本波光は、Δλ_ｆの波長幅を有し、前記第２非変換領域は、ｄ_２の長さを有し、前記基本波光の波長幅及び前記第２変換領域の長さは、０．２ｍｍ／Δλ_ｆ≦ｄ_２≦０．３ｍｍ／Δλ_ｆによって規定される関係を満足することが好ましい。

上記構成によれば、波長変換素子は、基本波光が入射する入射端面を含む。第１反射要素は、入射端面に設けられた第２反射膜を含む。第２反射膜は、変換光を反射する。非変換領域は、入射端面を形成する第２非変換領域を含む。基本波光は、Δλ_ｆの波長幅を有し、第２非変換領域は、ｄ_２の長さを有する。基本波光の波長幅及び第２非変換領域の長さは、０．２ｍｍ／Δλ_ｆ≦ｄ_２≦０．３ｍｍ／Δλ_ｆによって規定される関係を満足するので、変換光は安定的に出射される。

上記構成において、前記レーザ媒質は、前記基本波光が出射する第１出射端面と、該出射端面に設けられた第２反射要素と、を含み、該第２反射要素は、前記変換光を反射し、前記端面は、前記変換光が出射する第２出射端面を含み、該第２出射端面は、前記第１出射端面に対して、θの角度で傾斜し、前記第１出射端面に対する前記第２出射端面の角度は、０．１°≦θ≦７０°によって規定される関係を満足することが好ましい。

上記構成によれば、レーザ媒質は、基本波光が出射する第１出射端面と、出射端面に設けられた第２反射要素と、を含む。第２反射要素は、変換光を反射する。端面は、変換光が出射する第２出射端面を含む。第２出射端面は、第１出射端面に対して、θの角度で傾斜する。第１出射端面に対する第２出射端面の角度は、０．１°≦θ≦７０°によって規定される関係を満足するので、変換光から基本波光への逆変換が生じにくくなる。また、基本波光とレーザ媒質を励起するための励起光との間の適切な重畳領域が設定される。

上記構成において、前記共振器は、ｎ１の屈折率を有し、前記レーザ媒質は、ｎ２の屈折率を有し、前記第１出射端面に対する前記第２出射端面の角度は、０．９６４×ａｒｃｔａｎ（ｎ２／ｎ１)≦θ≦１．０４×ａｒｃｔａｎ（ｎ２／ｎ１) によって規定される関係を満足することが好ましい。

上記構成によれば、共振器は、ｎ１の屈折率を有し、レーザ媒質は、ｎ２の屈折率を有する。第１出射端面に対する第２出射端面の角度は、０．９６４×ａｒｃｔａｎ（ｎ２／ｎ１)≦θ≦１．０４×ａｒｃｔａｎ（ｎ２／ｎ１) によって規定される関係を満足するので、変換光が安定的に出力される。

上述の実施形態の更に他の局面に係る画像表示装置は、赤、緑及び青のうち少なくとも１つの色相のレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を変調する空間光変調素子と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記空間変調素子へ導く光学系と、を備え、前記レーザ光源は、上述の波長変換レーザ光源を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、レーザ光源は、赤、緑及び青のうち少なくとも１つの色相のレーザ光を出射する。空間光変調素子は、レーザ光源から出射されたレーザ光を変調する。光学系は、レーザ光源から出射されたレーザ光を空間変調素子へ導く。レーザ光源は、上述の波長変換レーザ光源を含む。長時間の波長変換レーザ光源の動作の間、横モード変化や共振器長の変化といった経時変化は、ほとんど発生しないので、共振器は、安定的に動作することができる。したがって、高い変換効率の下、安定的に、変換光が出力され、画像は適切に表示される。

上述の一連の実施形態の原理は、優れた温度制御性・出力安定性を有する高効率な波長変換レーザ光源に好適に適用される。

Claims (3)

1. 基本波光を発生するレーザ媒質と、
   前記基本波光をレーザ発振させるためのレーザ共振器と、
   前記レーザ共振器からレーザ発振された前記基本波光を異なる波長の変換光へと変換する波長変換領域を備えた波長変換素子と、
   前記レーザ媒質を励起するための励起レーザ光源と、を備え、
   前記レーザ共振器は、前記基本波を反射する少なくとも１つの反射面と、前記波長変換素子の端面に設けられ、前記基本波を反射する第１反射要素と、を含み、
   前記波長変換領域は、前記少なくとも１つの反射面と前記第１反射要素との間に配置され、
   前記波長変換素子は、前記波長変換領域に形成された周期状の第１分極反転構造と、前記第１反射要素と前記波長変換領域との間に形成された非変換領域と、を含み、
   前記非変換領域は、前記基本波光を前記変換光へ変換せず、
   前記第１分極反転構造は、Λ[μm]の第１分極反転周期を有し、
   前記非変換領域は、ｄ ₁ [μm]の長さを有し、
   前記第１分極反転周期及び前記非変換領域の長さは、Λ≦ｄ _１ ≦２０００μｍによって規定される関係を満足することを特徴とする波長変換レーザ光源。
2. 前記非変換領域は、周期状の第２分極反転構造を含み、
   前記第２分極反転構造の第２分極反転周期は、前記第１分極反転構造の第１分極反転周期の１／２ｎ（ｎは、自然数）倍に相当し、
   前記非変換領域の長さは、２ｎΛ≦ｄ _１ ≦２０００μｍによって規定される関係を満足する
   請求項１に記載の波長変換レーザ光源。
3. 前記レーザ媒質は、前記基本波光が出射する第１出射端面と、前記第１出射端面に設けられた第２反射要素と、を含み、
   前記第２反射要素は、前記変換光を反射し、
   前記端面は、前記変換光が出射する第２出射端面を含み、
   前記第１出射端面は、前記第２出射端面に対して、θの角度で傾斜し、
   前記第２出射端面に対する前記第１出射端面の角度は、０．１°≦θ≦７０°によって規定される関係を満足する
   請求項１に記載の波長変換レーザ光源。

Images