JP5330261B2 - 波長変換装置およびそれを用いた画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、基本波を効率よく第二高調波に波長変換できる波長変換装置およびそれを用いた画像表示装置に関する。

単色性が強くＷ級の高出力を出力できる可視光レーザ光源は、大型ディスプレイ装置や高輝度ディスプレイ装置などの画像表示装置を実現するうえで有利な光源である。このような要求から、赤色、緑色および青色の３原色のうち、赤色または青色の高出力光源は半導体レーザで実現されつつある。しかしながら、緑色の高出力半導体レーザ光源は現時点で実用化されておらず、例えば固体レーザ媒質からの基本波を波長変換素子により第二高調波に波長変換することで緑色の高出力レーザ光を得る方式にて開発が進められている。

このような緑色の高出力レーザ光源には、基本波を効率よく波長変換できる波長変換装置が特に望まれている。この要求に対応するために、波長変換素子に折り返し光導波路などを設けて光導波路の長さを長くすることにより変換効率を向上させている例がある（例えば、特許文献１参照）。また、レーザダイオード励起固体レーザを用いた波長変換においても、固体レーザのレーザ光を波長変換素子内で多重反射させ光路長を長くとることにより、高効率な波長変換がなされている（例えば、特許文献２参照）。

また、波長変換素子に入射されたが波長変換されずに透過した基本波を反射体で反射させ、再度この波長変換素子に光路を変えて入射させて波長変換を行い、これを繰り返すことにより高出力化を実現する提案もなされている（例えば、特許文献３参照）。このような構成とすることにより、簡単な構造で波長変換効率が高く、高出力で安価な波長変換素子が実現できるとしている。

さらに、集光光学系により入射光を波長変換素子の両端間に形成された光路の中間点に集光すること、そして入射した信号光ビームの体積を最小にするように集光条件を管理することを加味することも提案されている（例えば、特許文献４参照）。また、レンズを介して光学的に直列に接続されている２つの波長変換素子を有する光学系も提案されている。このような構成とすることにより、構造が簡単で波長変換効率が一層高められた高出力レーザ光源が実現できるとしている。

特開昭６０−５７８２５号公報 特開平２−１８５０８１号公報 特開２００６−２０８６２９号公報 特開２００７−５８１９１号公報

一般に波長変換素子内において、基本波のビーム径は細い方が変換効率は向上する。しかしながら、上記で説明した従来技術においては、波長変換素子内では基本波は一度しか集光されておらず、その状態で波長変換効率を高める工夫がなされているものの、トータルとして高い変換効率を得ることは難しい。一方で、基本波の光量が大きく、発生した第二高調波の光量も大きい場合は、素子内で光の吸収に起因する発熱が顕著に現れるため、この段とそれ以降の段の位相整合温度にミスマッチが生じ、さらにはこの段で光の品質が低下するため、この段以降の段で波長変換効率が低下し、トータルでの第二高調波の高出力化および変換効率の向上が妨げられるという課題を有していた。

本発明は、波長変換素子の発熱に起因する変換効率の低下を低減し、高効率で基本波を高調波に波長変換することができる波長変換装置を提供することを目的としている。

本発明の一局面に係る波長変換装置は、上記の目的を達成するために、基本波を出射するレーザ光源と、前記基本波を第二高調波に変換する波長変換素子と、変換されずに前記波長変換素子を透過した前記基本波を反射すると共に、波長変換された前記第二高調波を透過する波長選択ミラーを含む光学系と、を備え、前記光学系は、変換されずに前記波長変換素子を透過した前記基本波を、前記波長選択ミラーにより、前記波長変換素子に１回以上、集光させながら再入射し波長変換するものであって、ある入射段の変換効率を、（その段で得られた前記第二高調波）／（その段に入射した前記基本波の自乗）で定義するとき、前記光学系は二段目以降の少なくとも一つの入射段の変換効率が一段目の変換効率よりも高くなるように設定されている。

上記の構成によれば、一段目の波長変換効率が二段目以降の少なくとも一つの段の変換効率よりも低くなるように、光学系を設定している。このように、基本波の光量が大きく、素子内で光の吸収に起因する発熱が顕著に現れる一段目の波長変換効率を低く抑えることで、一段目に大出力の基本波を入射した場合でも、発熱による変換効率の低下を防止することができる。また、前記光学系により前記波長変換素子へ複数回基本波を反射させるため、波長変換装置の小型化を図ることができる。これらの結果、波長変換装置の小型化を実現しつつ、全体として変換効率の向上を図ることができる波長変換装置を提供することができる。

本発明のさらに他の目的、特徴、及び優れた点は、以下に示す記載によって十分わかるであろう。また、本発明の利点は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。

本発明の一実施の形態に係る波長変換装置の一例を示す概略構成図を示す平面図である。 本発明の一実施の形態に係る波長変換装置の他の例を示す概略構成図である。 図３Ａは、本発明の他の実施の形態に係る波長変換装置の概略構成を示す平面図である。図３Ｂは、図３Ａに示す波長変換装置が備える波長変換素子の概略構成を示す側面図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る波長変換装置の概略構成を示す平面図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る波長変換装置の概略構成を示す平面図である。 図６Ａは、従来の波長変換素子の分極反転構造を示す説明図である。図６Ｂは、本発明の他の実施の形態に係る波長変換素子の分極反転構造の一例を示す説明図である。図６Ｃは、本発明の他の実施の形態に係る波長変換素子の分極反転構造の他の例を示す説明図である。 本発明の他の形態に係る波長変換素子の分極反転構造のさらに他の例を示す説明図である。 図８Ａは、本発明のさらに他の実施の形態に係る波長変換素子の分極反転構造の一例を示す説明図である。図８Ｂは、図８Ａの８Ｂ−８Ｂ矢視断面図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る波長変換装置の概略構成を示す平面図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る画像表示装置の概略構成を示す説明図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る画像表示装置の概略構成を示す説明図である。

（実施の形態１）
本発明の一実施の形態について、図面を参照し以下に説明する。

図１は、本実施の形態に係る波長変換装置１０の概略構成図を示す平面図である。図２は、図１に示す波長変換装置１０が備える波長変換素子の概略構成を示す側面図である。波長変換装置１０は、図１に示すように、基本波１１を出射するレーザ光源１２、レーザ光源１２から出射された基本波１１を所定の位置で所定のビームウエスト径に集光する集光レンズ１８、基本波１１を第二高調波１５（１５ａ〜１５ｄ）に変換する波長変換素子１３、及び波長変換素子１３を透過した基本波１１を反射させ、所定の位置に所定のビーム径で集光する一方、第二高調波１５を透過させる波長選択ミラー１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ）を備えている。

ここで、本実施の形態に係る波長変換装置１０による基本波から高調波への波長変換の原理について説明する。

レーザ光源１２から出射された基本波１１は、入射口１３ａから波長変換素子１３に入射し、所定の位置で所定のビームウエスト径１７ａに集光される。所定のビームウエスト径１７ａに集光された基本波１１は、その一部が第二高調波１５ａに変換されながら波長変換素子１３内を伝搬する。そして、出射口１３ｂに到達した基本波１１と第二高調波１５ａとは、波長変換素子１３の外へ出射し、波長選択ミラー１４ａに到達する。この入射口１３ａから出射口１３ｂに至るパスを第一パス目１６ａとする。

波長選択ミラー１４ａは、第二高調波１５ａを透過する一方、基本波１１については反射する。波長選択ミラー１４ａによって反射された基本波は、再度波長変換素子１３内に入射され、ビームウエスト径１７ｂに集光されながら波長変換素子１３内を伝播する（第二パス目１６ｂ）。以後、先の一パス目１６ａと同様に、基本波１１は、第二高調波１５ｂに変換されながら波長変換素子１３内を伝搬し（第二パス目１６ｂ）、出射口１３ｃから波長変換素子１３の外へ出射され、波長選択ミラー１４ｂに到達する。

波長選択ミラー１４ｂは、波長選択ミラー１４ａと同様に、第二高調波１５ｂを透過する一方、基本波１１については反射する。波長選択ミラー１４ｂによって反射された基本波１１は、再度波長変換素子１３内に入射され、ビームウエスト径１７ｃに集光されながら波長変換素子１３内を伝播する（第三パス目１６ｃ）。

以降の各折り返しパスでも、同様に展開される。即ち、第三パス目で第二高調波１５ｃに変換されなかった基本波１１は、出射口１３ｄから波長変換素子１３の外へ出射され、波長選択ミラー１４ｃに到達する。そして、基本波１１は、波長選択ミラー１４ｃで反射され、再び波長変換素子１３に入射され、ビームウエスト径１７ｄに集光されながら波長変換素子１３内を伝播する（第四パス目１６ｄ）。

第四パス目で第二高調波１５ｄに変換されなかった基本波１１は、出射口１３ｅから波長変換素子１３の外へ出射され、波長選択ミラー１４ｄに到達する。そして、基本波１１は、波長選択ミラー１４ｄ反射され、再び波長変換素子１３に入射され、ビームウエスト径１７ｅに集光されながら波長変換素子１３内を伝播する（第五パス目１６ｅ）。

以上の通り、基本波１１は波長変換素子１３内をジグザグに伝搬しながら第二高調波に変換され、第二高調波は波長選択ミラー１４ａ〜１４ｄで波長変換素子外に取り出されることになる。尚、波長変換素子１３は、図示しないペルチェ素子により、波長変換に最適な温度に温度調整されている。

ところで、波長変換素子に対して基本波を一度だけ入射して第二高調波を得る場合、最適な集光条件化では、最大で下記光量の第二高調波Ｐ_2wが得られることがわかっている。
Ｐ_2w ＝（1.068×2ω³×d_eff ²×P_w ²×Ｌ）／（π×εo×c⁴×n_w ²）・・・（１）
式（１）中、ωは基本波の角振動数、d_effは実効非線形光学定数、P_wは基本波のパワー、Ｌは素子長、εoは真空の誘電率、n_w は基本波に対する屈折率、cは光速を示している。

ここで、基本波の光量が大きく、発生する第二高調波の光量が大きすぎる場合、波長変換素子内で光の吸収に起因する発熱が顕著に現れるため、基本波から第二高調波への変換効率が低下するといった問題がある。この場合、一段だけの波長変換では、どのようにビーム径やビーム位置を選んでも（１）式を満たす変換効率を得ることはできなくなる。また、波長変換素子が発熱すると、複数回基本波を波長変換素子内に入射させたとしても、一段目とそれ以降の段の位相整合温度にずれが生じてしまう。この場合、一段目で変換された第二高調波の品質が低下する上、２段目以降では波長変換効率が低下し、トータルでの第二高調波の高出力化および変換効率の向上が妨げられることとなる。

そこで、基本波を複数回波長変換素子に入射させる系において、発熱を抑えるために、一段目の変換効率を下げて、発生する第二高調波の光量を抑えることが有効と考えられる。ここで、変換効率は（その段で得られた前記第二高調波）／（その段に入射した前記基本波の自乗）と定義する。ここで、ビームウエスト径を太くすることで、入射する基本波のパワー密度を下げることになるため、変換効率を簡便に下げることが考えられる。即ち、基本波を複数回入射する系において、入射する基本波の光量が大きくても、一段目のビームウエスト径１７ａを波長変換素子１３の発熱による問題が発生しなくなるまで太くすることが考えられる。この場合、一段目で得られる第二高調波の光量は下がるものの、波長変換素子１３の光の吸収による発熱や、それに起因するビーム品質の悪化を防ぐことができる。これにより、以降の段でも効率良く波長変換することができ、トータルとして第二高調波の光量を上げることが可能となる。

次に第二パス目で行われる波長変換について説明する。第二パス目に入射する基本波は、第一パス目で波長変換されずに残った基本波であるため、第一パス目に入射した基本波と比較すると当然基本波の光量は低下している。そのため、二段目のビームウエスト径１７ｂを一段目と同じビームウエスト径１７ａになるように集光すれば、光の吸収による発熱はやはり顕著に現れず、一段目と同じ変換効率となるが、発生する第二高調波１５ｂの光量は一段目より低下することになる。

そこで光の吸収による発熱の問題が発生しない範囲において第二パス目での変換効率を第一パス目よりも上げれば、第二パス目までで得られる第二高調波の光量を最大化することができる。そのために、第二パス目のビームウエスト径１７ｂを、第一パス目と同様に光の吸収による発熱の問題が顕著に現れない範囲において、第一パス目のビームウエスト径１７ａよりも小さくすればよい。このことは、第二パス目に限らず、第三パス目以降においても同様であり、第三パス目以降の各パスにおいて光の吸収による発熱の問題が発生しない範囲において可能な限り変換効率を高くすることによって、トータルとしての基本波から第二高調波への波長変換効率を向上させることができる。

ここで、全てのパスにおいて、第二高調波への変換効率が後段に向かって高くなっている必要はなく、最初の段のパスにおける変換効率が、少なくとも１つの後段のパスにおける変換効率よりも低ければ、波長変換素子１３の発熱に起因した上記の変換効率の低下の問題を抑制することができる。

上記の構成によれば、基本波から第二高調波への変換効率を向上させることができる。これにより、所望の光量の第二高調波を得るために必要な段数を少なくすることができるため、波長変換素子の幅を小さくすることができる。これにより、波長変換装置の小型化を図ることができる。さらに、所望の光量の第二高調波を得るために必要な段数が少なくなれば、波長変換素子１３を透過する度に生じるロスも少なくすることができる。これによっても、変換効率の向上を図ることができる。

なお、図１における各波長選択ミラー１４ａ〜１４dは、基本波１１を反射させる一方、第二高調波１５ａ〜１５ｄの内、第二高調波と第三高調波との双方を透過させるように形成された波長選択膜を備えていることが望ましい。すなわち、上記の波長選択膜を備えることにより、第三高調波に依存する波長変換素子の発熱をも抑えることができるため、効率のさらなる向上を図ることができる。

本実施の形態に係るレーザ光源１２は、例えば励起用に半導体レーザを使用して中心波長１０６４ｎｍの基本波１１を出力し、レーザ活性物質として希土類元素のＹｂがドープされたファイバレーザを用いることができる。このようなファイバレーザにおいては、ファイバ励起用の半導体レーザは、例えば最大光出力１０Ｗ、波長９１５ｎｍのレーザ光によりファイバレーザを励起することが考えられる。この時に、ファイバレーザから中心波長１０６４ｎｍの基本波１１を入力光として波長変換素子１３に入射させると波長５３２ｎｍの緑色の第二高調波が発生する。

波長変換素子１３は、例えば長さＬ：２６ｍｍ、長さＬと垂直な方向の幅Ｗ（不図示）：８ｍｍに形成してもよい。この大きさの波長変換素子１３を用いた場合、図１に示すように、当該波長変換素子１３の光路１６の実効的な長さを、１３０ｍｍより長くすることができる。このように、小型の波長変換素子１３の中に波長変換の光路を長きに渡って形成することができる。

本実施の形態に係る波長変換素子としては、例えばＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３、およびこの材料に分極反転構造を形成したものを使用することができ、他のリン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４：ＫＴＰ）やＭｇ：ＬｉＴａＯ_３など、およびこれらの材料に分極反転構造を形成したものを使用してもよい。

図２は、本実施の形態に係る他の波長変換装置２０の概略構成図を示している。波長変換装置２０は、各光路の出射口１３ｂ〜１３ｅから再度波長変換素子１３に入射するまでの光路に、λ／２板２１ａ〜２１ｄを挿入している点が、波長変換装置１０と異なっている。しかしながら、他の基本的構成については、波長変換装置１０と共通している。したがって、波長変換装置１０と共通する部材等については同様の参照符号を付してその説明については適宜省略する。

図２に示すλ／２板を備えた構成では、例えばレーザ光源１２から出射した基本波１１の偏光方向が、図中の紙面に対して垂直方向でかつ、波長変換素子１３の結晶軸方向が同じく紙面に垂直であった場合、第一パス目１６ａで波長変換されたあとの基本波は、出射口１３ｂから出射して波長選択ミラー１４ａで反射した後、λ／２板２１ａに入射することで、その偏光方向は９０°回転し紙面に水平方向になる。

この偏光状態において、波長変換素子１３では波長変換されないため、第二パス目１６ｂでは第二高調波は発生しないことになる。さらに出射口１３ｃを透過した基本波１１は波長選択ミラー１４ｂで反射した後、λ／２板２１ｂに入射して偏光方向を９０°回転し、偏光方向は再度紙面に垂直方向を向くことになる。この状態で第三パス目１６ｃを伝搬する基本波１１は、波長変換を行い、第二高調波１５ｃを発生させる。これを繰り返すことにより、図２の紙面左から右に向かうパス１６ａ、１６ｃ、１６ｅでは波長変換がなされ、逆に紙面右から左に向かうパス１６ｂ、１６ｄでは波長変換がなされないことになる。こうすることで、波長変換素子１３の紙面右側からのみ、第二高調波が取り出されることになる。即ち、波長変換素子１３から第二高調波は両側ではなく一方行のみに出射されるため、例えば一点に集光する場合も、波長変換素子１３の両側から出射するよりも簡便な光学系で集光することができ、各アプリケーションに用い易くなるという利点がある。もちろん入射口１３ａに入射する偏光方向をはじめから９０°傾けておけば、図中左側からのみ第二高調波が得られることは言うまでもない。

なお、ここでは、λ／２板を各パスで一度通過させる構成としたが、λ／４板を素子両端に設けて各波長選択ミラーでの反射前後の往復で基本波を通過させることで、偏光を９０°回転させてもよい。このようにλ／４板を広い面積に形成することにより、波長変換素子１３の位置合わせ精度を緩和することができ、組み立て易い波長変換装置を提供することが可能になる。

図３Ａ及び図３Ｂは、本実施の形態に係るさらに他の波長変換装置３０の概略構成図を示している。図３Ａは波長変換装置３０の平面図であり、図３Ｂは波長変換素子１３の側面図であり、波長変換素子１３の分極反転構造を模式的に示している。

波長変換装置３０では、波長変換素子１３に対する基本波の入射角度が後段ほど、入射面に対し垂直になっている点で、波長変換装置１０と異なっている。また、図３Ｂに示すように、波長変換素子１３は、入射面に対して平行な方向に形成された分極反転構造を有している。本実施の形態にかかる波長変換装置３０は、その他の基本的構成については、波長変換装置１０と共通している。したがって、波長変換装置１０と共通する部材等については同様の参照符号を付してその説明については適宜省略する。

一般に、基本波の入射方向が分極反転構造に対して垂直でない場合は、ウォークオフにより各位置で発生した第二高調波の干渉が弱まるために変換効率が低下する。図１の波長変換装置１０では、変換効率の調整を、ビームウエスト径を調整することで達成していたが、本実施の形態に係る波長変換装置３０では、基本波の入射角を、後段になるにつれ徐々に垂直に近づけている。

即ち、第一パス目では、波長変換素子１３に入射する基本波の入射角を、入射面に対し垂直な方向から傾けることで、第二高調波への変換効率を下げて波長変換素子１３の熱の発生を防いでいる。そして、第二パス目では、第一パス目よりも、基本波の入射角を入射面に対し垂直に近づけることによって、第一パス目における第二高調波への変換効率よりも変換効率を高くしている。

後段のパスへの基本波の入射角を、前段のパスへの基本波の入射角よりも、入射面に対し垂直方向に近づけることによって、変換効率が後段の方が高くなるように設定することは、第一パス目と第二パス目との関係に限定されるものではない。

すなわち、第三目以後のパスへの入射角も、各段において光の吸収による波長変換素子１３の発熱が問題とならない範囲で、後段へ向けて可能な限り入射角を入射面に対し垂直に近づけ、第二高調波への変換効率を高くすることが望ましい。

これにより、波長変換素子１３での基本波から第二高調波への変換効率を、全体として向上させることができる。

ここで、全てのパスにおいて、第二高調波への変換効率が後段に向かって高くなっている必要はなく、最初の段のパスにおける変換効率が、少なくとも１つの後段のパスにおける変換効率よりも低ければ、波長変換素子１３の発熱に起因した上記の変換効率の低下の問題を抑制することができる。これにより、所望の光量の第二高調波を得るために必要な段数を少なくすることができるため、波長変換素子１３の幅を小さくすることができる。この結果、波長変換装置３０の小型化及び製造コストの削減を図ることができる。

尚、本実施の形態に係る波長変換素子１３は図示したようなバルク型の素子に適用できるのは言うまでもない。また、本実施の形態に係る波長変換素子１３は、スラブ型導波路にも適用可能である。

（実施の形態２）
本発明の他の実施の形態について、図１、図４及び図５を参照し以下に説明する。

図４は、本実施の形態に係る波長変換装置５０の概略構成を示す平面図である。図５は、本実施の形態に係る波長変換装置６０の概略構成を示す平面図である。

本実施の形態に係る波長変換装置５０は、図４に示すように、基本波１１を出射するレーザ光源１２、レーザ光源１２から出射された基本波１１を所定の位置で所定のビームウエスト径に集光する集光レンズ１８、基本波１１を第二高調波１５（１５ａ・１５ｂ）に変換する波長変換素子１３、及び波長変換素子１３を透過した基本波１１を反射させ、所定の位置に所定のビーム径で集光する一方、第二高調波１５を透過させる曲率を有する凹面ミラー５１・５２からなる。

また、２つの凹面ミラー５１・５２は、ミラー間の間隔Ｄ１が下記式（２）を満たすように、設定されている。
Ｄ１＝波長変換素子１３内の距離×波長変換素子の屈折率＋空気中の距離＝ｆ１＋ｆ２ ・・・ （２）
式（２）中、ｆ１は、凹面ミラー５１の焦点距離を示し、ｆ２は、凹面ミラー５２の焦点距離を示している。

また、凹面ミラー５１及び凹面ミラー５２は、それぞれの波長変換素子１３側の面に、基本波を反射し、第二高調波を透過する特性のコーティングを施してあり、波長選択ミラーとして機能する。

ここで、本実施の形態に係る波長変換装置５０による基本波から高調波への波長変換の原理について説明する。

レーザ光源１２から出射された基本波１１は、集光レンズ１８にて集光されながら、凹面ミラー５１が形成されていない部分から波長変換素子１３に入射し、所定の位置で所定のビームウエスト径１７ａに集光される。ここで、集光位置は、凹面ミラー５１から凹面ミラーの焦点距離ｆ１だけ離れた位置（図中点線）近傍になるように、集光レンズ１８の位置を調整しておく。波長変換素子１３内で波長変換された第二高調波１５ａは、波長変換素子１３から出射後、凹面ミラー５２を透過して波長変換装置５０の外に取り出される。一方、波長変換素子１３を透過して凹面ミラー５２に到達した基本波１１は、凹面ミラー５２の波長変換素子側の面で反射され、再度波長変換素子１３に入射する。ここで、第一パス目１６ａの基本波は、凹面ミラー５２からその焦点距離ｆ２離れた位置に集光されていることになるので、凹面ミラー５２の波長変換素子側で反射した基本波１１は略平行のまま波長変換素子１３内を折り返すことになる。この基本波１１は、略平行であるため、基本波のパワー密度は大きくならないため、ほとんど波長変換されることなく波長変換素子１３を透過し、凹面ミラー５１に到達する。凹面ミラー５１で反射した基本波１１は、再度波長変換素子１３内に入射し、紙面左右方向に関して一パス目１６ａとほぼ同様の位置にビームウエスト径１７ｂで集光する。この第二パス目１６ｂで生成された第二高調波１５ｂも、第一パス目と同様に凹面ミラー５２を透過し、波長変換装置５０の外に出射する。一方、第一パス目と同様に、凹面ミラー５２で反射された基本波は、略平行ビームのままほとんど波長変換されずに波長変換素子１３を透過し、凹面ミラー５１に到達する。

ここで、各パスの基本波の位置関係は次のとおりとなる。基本波の第１パス目１６ａとレンズ軸（図中５３）との距離をＸ１とすると、基本波の第２パス目１６ａとレンズ軸５３との位置関係は、レンズ軸５３の上側のＸ１×ｆ１／ｆ２の位置に基本波の第２パス目１６ａが来る。以降、第三パス目以降も第二パス目と同様に、紙面右向きのパスで波長変換された第二高調波は凹面ミラー５２から図中右側へ波長変換装置５０の外に出射される。一方、第二高調波に変換されなかった基本波１１は凹面ミラー５１と凹面ミラー５２との間を往復反射し続けることになる。これにより、各右向きパスのビームウエスト位置を、波長変換素子１３内で紙面上下方向に点在させることができる。この結果、基本波や第二高調波の局在を避けることができ、波長変換素子１３の発熱の問題が生じにくい構成となっている。

ここで、第一パス目のビームウエスト径１７ａと、第二パス目のビームウエスト径１７ｂとは、下記式（３）の関係にあることがわかっている。

１７ｂ＝１７ａ×ｆ１／ｆ２ …（３）
よって、各右向きパスのビームウエスト径は、後段になるほど細くなることになり、第一パス目１６ａのビームウエスト径１７ａを、発熱の問題が発生しない程度に細く設定しておくと、ビームウエスト径が所定段目のパスで（１）式の最適条件を下回るまでは、ビームウエスト径の小径化に伴い徐々に各パスでの変換効率を向上させることができる。したがって、本実施の形態に係る波長変換装置５０の構成でも、実施の形態１の構成と同様に、各パスでのビームウエスト径を、波長変換素子１３の発熱の問題が生じない範囲で後段へと徐々に小さくすることによって、変換効率を徐々に向上させることができる。これにより、波長変換素子１３での基本波から第二高調波への変換効率を、全体として向上させることができる。

さらに、凹面ミラー５１と凹面ミラー５２とを非球面で構成することを考える。一般に、波長変換装置５０の凹面ミラー５１、５２を球面ミラーで構成すると、レンズ軸５３と平行に凹面ミラーに入射したレーザ光は、入射位置がレンズ軸５３から上下方向に離れるにつれて、収差により焦点位置に対して凹面ミラー側にずれた位置に集光することになる。よって波長変換装置５０においては、第二パス目１６ｂは、基本波が若干レンズ軸５３側に傾いて波長変換素子１３から出射することになる。

そこで、凹面ミラー５１及び凹面ミラー５２は、それぞれ少なくとも波長変換素子側を非球面に形成することが望ましい。

図４を参照し、実施の形態１で説明したように、凹面ミラー５１と凹面ミラー５２との間隔を各ミラーの焦点距離ｆ１と、焦点距離ｆ2との和に等しくなるように、凹面ミラー５１と凹面ミラー５２とを配置することが望ましい。

上記の構成によれば、レンズ軸５３から離れた位置に入射するレンズ軸５３に平行なビームも、焦点位置に集光することになり、波長変換素子１３から出射する第二高調波は全て略平行ビームで出射することになる。

さらに、図４の構成において、凹面ミラー５２は、その入射面、出射面が略同心円のメニスカスミラーを用いることが好ましい。この構成によれば、レンズ軸５３に対して光軸が略平行な第二高調波を、略平行なまま波長変換装置５０の外に取り出すことが出来る。これにより、第二高調波をより小さな径に集め易くなるため、例えばロッドインテグレータに集光する場合等に、好適な構成と言える。

また、凹面ミラー５１と凹面ミラー５２のうちの少なくとも何れか一方を球面ミラーにすると、凹面ミラー５１と凹面ミラー５２の間で往復する基本波は、後段のパスになるほどレンズ軸５３に漸近するが、球面ミラーの収差の影響により、所定段目のパスから徐々にレンズ軸５３から離れ始めることとなる。この場合に、最終的に第一パス目１６ａ近傍を逆向きに進行し、集光レンズ１８を経由してレーザ光源１２に戻る場合もあり得る。この問題は、レーザ光源１２の安定発振にも影響するため、避けることが望ましい。

これに対し、本実施の形態の凹面ミラー５１及び凹面ミラー５２として、非球面ミラーを用いた上記の構成によれば、基本波１１は最終的にはレンズ軸５３に漸近することとなり、球面ミラーを用いた場合のような基本波１１がレーザ光源１２に戻るといった問題を防止することができる。最終的に波長変換されずに残った基本波は、例えば凹面ミラー中心５４の基本波の反射コートを除去しておくことで、波長変換装置５０の外部に取り出し、ディフューザ等で安全に処理される。これにより、レーザ光源１２への基本波の戻り光や、迷光の問題を防止することができる。なお、反射コートを除去するかわりに、凹面ミラー中心５４の基本波が照射される部分を削りとっても構わない。

基本波１１がレーザ光源１２に戻ることを防止するための他の構成について、図５を参照し以下に説明する。

図５に示す波長変換装置６０は、図４に示す波長変換装置５０と基本的な構成については共通している。したがって、波長変換装置５０と共通する部材等については同様の参照符号を付してその説明については適宜省略する。

波長変換装置６０は、波長変換装置５０の構成に加え、偏光ビームスプリッタ５５、及び波長変換素子１３における凹面ミラー５１側の端面と、凹面ミラー５２側の端面にそれぞれ形成されたλ／４板５６、５７を備えている。

ここで、本実施の形態に係る波長変換装置６０による基本波から高調波への波長変換の原理について説明する。

波長変換装置６０の波長変換素子１３は、結晶軸の方向が、紙面垂直方向となっている。偏光ビームスプリッタ５５は、紙面垂直方向の偏光光を透過する一方、紙面平行方向の偏光光を反射するように構成されている。

ここで、レーザ光源１２から出射されたレーザ光は、紙面垂直方向に偏光しているとする。この場合、レーザ光源１２から出射されて偏光ビームスプリッタ５５を透過した基本波１１は、波長変換装置５０と同じく第一パス目１６ａで一部が第二高調波に変換される。しかしながら、この第二高調波は、出口側に設けられたλ／４波長板５７を透過する際に、基本波１１及び第二高調波１５ａはともに回転偏光される。そして、凹面ミラー５２で反射された基本波１１は、波長変換素子１３に再入射する前に再度λ／４波長板５７に入射する。このように、λ／４波長板５７に二度入射することにより、トータルでλ／２波長ずれたことになり、波長変換素子に図中左向きに入射した基本波の偏光方向は、紙面水平方向になっている。

したがって、波長変換装置６０の構成によれば、上記の左向きのパスでは、基本波はビーム径によらず全く波長変換されることなく、波長変換素子１３から出射されることとなる。波長変換素子１３から出射してλ／４波長板５６に入射した基本波１１は、λ／４回転偏光に変換された後、凹面ミラー５１で反射されて再度λ／４波長板５６に入射される。これにより、波長変換素子１３に入射する第二パス目１６ｂの基本波の偏光方向は、紙面垂直方向となる。このため、この第二パス目１６ｂの基本波は、波長変換素子１３内でその一部が波長変換され、波長変換素子１３から出射される。

即ち、図５の紙面右方向に伝播する基本波は紙面垂直方向に偏光する一方、紙面左方向に伝播する基本波は、紙面に平行な方向に偏光している。そのため、例えば、凹面ミラー５１・５２として、球面ミラーを用いた場合に、第二高調波に変換されずに残った基本波が、仮に第一パス目１６ａと同じ位置を逆方向に伝播したとしても、当該基本波は偏光ビームスプリッタ５５で紙面下方向に反射される。このため、上記の基本波が、レーザ光源１２に戻ることは無く、ディフューザ等で適切に処理することで、迷光や戻り光による問題を回避することができる。

なお、前述の実施の形態１の構成でも、上記と同様の効果を得ることができる。即ち、実施の形態１に係る波長変換装置１０（図１）の構成において、波長変換素子１３の左右両側にλ／４波長板を配置すれば、図１中、紙面の片側のみから第二高調波を出力することができる。

例えば、波長変換装置６０（図５）と同様に、図１中紙面左向きにのみ第二高調波が生成されるように、λ／４波長板と基本波１１の偏光方向を設定すれば、紙面左側からのみ第二高調波を波長変換素子１３の外に出射させることができる。そして、図１中、紙面右側の最終パス１６ｅからは基本波のみが波長変換装置１０の外に取り出されることになる。この結果、基本波と第二高調波とを簡便に分離することができる。

尚、実施の形態１の波長変換素子１３と同様に、本実施の形態に係る波長変換素子１３はバルク型の素子に適用できるのは言うまでもない。また、本実施の形態に係る波長変換素子１３は、スラブ型導波路にも適用可能である。

（実施の形態３）
本発明のさらに他の実施の形態について、図６Ａないし図８Ｂを参照し以下に説明する。

図６Ａは、従来の波長変換素子の分極反転構造を示す説明図である。図６Ｂは、本実施の形態に係る波長変換素子の分極反転構造の一例を示す説明図である。図６Ｃは、本実施の形態に係る波長変換素子の分極反転構造の他の例を示す説明図である。図７Ａは、本実施の形態に係る波長変換素子の分極反転構造のさらに他の例を示す説明図である。図７Ｂは、本実施の形態に係る波長変換素子の分極反転構造のさらに他の例を示す説明図である。

従来の波長変換素子１００は、図６Ａに示すように、周期Ｔ１の分極反転構造１０１が光路進行方向にそって、素子全体に配列されている。波長変換素子１００は、このような分極反転構造を備えることにより、位相が揃った高効率な波長変換を行うことができる。

これに対し、本実施の形態に係る波長変換装置は、図６Ｂに示す分極反転構造を有する波長変換素子１０２を備えている。なお、分極反転構造以外の基本的構成については、実施の形態１または実施の形態２の波長変換装置と共通している。したがって、前述の各波長変換装置と共通する部材等については同様の参照符号を付してその説明については適宜省略する。したがって、図１、図２等に示す波長選択ミラー１４ａ〜１４ｄ等の図示は省略する。

本実施の形態に係る波長変換素子１０２は、例えば、図６Ｂに示すように、第一パス目を構成する分極反転周期については、図中ＴＳからＴＬの範囲で幅を持たせている。

一般に、位相整合条件からずれた分極反転周期からは、低い変換効率でしか、第二高調波に変換できないことが知られている。本実施の形態では、第一パス目での変換効率を低く抑えるために、第一段目の複数の分極反転周期のうちの、一番短い周期ＴＳから一番長い周期ＴＬまで広く幅を持たせている。具体的には、波長変換素子１０２は、例えば、分極反転構造１０３の周期Ｔ２を７．０００ｕｍとすると、一番目の光路の周期は、ＴＳ＝６．９９５ｕｍ、ＴＬ＝７．０００ｕｍ程度の幅をもたせればよい。すなわち、前段の光路を構成する部分の分極反転周期の幅は広く持たせ、後段の光路になるほど、分極反転周期の幅が狭くなる（均一な分極反転周期を持つ）ように設計すれば、ビーム径をパス毎に制御することなく、後段ほど変換効率を上げることができる。これにより、波長変換素子１０２の発熱に起因した変換効率の低下の問題を回避しつつ、高い変換効率で、基本波から第二高調波への波長変換が可能な波長変換装置を実現することができる。

さらに、所定光量の基本波を、どんなに細いビーム径で波長変換素子１０２に入射しても、波長変換素子の発熱に起因した問題が生じないように、分極反転周期の幅を設計することが望ましい。これにより、各段における基本波のビーム径を精密に制御することなく、波長変換素子の発熱に起因した第二高調波への変換効率の低下を防止することができる。さらに、波長選択ミラー（不図示）の曲率精度を緩和することができるという利点がある。

本実施の形態に係る波長変換装置に係る波長変換素子として、図６Ｃに示す分極反転構造を有する波長変換素子１０４を用いてもよい。波長変換素子１０４は、図６Ｃに示すように、第１パス目の光路では、波長変換に寄与する周期Ｔ３の分極反転構造１０５を一部にのみ持たせ、当該周期Ｔ３の分極反転構造１０５が形成された以外の領域には、波長変換に寄与しないダミー領域１０６を形成している。このダミー領域１０６には、波長変換に寄与する周期Ｔ３とは大きく違う周期の分極反転構造１０６ａを形成することが望ましい。

具体的には、分極反転構造１０５の周期Ｔ３を７．０００ｕｍとした場合、分極反転構造１０６ａの分極反転周期を７．１０００ｕｍ程度にすればよい。これにより、波長変換素子１０４中で発生した第二高調波によって誘起される屈折率変化（光損傷）の発生を抑制することができる。これにより、基本波と生成した第二高調波のプロファイルを高品質に維持したまま波長変換素子１０４の外部へ第二高調波を取り出すことができる。この結果、ハイパワーであっても優れた品質の第二高調波を生成することができる波長変換装置が可能となる。

本実施の形態に係る波長変換装置に係る波長変換素子として、図７Ａに示す分極反転構造を有する波長変換素子１１０を用いてもよい。

波長変換素子１１０は、図７Ａに示すように、波長変換の各段ごとに分極反転の周期を変えた構成としている。すなわち、入射口１１１ａに近い光路の分極反転の周期をＴ４、入射口１１１ａと出射口１１１ｂの間にある所定の段の分極反転の周期をＴ５、最終段の分極反転の周期をＴ６とした場合、例えばＴ４＝７．０００ｕｍ、Ｔ５＝７．００１ｕｍ、Ｔ６＝７．００２ｕｍとしている。

さらに、最終段の出力が最も大きくなるように、ペルチェ素子（不図示）の温度を制御すれば、前段の光路の変換効率を抑え、波長変換素子１１０の発熱に起因する問題を回避しつつ、波長変換装置の小型化及び、波長変換素子１１０での基本波から第二高調波への変換効率を、全体として向上させることができる。

また、例えば、Ｔ４＝７．００２ｕｍ、Ｔ５＝７．００１ｕｍ、Ｔ６＝７．０００ｕｍと徐々に周期を短くして、最終段の出力が最も大きくなるようにペルチェ素子の温度を制御する構成でも、上記と同様の効果を奏することができる。また、図７Ａの構成において、Ｔ４よりも短い周期や、Ｔ６の周期よりも長い周期を設け、周期に余裕を持たせて設定することが望ましい。これにより、基本波のパワーを変えた場合でも、第一パス目の基本波の入射位置をスライドさせることで、波長変換素子の発熱に起因した問題が発生しない範囲で最も効率の高い入射位置を見つけることができる。この結果、異なる出力の基本波を用いる場合であっても、同一の波長変換素子を用いることができるため、製造コストを削減することができる。

本実施の形態に係る波長変換装置に係る波長変換素子として、図７Ｂに示す分極反転構造を有する波長変換素子１１２を用いてもよい。

また、図７Ｂに示す波長変換素子１１２は、図６Ａに示す従来の波長変換素子１００を台形に切断したものである。波長変換素子１１２では、入射口１１３ａを台形の短辺側、出射口１１３ｂを台形の長辺側としている。このように、単純に波長変換素子１１２における前段の光路の長さを、後段の光路の長さよりも短くすることでも、前段の光路の変換効率を抑え、波長変換素子１１２の発熱に起因する問題を回避しつつ、波長変換装置の小型化及び、波長変換素子１１２での基本波から第二高調波への変換効率を、全体として向上させることができる。

また、本波長変換素子１１２の構成によれば、仮により高いパワーの基本波を用いる場合であっても、素子長をより短く切断するだけで、同じ波長変換素子を用いることができるため、基本波のパワーに合わせて異なる種類の波長変換素子を設計、製造する必要がないため、製造コストを削減することができる。

図８Ａは、本実施の形態に係る波長変換素子１２０の分極反転構造の一例を示す説明図である。図８Ｂは、図８Ａの８Ｂ−８Ｂ矢視断面図である。一般に、分極反転構造は、図８Ｂに示す通り、深さ方向に鋸波状に形成されている。通常は分極反転のデューティー比が５０％となる図中深さＨ１の位置を基本波が伝搬すると、最も変換効率が高くなる。すなわち、後半の高い変換効率が望まれるパスは、このＨ１近傍の位置を伝搬することが望ましい。一方、前段の高い変換効率での波長変換を避けたいパスでは、図８Ｂに示す通り、デューティー比が５０％からずれた、例えば図８Ｂ中ΔＨシフトした位置を基本波が伝搬することで実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

この場合、例えば前段の光路に用いる場合、ΔＨ＝２００ｕｍ程度の位置（Ｈ１の上側下側どちらでも良い）を基本波が伝搬する変換効率を下げることができる。こうすることで、本実施の形態においても、小型かつトータルの変換効率に優れた波長変換装置を提供することが出来る。また、本実施の形態では、波長変換素子１２０の上下方向にビームの位置をずらすため、同一パス数を幅方向に単純に配列させる場合と比較して、波長変換素子１２０の幅を狭くすることができ、コンパクトな構成にすることができる。さらに、基本波のパワーを大きくした場合も、ΔＨの大きな位置に基本波を通すことで、簡便に変換効率を下げることができる。このため、基本波のパワーに合わせて異なる種類の波長変換素子を設計、製造する必要がなく、製造コストを削減することができる。

（実施の形態４）
本発明のさらに他の実施の形態について、図４、図９及び図１０を参照し以下に説明する。

図９は、本実施の形態に係る画像表示装置の概略構成を示す説明図である。実施の形態に係る画像表示装置には、上記で説明した実施の形態１ないし３で説明した波長変換装置を用いることができる。本実施の形態に係る画像表示装置１３０の概略構成を図面を参照し以下に説明する。

実施の形態に係る画像表示装置１３０は、図９に示すように、赤色レーザ光源（Ｒ光源）１３１ａ、緑色レーザ光源（Ｇ光源）１３１ｂ、及び青色レーザ光源（Ｂ光源）１３１ｃを備えている。赤色レーザ光源（Ｒ光源）１３１ａには、波長６４０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ装置を用いている。青色レーザ光源（Ｂ光源）１３１ｃには波長４５０ｎｍのＧａＮ系材料からなる半導体レーザ装置を用いている。緑色レーザ光源（Ｇ光源）１３１ｂには実施の形態１から３において示したうちの何れかの波長変換装置を用いている。

図９に示すように、本実施の形態の画像表示装置１３０は、上記の各レーザ光源１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃに対応して設けられた、レンズ１３９ａ、１３９ｂ、１３９ｃ、回転レンズアレイ１３３ａ、１３３ｂ、１３３ｃ、ロッドインテグレータ１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、フィールドレンズ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、及び液晶パネル１３５ａ、１３５ｂ、１３５ｃを備えている。ロッドインテグレータ１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃは、それぞれ対応するレーザ光源１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃを均一露光するためのものである。画像表示装置１３０は、さらに、クロスプリズム１３６、投射レンズ１３７、スクリーン１３８、レンズ１３９ｄを備えている。

次に本実施の形態の画像表示装置１３０の動作について説明する。Ｒ、Ｇ、Ｂ各レーザ光源１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃより出射された基本波レーザ光は、レンズ１３９ａ、１３９ｂ、１３９ｃで略平行光となり、回転レンズアレイ１３３ａ、１３３ｂ、１３３ｃを経てロットインテグレータ１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃに入射する。これらの回転レンズアレイ１３３ａ、１３３ｂ、１３３ｃを通過することにより、基本波レーザ光のパターンが時系列で変調される。このため、画像上のスペックルノイズが除去された、良好な画像を得ることができる。ロットインテグレータ１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃにて略均一な露光パターンに変換されたレーザ光は、フィールドレンズ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃを経て液晶パネル１３５ａ、１３５ｂ、１３５ｃを露光し、クロスプリズム１３６でＲ、Ｇ、Ｂを合波した後、投射レンズ１３７を経由してスクリーン１３８上に画像を形成する。Ｇ光源１３１ｂからの光路には、Ｒ光およびＢ光の光路長との関係で光路長を補償するためのレンズ１３９ｄが設けられている。

本実施の形態に係る画像表示装置１３０において、図１０に示すように、実施の形態１ないし３で示した多数本の第二高調波レーザ光をレンズ１３９ｂでロットインテグレータ１３２ｂに集光することで、高効率かつコンパクトな画像表示装置を構成することが可能になる。

具体的には、実施の形態２で示した波長変換装置５０（図４）から出射された各第二高調波を、レンズ１３９ｂにてロッドインテグレータ１３２ｂ（図１０）に集光する。このとき、それぞれの第二高調波がレンズ１３９ｂで略平行光に変換されるようにレンズ１３９ｂを配置することが望ましい。これにより、ロッドインテグレータ１３２ｂの入射端面上では、各画角から到着する第二高調波が平行ビームのまま集光され、数ミリ以下の小さなビーム径に集光することができる。このため細いロッドインテグレータを用いることができる。さらに、短いロッドインテグレータの距離でレーザ光を均一化することができるため、高効率かつコンパクトな画像表示装置１３０を構成することができる。また、図１０において、凹面ミラー５１、５２として、非球面ミラーを用いることが望ましい。実施の形態２でも説明したとおり、非球面ミラーを用いることにより、波長変換装置５１から出射する各第二高調波をレンズ軸５３と略平行にすることができる。このため、ロッドインテグレータ１３２ｂの入射端面での集光ビーム径をより小さくすることができ、画像表示装置１３０のさらなる小型化を図ることができる。さらに、図１０の構成において、ロットインテグレータ１３２ｂに入射する第二高調波の入射角は、各第二高調波のプロファイル（ビーム径、形状、拡がり角）には依存せず、一パス目、二パス目それぞれのパスから出射する第二高調波レンズ軸５３からの距離にのみ依存する。このため、仮にレーザ光源１２から出射する基本波のプロファイルが変動したとしても、一パス目、二パス目の第二高調波の位置は変動しないため、ロッドインテグレータ１３２ｂに入射する第二高調波の入射角は変動せず、結果的にロッドインテグレータ１３２ｂから出射する第二高調波は、ビーム径、拡がり角ともに、レーザ光源１２のプロファイル変動の影響を受けにくくなる。したがって、上記の波長変換装置を用いた本実施の形態に係る画像表示装置１３０は、輝度均一性の変動の無い、高画質な画像を表示することができる。

（実施の形態５）
本発明のさらに他の実施の形態について、図１０及び図１１を参照し以下に説明する。

図１１は、Ｇレーザ光源を含むバックライト装置を用いた、本実施の形態に係る画像表示装置の概略構成を示している。Ｇレーザ光源としては、実施の形態１ないし３で示したＧレーザレーザ光源を用いることができる。本実施の形態に係る液晶表示装置（画像表示装置）１４０は、図１１に示すように、液晶表示パネル１４１と、液晶表示パネル１４１を背面側から照明するバックライト装置１４５とから構成されている。液晶表示パネル１４１は、偏光板１４３ａ・１４３ｂと、これらの偏光板１４３ａ・１４３ｂに挟まれた液晶板１４６とから構成されている。バックライト装置１４５は、レーザ光源１４２、導光板１４４及びファイババンドル１４７を備えている。レーザ光源１４２は、Ｒレーザ光源１４２ａ、Ｇレーザ光源１４２ｂ、Ｂレーザ光源１４２ｃから構成されている。ファイババンドル１４７は、レーザ光をバンドルして導光板１４４へ導いている。

実施の形態４と同様に、Ｒレーザ光源１４２ａには波長６４０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ装置を、Ｂレーザ光源１４２ｃには波長４５０ｎｍのＧａＮ系材料からなる半導体レーザ装置を用いている。また、Ｇレーザ光源１４２ｂには、実施の形態１ないし３で示した何れかの波長変換装置を適用している。

次に、本実施の形態の液晶表示装置１４０の動作について説明する。Ｒレーザ光源１４２ａ、Ｇレーザ光源１４２ｂ、及びＢレーザ光源１４２ｃから出射された各レーザ光は、ファイババンドル１４７によりバンドルされて白色光となった後、導光板１４４に導入され、導光板１４４内に拡散する。導光板１４４は、例えば拡散ビーズを点在させた様な拡散板を用いることで、略均一な光量分布を得る事が可能である。導光板１４４の図示しない表面から出射したレーザ光は、液晶パネル１４１を照明する。そして、偏光板１４３ａにより導光板１４４からの照明光の内所定方向の偏光光のみが液晶板１４６を照明し、１４３ａの偏光方向とクロスニコルに配置された偏光板１４３ｂを透過した光を画像として視認することとなる。

この構成において、Ｇレーザ光源１４２ｂは実施の形態１ないし３において示した波長変換装置を用いており、実施の形態１から３において示した多数本レーザ光をファイババンドル１４７に結合する。このため、図１０に示したような光学系を用いて、多数本のレーザ光をファイバ端部に集光して結合させることができる。即ち、ファイババンドル１４７への結合は、実施の形態４の図１０のロッドインテグレータ１３２をファイバに変えればよい。こうすることで、仮に基本波レーザ光源１２から出射する基本波のプロファイルが変動したとしても、ファイババンドル１４７に入射する第二高調波の入射角は変動せず、ファイババンドル１４７から出射する第二高調波は、ビーム径、拡がり角ともに、レーザ光源１２のプロファイル変動の影響を受けにくくなり、液晶表示装置（画像表示装置）１４０は、輝度均一性の変動の無い、高画質な画像を表示することができる。ここでは、導光板１４４までの導光手段としてファイババンドル１４７を用いたが、実施の形態４と同様に、ロッドインテグレータで導光し、クロスプリズムでＲ、Ｇ、Ｂ各レーザ光を合波して導光板１４４に入射してもよい。

上記の構成により、実施の形態１から３で示した様な多数本のレーザ光を用いて、高効率かつコンパクトな液晶表示装置１４０を構成することが可能になる。

以上のように、本発明の一局面に係る波長変換装置は、基本波を出射するレーザ光源と、前記基本波を第二高調波に変換する波長変換素子と、変換されずに前記波長変換素子を透過した前記基本波を反射すると共に、波長変換された前記第二高調波を透過する波長選択ミラーを含む光学系と、を備え、前記光学系は、変換されずに前記波長変換素子を透過した前記基本波を、前記波長選択ミラーにより、前記波長変換素子に１回以上、集光させながら再入射し波長変換するものであって、ある入射段の変換効率を、（その段で得られた前記第二高調波）／（その段に入射した前記基本波の自乗）で定義するとき、前記光学系は二段目以降の少なくとも一つの段の変換効率が一段目の変換効率よりも高くなるように設定されている。

上記の構成によれば、一段目の波長変換効率が二段目以降の少なくとも一つの段の変換効率よりも低くなるように、光学系を設定している。このように、基本波の光量が大きく、発素子内で光の吸収に起因する発熱が顕著に現れる一段目の波長変換効率を低く抑えることで、一段目に大出力の基本波を入射した場合でも、発熱による変換効率の低下を防止することができる。また、前記光学系により前記波長変換素子へ複数回基本波を入射させるため、波長変換装置の小型化を図ることができる。これらの結果、波長変換装置の小型化を実現しつつ、全体として変換効率の向上を図ることができる波長変換装置を提供することができる。

上記の構成において、前記波長変換装置は、所定の基本波光量において前記一段目に入射する基本波から第二高調波への変換効率ηが、η＜（1.068×2ω³×d_eff ²×Ｌ）／（π×εo×c⁴×n_w ²）、（ωは基本波の角振動数、d_effは実効非線形光学定数、Ｌは素子長、εoは真空の誘電率、n_w は基本波に対する屈折率、cは光速）を満たし、前記光学系は、一段目に入射する基本波のビームウエスト径より、二段目以降の少なくとも一つの段のウエスト径を細くすることが望ましい。

前記波長変換素子に対して基本波を一度だけ入射して第二高調波を得る場合、最適な集光条件化では、基本波から得られる第二高調波Ｐ_2wは、最大で（1.068×2ω³×d_eff ²×Ｌ）／（π×εo×c⁴×n_w ²）となることがわかっている。

そこで、上記の構成によれば、前記波長変換装置は、所定の基本波光量において前記一段目に入射する基本波から第二高調波への変換効率ηが、η＜（1.068×2ω³×d_eff ²×Ｌ）／（π×εo×c⁴×n_w ²）を満たし、前記光学系を、一段目に入射する基本波のビームウエスト径より、二段目以降の少なくとも一つの段のウエスト径が細くなるように設定している。すなわち、一段目の波長変換効率ηが、上式の右辺を満たすような最大値よりも小さくなるように抑えている。

また、基本波の光量が大きく、波長変換素子内で光の吸収に起因する発熱が顕著に現れる一段目の変換効率を下げているため、一段目に大出力の基本波を入射した場合でも、発熱による波長変換効率の低下を回避することができる。したがって、通常は高出力の基本波を入射すると、発熱により変換効率の低下が発生する波長変換素子を用いた場合であっても、発熱による変換効率の低下を防止することができる。

上記の構成において、前記波長変換素子は分極反転素子であり、前記光学系は、前記分極反転素子における分極反転構造に対する基本波の傾きが、一段目よりも二段目以降の少なくとも一つの段の方が９０°に近くなるように設定されてなることが望ましい。

前記分極反転素子における分極反転構造に対する基本波の傾きは、９０°に近づくほど、基本波から第二高調波への波長変換効率が高くなる。そこで、上記の構成によれば、一段目における前記分極反転構造に対する基本波の傾きが、後段の何れかの段よりも９０°に近くならないようにして、一段目における波長変換効率を抑えている。

この結果、前段での波長変換素子の発熱による波長変換効率の低下を回避することができるため、全体として波長変換効率の向上を図ることができる波長変換装置を実現することができる。

上記の構成において、前記波長変換素子は分極反転素子であり、各段の基本波が透過する位置の前記分極反転素子の分極反転周期が所定の周期範囲に設定されており、一段目の分極反転周期の周期範囲よりも、二段目以降の少なくとも一つの段の分極反転構造の周期範囲の方が狭く設定されていることが望ましい。

上記の構成によれば、一段目の複数の分極反転周期のうちの、一番短い周期から一番長い周期まで広く幅を持たせる（一段目の周期範囲を広くする）ことによって、一段目の波長変換効率を低く抑えることができる。そして、一段目の分極反転周期の周期範囲よりも、二段目以降の少なくとも一つの段の分極反転構造の周期範囲の方が狭くなるように設定して、一段目における波長変換効率を抑えている。

この結果、前段での波長変換素子の発熱による波長変換効率の低下を回避することができるため、全体として波長変換効率の向上を図ることができる波長変換装置を実現することができる。

上記の構成において、前記波長変換素子は分極反転素子であり、各段の前記基本波が透過する位置の前記分極反転素子の分極反転構造が、所定温度にて波長変換に寄与する分極反転周期を持つ変換領域と、所定温度にて波長変換に寄与しない分極反転周期を持つダミー領域と、を含み、前記変換領域の割合が、二段目以降の少なくとも一つの段において、一段目よりも高くなるように設定されていることが望ましい。

前記波長変換素子として、分極反転素子を用いた場合、各段の基本波が透過する位置の前記分極反転素子の分極反転周期に関し、前記波長変換に寄与する分極反転周期を持つ変換領域の割合が高い方ほど、基本波から第二高調波への波長変換効率が高くなる。そこで、上記の構成によれば、一段目の分極反転周期における前記変換領域の割合よりも、二段目以降の少なくとも一つの段における前記変換領域の割合の方が高くなるように設定して、一段目における波長変換効率を抑えている。

この結果、前段での波長変換素子の発熱による波長変換効率の低下を回避することができるため、全体として波長変換効率の向上を図ることができる波長変換装置を実現することができる。

上記の構成において、前記波長変換素子は、前記基本波の進行方向に直交する厚み方向に分極反転周期が異なっている分極反転素子であり、前記光学系は、二段目以降の少なくとも一つの段が、一段目よりも分極反転のデューティー比が５０％に近くなるような厚み方向の位置を前記基本波が通過するようにすることが望ましい。

一般に、分極反転構造における分極反転のデューティー比が、５０％に近くなるような厚み方向の位置を前記基本波が通過するほど、基本波から第二高調波への波長変換効率が高くなる。そこで、上記の構成によれば、前記光学系は、二段目以降の少なくとも一段が、一段目よりも分極反転のデューティー比が５０％に近くなるような厚み方向の位置を前記基本波が通過するように設定して、一段目における波長変換効率を抑えている。

この結果、前段での波長変換素子の発熱による波長変換効率の低下を回避することができるため、全体として波長変換効率の向上を図ることができる波長変換装置を実現することができる。

上記の構成において、前記波長変換素子は分極反転素子であり、各段の前記基本波が透過する位置の分極反転周期は伝搬方向に一様であり、かつ前段から後段になるにつれて単調増加もしくは単調減少させることが望ましい。

上記の構成によれば、前段の分極反転周期が短い場合は後段になるにつれて単純増加するように、逆に前段の分極反転周期が長い場合は後段になるにつれて単純減少するように設定し、後段になるにつれて波長変換効率を向上させることができる。これにより、前段での波長変換素子の発熱による波長変換効率の低下を抑制することができるため、全体として高効率で第二高調波に変換することができる波長変換装置を実現することができる。

また、分極反転周期として短い周期から長い周期まで幅を持たせて設定すれば、一つの波長変換素子で、異なるパワーの基本波に対応させることができるため、製造コストの低減を図ることができる。

上記の構成において、前記波長選択ミラーは、第三高調波を透過する波長選択膜を備えていることが望ましい。

上記の構成によれば、前記波長選択膜を備えることにより、第三高調波に依存する素子の発熱をも抑えることができる。これにより、波長変換素子の発熱をさらに抑えることができるため、波長変換素子の発熱に起因した波長変換効率の低下をより効果的に防止することができる。この結果、全体として高効率で高調波に変換することができる波長変換装置を実現することができる。

上記の構成において、液晶表示パネルと、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装置と、を備え、前記バックライト装置は、赤色、緑色および青色をそれぞれ出射する複数のレーザ光源を含み、前記レーザ光源のうち、緑色のレーザ光源が、前記何れかの構成の波長変換装置を含むことが望ましい。

上記の構成において、スクリーンと、赤色、緑色および青色のレーザ光をそれぞれ出射する複数のレーザ光源を用いた構成からなり、前記レーザ光源のうち緑色のレーザ光源が、前記何れかの構成の波長変換装置を含むことが望ましい。

上記の構成により、小型化及び低消費電力を実現しつつ、全体として高効率で高調波に変換することができる、カラー画像の表示が可能な画像表示装置を実現することが出来る。

上記の構成において、さらに、ファイババンドルまたはロッドインテグレータを含み、前記波長変換装置から出射した第二高調波を、前記ファイババンドルまたはロッドインテグレータに入射させることが望ましい。

上記の構成によれば、輝度むらのない、高画質な画像を表示することができる画像表示装置を実現することができる。

上記の構成において、前記波長変換装置の波長選択ミラーとして、非球面ミラーを用いることが望ましい。

上記の構成によれば、前記波長変換装置の波長選択ミラーを、非球面レンズで構成している。これにより、前記ファイババンドル又はロッドインテグレータ入射端面でさらに小さくビームを集光することができる。この結果、画像表示装置をさらに小型化することができる。

本発明は、高効率かつＷ級の緑色の高出力レーザ光を出射する高効率かつコンパクトな波長変換装置、および、波長変換装置をレーザ光源に用いた高品質な画像表示装置を提供するものであり、大型ディスプレイ装置や高輝度ディスプレイ装置などに有用である。

なお、発明の詳細な説明の項においてなされた具体的な実施態様または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求事項との範囲内で、種々変更して実施することができるものである。

Claims (12)

1. 基本波を出射するレーザ光源と、
   前記基本波を第二高調波に変換する波長変換素子と、
   変換されずに前記波長変換素子を透過した前記基本波を反射すると共に、波長変換された前記第二高調波を透過する波長変換ミラーを含む光学系と、を備え、
   前記光学系は、前記基本波を前記波長変換素子内に集光点を持つように集光させながら入射させると共に、変換されずに前記波長変換素子を透過した前記基本波を、前記波長選択ミラーにより、一回以上、前記波長変換素子内に集光点を持つように集光させながら再入射させ波長変換するものであって、前記波長変換素子内における各集光点を点在させており、
   ある入射段の変換効率を、（その段で得られた前記第二高調波）／（その段に入射した前記基本波の自乗）で定義するとき、前記光学系は二段目以降の少なくとも一つの段の変換効率が一段目の変換効率よりも高くなるように設定してなることを特徴とする、波長変換装置。
2. 前記波長変換装置は、所定の基本波光量において前記一段目に入射する基本波から第二高調波への変換効率ηが、
   η ＜（1.068×2ω³×d_eff ²×Ｌ）／（π×εo×c⁴×n_w ²）
   （ωは基本波の角振動数、d_effは実効非線形光学定数、Ｌは素子長、εoは真空の誘電率、n_w は基本波に対する屈折率、cは光速）を満たし、
   前記光学系は、一段目に入射する基本波のビームウエスト径より、二段目以降の少なくとも一つの段のウエスト径を細くすることを特徴とする、請求項１に記載の波長変換装置。
3. 前記波長変換素子は分極反転素子であり、
   前記光学系は、当該分極反転素子における分極反転構造に対する基本波の傾きが、一段目よりも、二段目以降の少なくとも一つの段の方が９０°に近くなるように設定されてなる、請求項１に記載の波長変換装置。
4. 前記波長変換素子は分極反転素子であり、
   各段の基本波が透過する位置の前記分極反転素子の分極反転周期が所定の周期範囲に設定されており、一段目の分極反転周期の周期範囲よりも、二段目以降の少なくとも一つの段の分極反転構造の周期範囲の方が狭く設定されてなる請求項１に記載の波長変換装置。
5. 前記波長変換素子は分極反転素子であり、
   一段目の前記基本波が透過する位置の前記分極反転素子の分極反転構造が、所定温度にて波長変換に寄与する分極反転周期を持つ変換領域と、所定温度にて波長変換に寄与しない分極反転周期を持つダミー領域と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の波長変換装置。
6. 前記波長変換素子は、前記基本波の進行方向に直交する厚み方向に分極反転周期が異なっている分極反転素子であり、
   前記光学系は、二段目以降の少なくとも一段が、一段目よりも分極反転のデューティー比５０％に近くなるような厚み方向の位置を前記基本波が通過するようにすることを特徴とした、請求項１に記載の波長変換装置。
7. 前記波長変換素子は分極反転素子であり、各段の前記基本波が透過する位置の分極反転周期は伝搬方向に一様であり、かつ前段から後段になるにつれて単調増加もしくは単調減少させたことを特徴とする、請求項１に記載の波長変換装置。
8. 前記波長選択ミラーは、第三高調波を透過する波長選択膜を含むことを特徴とする、請求項１ないし７の何れか１項に記載の波長変換装置。
9. 液晶表示パネルと、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装置と、を備え、前記バックライト装置は、赤色、緑色および青色をそれぞれ出射する複数のレーザ光源を含み、前記レーザ光源のうち、緑色のレーザ光源が請求項１から８のいずれか１項に記載の波長変換装置を含むことを特徴とする画像表示装置。
10. スクリーンと、
    赤色、緑色および青色のレーザ光をそれぞれ出射する複数のレーザ光源を用いた構成からなり、前記レーザ光源のうち、緑色の光源が請求項１ないし８の何れか１項に記載の波長変換装置を含むことを特徴とする画像表示装置。
11. さらに、ファイババンドルまたはロッドインテグレータを含み、
    前記波長変換装置から出射した第二高調波を、前記ファイババンドルまたはロッドインテグレータに入射させることを特徴とする、請求項９または１０に記載の画像表示装置。
12. 前記波長変換装置の波長選択ミラーが非球面ミラーであることを特徴とする、請求項１１に記載の画像表示装置。

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