波长转换激光光源及图像显示装置.pdf

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式的波长转换激光光源进行说明。另外，在各附图中，相同的符号表示相同的结构要素或具有相同的作用及动作的对象。

(实施方式1)

图1及图2是表示本发明实施方式1的波长转换激光光源结构的一个例子的图，图1是从上面看到的本实施方式的波长转换激光光源的结构的图，图2是从侧面看到的图1所示的波长转换激光光源的结构的图。下面，将图1中的箭头10以及图2中的箭头11所示的方向分别作为元件宽度方向(波长转换元件3的宽度方向)和元件厚度方向(波长转换元件3的厚度方向)。

在图1及图2中，1表示用于生成基波的基波激光光源，2表示用于聚光基波的聚光光学系统，3表示用于将基波转换为第二谐波的波长转换元件，4表示具有曲率R1的第一凹面镜，5表示具有与曲率R1不同的曲率R2的第二凹面镜，6表示用于控制波长转换元件3的温度的温度控制元件，7表示用于固定波长转换元件3的元件固定台，18表示作为基波激光遮光部的基波吸收部(基波遮光部的一个例子)。

温度控制部8包括温度控制元件6及元件固定台7，温度控制部8被配置成其一主面与波长转换元件3的一主面相邻接。基波吸收部18被配置在第一凹面镜4与温度控制部8之间，用于防止无法射入波长转换元件3的基波被温度控制部8所吸收，从而减少由温度控制部8吸收的基波的光量。另外，如图2所示，基波吸收部18的上面最好被设置在不遮挡从波长转换元件3射向第一凹面镜4的基波及第二谐波、但遮挡被第一凹面镜4反射的基波的位置，例如设置在波长转换元件3与元件固定台7的接触面的高度。

此外，图1及图2中所示的9表示作为通过第一凹面镜4、第二凹面镜5以及波长转换元件3的中心的轴的中心轴，12所示的虚线示意性地表示基波激光的光路和本实施方式中构成波长转换激光装置的光学系统内的聚光状态。

在此，作为基波激光光源1，使用光纤激光光源，聚光光学系统2包含准直透镜和平凸透镜。此外，第1凹面镜4使用焦距f1＝25mm的凹面镜，第2凹面镜5使用焦距f2＝20mm的凹面镜。此外，波长转换元件3采用具有周期状极化反转结构的MgO:LiNbO₃晶体(PPLN)。波长转换元件3的长度(中心轴9方向的长度)为26mm，宽度(箭头10方向的长度)为10mm，厚度(箭头11方向的长度)为0.5mm。

此外，第一凹面镜4具有基波的反射率高且第二谐波的透射率大的涂层，第二凹面镜5具有基波和第二谐波的反射率都高的涂层。而且，第一凹面镜4和第二凹面镜5被配置成其凹面部面对面，将波长转换元件3配置在两个凹面镜4、5之间。

图3是从中心轴9方向看到的第二凹面镜5的正视图。第一凹面镜4为圆形，但如图3所示，第二凹面镜5从圆形凹面镜切断其下部(图中的虚线表示的区域)，具有用于让基波激光光源1生成的基波射入波长转换元件3的切口区域CA。另外，切口区域CA的形状并不特别限定于上述的例子，只要能够让基波激光光源1生成的基波射入波长转换元件3，也可以使用其他的形状。

温度控制元件6与采用热传导率高的铜的元件固定台7构成温度控制部8，元件固定台7和波长转换元件3通过散热性及热传导性高的粘合剂(adhesive)被固定而接触。在本实施方式中，作为温度控制元件6使用珀耳帖元件(Peltier element)，利用省略图示的控制电路等控制温度控制元件6，使珀耳帖元件的温度也就是波长转换元件3的温度达到指定的温度。

作为基波激光遮光部的基波吸收部18，例如使用吸收基波的彩色玻璃滤光器，被配置在温度控制部8与第一凹面镜4之间。作为彩色玻璃滤光器，例如在基波的波长为1064nm的情况下，可以使用吸收99％以上1064±1nm频带(frequency band)的光的长方形的吸收滤光器。另外，基波吸收部18的形状并不特别限定于上述的例子，只要能够吸收不需要的基波，也可以采用其他形状。

下面，对采用如上所述结构的波长转换激光光源的动作及功能进行说明。首先，从基波激光光源1振荡的基波(以下也称作基波激光)通过聚光光学系统2而被聚光。此时，在本实施方式中，切断第二凹面镜5的一部分，基波从切口区域CA即不存在第二凹面镜5的区域与中心轴9平行地射入波长转换元件3。

两个凹面镜4、5以不成为共焦配置(confocal arrangement)的间隔加以配置，并且，通过使用具有不同焦距的凹面镜4、5，形成基波在凹面镜4、5之间反射期间能够在波长转换元件3内部设置多个聚光点的结构。通过以不成为共焦配置的间隔来配置凹面镜4、5，能够防止聚光点在波长转换元件3内集中于一点，防止波长转换元件3的损坏或局部发热。而且，通过该光学配置，基波在凹面镜4、5之间往返，反复通过波长转换元件3达10次以上。

在此，使两个凹面镜4、5的曲率R1、R2满足R1＞R2。即，使两片凹面镜4、5的焦距f1、f2满足f1＞f2。通过该设计，例如在图1中，从第二凹面镜5向第一凹面镜4前进的基波被聚光，从第一凹面镜4返回至第二凹面镜5的基波成为大致平行光。

本实施方式将从一个凹面镜朝向另一个凹面镜的基波的光路作为一个光学路径(optical path)，将基波第n次通过波长转换元件3的路径作为第n个路径。因此，基波通过聚光光学系统2而被聚光，射入波长转换元件3的基波的一部分被转换为第二谐波，未被波长转换的剩余的基波与被波长转换后的第二谐波一起到达第一凹面镜4(第1个路径)。

接着，未被波长转换的基波被第1凹面镜4反射，第二谐波透过第1凹面镜4并输出到外部。被第一凹面镜4反射的基波再次射入波长转换元件3，一部分被转换成第二谐波，并到达第二凹面镜5(第2个路径)。

接着，被第二凹面镜5反射的基波和第二谐波再次射入波长转换元件3，基波的一部分被转换成第二谐波，并到达第一凹面镜4(第3个路径)。

如上所述，形成基波在两个凹面镜4、5之间往返期间反复通过波长转换元件3并产生第二谐波的结构。由于第一凹面镜4被施以提高针对第二谐波的透射率的涂层，所以产生的第二谐波从第一凹面镜4一侧向外部输出。此时，通过温度控制部8控制波长转换元件3的温度以使第二谐波输出达到最大。

通过以上的结构，与仅通过波长转换元件3一次的以往的波长转换激光光源相比，能够提高波长转换效率。

此外，较为理想的是，在从第二凹面镜5朝向第一凹面镜4方向的路径时(在第奇数个路径时)进行控制使基波在波长转换元件3内聚光。此时，在从第一凹面镜4朝向第二凹面镜5的路径时(在第偶数个路径时)的基波成为大致平行光，从基波向第二谐波的波长转换与第奇数个路径相比减小至可以忽略的程度。通过以上的结构，与仅通过波长转换元件3一次的以往的波长转换激光光源相比，能够使从基波到第二谐波的波长转换效率成为两倍。

此外，在本实施方式的波长转换激光光源中，在每个通过路径，基波射入波长转换元件3的角度都有所变化，在各路径中，满足相位匹配条件的基波的波长、非线性光学材料(波长转换元件3)的折射率(温度)等相位匹配条件根据基波的入射角而不同。即，在对某一波长的基波进行波长转换时，由于在各路径满足相位匹配条件的波长转换元件3的温度有所不同，因此波长转换元件3的温度即使偏离满足某一个路径的相位匹配条件的温度，也会和其他路径的相位匹配条件取得一致，从而具有抑制波长转换效率的降低的效果。

例如，在图23所示的以往结构的情况下，温度允许幅度(半值全宽(full width at half-maximum))为1.1度，而本实施方式的温度允许幅度(半值全宽)为2.6度，能够具有以往结构的两倍以上的温度允许幅度。

此外，射入波长转换元件3的基波的光束直径在两个凹面镜4、5之间往返期间扩大。图4是表示将第一凹面镜4的焦距f1设定为25mm、将第二凹面镜5的焦距f2设定为20mm时，各路径中基波射入波长转换元件3的位置的说明图，图5是表示各路径的在基波射入波长转换元件3的位置(例如图4所示的位置)的基波的光束直径的图。

此外，图6是表示将第一凹面镜4的焦距f1设定为25mm、将第二凹面镜5的焦距f2设定为20mm时，在波长转换元件3的中心位置的各路径的基波的位置的说明图，图7是表示各路径的在波长转换元件3的中心位置(例如图6所示的位置)的基波的光束直径的图。另外，图5及图7的横轴表示路径数，纵轴表示基波的光束直径(mm)。

从图5可知，基波在凹面镜4、5之间往返期间其光束直径超过波长转换元件3的厚度0.5mm(显示在图5中的虚线上方)，从而基波的一部分不会射入波长转换元件3。此外，如图7所示，选择聚光光学系统2，使得在第1个路径中基波的光束直径成为最佳聚光光束直径。从前面所述可知，在第奇数组OG的路径时，波长转换元件3内具有聚光点，另一方面，在第偶数组EG的路径时，不具有聚光点。

如上所述，由于基波的光束直径发生变化，因此在本实施方式中，较为理想的是，至少在第一凹面镜4与温度控制部8之间配置基波吸收部18。以下说明其理由。

这是因为，在基波被第一凹面镜4反射并射入波长转换元件3的第偶数个路径中，基波的光束直径超过波长转换元件3的厚度(例如图5中的第8个路径)，基波照射到元件固定台7并且被吸收的光量增多，与此相对，在基波被第二凹面镜5反射并射入波长转换元件3的第奇数个路径中，与第偶数个路径相比，在射入波长转换元件3的位置的光束直径较小，照射到元件固定台7并且被吸收的基波的光量较少。

在此，由于元件固定台7的温度变化依赖于照射并被吸收的基波的光量，因此，通过将基波吸收部18设置在第一凹面镜4与温度控制部8之间，能够有效地抑制元件固定台7的温度变化，其结果是实现第二谐波输出稳定的光源。

这样，在本实施方式中，通过将基波吸收部18配置在温度控制元件6与第一凹面镜4之间，由基波吸收部18吸收未被波长转换的不需要的基波，具有防止基波被温度控制部8吸收的作用。通过该作用，能够阻止由未被波长转换的基波造成的波长转换元件3的温度上升，从而减少第二谐波输出的降低。当然，也可以进一步在第二凹面镜5与温度控制部8之间设置基波吸收部，在此情况下，能够提供输出更加稳定的光源。

参照图8及图9具体地说明采用上述结构所取得的效果。图8是表示在采用省略基波吸收部18的结构(例如图4所示的结构)使波长转换激光光源在电流恒定控制下动作并进行调整使第二谐波输出约为6W时的第二谐波输出的时间变化的图，图9是表示在采用本实施方式的结构使波长转换激光光源在电流恒定控制下动作并进行调整使第二谐波输出约为6W时的第二谐波输出的时间变化的图。图8及图9的横轴表示时间(s)，纵轴表示第二谐波输出的标准化值。

在上述的各例子中，由温度控制部8来控制波长转换元件3的温度，但如图8所示，如果采用没有基波吸收部18的结构以6W的第二谐波输出进行3分钟以上的连续动作，则无法通过温度控制部8充分地控制波长转换元件3的温度，温度控制部8吸收不需要的基波，波长转换元件3的温度上升，第二谐波输出最大变动40％。另一方面，如图9所示，通过采用本实施方式的结构，由于基波吸收部18吸收不需要的基波，能够阻止由不需要的基波造成的波长转换元件3的温度上升，因此能够将第二谐波输出的变动抑制在3％以下，从而能够得到高输出并且稳定性高的波长转换激光光源。

此外，基波吸收部18也可以具备散热机构，该散热机构不会将吸收的基波所产生的热传递给温度控制部8而是向外部散热。图10是表示在图1所示的波长转换激光光源中增加了散热机构的例子的图。如图10所示，基波吸收部18通过散热性及热传导性较高的粘合剂而被固定到散热机构19上，散热机构19包括与基波吸收部18接合的固定部19a和将从固定部19a传递来的热向外部散热的多个散热片19b，固定部19a和多个散热片19b一体形成。

作为散热机构19，可以使用热传导率较高的金属，例如可以使用铜、银、铝等。此外，也可以使用润滑油使基波吸收部18与散热机构19接触。通过使用润滑油，能够进一步提高散热性及热传导性。另外，作为散热机构19，并不特别限定于上述的例子，只要能够不将基波吸收部18吸收的热传递给温度控制部8，而是向外部散热，也可以使用各种形状及构造的散热机构，例如可以使用热传导率较高的平板金属。

通过上述的结构，基波吸收部18吸收基波所产生的热被传递到散热机构19的固定部19a，并且进一步向多个散热片19b传递。其结果是，吸收基波所产生的热不会被传递到温度控制部8，而是有效地向外部散热。

此外，在本实施方式中，通过使基波吸收部18(或散热机构19)与温度控制部8间隔指定距离，或者在其间插入隔热材料，将基波吸收部18和温度控制部8热隔离，使基波吸收部18和温度控制部8的热阻增大。其结果是，减轻由基波吸收部18吸收基波所造成的温度上升，进而防止由于基波吸收部18散出的热而使波长转换元件3的温度发生变化，从而能够提供输出更加稳定的光源。

此外，本实施方式1的基波激光光源1使用光纤激光光源。通过使用光纤激光光源，能够获得光束质量高(横模(transverse mode))的基波。光束质量高的基波能够提高通过一次波长转换元件3时的波长转换效率。这样，通过提高各路径的波长转换效率，作为经过多次波长转换元件3时的合计波长转换效率也能提高。

另外，作为基波激光光源1，除了光纤激光光源以外，还可以使用半导体激光光源、固体激光光源等各种激光光源。通过使用半导体激光光源或固体激光光源，能够使基波激光光源小型化，从而作为波长转换激光器整体能够实现小型化。

此外，作为聚光光学系统2，使用准直透镜和平凸透镜，但也可以使用准直透镜、平凸透镜、凸透镜、平凹透镜、凹透镜、非球面透镜等各种透镜的至少其中之一，在波长转换元件3内聚光。通过组合各种透镜，能够缩短焦距，能够使波长转换激光光源小型化。

此外，在本实施方式中，利用聚光光学系统2将基波的光束直径调整为最佳聚光光束直径，使来自第1个路径的第二谐波输出增大，但也可以使第3个路径以后的基波的光束直径成为最佳聚光光束直径。在此情况下，能够抑制基波的光束直径的扩大，减少由基波吸收部18吸收的热量，能够使基波吸收部18所具备的散热机构成为更加简单的机构。

此外，在本实施方式中，让基波从不存在第二凹面镜5的区域(在本实施方式中切断第二凹面镜5的一部分)与中心轴9平行地射入波长转换元件3，但也可以不切断第二凹面镜5的一部分，而是在第二凹面镜5的一部分区域设置不反射基波的涂层。通过在第二凹面镜5的一部分区域设置不反射基波的涂层，能够省去切断加工第二凹面镜5的工序，从而能够简化工序。

此外，在本实施方式中，波长转换元件3采用厚度为0.5mm的PPLN，但也可以采用厚度大于0.9mm的PPLN。在此情况下，能够使基波吸收部18吸收的热量为50％以下，能够使基波吸收部18所具备的散热机构成为更加简单的机构。此外，由于通过增加波长转换元件3的厚度，能够增加可射入波长转换元件3的基波的成分，提高波长转换效率，因此能够实现低电力的驱动。

此外，在本实施方式中，波长转换元件3使用长度为26mm的PPLN，但也可以使用短于26mm的PPLN。通过缩短波长转换元件3的长度，能够进一步扩大温度允许幅度。

此外，波长转换元件3使用PPLN，但也可以使用各种非线性光学材料。例如，可以使用三硼酸锂(LiB₃O₅:LBO)晶体、磷酸钛氧钾(KTiOPO₄:KTP)晶体、具有周期状极化反转结构的LiT_aO₃晶体(PPLT)。PPLN或PPLT通过改变周期状极化反转结构的周期能够在任意的基波波长满足相位匹配条件。因此，能够实现任意的第二谐波波长的波长转换激光光源。

此外，由于PPLN的二次非线性常数较高，因此在基波输入为20W以下时也能得到较高的波长转换效率，从而能够使用低电力的驱动。PPLT的对基波的光吸收率及对第二谐波的光吸收率较低，在20W以上的基波输入时，能够得到更加稳定的输出。由于LBO的高输出耐受性良好，因此在输入基波输入为100W以上的高峰值的脉冲的波长转换激光光源中，能够得到较高的波长转换效率，从而能够提供高峰值输出的波长转换激光光源。

此外，在本实施方式中，使用珀耳帖元件作为温度控制元件6，但也可使用加热器来代替珀尔帖元件。在使用加热器的情况下，由于通过快速加热能够缩短使波长转换元件3从低温侧上升至相位匹配温度的时间，因此能够缩短波长转换激光光源的启动时间。

此外，元件固定台7使用热传导率高的铜，但也可以使用银或铝等。通过将热传导率比铜更高的银用于元件固定台7，能够提高波长转换元件3的温度控制性，从而能够更加稳定地得到第二谐波输出。

此外，也可以在波长转换元件3的上部配置热传导率高的铜。通过在上部也配置热传导率高的金属，进一步使波长转换元件3的温度均匀，能够得到较高的波长转换效率，从而能够实现低电力的驱动。在此情况下，也可以通过将配置在上部的热传导率高的铜作为元件固定台，并将温度控制元件接合在该元件固定台上，从而在波长转换元件3的上部也设置温度控制部，用来控制波长转换元件的温度。并且，也可以在该温度控制部与第一凹面镜4之间配置基波吸收部。

此外，元件固定台7和波长转换元件3通过散热性及热传导性较高的粘合剂被固定而接触，但也可以使用润滑剂使它们接触。通过使用润滑剂，能够进一步提高散热性及热传导性，从而能够更加稳定地得到第二谐波输出。

此外，也可以使基波吸收部18和温度控制部8中间隔着隔热材料而成为一体。在此情况下，能够简化基波吸收部18的位置调整，从而能够削减用于调整基波吸收部18的位置的成本。

此外，在温度控制部8与第一凹面镜4之间作为基波吸收部18配置有吸收基波的彩色玻璃滤光器，但也可以配置遮挡或吸收基波的光栏装置(aperture)。图11是从上面看到的在图1所示的波长转换激光光源中取代基波吸收部而使用光栏装置的波长转换激光光源的结构的图，图12是从侧面看到的图11所示的波长转换激光光源的结构的图。

如图11及图12所示，光栏装置48是在长方形基板的内侧中央部设置了长方形开口部的光栏装置，开口部的形状与波长转换元件3的靠第一凹面镜4一侧的端面的形状相对应，开口部的大小例如被设定在波长转换元件3的靠第一凹面镜4一侧的端面的大小以下。光栏装置48被配置在第一凹面镜4与温度控制部8之间，使基波从其开口部通过并射入波长转换元件3，但遮挡无法射入波长转换元件3的基波，因此防止无法射入波长转换元件3的基波被温度控制部8所吸收，减少由温度控制部8吸收的基波的光量。此外，在因两个凹面镜4、5的位置偏差而使基波的反射角度脱离设计角度时，也能够用光栏装置48遮挡未射入波长转换元件3的基波。因此，能够防止基波被温度控制部8吸收，使第二谐波的输出强度稳定。

另外，光栏装置的形状并不特别限定于上述的例子，只要能够防止无法射入波长转换元件3的基波被温度控制部8所吸收，也可以使用在圆形基板上设置长方形开口部的光栏装置，或者上下配置两个光栏装置，在它们之间设置开口。

此外，也可以取代基波吸收部18，配置反射基波的镜(以下称作基波反射镜)。通过配备基波反射镜，能够防止无法射入波长转换元件3的基波射入温度控制部8。基波反射镜由于不产生基波的吸收，所以也不产生发热。因此，能够省略散热机构，从而能够削减散热机构的成本。

此外，通过将基波反射镜相对于基波的光轴向波长转换元件3的厚度方向倾斜配置，被基波反射镜反射一次后的基波不会被第一凹面镜4和第二凹面镜5反射，而能够从两个凹面镜4、5之间向外部出射。通过将基波向凹面镜对的外部反射，能够阻止未射入波长转换元件3的基波被温度控制部8吸收，从而得到减小第二谐波的输出变动的效果。

图13是从上面看到的在图1所示的波长转换激光光源中取替基波吸收部而使用基波反射镜的波长转换激光光源的结构的图，图14是从侧面看到的图13所示的波长转换激光光源的结构的图。

如图13及图14所示，基波反射镜58在第一凹面镜4与温度控制部8之间，相对于基波的光路既不垂直也不平行，而是相对于基波的光轴向波长转换元件3的厚度方向倾斜配置，防止不能射入波长转换元件3的基波被温度控制部8吸收，减少被温度控制部8吸收的基波的光量。

在此，较为理想的是，如果设波长转换元件3的厚度为T、第一凹面镜4的直径(在元件厚度方向的长度)为r₁、靠第一凹面镜4一侧的波长转换元件3的端面与第一凹面镜4的距离为d₁，则射入基波反射镜58的基波的光轴与基波反射镜58的反射面所夹的角θ₁满足(r₁-T)/2＞d₁×tan(π-2θ₁)。

通过满足上述条件，被基波反射镜58反射的基波不会再次向第一凹面镜4反射，而是向外部射出。通过用例如彩色玻璃滤光器或光束扩散器等吸收及/或扩散射出的基波，能够消除对波长转换元件3的温度的影响。

此外，在本实施方式中，是在第奇数个路径时使基波在波长转换元件3内聚光，但也可以在第偶数个路径时使基波在波长转换元件3内聚光。与第奇数个路径相比，在第偶数个路径中，基波的射入波长转换元件3的角度在各路径有较大不同，因此在各路径，满足相位匹配条件的波长转换元件3的温度各不相同，能够进一步扩大温度允许幅度，因此能够提供可得到更加稳定的输出的波长转换激光器。

此时，在基波被第二凹面镜5反射并射入波长转换元件3的第奇数个路径中，基波的光束直径超过波长转换元件3的厚度，基波照射到元件固定台7并被吸收的量增多。因此，通过在第二凹面镜5与温度控制部8之间配置例如基波吸收部18或光栏装置48作为基波激光遮光部，能够有效地抑制元件固定台7的温度变化，因此可实现第二谐波输出稳定的光源。此外，在此情况下，也可以在第一凹面镜4与温度控制部8之间也配置基波吸收部。

此外，也可以在第二凹面镜5与温度控制部8之间配置例如基波反射镜58作为基波激光遮光部。在此，较为理想的是，如果设波长转换元件3的厚度为T、第二凹面镜5的直径(在元件厚度方向的长度)为r₂、靠第二凹面镜5一侧的波长转换元件3的端面与第二凹面镜5的距离为d₂，则射入基波反射镜58的基波的光轴与基波反射镜58的反射面所夹的角θ₂满足(r₂-T)/2＞d₂×tan(π-2θ₂)。

通过满足上述条件，被基波反射镜58反射的基波不会再次向第二凹面镜5反射，而是向外部射出。通过用例如彩色玻璃滤光器或光束扩散器等吸收及/或扩散射出的基波，从而能够消除对波长转换元件3的温度的影响。

(实施方式2)

图15及图16是表示本发明实施方式2的波长转换激光光源结构的一个例子的图，图15是从上面看到的本实施方式的波长转换激光光源的结构的图，图16是从侧面看到的图15所示的波长转换激光光源的结构的图。下面，将图15中的箭头10以及图16中的箭头11所示的方向分别作为元件宽度方向和元件厚度方向。

在图15及图16中，1表示用于生成基波的基波激光光源，2表示用于聚光基波的聚光光学系统，3表示用于将基波转换为第二谐波的波长转换元件，4表示具有曲率R1的第一凹面镜，5表示具有与曲率R1不同的曲率R2的第二凹面镜，6表示用于控制波长转换元件3的温度的温度控制元件，67表示用于固定波长转换元件3的元件固定台，温度控制部68包括温度控制元件6及元件固定台67。

此外，图15及图16中所示的9表示作为通过第一凹面镜4、第二凹面镜5以及波长转换元件3的中心的轴的中心轴，12所示的虚线示意性地表示基波激光的光路和本实施方式中构成波长转换激光器的光学系统内的聚光状态。

本实施方式所示的波长转换激光光源与实施方式1所示的波长转换激光光源的不同之处在于，省略基波吸收部18，取而代之，以元件固定台67的端面作为反射端面RP，利用元件固定台67的形状让基波激光向所希望的方向(例如波长转换激光光源的外部)反射。其结果是，能够减少照射到元件固定台67并被吸收的基波激光的光量，防止波长转换元件3的温度上升，因此能够使波长转换激光输出稳定。

下面，对本实施方式，说明与实施方式1不同的动作及功能。在本实施方式所示的波长转换激光光源中，如图16所示，将用于使波长转换元件3的温度均匀的元件固定台67的端面加工成与基波的入射角度不垂直的角度，形成反射端面RP。

具体而言，如果设波长转换元件3的厚度为T、第一凹面镜4的直径(在元件厚度方向的长度)为r₁、第一凹面镜4与靠第一凹面镜4一侧的波长转换元件3的端面的距离为d₁，则射入元件固定台67的反射端面RP的基波的光轴与元件固定台67的反射端面RP所夹的角满足

通过满足上述条件，被元件固定台67的反射端面RP反射的光不会再次被第一凹面镜4反射，而是从反射基波的凹面镜对(第一凹面镜4和第二凹面镜5)之间向外部射出。通过利用这种结构，防止基波激光在元件固定台67与凹面镜对之间反复反射，从而取得能够减少在元件固定台67处的基波激光的吸收量的效果。

此外，通过使用较好地反射基波的波长的光的金属材料作为元件固定台67，能够得到针对基波激光的高反射面。在此情况下，无须设置反射基波激光的镜或吸收滤光器，具有能够用简单的结构减小第二谐波输出的变动的优点。

另外，通过在元件固定台67的端面上粘贴较好地反射基波的波长的光的涂层或反射基波的镜，能够进一步减少反射时的吸收，因此即使在照射更高功率的基波时，也能减小第二谐波输出的变动。

此外，通过使用为了针对温度控制部68提高热阻而配置的彩色玻璃滤光器或光束扩散器等，吸收由元件固定台67的端面反射的基波激光或使其散射，能够减轻对波长转换元件3的热干扰。此外，通过使彩色玻璃滤光器或扩散器等相对于温度控制元件6独立并具有散热机构，能够消除对波长转换元件3的温度的影响，能够得到稳定的输出。

此外，也可以将靠第二凹面镜5一侧的元件固定台67的端面也加工成与基波的入射角度不垂直的角度，形成反射端面。此时，较为理想的是，如果设波长转换元件3的厚度为T、第二凹面镜5的直径(在元件厚度方向的长度)为r₂、第二凹面镜5与靠第二凹面镜5一侧的波长转换元件3的端面的距离为d₂，则射入靠第二凹面镜5一侧的元件固定台67的反射端面的基波的光轴与靠第二凹面镜5一侧的元件固定台67的反射端面所夹的角满足

在此情况下也能取得与元件固定台67的反射端面RP相同的效果。此外，同样，通过使用彩色玻璃滤光器或光束扩散器等，吸收由元件固定台67的靠第二凹面镜5一侧的端面反射的基波激光或使其散射，能够减轻对波长转换元件3的热干扰，从而能够提供输出更加稳定的光源。

此外，在本实施方式中，仅在元件固定台67的端面形成反射端面，但并不特别限定于该例子，也可以是在温度控制元件6的端面也形成反射端面，或者仅在温度控制元件6的端面形成反射端面等各种变形。

(实施方式3)

图17及图18是表示本发明实施方式3的波长转换激光光源的结构的一个例子的图，图17是从上面看到的本实施方式的波长转换激光光源的结构的图，图18是从侧面看到的图17所示的波长转换激光光源的结构的图。下面，将图17中的箭头10以及图18中的箭头11所示的方向分别作为元件宽度方向和元件厚度方向。

在图17及图18中，1表示用于生成基波的基波激光光源，2表示用于聚光基波的聚光光学系统，3表示用于将基波转换为第二谐波的波长转换元件，74表示具有曲率R1的第一凹面镜，5表示具有与曲率R1不同的曲率R2的第二凹面镜，6表示用于控制波长转换元件3的温度的温度控制元件，7表示用于固定波长转换元件3的元件固定台，温度控制部8包括温度控制元件6及元件固定台7。

此外，图17及图18中所示的9表示作为通过第一凹面镜74、第二凹面镜5以及波长转换元件3的中心的轴的中心轴，12所示的虚线示意性地表示基波激光的光路和本实施方式中构成波长转换激光器的光学系统内的聚光状态。

本实施方式所示的波长转换激光光源与实施方式1所示的波长转换激光光源的不同之处在于，省略基波吸收部18，将第一凹面镜74的上下方向(元件厚度方向)的所希望的部分通过例如切断等方法进行加工，使其小于波长转换元件3的厚度。其结果是，能够减少照射到元件固定台7并被吸收的基波激光的光量，防止波长转换元件3的温度上升，因此能够使波长转换激光输出稳定。

下面，对本实施方式，说明与实施方式1不同的动作及功能。如图18所示，将第一凹面镜74的上下方向(元件厚度方向)的所希望的部分通过例如切断等方法进行加工，使第一凹面镜74的上下宽度小于波长转换元件3的厚度。

具体而言，为了形成被第一凹面镜74反射的基波激光全部射入波长转换元件3的大小及形状，将圆形的第一凹面镜74的上部及下部切断，使得第一凹面镜74的元件厚度方向的反射区域的厚度成为与波长转换元件3的厚度相同的0.5mm。通过采用这种结构，到达第一凹面镜74的基波激光的存在于从第一凹面镜74的中心起上下超过0.25mm的区域的基波激光不会被反射，而是向第一凹面镜74的外部射出。

另一方面，由于被第一凹面镜74反射的基波激光在第一凹面镜74的表面上的光束直径在波长转换元件3的厚度(在本实施方式中是0.5mm)以下，因此被第一凹面镜74反射的基波激光必然通过波长转换元件3内部，从基波激光向第二谐波进行波长转换。

根据本结构，被第一凹面镜74反射的基波激光不会照射到元件固定台7或温度控制元件6(即，无法射入波长转换元件3的基波激光不会被第一凹面镜74反射)，因此，原理上不会发生因温度控制部8吸收基波而引起的温度变化，能够防止波长转换元件3的温度上升，从而能够减小第二谐波输出的变动。

另外，通过采用利用切断等方法对第二凹面镜5的上下(元件厚度方向)部分进行形状加工，使被第二凹面镜5反射的基波激光全部射入波长转换元件3的结构，能够取得相同的效果。此外，通过将第一凹面镜74和第二凹面镜5这两者的元件厚度方向的形状及大小加工为所希望的形状及大小，具有能够减小装置整体在波长转换元件3的厚度方向上的尺寸的优点。

此外，在本实施方式中，示意了对第一凹面镜74的在元件厚度方向的上部及下部进行切断加工的例子，但在与该切断部分对应的第一凹面镜74的外圆周部配备采用不反射基波的材料的部件、例如吸收基波的吸收部件或让基波透过向外部射出的透过部件，也能消除照射到元件固定台7及温度控制元件6的基波激光，从而能够减小波长转换元件3的温度变动。此外，在第一凹面镜74的所希望的部分(例如从第一凹面镜74的中心起沿元件厚度方向上下0.25mm以上的表面内区域)涂覆对基波无反射的涂层，也能取得相同的效果。

此外，通过利用例如被粘贴在热传导率高的金属上的吸收体或光束扩散器对未被第一凹面镜74及/或第二凹面镜5反射而向外部射出的基波激光进行处理，能够消除对波长转换元件3的温度变动的影响。

(实施方式4)

在本实施方式中，说明通过取代第二凹面镜5而使用柱面镜51来限制基波的光束直径的扩大，使基波激光不照射到元件固定台7的结构。通过采用本结构，能够取得与上述实施方式1至实施方式3所述的相同的效果，即由波长转换元件3的温度变动引起的第二谐波输出的变动减小的效果。

图19及图20是表示本发明实施方式4的波长转换激光光源的结构的一个例子的图，图19是从上面看到的本实施方式的波长转换激光光源的结构的图，图20是从侧面看到的图19所示的波长转换激光光源的结构的图。下面，将图19中的箭头10以及图20中的箭头11所示的方向分别作为元件宽度方向和元件厚度方向。

在图19及图20中，1表示用于生成基波的基波激光光源，2表示用于将基波聚光的聚光光学系统，3表示用于将基波转换为第二谐波的波长转换元件，4表示具有曲率R1的第一凹面镜，51表示采用仅在一个方向(元件宽度方向)上具有与曲率R1不同的曲率R2的柱面镜的第二镜，6表示用于控制波长转换元件3的温度的温度控制元件，7表示用于固定波长转换元件3的元件固定台，温度控制部8包括温度控制元件6及元件固定台7。

此外，图19及图20中所示的9表示作为通过第一凹面镜4、第二镜51以及波长转换元件3的中心的轴的中心轴，12所示的虚线示意性地表示基波激光的光路和本实施方式中构成波长转换激光器的光学系统内的聚光状态。

本实施方式所示的波长转换激光光源与实施方式1所示的波长转换激光光源的不同之处在于，省略基波吸收部18，取代第二凹面镜5而使用第二镜51，抑制基波的光束直径的在上下方向(元件厚度方向)的扩大。其结果是，能够减少照射到元件固定台7并被吸收的基波的光量，防止波长转换元件3的温度上升，因此能够使波长转换激光输出稳定。

在此，第1凹面镜4使用焦距f1＝22mm的凹面镜，第二镜51使用焦距f2＝20mm的柱面镜。此外，波长转换元件3使用具有周期状极化反转结构的MgO:LiNbO₃(长度为26mm，宽度为10mm，厚度为0.5mm)。

下面，对本实施方式，说明与实施方式1不同的动作及功能。通过采用上述结构，由于被第一凹面镜4及第二镜51反射而反复射入波长转换元件3的基波在元件宽度方向和元件厚度方向上聚光位置错位，因此其光束形状成为椭圆光束。此时，被第一凹面镜4反射的光在元件宽度方向与实施方式1相同，为大致平行光，被第二镜51反射的光在元件内聚光，因此在元件宽度方向的基波激光的光束直径与路径数的关系如图5所示。

另一方面，在元件厚度方向的基波的光束直径如图21所示。图21是表示在各路径的波长转换元件3的入射端面(例如图4所示的位置)的元件厚度方向的基波的光束直径的图。在图21中，横轴表示路径数，纵轴表示基波的光束直径(mm)。

如图21所示，在第二镜51，由于在元件厚度方向的基波的反射是基于平面镜的反射，因此由第二镜51反射并射入波长转换元件3的光束为会聚光束，在波长转换元件3的端面的元件厚度方向上的基波的光束直径必然在0.5mm以下。

因此，由于基波的光束直径不会大于波长转换元件3的厚度，基波必然射入波长转换元件3，所以不会照射到温度控制元件6和元件固定台7，从而能够防止温度控制元件6或元件固定台7吸收基波激光而发热。

由此，在本实施方式中，能够防止波长转换元件3的温度上升，能够将第二谐波的输出变动抑制在3％以内。此外，根据该结构，由于元件宽度方向的聚光位置和元件厚度方向的聚光位置错位，因此能够降低波长转换元件3内部的基波激光的光密度，从而能够降低由波长转换元件3引起的基波及第二谐波的吸收。并且，根据本结构，无须进行第二镜51的元件厚度方向的定位，能够简化组装调整工序。

(实施方式5)

图22是表示作为图像显示装置的一个例子，使用包含上述实施方式1至实施方式4所示的波长转换激光光源的任一个的背光照明装置的液晶显示装置的结构的概要图。

在图22中，101表示背光照明装置，102表示激光光源，103表示光纤，104表示导光部，105表示导光板，107表示作为空间调制元件的液晶显示面板，108表示偏振板，109表示液晶板。在此，背光照明装置101中所包含的激光光源102包括红色激光光源102a(下面记为R光源)、绿色激光光源102b(下面记为G光源)以及蓝色激光光源102c(下面记为B光源)。

在该激光光源102中，G光源102b是本发明实施方式1至4的其中之一所示的波长转换激光光源。此外，R光源102a使用采用波长为640nm的AlGaInP/GaAs系材料的半导体激光器，B光源102c使用采用波长为450nm的GaN系材料的半导体激光器。

背光照明装置101包括激光光源102、将来自激光光源102的红色激光、绿色激光及蓝色激光一起经由导光部104引导至导光板105的光纤103、以及将导入的红色激光、绿色激光及蓝色激光均匀地从主面(未图示)射出的导光板105。

此外，G光源102b在实施方式1至4的其中之一所示的波长转换激光光源中附加聚光透镜(未图示)等光学部件，使输出光高效率地与光纤103结合而被引导至导光板105。通过本结构，能够实现色彩再现性良好、耗电低的图像显示装置。而且，图像显示装置的大画面化需要稳定并且高输出的激光光源，通过使用本实施方式1至4的其中之一所示的波长转换激光光源，能够实现图像显示装置的大画面化。

此外，在此，作为使用激光光源的图像显示装置，以使用透过型的液晶面板作为空间光调制元件的液晶显示装置为例进行了说明，但在使用DMD(Digital Micro-mirror Device，数字微镜设备)或反射型液晶(Liquid Crystal On Silicon：LCOS，硅基液晶)等作为空间调制元件的投影仪等图像显示装置中，也能体现出相同的效果。

此外，将从激光光源射出的光引导至空间调制元件的光学系统使用的是光纤、导光部和导光板，但也可以使用分色镜(dichroic mirror)、正交棱镜(cross prism)或棒状积分器(rod integrator)等。

另外，毋庸置疑，以上说明的实施方式1至5只是一个例子，可以在不脱离本发明主旨的范围内采用各种方式。

根据上述各实施方式总结本发明为如下内容。即，本发明所提供的波长转换激光光源包括用于生成基波的基波激光光源、相互面对而配置的第一镜及第二镜、配置在所述第一镜与所述第二镜之间用于转换所述基波的波长的波长转换元件、以及用于控制所述波长转换元件的温度的温度控制部，在所述波长转换元件，所述基波的一部分被波长转换，并且未被波长转换的基波经所述第一镜及所述第二镜反射而反复射入所述波长转换元件从而被波长转换，所述温度控制部被配置成与所述波长转换元件相邻接，射向所述温度控制部的所述基波的光量减少。

在该波长转换激光光源中，通过使基波的一部分由波长转换元件进行波长转换，并且，未被波长转换的基波经第一镜及第二镜反射而反复射入波长转换元件，由此，由于基波在波长转换元件的内部一边改变入射角度一边反复被进行波长转换，因此能够在维持较高的波长转换效率的状态下扩大波长转换元件的温度允许幅度。而且，由于温度控制部被配置成与波长转换元件相邻接，射向温度控制部的基波的光量减少，因此能够防止未射入波长转换元件的基波被温度控制部吸收，能够减小波长转换激光光源的输出的变动。其结果是，能够抑制由不需要的基波造成的波长转换元件的波长转换效率的变动，并且能够提高从基波向第二谐波的波长转换效率，从而实现高输出并且稳定性高的波长转换激光光源。

较为理想的是，所述第一镜包含具有第一曲率的第一凹面镜，所述第二镜包含具有与所述第一曲率不同的第二曲率的第二凹面镜，所述波长转换激光光源还包括：配置成使所述基波在所述波长转换元件内具有聚光点的聚光光学系统；配置在所述第一凹面镜与所述温度控制部之间及/或所述第二凹面镜与所述温度控制部之间用于减少所述温度控制部吸收的基波的光量的基波遮光部。

在此情况下，通过在曲率不同的两个凹面镜之间配置波长转换元件，基波一边改变入射角度一边反复射入波长转换元件而向第二谐波转换。此外，利用基波遮光部，能够防止未射入波长转换元件的基波被温度控制部吸收，因此能够减小波长转换激光光源的输出变动。

较为理想的是，所述基波遮光部包含吸收所述基波以使所述基波不射入所述温度控制部的基波吸收部，所述基波吸收部与所述温度控制部热隔离。

在此情况下，由于基波吸收部吸收未射入波长转换元件的基波，能够防止未射入波长转换元件的基波被温度控制部吸收，因此能够减小波长转换激光光源的输出变动。而且，由于基波吸收部与温度控制部热隔离，因此减少因基波吸收部吸收基波所造成的温度上升，防止由于基波吸收部发出的热而使波长转换元件的温度发生变化，从而能够提供输出更加稳定的波长转换激光光源。

较为理想的是，所述基波遮光部包含反射所述基波以使所述基波不射入所述温度控制部的反射镜。

在此情况下，由于能够反射基波使基波不射入温度控制部，因此能够防止无法射入波长转换元件的基波射向温度控制部，并且由于在反射镜中不发生基波的吸收，也不产生发热，因此能够省略散热机构，能够削减散热机构的成本。

较为理想的是，当设所述波长转换元件的厚度为T、所述波长转换元件的厚度方向的所述第一凹面镜的长度为r₁、所述波长转换元件的厚度方向的所述第二凹面镜的长度为r₂、所述第一凹面镜与所述波长转换元件的靠所述第一凹面镜一侧的端面之间的距离为d₁、所述第二凹面镜与所述波长转换元件的靠所述第二凹面镜一侧的端面之间的距离为d₂时，在所述反射镜被配置在所述第一凹面镜与所述温度控制部之间的情况下，射入所述反射镜的基波的光轴与所述反射镜的反射面所夹的角θ₁满足(r₁-T)/2＞d₁×tan(π-2θ₁)，在所述反射镜被配置在所述第二凹面镜与所述温度控制部之间的情况下，射入所述反射镜的基波的光轴与所述反射镜的反射面所夹的角θ₂满足(r₂-T)/2＞d₂×tan(π-2θ₂)。

在此情况下，由反射镜反射的基波不会被第一凹面镜及第二凹面镜再次反射，而是能够向第一凹面镜及第二凹面镜的外部射出。

较为理想的是，所述温度控制部具有反射所述基波以使所述基波不射入所述温度控制部的反射端面。

在此情况下，由于能够反射基波使基波不射入温度控制部，因此能够防止无法射入波长转换元件的基波射向温度控制部，并且能够将温度控制部的端面作为反射面使用，从而能够减少部的件数目，实现装置的低成本化。

较为理想的是，当设所述波长转换元件的厚度为T、所述波长转换元件的厚度方向的所述第一凹面镜的长度为r₁、所述波长转换元件的厚度方向的所述第二凹面镜的长度为r₂、所述第一凹面镜与所述波长转换元件的靠所述第一凹面镜一侧的端面之间的距离为d₁、所述第二凹面镜与所述波长转换元件的靠所述第二凹面镜一侧的端面之间的距离为d₂时，在所述反射端面被设在所述第一凹面镜一侧的情况下，射入所述反射端面的基波的光轴与所述反射端面所夹的角满足在所述反射端面设置在所述第二凹面镜一侧的情况下，射入所述反射端面的基波的光轴与所述反射端面所夹的角满足

在此情况下，由反射端面反射的基波不会被第一凹面镜及第二凹面镜再次反射，而是能够向第一凹面镜及第二凹面镜的外部射出。

较为理想的是，所述第一镜包含具有第一曲率的第一凹面镜，所述第二镜包含具有与所述第一曲率不同的第二曲率的第二凹面镜，当设所述波长转换元件的厚度方向的中心为0、所述波长转换元件的厚度为T时，所述第一及第二凹面镜的至少其中之一仅在所述波长转换元件的厚度方向的-T/2到T/2的区域反射所述基波。

在此情况下，被第一及第二凹面镜的至少其中之一反射的基波不会射入温度控制部，必然通过波长转换元件内部并从基波向第二谐波波长转换，因此能够减少由温度控制部吸收的基波的光量。其结果是，能够防止波长转换元件的温度上升，能够减小波长转换激光光源的输出变动。

较为理想的是，所述第一及第二镜中的其中之一包含具有第一曲率的凹面镜，另一个包含在所述波长转换元件的宽度方向上具有与所述第一曲率不同的第二曲率的柱面镜，所述柱面镜将在所述波长转换元件的厚度方向的所述基波的直径限制在所述波长转换元件的厚度以下。

在此情况下，由于能够抑制在波长转换元件的厚度方向的基波的直径的扩大，因此基波的直径不会大于波长转换元件的厚度，基波必然射入波长转换元件，因此能够减少温度控制部吸收的基波的光量。其结果是，能够防止波长转换元件的温度上升，能够减小波长转换激光光源的输出变动。

较为理想的是，所述第一及第二镜的至少其中之一具有用于让所述基波激光光源生成的基波射入所述波长转换元件的切口区域。

在此情况下，能够使基波从切口区域容易地射入波长转换元件。

本发明所提供的图像显示装置包括产生蓝色、绿色及红色的至少一种颜色的激光的激光光源、空间光调制元件、以及将从所述激光光源射出的光引导至所述空间光调制元件的光学系统，所述激光光源为上述的任一波长转换激光光源。

在该图像显示装置中，由于能够将稳定并且高输出的波长转换激光光源作为激光光源使用，因此能够实现图像显示装置的大画面，能够实现色彩再现性良好并且耗电低的大型图像显示装置。