波長変換素子、レーザ光源装置、画像表示装置及び波長変換素子の製造方法
【課題】コングルエント組成のマグネシウム添加タンタル酸リチウム単結晶を用いて分極反転構造の形成過程を制御することができ、高い変換効率を有する波長変換素子を安定して生産することができる波長変換素子、レーザ光源装置、画像表示装置及び波長変換素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】波長変換素子の製造方法は、ＭｇＬＮ基板１０１の＋ｚ面に周期電極１０３を、−ｚ面に対向電極１０４を形成する工程と、周期電極１０３及び対向電極１０４を形成した後に熱処理を行う熱処理工程と、ＭｇＬＮ基板１０１を１００℃以上に保持した状態で、周期電極１０３と対向電極１０４間にパルス状の電界を印加する電界印加工程と、を有する。また、波長変換素子１００は、熱処理後のＭｇＬＮ基板１０１に対して、電界印加により形成された分極反転構造を有する。
【解決手段】波長変換素子の製造方法は、ＭｇＬＮ基板１０１の＋ｚ面に周期電極１０３を、−ｚ面に対向電極１０４を形成する工程と、周期電極１０３及び対向電極１０４を形成した後に熱処理を行う熱処理工程と、ＭｇＬＮ基板１０１を１００℃以上に保持した状態で、周期電極１０３と対向電極１０４間にパルス状の電界を印加する電界印加工程と、を有する。また、波長変換素子１００は、熱処理後のＭｇＬＮ基板１０１に対して、電界印加により形成された分極反転構造を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源が発するレーザ光を非線形光学効果により波長変換する波長変換素子、レーザ光源装置、画像表示装置及び波長変換素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非線形光学効果を用いた波長変換により、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ４等レーザ媒質から発せられる光（基本波）を可視光である緑色光（高調波）に変換したり、緑色光をさらに紫外光へ変換する波長変換レーザ光源が開発・実用化されている。これらの可視レーザ光や紫外レーザ光は、物質のレーザ加工やレーザディスプレイ等の光源などの用途に用いられている。
【０００３】
非線形光学効果を得るには、複屈折率を有する非線形光学結晶を使用する必要があり、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム：ＰＰＬＮ）などの強誘電体非線形結晶を周期的に分極反転させ作成されている。
【０００４】
図１は、波長変換レーザ光源の概略構成を示す模式図である。図１は、励起光をレーザ媒質端面から入力する、端面励起型（エンドポンプ型）レーザ光源の構成例を示す。
【０００５】
図１に示すように、波長変換レーザ光源１０は、励起光源１１、コリメートレンズ１３、集光レンズ１４、固体レーザ媒質１５、波長変換素子１６、凹面鏡２２、及び光学反射膜２３を備える。
【０００６】
上記固体レーザ媒質１５、波長変換素子１６、及び凹面鏡２２は、レーザ共振器２４を構成する。
【０００７】
波長変換素子１６は、ＳＨＧ（Second Harmonics Generation）素子であり、固体レーザ媒質１５から出力される波長１０６４ｎｍの基本波長レーザ光（赤外レーザ光）の波長を変換して波長５３２ｎｍの半波長レーザ光（緑色レーザ光）を生成する。
【０００８】
波長変換レーザ光源１０は、励起光源１１で固体レーザ媒質１５を励起し、発生した近赤外光を波長変換素子１６で緑色光に変換することで緑色レーザ光を得る。
【０００９】
固体レーザ媒質１５は、単結晶材料であるＹＶＯ４結晶を用いる。励起光１２は、励起光源１１より発せられており、コリメートレンズ１３で平行光にされた後、集光レンズ１４によって、レーザ共振器２４を構成する固体レーザ媒質１５へ集光される。
【００１０】
固体レーザ媒質１５の端面のうち、励起光が入射する側の固体レーザ媒質端面（光学反射膜）１８には、１０６０ｎｍ帯の光を反射する高反射光学膜２１が形成されており、この高反射光学膜２１が共振器として働く。また、凹面鏡２２の端面にも１０６０ｎｍ帯の光を反射する高反射光学膜２３が形成され、共振器を構成する。
【００１１】
固体レーザ媒質１５と波長変換素子１６のそれぞれの対向面である、固体レーザ媒質１５の端面１９及び波長変換素子１６の端面２０には、無反射光学膜が形成されている。すなわち、固体レーザ媒質１５のうち、波長変換素子１６と対向する面、及び波長変換素子１６のうち、固体レーザ媒質１５と対向する面に無反射光学膜が形成されている。固体レーザ媒質１５及び凹面鏡２２の端面に形成された高反射光学膜２３と固体レーザ媒質端面（光学反射膜）１８との間で光が共振することで、レーザ共振器２４は光共振器として動作し、１０６０ｎｍ帯のレーザ光が発振する。
【００１２】
このとき、発振した１０６０ｎｍ帯の光が波長変換素子１６を通過することで、１０６０ｎｍ帯の光が波長変換され半分の波長である約５３０ｎｍ（緑色光）へ変換される。そして、変換された５３０ｎｍの高調波光（緑色光）１７は、波長変換素子１６の端面２１から出力される。
【００１３】
波長変換素子１６としては誘電体単結晶材料が使用されており、三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ３Ｏ５：ＬＢＯ）やリン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ４：ＫＴＰ）、周期分極反転構造を形成したマグネシウム添加ニオブ酸リチウム（Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ３）、周期分極反転構造を形成したマグネシウム添加タンタル酸リチウム（Ｍｇ：ＬｉＴａＯ３）などが用いられている。
【００１４】
中でも、分極反転構造を形成したマグネシウム添加ニオブ酸リチウムは、非線形光学定数が大きな材料である上、分極反転構造を形成することで大きな非線形光学定数を最大限利用することができるという特徴を有する。さらに、マグネシウムイオンが添加されていることで、光による屈折率変化（光損傷）を抑制できるという効果を有する。
【００１５】
そのため、分極反転構造を形成したマグネシウム添加ニオブ酸リチウムを波長変換素子に用いることで高出力・高効率な緑色レーザ光源を実現することができる。
【００１６】
高効率な波長変換素子を得るには、分極反転構造の反転部と非反転部の割合が１：１となっていることが理想である。
【００１７】
特許文献１，２には、特殊な結晶成長装置を用いて特殊な結晶組成（Ｌｉ２Ｏ／（Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率が０．４９〜０．５２：ストイキオメトリック組成）を実現したマグネシウム添加ニオブ酸リチウムやマグネシウム添加タンタル酸リチウム単結晶と光機能素子が記載されている。そして、このマグネシウム添加ニオブ酸リチウムやマグネシウム添加タンタル酸リチウム単結晶を使って、分極反転構造形成時の印加電圧を下げ、分極反転構造の反転部と非反転部の割合を理想的な構造にする試みが記載されている。
【００１８】
一方、特許文献３には、位相整合温度の変化を低減し、波長変換素子を長時間使用した場合においても安定して高調波を出力する波長変換素子の製造方法が記載されている。特許文献３記載の波長変換素子の製造方法は、分極反転層を形成し、電極を除去した後に熱処理を行う。また、熱処理の条件は、８５℃以下とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２０００−１０３６９７号公報
【特許文献２】特開２００１−５９９８３号公報
【特許文献３】特開２０１１−４８２０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、特許文献１，２記載のニオブ酸リチウム単結晶及び光機能素子は、記載されているようなモル分率が０．４９〜０．５２（ストイキオメトリック組成）となるマグネシウム添加ニオブ酸リチウムやマグネシウム添加タンタル酸リチウム単結晶の育成には、結晶成長中に原料を追加できるような特殊な結晶成長装置を必要とし、生産が難しいという課題がある。
【００２１】
そこで、従来から生産されているモル分率０．４８５〜０．４９（コングルエント組成）のマグネシウム添加ニオブ酸リチウムやマグネシウム添加タンタル酸リチウムを使用した場合においても、高効率な波長変換素子を安定して得ることが課題となっている。
【００２２】
また、特許文献３記載の波長変換素子の製造方法は、位相整合温度の経時変化による出力の不安定さとそれに伴う変換効率低下を防ぐものであって、製造時での歩留まり向上を図るものではない。
【００２３】
本発明の目的は、コングルエント組成のマグネシウム添加タンタル酸リチウム単結晶を用いて分極反転構造の形成過程を制御することができ、高い変換効率を有する波長変換素子を安定して生産することができる波長変換素子、レーザ光源装置、画像表示装置及び波長変換素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の波長変換素子の製造方法は、コングルエント組成のマグネシウム添加ニオブ酸リチウム単結晶基板に分極反転構造を形成する波長変換素子の製造方法であって、前記基板の＋ｚ面に周期電極を、−ｚ面に対向電極を形成する工程と、前記電極を形成した後に熱処理を行う熱処理工程と、前記熱処理後、前記周期電極と前記対向電極間にパルス状の電界を印加する電界印加工程と、を有する。
【００２５】
本発明の波長変換素子は、コングルエント組成のマグネシウム添加ニオブ酸リチウム単結晶基板に分極反転構造が形成された波長変換素子であって、前記基板の＋ｚ面と−ｚ面間の体積抵抗率が、前記基板温度１００℃以上のとき、９〜５ＭΩ・ｃｍの範囲である構成を採る。
【００２６】
本発明のレーザ光源装置は、上記波長変換素子を備える構成を採る。
【００２７】
本発明の画像表示装置は、上記レーザ光源装置を備える構成を採る。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、コングルエント組成のマグネシウム添加タンタル酸リチウム単結晶を用いて、分極反転構造の形成過程を制御することできる。その結果、高い変換効率を有する波長変換素子を安定して生産することができ、製造時での歩留まり向上を図ることができる。また、高効率な波長変換素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】波長変換レーザ光源の概略構成を示す模式図
【図２】本発明の実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法に用いる電界印加装置の概略構成を示す模式図
【図３】上記実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法の工程図
【図４】上記実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法の電界印加前の熱処理の温度プロファイルを示す図
【図５】上記実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法の波長変換素子特性評価方法の評価光学系の概略構成を示す模式図
【図６】図５の波長変換素子の要部拡大図
【図７】従来の波長変換素子作製方法を用いて作製したＳＨＧ素子を、波長変換効率評価光学系を用いて評価した結果をプロットした図
【図８】上記実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法の印加パルス数に対する印加電圧の差異をプロットした図
【図９】上記実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法で作製したＳＨＧ素子の特性図
【図１０】上記実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法で作製した時の印加パルス数に対する印加電圧の関係から分極反転構造の形成過程を説明する図
【図１１】上記実施の形態１の波長変換素子の製造方法の電界印加前熱処理の有無をパラメータにした、電界印加時の初期印加電圧と波長変換効率との関係を示す図
【図１２】上記実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法の電界印加前熱処理の処理温度と初期印加電圧との関係を示す図
【図１３】上記実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法の電界印加前熱処理の有無と波長変換効率の特性ばらつきとの関連性を示す度数分布図
【図１４】本発明の実施の形態２に係る波長変換素子をレーザ光源装置に備える画像表示装置の斜視図
【図１５】上記実施の形態２に係る画像表示装置の光学エンジンユニットの概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法に用いる電界印加装置の概略構成を示す模式図である。
【００３２】
図２に示すように、波長変換素子１００は、モル分率０．４８５〜０．４９（コングルエント組成）のマグネシウム添加ニオブ酸リチウム単結晶基板（以下、ＭｇＬＮ基板という。）１０１に分極反転構造が形成され、かつ、ＭｇＬＮ基板１０１における、基板表面（以下、＋ｚ面という。）と基板裏面（以下、−ｚ面という。）間の体積抵抗率が、基板温度１００度以上の時、９〜５ＭΩ・ｃｍの範囲である。
【００３３】
波長変換素子１００は、ＭｇＬＮ基板１０１の＋ｚ面に周期電極、−ｚ面に対向電極が形成され、電極形成後に熱処理が行われている。本実施の形態では、波長変換素子１００は、熱処理後のＭｇＬＮ基板１０１に対して、電界印加により形成された分極反転構造を有することを特徴とする。なお、対向電極は、一様電極と呼称されることがある。
【００３４】
波長変換素子１００は、略直方体状をなし、周期電極１０３と対向電極１０４が形成されている。分極反転形成装置２００は、ＭｇＬＮ基板１０１の周期電極１０３と対向電極１０４との間にパルス電界を印加する。これにより、ＭｇＬＮ基板１０１には、周期的な分極反転部（分極反転層）１０２が形成される。
【００３５】
波長変換素子１００には、分極反転周期方向（分極反転部１０２の配列方向）に基本波長レーザ光が入射される。これにより、擬似位相整合による入射光の第２次高調波発生で２倍の周波数、すなわち１／２の波長のレーザ光を得ることができる。
【００３６】
周期的な分極反転構造を形成するには、周期電極１０３と対向電極１０４を用いて、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。これにより周期電極１０３に対応する部分の分極方向が反転し、分極反転部１０２が周期電極１０３から対向電極１０４に向けて楔形状に形成される。
【００３７】
分極反転形成装置２００は、直流電流源２０１、印加電圧モニタ２０２、波形生成器２０３、及びアンプ２０４を備える。
【００３８】
分極反転形成装置２００は、ＭｇＬＮ基板１０１に高電圧を印加し、分極反転構造が生成される際に流れる電流値が一定となるように制御する。
【００３９】
印加電圧モニタ２０２は、ＭｇＬＮ基板１０１に印加されている電圧値をモニタする。印加電圧モニタ２０２により、ＭｇＬＮ基板１０１で進行している分極反転構造の形成状態をモニタすることができる。モニタ方法の詳細については図１０等により後述する。
【００４０】
波形生成器２０３は、パルス波形を生成し、アンプ２０４は、生成されたパルス波形を増幅してＭｇＬＮ基板１０１へ印加する。ＭｇＬＮ基板１０１に印加される電圧は、パルス状の電界である。
【００４１】
図３は、本実施の形態に係る波長変換素子の製造方法の工程図であり、波長変換素子の分極反転形成プロセスを示す。
【００４２】
本実施の形態は、材料基板としてモル分率０．４８５〜０．４９（コングルエント組成）のＭｇＬＮ基板１０１を用いている。このため、ＭｇＬＮ基板を用いた場合のプロセス条件となっている。
【００４３】
ステップＳ１：基板洗浄工程
材料基板であるコングルエント組成のＭｇＬＮ基板１０１を洗浄する。
【００４４】
ステップＳ２：金属成膜工程
洗浄したＭｇＬＮ基板１０１の表裏面に、スパッタ装置により電極用金属材料を成膜する。金属膜は、アルミニウム膜、クロム膜、タンタル膜、チタン膜などＭｇＬＮ基板との密着性が確保できれば、いずれでも構わない。
【００４５】
ステップＳ３：パターンニング工程
コーター・デベロッパ装置により金属膜を成膜したＭｇＬＮ基板１０１にフォトレジストを塗布し、マスクパターンに従って感光させフォトリソグラフィーによるレジストパターニングを行う。このレジストパターニングにより、分極反転パターンに従った周期電極を形成するためのレジストパターンが形成される。
【００４６】
ステップＳ４：電極形成工程
パターニングしたレジストをマスクにして金属膜をエッチングし、電界印加用の電極パターンを形成する。
【００４７】
ステップＳ５：熱処理工程
電極を形成した後、電界印加前に、ＭｇＬＮ基板１０１を、図４に示す温度プロファイルで熱処理する。
【００４８】
図４は、電界印加前の熱処理の温度プロファイルを示す図である。図４の処理温度ｔｍａｘは熱処理時の最高温度、処理時間Ｔは最高温度ｔｍａｘでの保持時間を示す。
【００４９】
ここで、波長変換素子１００の分極反転形成プロセスにおいて、電極形成後、熱処理を行うことを第１の特徴とする。電極形成後の熱処理は、図４の温度プロファイルを基に実施される。本実施の形態では、処理温度ｔｍａｘは２００℃、保持時間Ｔは１時間とした。処理温度の範囲は、１６０℃から２５０℃の範囲が適している。１６０℃以下では、熱処理の効果が見られず、２５０℃以上では電極が酸化して、良好な波長変換特性が得られないため、この範囲であることが望ましい。保持時間については、前述の処理温度の範囲内であれば、３０分以上とすると効果に差違は見られない。処理温度までの昇温速度は、５〜１０℃／分とした。ニオブ酸リチウム基板は圧電結晶のため、これ以上の速度で昇温した場合、基板が破損する可能性が高くなるためこの昇温速度としている。
【００５０】
ステップＳ６：電界印加工程
表裏面に形成した金属電極を分極反転形成装置２００（図２参照）に接続し、パルス電界印加を行う。パルス電界の印加により、周期電極１０３のパターン形成領域の結晶方位が結晶内部の原子の移動により変位され、分極方位が反転することにより、周期電極１０３のパターン形成領域に分極反転部１０２が形成される。
【００５１】
また、波長変換素子１００の分極反転形成プロセスにおいて、分極反転構造形成時のＭｇＬＮ基板保持温度に第２の特徴がある。すなわち、ＭｇＬＮ基板１０１の温度を１００℃〜１５０℃の範囲とすることで、ＭｇＬＮ単結晶を構成する格子を振動させＭｇＬＮを構成するリチウムイオンの変位を促す作用がある。その結果、分極反転電圧を小さくする効果が生じる。本実施の形態では、上述したように分極反転構造が生成される際に流れる電流値が一定となるように制御している。また、ＭｇＬＮ基板１０１に印加されている電圧値を、印加電圧モニタ２０２（図２参照）でモニタしている。印加電圧モニタ２０２により分極反転構造の形成状態をモニタし、分極反転構造の形成が完了した場合に電界の印加を停止する。
【００５２】
ステップＳ７：切断・研磨工程
分極反転構造が形成されたＭｇＬＮ基板１０１は、切断・光学研磨される。
【００５３】
ステップＳ８：完成
波長変換素子１００が完成する。完成した波長変換素子１００は、ＭｇＬＮ基板１０１の＋ｚ面に周期電極、−ｚ面に一様電極が形成され、電極形成後に熱処理が行われている。波長変換素子１００は、ＭｇＬＮ基板１０１に分極反転構造が形成され、かつ、ＭｇＬＮ基板１０１における、＋ｚ面と−ｚ面間の体積抵抗率が、基板温度１００度以上の時、９〜５ＭΩ・ｃｍの範囲である。
【００５４】
次に、完成した波長変換素子１００の波長変換特性の評価について説明する。
【００５５】
図５は、波長変換素子特性評価方法の評価光学系の概略構成を示す模式図、図６は、図５の波長変換素子の要部拡大図である。
【００５６】
図５及び図６において、波長変換素子１００Ａは、測定対象の本波長変換素子１００である。
【００５７】
波長変換効率評価光学系３００は、基本波光源３０１、基本波モニタ用のパワーメータ３０３、ビームスプリッタ３０４、集光レンズ３０５、及び緑色光モニタ用パワーメータ３０７を備える。
【００５８】
基本波光源３０１から発せられた基本波光３０２（波長：１０６４ｎｍ）は、ビームスプリッタ３０４により基本波光３０２ａと３０２ｂとに分離される。基本波光３０２ｂは、基本波光３０２ａの光強度モニタとして使用される。基本波光３０２ａは、集光レンズ３０５により集光され、測定対象の波長変換素子１００Ａへ入射される。
【００５９】
基本波３０２ａを波長変換素子１００Ａに入力することでその一部が高調波３０６（緑色光：５３２ｎｍ）に変換される。緑色光モニタ用パワーメータ３０７は、変換された高調波３０６の強度を測定する。緑色光モニタ用パワーメータ３０７により測定された高調波（緑色光：５３２ｎｍ）強度と基本波光３０２ａの入力値とを比較することで、波長変換効率を得ることができる。
【００６０】
上記波長変換効率評価の際、波長変換素子１００Ａに基本波光３０２ａが入射する位置を変位させ、分極反転構造の面内均一性も併せて評価している。その様子を模式的に示した図が図６である。図６に示すように、基本波光３０２ａの位置を基板面内に変位させ、変換効率の分布を測定し、面内均一性を評価している。
【００６１】
次に、電界印加前に熱処理工程を導入するに至った経緯について説明する。
【００６２】
図７は、従来の波長変換素子作製方法を用いて作製したＳＨＧ（Second Harmonics Generation）素子を、波長変換効率評価光学系３００を用いて評価した結果をプロットした図である。図７（ａ）は、従来プロセスで作製した素子の変換効率が高い素子の特性例、図７（ｂ）は、その変換効率が低い素子の特性例を示す。図７（ａ），（ｂ）の横軸は、基本波光３０２ａの入射位置を示し、縦軸は波長変換効率を示している。
【００６３】
また、波長変換効率は任意単位で示しており、１は波長変換効率の目標値である。分極反転構造が理想的な状態で形成されたと仮定したときの変換効率は、図７の縦軸で示されるように１．８程度である。
【００６４】
従来の作製方法の場合、同じ手順で分極反転を形成した場合でも、図７（ａ）のように変換効率目標を達成する場合と図７（ｂ）のように波長変換効率目標を達成しない場合が発生した。
【００６５】
そこで、本発明者は、図７（ａ）の場合と図７（ｂ）の場合で、電界印加プロセス開始時から終了時まで分極反転形成時の印加電圧を確認した。その場合のプロット図が図８（ａ），（ｂ）である。
【００６６】
図８は、印加パルス数に対する印加電圧の差異をプロットした図である。図８（ａ）は、変換効率が高い素子が得られた時の印加パルス数に対する印加電圧の関係を示し、図８（ｂ）は、変換効率が低い素子が得られた時の印加パルス数に対する印加電圧の関係を示す。図８（ａ），（ｂ）の横軸は、分極反転形成初期から計数した、印加パルス数を示し、縦軸はＭｇＬＮ基板に掛かっている電圧値を示している。
【００６７】
図８（ａ）は、変換効率目標を達成した波長変換素子の印加電圧であり、図７（ａ）に対応している。また、図８（ｂ）は、変換効率目標を達成しなかった波長変換素子の印加電圧であり、図７（ｂ）に対応している。
【００６８】
波長変換素子１００（図２参照）は、ＭｇＬＮ基板１０１の周期電極１０３と対向電極１０４との間にパルス電界が印加されることにより、ＭｇＬＮ基板１０１に周期的な分極反転部１０２が形成される。ＭｇＬＮ基板１０１は、誘電体基板であり、周期電極１０３と対向電極１０４間に電界を印加すると、分極反転形成プロセスにおいてわずかに電流が流れる。ＭｇＬＮ基板１０１に流れる電流が一定になるように、パルス電界を印加すれば、電流は一定であるため、ＭｇＬＮ基板１０１への印加電圧が変化する。この印加電圧の変化（印加パルス数）を見ることで、分極反転構造形成の良否を判定することができる。分極反転形成装置２００（図２参照）は、ＭｇＬＮ基板１０１に高電圧を印加し、分極反転構造が生成される際に流れる電流値が一定となるように制御する。印加電圧モニタ２０２は、ＭｇＬＮ基板１０１に印加されている電圧値をモニタする。印加電圧モニタ２０２により、ＭｇＬＮ基板１０１で進行している分極反転構造の形成状態をモニタすることができる。
【００６９】
図８（ａ）と図８（ｂ）を対比すると、変換効率目標を達成した図８（ａ）では分極反転形成初期の電圧が２ｋＶを超えているのに対し、変換効率目標を達成しなかった図８（ｂ）では分極反転形成初期の電圧が、１．８ｋＶ程度と低くなっていることが分かった。
【００７０】
前記図２に示すように、分極反転形成装置２００は、基板中を流れる電流が一定となるよう制御している。このため、変換効率目標を達成しなかった図８（ｂ）は、変換効率目標を達成した図８（ａ）の場合と比較して基板の抵抗が小さくなっていることが分かった。さらに調査すると、基板保管状態やプロセス履歴によって、分極反転形成初期の電圧（基板抵抗）がまちまちになっており、波長変換素子形成後の波長変換特性もばらつきが大きくなっていることが分かった。
【００７１】
基板の抵抗が変化する要因として、ＭｇＬＮ基板１０１の電子的な欠陥が原因になっていると考え、熱処理による欠陥除去を試みた。
【００７２】
図９は、本実施の形態の波長変換素子の製造方法で作製したＳＨＧ素子の特性図である。図９（ａ）は、印加パルス数に対する印加電圧の関係を示し、図９（ｂ）は、基本波入射位置に対する波長変換効率の関係を示す。
【００７３】
図９（ａ）は、処理温度ｔｍａｘ：２００℃、処理時間Ｔ：１時間で熱処理を行った場合における、分極反転形成時の印加パルス数に対する基板に掛かっている印加電圧のプロットであり、図９（ｂ）は、その波長変換効率評価結果である。
【００７４】
図９（ａ）に示すように、本波長変換素子の製造方法の電界印加前の熱処理により、分極反転初期の電圧が２ｋＶ程度となっており、波長変換特性とその面内分布も、目標変換効率を大きく上回り、理想変換効率に近い１．６程度と良好な結果が得られることが分かった。
【００７５】
図１０は、本実施の形態の波長変換素子の製造方法で作製した時の印加パルス数に対する印加電圧の関係から分極反転構造の形成過程を説明する図である。
【００７６】
図１０は、熱処理有無による変換効率ばらつき状況をプロットしている。図１０の○印に示すように、熱処理無しの場合、初期印加電圧は１．７ｋＶ〜１．９５ｋＶまでばらついており、波長変換素子の変換効率も０．５〜１．１でばらついていることが分かる。
【００７７】
図１０の●印は、本波長変換素子の製造方法の電界印加前の熱処理を導入した場合の初期印加電圧と変換効率を示している。本波長変換素子の製造方法の電界印加前の熱処理を導入することで、初期の印加電圧は、１．９８〜２．０６ｋＶとばらつき量が小さくなる上、変換効率も１．５から１．８と電界印加前熱処理が無い場合と比較して大きな変換効率が得られている。
【００７８】
また、図１０によると、変換効率目標値（図１０破線参照）を上回るためには、初期の印加電圧が１．９ｋＶ以上である必要がある。
【００７９】
このことから、分極反転形成の初期印加電圧を制御するようにすれば、波長変換素子の変換効率を高くすることができる。
【００８０】
上記分極反転形成の初期印加電圧制御は、分極反転形成装置２００（図２参照）の印加電圧モニタ２０２を使用する。印加電圧モニタ２０２は、ＭｇＬＮ基板１０１で進行している分極反転構造の形成状態をモニタする。印加電圧モニタ２０２を使用することで、分極反転形成中に基板内部で進行する分極反転部分の成長状況を推測することができる。
【００８１】
次に、印加電圧から分極反転部分の成長状況を推測する方法について説明する。
【００８２】
図１１は、本実施の形態の波長変換素子の製造方法の電界印加前熱処理の有無をパラメータにした、電界印加時の初期印加電圧と波長変換効率との関係を示す図である。
【００８３】
図１１に示すように、本発明者は、分極反転形成が、分極反転形成初期、分極反転成長期、分極反転形成終盤期の３つの期間に分けられることを見出した。
【００８４】
分極反転形成初期は、印加開始から印加電圧が一旦低下後、徐々に上昇し、あるところで印加電圧が一定となる期間である。
【００８５】
分極反転成長期は、分極反転形成初期後に印加電圧が一定となる期間である。分極反転成長期は、ＭｇＬＮ基板１０１の深さ方向に分極反転が進んでいく過程と考えられる。
【００８６】
分極反転形成終盤期は、分極反転形成後に再び印加電圧が上昇する期間である。分極反転形成終盤期になったとき、電界印加を停止する。これにより、分極反転構造が過剰に形成され、波長変換効率が損なわれることを防止する。
【００８７】
図１０に示す初期印加電圧と変換効率との結果から、高い変換効率を得るためには、分極反転形成初期の印加電圧で１．９ｋＶ以上である必要があり、分極反転形成終盤期の電圧で、２．５〜３．５ｋＶであることが望ましい。
【００８８】
この印加電圧をＭｇＬＮ基板１０１の体積抵抗率（＋ｚ面と−ｚ面間、測定温度１００℃以上）で見た場合、分極反転形成初期の体積抵抗率で、６．５ＭΩ・ｃｍ以上である必要があり、分極反転形成後の体積抵抗率で９〜１５ＭΩ・ｃｍの範囲となっていることが望ましい。
【００８９】
図１２は、電界印加前熱処理の処理温度と初期印加電圧との関係を示す図である。
【００９０】
図１２を参照して、分極反転形成初期の印加電圧を１．９ｋＶ以上とするための熱処理条件（保持温度ｔｍａｘ）について説明する。
【００９１】
図１２に示すように、熱処理温度が１５０℃では、初期印加電圧は１．９ｋＶに達せず、熱処理温度が１６０〜２５０℃で所望の印加電圧が得られる。このため、熱処理温度は、１６０℃〜２５０℃の範囲であることが望ましい。また、熱処理温度が２５０℃より高い温度では電極が変質し電界印加することが不可能となる。したがって、熱処理温度が２５０℃より高い温度での熱処理は無意味である。
【００９２】
図１３は、電界印加前熱処理の有無と波長変換効率の特性ばらつきとの関連性を示す度数分布図である。図１３（ａ）は、分極反転前の熱処理を導入しなかった場合の波長変換素子の変換効率分布、図１３（ｂ）は、分極反転前の熱処理を導入した本実施の形態の場合の波長変換素子の変換効率分布を示す。
【００９３】
図１３（ａ）に示すように、分極反転前の熱処理を導入しない場合、最も個体数が多いピーク位置となる変換効率値が低く（１．２a.u.程度）、かつ、変換効率ばらつきも大きい（度数分布の幅が大きい）。このため、図１３（ａ）網掛けに示すように、目標変換効率（１．０a.u.）を下回る個体が発生する。
【００９４】
図１３（ｂ）に示すように、分極反転前の熱処理を導入した本実施の形態の場合では、ピーク位置の変換効率値を大きくすることが可能で、かつ、変換効率ばらつきを小さくすることができる。このため、変換効率目標値を上回る個体数である歩留まりを高める効果を有する。
【００９５】
以上詳細に説明したように、本実施の形態の波長変換素子の製造方法は、ＭｇＬＮ基板１０１の＋ｚ面に周期電極１０３を、−ｚ面に対向電極１０４を形成する工程と、周期電極１０３及び対向電極１０４を形成した後に熱処理を行う熱処理工程と、ＭｇＬＮ基板１０１を１００℃以上に保持した状態で、周期電極１０３と対向電極１０４間にパルス状の電界を印加する電界印加工程と、を有する。すなわち、本実施の形態の波長変換素子の製造方法は、周期電極１０３及び対向電極１０４を除去することなく熱処理を行い、熱処理後に、周期電極１０３及び対向電極１０４を用いて電界を印加して、分極反転構造を形成する。
【００９６】
本実施の形態の波長変換素子１００は、熱処理後のＭｇＬＮ基板１０１に対して、電界印加により形成された分極反転構造を有する。上記分極反転構造を有する波長変換素子１００は、ＭｇＬＮ基板１０１の＋ｚ面と−ｚ面間の体積抵抗率が、基板温度１００℃以上のとき、９〜５ＭΩ・ｃｍの範囲である。
【００９７】
本実施の形態によれば、特殊なストイキオメトリック組成ではなく、従来から生産されているモル分率０．４８５〜０．４９（コングルエント組成）のＭｇＬＮ基板１０１を使用して、高効率な波長変換素子を安定して得ることができる。
【００９８】
具体的には、本実施の形態の波長変換素子の製造方法は、コングルエント組成のＭｇＬＮ基板１０１を使用し、熱処理後に、周期電極１０３及び対向電極１０４を用いて電界を印加して、分極反転構造の形成過程を制御する。この順序で熱処理を行うことにより、分極反転を形成する前に生じた光による結晶欠陥を低減することができる。
【００９９】
本実施の形態の波長変換素子の製造方法により、前記電界を印加する際に、ＭｇＬＮ基板１０１の抵抗値を安定させる作用が確認できた。その結果、高い変換効率を有する波長変換素子を安定して作製することができ、高効率な波長変換素子を実現することができる。
【０１００】
ここで、特許文献３記載の波長変換素子の製造方法は、先に分極反転層を形成し、電極を除去した後に熱処理を行う。これに対して、本実施の形態の波長変換素子の製造方法は、電極を除去せずに熱処理を行い、次にその電極を利用して印加し分極反転層を形成した後に電極を除去する点で、熱処理工程の対象及び順序が異なる。また、特許文献３記載の波長変換素子の製造方法の熱処理温度が、８５℃以下であるのに対し、本実施の形態の波長変換素子の製造方法の熱処理温度が、１００℃以上（特に、１６０℃〜２５０℃の範囲）であり、熱処理の条件も異なる。
【０１０１】
元々、特許文献３記載の波長変換素子の製造方法は、位相整合温度の経時変化による出力の不安定さとそれに伴う変換効率低下を課題としているのに対し、本発明は、製造時での歩留まり向上を課題としている。熱処理温度を１００℃以上にすると光照射による屈折率変化（光損傷）が低減することは、特許文献３に記載されている。しかしながら、本実施の形態の波長変換素子の製造方法は、電極形成後に熱処理を行い、熱処理後の基板に対して分極反転構造を形成させる。本発明者は、分極反転を形成する前に生じた光による結晶欠陥を低減するため、電極形成後、すなわち分極反転の形成前に熱処理を行うことを考え出した。本発明によりはじめて、図１３に示すような歩留まりを向上させることが可能になった。
【０１０２】
（実施の形態２）
図１４は、本発明の実施の形態２に係る波長変換素子をレーザ光源装置に備える画像表示装置の斜視図である。本実施の形態は、本発明に係る画像表示装置を携帯型情報処理装置に適用した例である。
【０１０３】
図１４に示すように、画像表示装置４００は、携帯型情報処理装置４５１に内蔵されている。携帯型情報処理装置４５１の本体４５２には、光ディスク装置などの周辺機器が取り替え可能に収容される収容スペース、いわゆるドライブベイが、キーボード４５３の裏面側に形成されており、このドライブベイに画像表示装置４００が出没自在に取り付けられている。
【０１０４】
画像表示装置４００は、収容体４５４と、収容体４５４に対して出し入れ可能に設けられた可動体４５５と、を備える。可動体４５５は、レーザ光をスクリーンＳに投射するための光学部品が収容された光学エンジンユニット４５６と、光学エンジンユニット４５６内の光学部品を制御するための基板などが収容された制御ユニット４５７とから構成され、光学エンジンユニット４５６が上下方向に回動可能に制御ユニット４５７に支持されている。
【０１０５】
画像表示装置４００は、不使用時に可動体４５５が収容体４５４内に格納される。画像表示装置４００は、使用際して、可動体４５５が収容体４５４から引き出され、光学エンジンユニット４５６を回動させて、光学エンジンユニット４５６からのレーザ光の投射角度を調整する。この調整により、レーザ光をスクリーンＳ上に適切に投射させることができる。
【０１０６】
図１５は、画像表示装置４００の光学エンジンユニット４５６の概略構成図である。
【０１０７】
図１５に示すように、光学エンジンユニット４５６は、所要の画像をスクリーンに投影表示する。
【０１０８】
光学エンジンユニット４５６は、緑色レーザ光を出力する緑色レーザ光源装置４０２と、赤色レーザ光を出力する赤色レーザ光源装置４０３と、青色レーザ光を出力する青色レーザ光源装置４０４と、映像信号に応じて各レーザ光源装置４０２〜４０４からのレーザ光の変調を行う液晶反射型の空間光変調器４０５と、を備える。また、光学エンジンユニット４５６は、各レーザ光源装置４０２〜４０４からのレーザ光を反射させて空間光変調器４０５に照射させるとともに空間光変調器４０５から出射された変調レーザ光を透過させる偏光ビームスプリッタ４０６と、各レーザ光源装置４０２〜４０４から出射されるレーザ光を偏光ビームスプリッタ４０６に導くリレー光学系４０７と、偏光ビームスプリッタ４０６を透過した変調レーザ光をスクリーンに投射する投射光学系４０８と、を備える。
【０１０９】
光学エンジンユニット４５６は、いわゆるフィールドシーケンシャル方式でカラー画像を表示する。各レーザ光源装置４０２〜４０４から各色のレーザ光が時分割で順次出力され、各色のレーザ光による画像が視覚の残像効果によってカラー画像として認識される。
【０１１０】
リレー光学系４０７は、各レーザ光源装置４０２〜４０４から出射される各色のレーザ光を平行ビームに変換するコリメータレンズ４１１〜４１３と、コリメータレンズ４１１〜４１３を通過した各色のレーザ光を所要の方向に導く第１及び第２のダイクロイックミラー４１４，４１５と、ダイクロイックミラー４１４，４１５により導かれたレーザ光を拡散させる拡散板４１６と、拡散板４１６を通過したレーザ光を収束レーザに変換するフィールドレンズ４１７と、を備える。
【０１１１】
投射光学系４０８からスクリーンＳに向けてレーザ光が出射される側を前側とすると、青色レーザ光源装置４から青色レーザ光が後方に向けて出射され、青色レーザ光の光軸に対して緑色レーザ光の光軸及び赤色レーザ光の光軸が互いに直交するように、緑色レーザ光源装置４０２及び赤色レーザ光源装置４０３から緑色レーザ光及び赤色レーザ光が出射される。そして、青色レーザ光、赤色レーザ光、及び緑色レーザ光が、２つのダイクロイックミラー４１４，４１５で同一の光路に導かれる。すなわち、青色レーザ光と緑色レーザ光が第１のダイクロイックミラー４１４で同一の光路に導かれ、青色レーザ光及び緑色レーザ光と赤色レーザ光が第２のダイクロイックミラー４１５で同一の光路に導かれる。
【０１１２】
第１及び第２のダイクロイックミラー４１４，４１５には、表面に所定の波長のレーザ光を透過及び反射させるための膜が形成されている。第１のダイクロイックミラー４１４は、青色レーザ光を透過するとともに緑色レーザ光を反射させる。第２のダイクロイックミラー４１５は、赤色レーザ光を透過するとともに青色レーザ光及び緑色レーザ光を反射させる。
【０１１３】
これらの各光学部材は、筐体４２１に支持されている。筐体４２１は、各レーザ光源装置４０２〜４０４で発生した熱を放熱する放熱体として機能し、アルミニウムや銅などの熱伝導性の高い材料で形成されている。
【０１１４】
緑色レーザ光源装置４０２は、側方に向けて突出した状態で筐体４２１に形成された取付部４２２に取り付けられている。取付部４２２は、リレー光学系４０７の収容スペースの前方と側方にそれぞれ位置する前壁部４２３と側壁部４２４とが交わる角部から側壁部４２４に直交する向きに突出した状態で設けられている。赤色レーザ光源装置４０３は、ホルダ４２５に保持された状態で側壁部４２４の外面側に取り付けられている。青色レーザ光源装置４０４は、ホルダ４２６に保持された状態で前壁部４２３の外面側に取り付けられている。
【０１１５】
赤色レーザ光源装置４０３及び青色レーザ光源装置４０４は、いわゆるＣＡＮパッケージで構成される。ＣＡＮパッケージは、レーザ光を出力するレーザチップが、ステムに支持された状態で缶状の外装部の中心軸上に光軸が位置するように配置され、外装部の開口に設けられたガラス窓からレーザ光が出射される。
【０１１６】
赤色レーザ光源装置４０３及び青色レーザ光源装置４０４は、ホルダ４２５，４２６に開設された取付孔４２７，４２８に圧入するなどしてホルダ４２５，４２６に対して固定される。青色レーザ光源装置４及び赤色レーザ光源装置４０３のレーザチップの発熱は、ホルダ４２５，４２６を介して筐体４２１に伝達されて放熱される。各ホルダ４２５，４２６は、アルミニウムや銅などの熱伝導率の高い材料で形成されている。
【０１１７】
緑色レーザ光源装置４０２は、励起用レーザ光を出力する半導体レーザ４３１と、半導体レーザ４３１から出力された励起用レーザ光を集光する集光レンズであるＦＡＣ（Fast-Axis Collimator）レンズ４３２及びロッドレンズ４３３と、励起用レーザ光により励起されて基本レーザ光（赤外レーザ光）を出力する固体レーザ素子４３４と、を備える。また、緑色レーザ光源装置４０２は、基本レーザ光の波長を変換して半波長レーザ光（緑色レーザ光）を出力する波長変換素子（光学素子）１００（図２参照）と、固体レーザ素子４３４とともに共振器を構成する凹面ミラー４３６と、励起用レーザ光及び基本波長レーザ光の漏洩を阻止するガラスカバー４３７と、各部を支持する基台４３８と、各部を覆うカバー体４３９と、を備える。
【０１１８】
緑色レーザ光源装置４０２は、基台４３８を筐体４２１の取付部４２２に取り付けて固定され、緑色レーザ光源装置４０２と筐体４２１の側壁部４２４との間に所要の幅（例えば０．５ｍｍ以下）の間隙が形成される。これにより、緑色レーザ光源装置４０２の熱が赤色レーザ光源装置４０３に伝わりにくくなり、赤色レーザ光源装置４０３の昇温を抑制して、温度特性の悪い赤色レーザ光源装置４０３を安定的に動作させることができる。また、赤色レーザ光源装置４０３の所要の光軸調整代（例えば０．３ｍｍ程度）を確保するため、緑色レーザ光源装置４０２と赤色レーザ光源装置４０３との間に所要の幅（例えば０．３ｍｍ以上）の間隙が設けられている。
【０１１９】
このように、本実施の形態によれば、緑色レーザ光源装置４０２は、実施の形態１に係る波長変換素子１００（図２参照）を備える。また、緑色レーザ光源装置４０２は、赤色レーザ光源装置４０３及び青色レーザ光源装置４０４と共に画像表示装置４００のレーザ光源として搭載される。光源として特に半導体レーザを用いたレーザ光源装置を備えた時分割表示方式の画像表示装置などとして有用である。また、画像表示装置４００は、投射型画像表示装置、液晶テレビ及び液晶ディスプレイ等、画像表示装置全般に適用することが可能である。
【０１２０】
なお、画像表示装置は、投写型に限定されるものでは無く、直接表示画像を観る液晶テレビや液晶ディスプレイ等の液晶表示装置であってもよい。
【０１２１】
以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されることはない。
【０１２２】
本実施の形態によれば、特殊なストイキオメトリック組成ではなく、従来から生産されているモル分率０．４８５〜０．４９（コングルエント組成）のマグネシウム添加ニオブ酸リチウムやマグネシウム添加タンタル酸リチウムを使用した場合においても、高効率な波長変換素子を安定して得ることができる。
【０１２３】
ここで、モル分率０．４８５〜０．４９（コングルエント組成）のマグネシウム添加ニオブ酸リチウム単結晶基板であることが望ましい。
【０１２４】
上記実施の形態では、波長変換素子の製造方法及び波長変換素子、レーザ光源装置、画像表示装置という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、光機能素子の製造方法、光半導体素子、表示装置、液晶装置等であってもよい。
【０１２５】
さらに、上記波長変換素子の製造方法を構成する各工程、例えば熱処理の種類・方法などは前述した実施の形態に限られない。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明の波長変換素子、レーザ光源装置、画像表示装置及び波長変換素子の製造方法は、周期分極反転構造を形成した波長変換素子及びその製造方法の全般に適用することができる。本発明の波長変換素子及び波長変換素子の製造方法は、従来から使用されているコングルエント組成のマグネシウム添加タンタル酸リチウム単結晶を使用し、分極反転構造の形成過程を制御することが容易となる。その結果、高い変換効率を有する波長変換素子が安定して生産でき、高効率な波長変換素子を提供することができる。かかる波長変換素子は、波長変換レーザ光源として有用である。
【符号の説明】
【０１２７】
１００，１００Ａ 波長変換素子
１０１ モル分率０．４８５〜０．４９（コングルエント組成）のマグネシウム添加ニオブ酸リチウム単結晶基板（ＭｇＬＮ基板）
１０２ 分極反転部（分極反転層）
１０３ 周期電極
１０４ 対向電極
２００ 分極反転形成装置
２０１ 直流電流源
２０２ 印加電圧モニタ
２０３ 波形生成器
２０４ アンプ
３００ 波長変換効率評価光学系
３０１ 基本波光源
３０３ パワーメータ
３０４ ビームスプリッタ
３０５ 集光レンズ
３０７ 緑色光モニタ用パワーメータ
４００ 画像表示装置
４０２ 緑色レーザ光源装置
４０３ 赤色レーザ光源装置
４０４ 青色レーザ光源装置
４０５ 空間光変調器
４０６ 偏光ビームスプリッタ
４０７ リレー光学系
４０８ 投射光学系
４１１〜４１３ コリメータレンズ
４１４，４１５ 第１及び第２のダイクロイックミラー
４１６ 拡散板
４１７ フィールドレンズ
４３１ 半導体レーザ
４３２ ＦＡＣレンズ
４３３ ロッドレンズ
４３４ 固体レーザ素子
４３６ 凹面ミラー
４３７ ガラスカバー
４５１ 携帯型情報処理装置
４５６ 光学エンジンユニット
４５７ 制御ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源が発するレーザ光を非線形光学効果により波長変換する波長変換素子、レーザ光源装置、画像表示装置及び波長変換素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非線形光学効果を用いた波長変換により、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ４等レーザ媒質から発せられる光（基本波）を可視光である緑色光（高調波）に変換したり、緑色光をさらに紫外光へ変換する波長変換レーザ光源が開発・実用化されている。これらの可視レーザ光や紫外レーザ光は、物質のレーザ加工やレーザディスプレイ等の光源などの用途に用いられている。
【０００３】
非線形光学効果を得るには、複屈折率を有する非線形光学結晶を使用する必要があり、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム：ＰＰＬＮ）などの強誘電体非線形結晶を周期的に分極反転させ作成されている。
【０００４】
図１は、波長変換レーザ光源の概略構成を示す模式図である。図１は、励起光をレーザ媒質端面から入力する、端面励起型（エンドポンプ型）レーザ光源の構成例を示す。
【０００５】
図１に示すように、波長変換レーザ光源１０は、励起光源１１、コリメートレンズ１３、集光レンズ１４、固体レーザ媒質１５、波長変換素子１６、凹面鏡２２、及び光学反射膜２３を備える。
【０００６】
上記固体レーザ媒質１５、波長変換素子１６、及び凹面鏡２２は、レーザ共振器２４を構成する。
【０００７】
波長変換素子１６は、ＳＨＧ（Second Harmonics Generation）素子であり、固体レーザ媒質１５から出力される波長１０６４ｎｍの基本波長レーザ光（赤外レーザ光）の波長を変換して波長５３２ｎｍの半波長レーザ光（緑色レーザ光）を生成する。
【０００８】
波長変換レーザ光源１０は、励起光源１１で固体レーザ媒質１５を励起し、発生した近赤外光を波長変換素子１６で緑色光に変換することで緑色レーザ光を得る。
【０００９】
固体レーザ媒質１５は、単結晶材料であるＹＶＯ４結晶を用いる。励起光１２は、励起光源１１より発せられており、コリメートレンズ１３で平行光にされた後、集光レンズ１４によって、レーザ共振器２４を構成する固体レーザ媒質１５へ集光される。
【００１０】
固体レーザ媒質１５の端面のうち、励起光が入射する側の固体レーザ媒質端面（光学反射膜）１８には、１０６０ｎｍ帯の光を反射する高反射光学膜２１が形成されており、この高反射光学膜２１が共振器として働く。また、凹面鏡２２の端面にも１０６０ｎｍ帯の光を反射する高反射光学膜２３が形成され、共振器を構成する。
【００１１】
固体レーザ媒質１５と波長変換素子１６のそれぞれの対向面である、固体レーザ媒質１５の端面１９及び波長変換素子１６の端面２０には、無反射光学膜が形成されている。すなわち、固体レーザ媒質１５のうち、波長変換素子１６と対向する面、及び波長変換素子１６のうち、固体レーザ媒質１５と対向する面に無反射光学膜が形成されている。固体レーザ媒質１５及び凹面鏡２２の端面に形成された高反射光学膜２３と固体レーザ媒質端面（光学反射膜）１８との間で光が共振することで、レーザ共振器２４は光共振器として動作し、１０６０ｎｍ帯のレーザ光が発振する。
【００１２】
このとき、発振した１０６０ｎｍ帯の光が波長変換素子１６を通過することで、１０６０ｎｍ帯の光が波長変換され半分の波長である約５３０ｎｍ（緑色光）へ変換される。そして、変換された５３０ｎｍの高調波光（緑色光）１７は、波長変換素子１６の端面２１から出力される。
【００１３】
波長変換素子１６としては誘電体単結晶材料が使用されており、三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ３Ｏ５：ＬＢＯ）やリン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ４：ＫＴＰ）、周期分極反転構造を形成したマグネシウム添加ニオブ酸リチウム（Ｍｇ：ＬｉＮｂＯ３）、周期分極反転構造を形成したマグネシウム添加タンタル酸リチウム（Ｍｇ：ＬｉＴａＯ３）などが用いられている。
【００１４】
中でも、分極反転構造を形成したマグネシウム添加ニオブ酸リチウムは、非線形光学定数が大きな材料である上、分極反転構造を形成することで大きな非線形光学定数を最大限利用することができるという特徴を有する。さらに、マグネシウムイオンが添加されていることで、光による屈折率変化（光損傷）を抑制できるという効果を有する。
【００１５】
そのため、分極反転構造を形成したマグネシウム添加ニオブ酸リチウムを波長変換素子に用いることで高出力・高効率な緑色レーザ光源を実現することができる。
【００１６】
高効率な波長変換素子を得るには、分極反転構造の反転部と非反転部の割合が１：１となっていることが理想である。
【００１７】
特許文献１，２には、特殊な結晶成長装置を用いて特殊な結晶組成（Ｌｉ２Ｏ／（Ｎｂ２Ｏ５＋Ｌｉ２Ｏ）のモル分率が０．４９〜０．５２：ストイキオメトリック組成）を実現したマグネシウム添加ニオブ酸リチウムやマグネシウム添加タンタル酸リチウム単結晶と光機能素子が記載されている。そして、このマグネシウム添加ニオブ酸リチウムやマグネシウム添加タンタル酸リチウム単結晶を使って、分極反転構造形成時の印加電圧を下げ、分極反転構造の反転部と非反転部の割合を理想的な構造にする試みが記載されている。
【００１８】
一方、特許文献３には、位相整合温度の変化を低減し、波長変換素子を長時間使用した場合においても安定して高調波を出力する波長変換素子の製造方法が記載されている。特許文献３記載の波長変換素子の製造方法は、分極反転層を形成し、電極を除去した後に熱処理を行う。また、熱処理の条件は、８５℃以下とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２０００−１０３６９７号公報
【特許文献２】特開２００１−５９９８３号公報
【特許文献３】特開２０１１−４８２０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、特許文献１，２記載のニオブ酸リチウム単結晶及び光機能素子は、記載されているようなモル分率が０．４９〜０．５２（ストイキオメトリック組成）となるマグネシウム添加ニオブ酸リチウムやマグネシウム添加タンタル酸リチウム単結晶の育成には、結晶成長中に原料を追加できるような特殊な結晶成長装置を必要とし、生産が難しいという課題がある。
【００２１】
そこで、従来から生産されているモル分率０．４８５〜０．４９（コングルエント組成）のマグネシウム添加ニオブ酸リチウムやマグネシウム添加タンタル酸リチウムを使用した場合においても、高効率な波長変換素子を安定して得ることが課題となっている。
【００２２】
また、特許文献３記載の波長変換素子の製造方法は、位相整合温度の経時変化による出力の不安定さとそれに伴う変換効率低下を防ぐものであって、製造時での歩留まり向上を図るものではない。
【００２３】
本発明の目的は、コングルエント組成のマグネシウム添加タンタル酸リチウム単結晶を用いて分極反転構造の形成過程を制御することができ、高い変換効率を有する波長変換素子を安定して生産することができる波長変換素子、レーザ光源装置、画像表示装置及び波長変換素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の波長変換素子の製造方法は、コングルエント組成のマグネシウム添加ニオブ酸リチウム単結晶基板に分極反転構造を形成する波長変換素子の製造方法であって、前記基板の＋ｚ面に周期電極を、−ｚ面に対向電極を形成する工程と、前記電極を形成した後に熱処理を行う熱処理工程と、前記熱処理後、前記周期電極と前記対向電極間にパルス状の電界を印加する電界印加工程と、を有する。
【００２５】
本発明の波長変換素子は、コングルエント組成のマグネシウム添加ニオブ酸リチウム単結晶基板に分極反転構造が形成された波長変換素子であって、前記基板の＋ｚ面と−ｚ面間の体積抵抗率が、前記基板温度１００℃以上のとき、９〜５ＭΩ・ｃｍの範囲である構成を採る。
【００２６】
本発明のレーザ光源装置は、上記波長変換素子を備える構成を採る。
【００２７】
本発明の画像表示装置は、上記レーザ光源装置を備える構成を採る。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、コングルエント組成のマグネシウム添加タンタル酸リチウム単結晶を用いて、分極反転構造の形成過程を制御することできる。その結果、高い変換効率を有する波長変換素子を安定して生産することができ、製造時での歩留まり向上を図ることができる。また、高効率な波長変換素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】波長変換レーザ光源の概略構成を示す模式図
【図２】本発明の実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法に用いる電界印加装置の概略構成を示す模式図
【図３】上記実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法の工程図
【図４】上記実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法の電界印加前の熱処理の温度プロファイルを示す図
【図５】上記実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法の波長変換素子特性評価方法の評価光学系の概略構成を示す模式図
【図６】図５の波長変換素子の要部拡大図
【図７】従来の波長変換素子作製方法を用いて作製したＳＨＧ素子を、波長変換効率評価光学系を用いて評価した結果をプロットした図
【図８】上記実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法の印加パルス数に対する印加電圧の差異をプロットした図
【図９】上記実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法で作製したＳＨＧ素子の特性図
【図１０】上記実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法で作製した時の印加パルス数に対する印加電圧の関係から分極反転構造の形成過程を説明する図
【図１１】上記実施の形態１の波長変換素子の製造方法の電界印加前熱処理の有無をパラメータにした、電界印加時の初期印加電圧と波長変換効率との関係を示す図
【図１２】上記実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法の電界印加前熱処理の処理温度と初期印加電圧との関係を示す図
【図１３】上記実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法の電界印加前熱処理の有無と波長変換効率の特性ばらつきとの関連性を示す度数分布図
【図１４】本発明の実施の形態２に係る波長変換素子をレーザ光源装置に備える画像表示装置の斜視図
【図１５】上記実施の形態２に係る画像表示装置の光学エンジンユニットの概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１に係る波長変換素子の製造方法に用いる電界印加装置の概略構成を示す模式図である。
【００３２】
図２に示すように、波長変換素子１００は、モル分率０．４８５〜０．４９（コングルエント組成）のマグネシウム添加ニオブ酸リチウム単結晶基板（以下、ＭｇＬＮ基板という。）１０１に分極反転構造が形成され、かつ、ＭｇＬＮ基板１０１における、基板表面（以下、＋ｚ面という。）と基板裏面（以下、−ｚ面という。）間の体積抵抗率が、基板温度１００度以上の時、９〜５ＭΩ・ｃｍの範囲である。
【００３３】
波長変換素子１００は、ＭｇＬＮ基板１０１の＋ｚ面に周期電極、−ｚ面に対向電極が形成され、電極形成後に熱処理が行われている。本実施の形態では、波長変換素子１００は、熱処理後のＭｇＬＮ基板１０１に対して、電界印加により形成された分極反転構造を有することを特徴とする。なお、対向電極は、一様電極と呼称されることがある。
【００３４】
波長変換素子１００は、略直方体状をなし、周期電極１０３と対向電極１０４が形成されている。分極反転形成装置２００は、ＭｇＬＮ基板１０１の周期電極１０３と対向電極１０４との間にパルス電界を印加する。これにより、ＭｇＬＮ基板１０１には、周期的な分極反転部（分極反転層）１０２が形成される。
【００３５】
波長変換素子１００には、分極反転周期方向（分極反転部１０２の配列方向）に基本波長レーザ光が入射される。これにより、擬似位相整合による入射光の第２次高調波発生で２倍の周波数、すなわち１／２の波長のレーザ光を得ることができる。
【００３６】
周期的な分極反転構造を形成するには、周期電極１０３と対向電極１０４を用いて、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。これにより周期電極１０３に対応する部分の分極方向が反転し、分極反転部１０２が周期電極１０３から対向電極１０４に向けて楔形状に形成される。
【００３７】
分極反転形成装置２００は、直流電流源２０１、印加電圧モニタ２０２、波形生成器２０３、及びアンプ２０４を備える。
【００３８】
分極反転形成装置２００は、ＭｇＬＮ基板１０１に高電圧を印加し、分極反転構造が生成される際に流れる電流値が一定となるように制御する。
【００３９】
印加電圧モニタ２０２は、ＭｇＬＮ基板１０１に印加されている電圧値をモニタする。印加電圧モニタ２０２により、ＭｇＬＮ基板１０１で進行している分極反転構造の形成状態をモニタすることができる。モニタ方法の詳細については図１０等により後述する。
【００４０】
波形生成器２０３は、パルス波形を生成し、アンプ２０４は、生成されたパルス波形を増幅してＭｇＬＮ基板１０１へ印加する。ＭｇＬＮ基板１０１に印加される電圧は、パルス状の電界である。
【００４１】
図３は、本実施の形態に係る波長変換素子の製造方法の工程図であり、波長変換素子の分極反転形成プロセスを示す。
【００４２】
本実施の形態は、材料基板としてモル分率０．４８５〜０．４９（コングルエント組成）のＭｇＬＮ基板１０１を用いている。このため、ＭｇＬＮ基板を用いた場合のプロセス条件となっている。
【００４３】
ステップＳ１：基板洗浄工程
材料基板であるコングルエント組成のＭｇＬＮ基板１０１を洗浄する。
【００４４】
ステップＳ２：金属成膜工程
洗浄したＭｇＬＮ基板１０１の表裏面に、スパッタ装置により電極用金属材料を成膜する。金属膜は、アルミニウム膜、クロム膜、タンタル膜、チタン膜などＭｇＬＮ基板との密着性が確保できれば、いずれでも構わない。
【００４５】
ステップＳ３：パターンニング工程
コーター・デベロッパ装置により金属膜を成膜したＭｇＬＮ基板１０１にフォトレジストを塗布し、マスクパターンに従って感光させフォトリソグラフィーによるレジストパターニングを行う。このレジストパターニングにより、分極反転パターンに従った周期電極を形成するためのレジストパターンが形成される。
【００４６】
ステップＳ４：電極形成工程
パターニングしたレジストをマスクにして金属膜をエッチングし、電界印加用の電極パターンを形成する。
【００４７】
ステップＳ５：熱処理工程
電極を形成した後、電界印加前に、ＭｇＬＮ基板１０１を、図４に示す温度プロファイルで熱処理する。
【００４８】
図４は、電界印加前の熱処理の温度プロファイルを示す図である。図４の処理温度ｔｍａｘは熱処理時の最高温度、処理時間Ｔは最高温度ｔｍａｘでの保持時間を示す。
【００４９】
ここで、波長変換素子１００の分極反転形成プロセスにおいて、電極形成後、熱処理を行うことを第１の特徴とする。電極形成後の熱処理は、図４の温度プロファイルを基に実施される。本実施の形態では、処理温度ｔｍａｘは２００℃、保持時間Ｔは１時間とした。処理温度の範囲は、１６０℃から２５０℃の範囲が適している。１６０℃以下では、熱処理の効果が見られず、２５０℃以上では電極が酸化して、良好な波長変換特性が得られないため、この範囲であることが望ましい。保持時間については、前述の処理温度の範囲内であれば、３０分以上とすると効果に差違は見られない。処理温度までの昇温速度は、５〜１０℃／分とした。ニオブ酸リチウム基板は圧電結晶のため、これ以上の速度で昇温した場合、基板が破損する可能性が高くなるためこの昇温速度としている。
【００５０】
ステップＳ６：電界印加工程
表裏面に形成した金属電極を分極反転形成装置２００（図２参照）に接続し、パルス電界印加を行う。パルス電界の印加により、周期電極１０３のパターン形成領域の結晶方位が結晶内部の原子の移動により変位され、分極方位が反転することにより、周期電極１０３のパターン形成領域に分極反転部１０２が形成される。
【００５１】
また、波長変換素子１００の分極反転形成プロセスにおいて、分極反転構造形成時のＭｇＬＮ基板保持温度に第２の特徴がある。すなわち、ＭｇＬＮ基板１０１の温度を１００℃〜１５０℃の範囲とすることで、ＭｇＬＮ単結晶を構成する格子を振動させＭｇＬＮを構成するリチウムイオンの変位を促す作用がある。その結果、分極反転電圧を小さくする効果が生じる。本実施の形態では、上述したように分極反転構造が生成される際に流れる電流値が一定となるように制御している。また、ＭｇＬＮ基板１０１に印加されている電圧値を、印加電圧モニタ２０２（図２参照）でモニタしている。印加電圧モニタ２０２により分極反転構造の形成状態をモニタし、分極反転構造の形成が完了した場合に電界の印加を停止する。
【００５２】
ステップＳ７：切断・研磨工程
分極反転構造が形成されたＭｇＬＮ基板１０１は、切断・光学研磨される。
【００５３】
ステップＳ８：完成
波長変換素子１００が完成する。完成した波長変換素子１００は、ＭｇＬＮ基板１０１の＋ｚ面に周期電極、−ｚ面に一様電極が形成され、電極形成後に熱処理が行われている。波長変換素子１００は、ＭｇＬＮ基板１０１に分極反転構造が形成され、かつ、ＭｇＬＮ基板１０１における、＋ｚ面と−ｚ面間の体積抵抗率が、基板温度１００度以上の時、９〜５ＭΩ・ｃｍの範囲である。
【００５４】
次に、完成した波長変換素子１００の波長変換特性の評価について説明する。
【００５５】
図５は、波長変換素子特性評価方法の評価光学系の概略構成を示す模式図、図６は、図５の波長変換素子の要部拡大図である。
【００５６】
図５及び図６において、波長変換素子１００Ａは、測定対象の本波長変換素子１００である。
【００５７】
波長変換効率評価光学系３００は、基本波光源３０１、基本波モニタ用のパワーメータ３０３、ビームスプリッタ３０４、集光レンズ３０５、及び緑色光モニタ用パワーメータ３０７を備える。
【００５８】
基本波光源３０１から発せられた基本波光３０２（波長：１０６４ｎｍ）は、ビームスプリッタ３０４により基本波光３０２ａと３０２ｂとに分離される。基本波光３０２ｂは、基本波光３０２ａの光強度モニタとして使用される。基本波光３０２ａは、集光レンズ３０５により集光され、測定対象の波長変換素子１００Ａへ入射される。
【００５９】
基本波３０２ａを波長変換素子１００Ａに入力することでその一部が高調波３０６（緑色光：５３２ｎｍ）に変換される。緑色光モニタ用パワーメータ３０７は、変換された高調波３０６の強度を測定する。緑色光モニタ用パワーメータ３０７により測定された高調波（緑色光：５３２ｎｍ）強度と基本波光３０２ａの入力値とを比較することで、波長変換効率を得ることができる。
【００６０】
上記波長変換効率評価の際、波長変換素子１００Ａに基本波光３０２ａが入射する位置を変位させ、分極反転構造の面内均一性も併せて評価している。その様子を模式的に示した図が図６である。図６に示すように、基本波光３０２ａの位置を基板面内に変位させ、変換効率の分布を測定し、面内均一性を評価している。
【００６１】
次に、電界印加前に熱処理工程を導入するに至った経緯について説明する。
【００６２】
図７は、従来の波長変換素子作製方法を用いて作製したＳＨＧ（Second Harmonics Generation）素子を、波長変換効率評価光学系３００を用いて評価した結果をプロットした図である。図７（ａ）は、従来プロセスで作製した素子の変換効率が高い素子の特性例、図７（ｂ）は、その変換効率が低い素子の特性例を示す。図７（ａ），（ｂ）の横軸は、基本波光３０２ａの入射位置を示し、縦軸は波長変換効率を示している。
【００６３】
また、波長変換効率は任意単位で示しており、１は波長変換効率の目標値である。分極反転構造が理想的な状態で形成されたと仮定したときの変換効率は、図７の縦軸で示されるように１．８程度である。
【００６４】
従来の作製方法の場合、同じ手順で分極反転を形成した場合でも、図７（ａ）のように変換効率目標を達成する場合と図７（ｂ）のように波長変換効率目標を達成しない場合が発生した。
【００６５】
そこで、本発明者は、図７（ａ）の場合と図７（ｂ）の場合で、電界印加プロセス開始時から終了時まで分極反転形成時の印加電圧を確認した。その場合のプロット図が図８（ａ），（ｂ）である。
【００６６】
図８は、印加パルス数に対する印加電圧の差異をプロットした図である。図８（ａ）は、変換効率が高い素子が得られた時の印加パルス数に対する印加電圧の関係を示し、図８（ｂ）は、変換効率が低い素子が得られた時の印加パルス数に対する印加電圧の関係を示す。図８（ａ），（ｂ）の横軸は、分極反転形成初期から計数した、印加パルス数を示し、縦軸はＭｇＬＮ基板に掛かっている電圧値を示している。
【００６７】
図８（ａ）は、変換効率目標を達成した波長変換素子の印加電圧であり、図７（ａ）に対応している。また、図８（ｂ）は、変換効率目標を達成しなかった波長変換素子の印加電圧であり、図７（ｂ）に対応している。
【００６８】
波長変換素子１００（図２参照）は、ＭｇＬＮ基板１０１の周期電極１０３と対向電極１０４との間にパルス電界が印加されることにより、ＭｇＬＮ基板１０１に周期的な分極反転部１０２が形成される。ＭｇＬＮ基板１０１は、誘電体基板であり、周期電極１０３と対向電極１０４間に電界を印加すると、分極反転形成プロセスにおいてわずかに電流が流れる。ＭｇＬＮ基板１０１に流れる電流が一定になるように、パルス電界を印加すれば、電流は一定であるため、ＭｇＬＮ基板１０１への印加電圧が変化する。この印加電圧の変化（印加パルス数）を見ることで、分極反転構造形成の良否を判定することができる。分極反転形成装置２００（図２参照）は、ＭｇＬＮ基板１０１に高電圧を印加し、分極反転構造が生成される際に流れる電流値が一定となるように制御する。印加電圧モニタ２０２は、ＭｇＬＮ基板１０１に印加されている電圧値をモニタする。印加電圧モニタ２０２により、ＭｇＬＮ基板１０１で進行している分極反転構造の形成状態をモニタすることができる。
【００６９】
図８（ａ）と図８（ｂ）を対比すると、変換効率目標を達成した図８（ａ）では分極反転形成初期の電圧が２ｋＶを超えているのに対し、変換効率目標を達成しなかった図８（ｂ）では分極反転形成初期の電圧が、１．８ｋＶ程度と低くなっていることが分かった。
【００７０】
前記図２に示すように、分極反転形成装置２００は、基板中を流れる電流が一定となるよう制御している。このため、変換効率目標を達成しなかった図８（ｂ）は、変換効率目標を達成した図８（ａ）の場合と比較して基板の抵抗が小さくなっていることが分かった。さらに調査すると、基板保管状態やプロセス履歴によって、分極反転形成初期の電圧（基板抵抗）がまちまちになっており、波長変換素子形成後の波長変換特性もばらつきが大きくなっていることが分かった。
【００７１】
基板の抵抗が変化する要因として、ＭｇＬＮ基板１０１の電子的な欠陥が原因になっていると考え、熱処理による欠陥除去を試みた。
【００７２】
図９は、本実施の形態の波長変換素子の製造方法で作製したＳＨＧ素子の特性図である。図９（ａ）は、印加パルス数に対する印加電圧の関係を示し、図９（ｂ）は、基本波入射位置に対する波長変換効率の関係を示す。
【００７３】
図９（ａ）は、処理温度ｔｍａｘ：２００℃、処理時間Ｔ：１時間で熱処理を行った場合における、分極反転形成時の印加パルス数に対する基板に掛かっている印加電圧のプロットであり、図９（ｂ）は、その波長変換効率評価結果である。
【００７４】
図９（ａ）に示すように、本波長変換素子の製造方法の電界印加前の熱処理により、分極反転初期の電圧が２ｋＶ程度となっており、波長変換特性とその面内分布も、目標変換効率を大きく上回り、理想変換効率に近い１．６程度と良好な結果が得られることが分かった。
【００７５】
図１０は、本実施の形態の波長変換素子の製造方法で作製した時の印加パルス数に対する印加電圧の関係から分極反転構造の形成過程を説明する図である。
【００７６】
図１０は、熱処理有無による変換効率ばらつき状況をプロットしている。図１０の○印に示すように、熱処理無しの場合、初期印加電圧は１．７ｋＶ〜１．９５ｋＶまでばらついており、波長変換素子の変換効率も０．５〜１．１でばらついていることが分かる。
【００７７】
図１０の●印は、本波長変換素子の製造方法の電界印加前の熱処理を導入した場合の初期印加電圧と変換効率を示している。本波長変換素子の製造方法の電界印加前の熱処理を導入することで、初期の印加電圧は、１．９８〜２．０６ｋＶとばらつき量が小さくなる上、変換効率も１．５から１．８と電界印加前熱処理が無い場合と比較して大きな変換効率が得られている。
【００７８】
また、図１０によると、変換効率目標値（図１０破線参照）を上回るためには、初期の印加電圧が１．９ｋＶ以上である必要がある。
【００７９】
このことから、分極反転形成の初期印加電圧を制御するようにすれば、波長変換素子の変換効率を高くすることができる。
【００８０】
上記分極反転形成の初期印加電圧制御は、分極反転形成装置２００（図２参照）の印加電圧モニタ２０２を使用する。印加電圧モニタ２０２は、ＭｇＬＮ基板１０１で進行している分極反転構造の形成状態をモニタする。印加電圧モニタ２０２を使用することで、分極反転形成中に基板内部で進行する分極反転部分の成長状況を推測することができる。
【００８１】
次に、印加電圧から分極反転部分の成長状況を推測する方法について説明する。
【００８２】
図１１は、本実施の形態の波長変換素子の製造方法の電界印加前熱処理の有無をパラメータにした、電界印加時の初期印加電圧と波長変換効率との関係を示す図である。
【００８３】
図１１に示すように、本発明者は、分極反転形成が、分極反転形成初期、分極反転成長期、分極反転形成終盤期の３つの期間に分けられることを見出した。
【００８４】
分極反転形成初期は、印加開始から印加電圧が一旦低下後、徐々に上昇し、あるところで印加電圧が一定となる期間である。
【００８５】
分極反転成長期は、分極反転形成初期後に印加電圧が一定となる期間である。分極反転成長期は、ＭｇＬＮ基板１０１の深さ方向に分極反転が進んでいく過程と考えられる。
【００８６】
分極反転形成終盤期は、分極反転形成後に再び印加電圧が上昇する期間である。分極反転形成終盤期になったとき、電界印加を停止する。これにより、分極反転構造が過剰に形成され、波長変換効率が損なわれることを防止する。
【００８７】
図１０に示す初期印加電圧と変換効率との結果から、高い変換効率を得るためには、分極反転形成初期の印加電圧で１．９ｋＶ以上である必要があり、分極反転形成終盤期の電圧で、２．５〜３．５ｋＶであることが望ましい。
【００８８】
この印加電圧をＭｇＬＮ基板１０１の体積抵抗率（＋ｚ面と−ｚ面間、測定温度１００℃以上）で見た場合、分極反転形成初期の体積抵抗率で、６．５ＭΩ・ｃｍ以上である必要があり、分極反転形成後の体積抵抗率で９〜１５ＭΩ・ｃｍの範囲となっていることが望ましい。
【００８９】
図１２は、電界印加前熱処理の処理温度と初期印加電圧との関係を示す図である。
【００９０】
図１２を参照して、分極反転形成初期の印加電圧を１．９ｋＶ以上とするための熱処理条件（保持温度ｔｍａｘ）について説明する。
【００９１】
図１２に示すように、熱処理温度が１５０℃では、初期印加電圧は１．９ｋＶに達せず、熱処理温度が１６０〜２５０℃で所望の印加電圧が得られる。このため、熱処理温度は、１６０℃〜２５０℃の範囲であることが望ましい。また、熱処理温度が２５０℃より高い温度では電極が変質し電界印加することが不可能となる。したがって、熱処理温度が２５０℃より高い温度での熱処理は無意味である。
【００９２】
図１３は、電界印加前熱処理の有無と波長変換効率の特性ばらつきとの関連性を示す度数分布図である。図１３（ａ）は、分極反転前の熱処理を導入しなかった場合の波長変換素子の変換効率分布、図１３（ｂ）は、分極反転前の熱処理を導入した本実施の形態の場合の波長変換素子の変換効率分布を示す。
【００９３】
図１３（ａ）に示すように、分極反転前の熱処理を導入しない場合、最も個体数が多いピーク位置となる変換効率値が低く（１．２a.u.程度）、かつ、変換効率ばらつきも大きい（度数分布の幅が大きい）。このため、図１３（ａ）網掛けに示すように、目標変換効率（１．０a.u.）を下回る個体が発生する。
【００９４】
図１３（ｂ）に示すように、分極反転前の熱処理を導入した本実施の形態の場合では、ピーク位置の変換効率値を大きくすることが可能で、かつ、変換効率ばらつきを小さくすることができる。このため、変換効率目標値を上回る個体数である歩留まりを高める効果を有する。
【００９５】
以上詳細に説明したように、本実施の形態の波長変換素子の製造方法は、ＭｇＬＮ基板１０１の＋ｚ面に周期電極１０３を、−ｚ面に対向電極１０４を形成する工程と、周期電極１０３及び対向電極１０４を形成した後に熱処理を行う熱処理工程と、ＭｇＬＮ基板１０１を１００℃以上に保持した状態で、周期電極１０３と対向電極１０４間にパルス状の電界を印加する電界印加工程と、を有する。すなわち、本実施の形態の波長変換素子の製造方法は、周期電極１０３及び対向電極１０４を除去することなく熱処理を行い、熱処理後に、周期電極１０３及び対向電極１０４を用いて電界を印加して、分極反転構造を形成する。
【００９６】
本実施の形態の波長変換素子１００は、熱処理後のＭｇＬＮ基板１０１に対して、電界印加により形成された分極反転構造を有する。上記分極反転構造を有する波長変換素子１００は、ＭｇＬＮ基板１０１の＋ｚ面と−ｚ面間の体積抵抗率が、基板温度１００℃以上のとき、９〜５ＭΩ・ｃｍの範囲である。
【００９７】
本実施の形態によれば、特殊なストイキオメトリック組成ではなく、従来から生産されているモル分率０．４８５〜０．４９（コングルエント組成）のＭｇＬＮ基板１０１を使用して、高効率な波長変換素子を安定して得ることができる。
【００９８】
具体的には、本実施の形態の波長変換素子の製造方法は、コングルエント組成のＭｇＬＮ基板１０１を使用し、熱処理後に、周期電極１０３及び対向電極１０４を用いて電界を印加して、分極反転構造の形成過程を制御する。この順序で熱処理を行うことにより、分極反転を形成する前に生じた光による結晶欠陥を低減することができる。
【００９９】
本実施の形態の波長変換素子の製造方法により、前記電界を印加する際に、ＭｇＬＮ基板１０１の抵抗値を安定させる作用が確認できた。その結果、高い変換効率を有する波長変換素子を安定して作製することができ、高効率な波長変換素子を実現することができる。
【０１００】
ここで、特許文献３記載の波長変換素子の製造方法は、先に分極反転層を形成し、電極を除去した後に熱処理を行う。これに対して、本実施の形態の波長変換素子の製造方法は、電極を除去せずに熱処理を行い、次にその電極を利用して印加し分極反転層を形成した後に電極を除去する点で、熱処理工程の対象及び順序が異なる。また、特許文献３記載の波長変換素子の製造方法の熱処理温度が、８５℃以下であるのに対し、本実施の形態の波長変換素子の製造方法の熱処理温度が、１００℃以上（特に、１６０℃〜２５０℃の範囲）であり、熱処理の条件も異なる。
【０１０１】
元々、特許文献３記載の波長変換素子の製造方法は、位相整合温度の経時変化による出力の不安定さとそれに伴う変換効率低下を課題としているのに対し、本発明は、製造時での歩留まり向上を課題としている。熱処理温度を１００℃以上にすると光照射による屈折率変化（光損傷）が低減することは、特許文献３に記載されている。しかしながら、本実施の形態の波長変換素子の製造方法は、電極形成後に熱処理を行い、熱処理後の基板に対して分極反転構造を形成させる。本発明者は、分極反転を形成する前に生じた光による結晶欠陥を低減するため、電極形成後、すなわち分極反転の形成前に熱処理を行うことを考え出した。本発明によりはじめて、図１３に示すような歩留まりを向上させることが可能になった。
【０１０２】
（実施の形態２）
図１４は、本発明の実施の形態２に係る波長変換素子をレーザ光源装置に備える画像表示装置の斜視図である。本実施の形態は、本発明に係る画像表示装置を携帯型情報処理装置に適用した例である。
【０１０３】
図１４に示すように、画像表示装置４００は、携帯型情報処理装置４５１に内蔵されている。携帯型情報処理装置４５１の本体４５２には、光ディスク装置などの周辺機器が取り替え可能に収容される収容スペース、いわゆるドライブベイが、キーボード４５３の裏面側に形成されており、このドライブベイに画像表示装置４００が出没自在に取り付けられている。
【０１０４】
画像表示装置４００は、収容体４５４と、収容体４５４に対して出し入れ可能に設けられた可動体４５５と、を備える。可動体４５５は、レーザ光をスクリーンＳに投射するための光学部品が収容された光学エンジンユニット４５６と、光学エンジンユニット４５６内の光学部品を制御するための基板などが収容された制御ユニット４５７とから構成され、光学エンジンユニット４５６が上下方向に回動可能に制御ユニット４５７に支持されている。
【０１０５】
画像表示装置４００は、不使用時に可動体４５５が収容体４５４内に格納される。画像表示装置４００は、使用際して、可動体４５５が収容体４５４から引き出され、光学エンジンユニット４５６を回動させて、光学エンジンユニット４５６からのレーザ光の投射角度を調整する。この調整により、レーザ光をスクリーンＳ上に適切に投射させることができる。
【０１０６】
図１５は、画像表示装置４００の光学エンジンユニット４５６の概略構成図である。
【０１０７】
図１５に示すように、光学エンジンユニット４５６は、所要の画像をスクリーンに投影表示する。
【０１０８】
光学エンジンユニット４５６は、緑色レーザ光を出力する緑色レーザ光源装置４０２と、赤色レーザ光を出力する赤色レーザ光源装置４０３と、青色レーザ光を出力する青色レーザ光源装置４０４と、映像信号に応じて各レーザ光源装置４０２〜４０４からのレーザ光の変調を行う液晶反射型の空間光変調器４０５と、を備える。また、光学エンジンユニット４５６は、各レーザ光源装置４０２〜４０４からのレーザ光を反射させて空間光変調器４０５に照射させるとともに空間光変調器４０５から出射された変調レーザ光を透過させる偏光ビームスプリッタ４０６と、各レーザ光源装置４０２〜４０４から出射されるレーザ光を偏光ビームスプリッタ４０６に導くリレー光学系４０７と、偏光ビームスプリッタ４０６を透過した変調レーザ光をスクリーンに投射する投射光学系４０８と、を備える。
【０１０９】
光学エンジンユニット４５６は、いわゆるフィールドシーケンシャル方式でカラー画像を表示する。各レーザ光源装置４０２〜４０４から各色のレーザ光が時分割で順次出力され、各色のレーザ光による画像が視覚の残像効果によってカラー画像として認識される。
【０１１０】
リレー光学系４０７は、各レーザ光源装置４０２〜４０４から出射される各色のレーザ光を平行ビームに変換するコリメータレンズ４１１〜４１３と、コリメータレンズ４１１〜４１３を通過した各色のレーザ光を所要の方向に導く第１及び第２のダイクロイックミラー４１４，４１５と、ダイクロイックミラー４１４，４１５により導かれたレーザ光を拡散させる拡散板４１６と、拡散板４１６を通過したレーザ光を収束レーザに変換するフィールドレンズ４１７と、を備える。
【０１１１】
投射光学系４０８からスクリーンＳに向けてレーザ光が出射される側を前側とすると、青色レーザ光源装置４から青色レーザ光が後方に向けて出射され、青色レーザ光の光軸に対して緑色レーザ光の光軸及び赤色レーザ光の光軸が互いに直交するように、緑色レーザ光源装置４０２及び赤色レーザ光源装置４０３から緑色レーザ光及び赤色レーザ光が出射される。そして、青色レーザ光、赤色レーザ光、及び緑色レーザ光が、２つのダイクロイックミラー４１４，４１５で同一の光路に導かれる。すなわち、青色レーザ光と緑色レーザ光が第１のダイクロイックミラー４１４で同一の光路に導かれ、青色レーザ光及び緑色レーザ光と赤色レーザ光が第２のダイクロイックミラー４１５で同一の光路に導かれる。
【０１１２】
第１及び第２のダイクロイックミラー４１４，４１５には、表面に所定の波長のレーザ光を透過及び反射させるための膜が形成されている。第１のダイクロイックミラー４１４は、青色レーザ光を透過するとともに緑色レーザ光を反射させる。第２のダイクロイックミラー４１５は、赤色レーザ光を透過するとともに青色レーザ光及び緑色レーザ光を反射させる。
【０１１３】
これらの各光学部材は、筐体４２１に支持されている。筐体４２１は、各レーザ光源装置４０２〜４０４で発生した熱を放熱する放熱体として機能し、アルミニウムや銅などの熱伝導性の高い材料で形成されている。
【０１１４】
緑色レーザ光源装置４０２は、側方に向けて突出した状態で筐体４２１に形成された取付部４２２に取り付けられている。取付部４２２は、リレー光学系４０７の収容スペースの前方と側方にそれぞれ位置する前壁部４２３と側壁部４２４とが交わる角部から側壁部４２４に直交する向きに突出した状態で設けられている。赤色レーザ光源装置４０３は、ホルダ４２５に保持された状態で側壁部４２４の外面側に取り付けられている。青色レーザ光源装置４０４は、ホルダ４２６に保持された状態で前壁部４２３の外面側に取り付けられている。
【０１１５】
赤色レーザ光源装置４０３及び青色レーザ光源装置４０４は、いわゆるＣＡＮパッケージで構成される。ＣＡＮパッケージは、レーザ光を出力するレーザチップが、ステムに支持された状態で缶状の外装部の中心軸上に光軸が位置するように配置され、外装部の開口に設けられたガラス窓からレーザ光が出射される。
【０１１６】
赤色レーザ光源装置４０３及び青色レーザ光源装置４０４は、ホルダ４２５，４２６に開設された取付孔４２７，４２８に圧入するなどしてホルダ４２５，４２６に対して固定される。青色レーザ光源装置４及び赤色レーザ光源装置４０３のレーザチップの発熱は、ホルダ４２５，４２６を介して筐体４２１に伝達されて放熱される。各ホルダ４２５，４２６は、アルミニウムや銅などの熱伝導率の高い材料で形成されている。
【０１１７】
緑色レーザ光源装置４０２は、励起用レーザ光を出力する半導体レーザ４３１と、半導体レーザ４３１から出力された励起用レーザ光を集光する集光レンズであるＦＡＣ（Fast-Axis Collimator）レンズ４３２及びロッドレンズ４３３と、励起用レーザ光により励起されて基本レーザ光（赤外レーザ光）を出力する固体レーザ素子４３４と、を備える。また、緑色レーザ光源装置４０２は、基本レーザ光の波長を変換して半波長レーザ光（緑色レーザ光）を出力する波長変換素子（光学素子）１００（図２参照）と、固体レーザ素子４３４とともに共振器を構成する凹面ミラー４３６と、励起用レーザ光及び基本波長レーザ光の漏洩を阻止するガラスカバー４３７と、各部を支持する基台４３８と、各部を覆うカバー体４３９と、を備える。
【０１１８】
緑色レーザ光源装置４０２は、基台４３８を筐体４２１の取付部４２２に取り付けて固定され、緑色レーザ光源装置４０２と筐体４２１の側壁部４２４との間に所要の幅（例えば０．５ｍｍ以下）の間隙が形成される。これにより、緑色レーザ光源装置４０２の熱が赤色レーザ光源装置４０３に伝わりにくくなり、赤色レーザ光源装置４０３の昇温を抑制して、温度特性の悪い赤色レーザ光源装置４０３を安定的に動作させることができる。また、赤色レーザ光源装置４０３の所要の光軸調整代（例えば０．３ｍｍ程度）を確保するため、緑色レーザ光源装置４０２と赤色レーザ光源装置４０３との間に所要の幅（例えば０．３ｍｍ以上）の間隙が設けられている。
【０１１９】
このように、本実施の形態によれば、緑色レーザ光源装置４０２は、実施の形態１に係る波長変換素子１００（図２参照）を備える。また、緑色レーザ光源装置４０２は、赤色レーザ光源装置４０３及び青色レーザ光源装置４０４と共に画像表示装置４００のレーザ光源として搭載される。光源として特に半導体レーザを用いたレーザ光源装置を備えた時分割表示方式の画像表示装置などとして有用である。また、画像表示装置４００は、投射型画像表示装置、液晶テレビ及び液晶ディスプレイ等、画像表示装置全般に適用することが可能である。
【０１２０】
なお、画像表示装置は、投写型に限定されるものでは無く、直接表示画像を観る液晶テレビや液晶ディスプレイ等の液晶表示装置であってもよい。
【０１２１】
以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されることはない。
【０１２２】
本実施の形態によれば、特殊なストイキオメトリック組成ではなく、従来から生産されているモル分率０．４８５〜０．４９（コングルエント組成）のマグネシウム添加ニオブ酸リチウムやマグネシウム添加タンタル酸リチウムを使用した場合においても、高効率な波長変換素子を安定して得ることができる。
【０１２３】
ここで、モル分率０．４８５〜０．４９（コングルエント組成）のマグネシウム添加ニオブ酸リチウム単結晶基板であることが望ましい。
【０１２４】
上記実施の形態では、波長変換素子の製造方法及び波長変換素子、レーザ光源装置、画像表示装置という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、光機能素子の製造方法、光半導体素子、表示装置、液晶装置等であってもよい。
【０１２５】
さらに、上記波長変換素子の製造方法を構成する各工程、例えば熱処理の種類・方法などは前述した実施の形態に限られない。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明の波長変換素子、レーザ光源装置、画像表示装置及び波長変換素子の製造方法は、周期分極反転構造を形成した波長変換素子及びその製造方法の全般に適用することができる。本発明の波長変換素子及び波長変換素子の製造方法は、従来から使用されているコングルエント組成のマグネシウム添加タンタル酸リチウム単結晶を使用し、分極反転構造の形成過程を制御することが容易となる。その結果、高い変換効率を有する波長変換素子が安定して生産でき、高効率な波長変換素子を提供することができる。かかる波長変換素子は、波長変換レーザ光源として有用である。
【符号の説明】
【０１２７】
１００，１００Ａ 波長変換素子
１０１ モル分率０．４８５〜０．４９（コングルエント組成）のマグネシウム添加ニオブ酸リチウム単結晶基板（ＭｇＬＮ基板）
１０２ 分極反転部（分極反転層）
１０３ 周期電極
１０４ 対向電極
２００ 分極反転形成装置
２０１ 直流電流源
２０２ 印加電圧モニタ
２０３ 波形生成器
２０４ アンプ
３００ 波長変換効率評価光学系
３０１ 基本波光源
３０３ パワーメータ
３０４ ビームスプリッタ
３０５ 集光レンズ
３０７ 緑色光モニタ用パワーメータ
４００ 画像表示装置
４０２ 緑色レーザ光源装置
４０３ 赤色レーザ光源装置
４０４ 青色レーザ光源装置
４０５ 空間光変調器
４０６ 偏光ビームスプリッタ
４０７ リレー光学系
４０８ 投射光学系
４１１〜４１３ コリメータレンズ
４１４，４１５ 第１及び第２のダイクロイックミラー
４１６ 拡散板
４１７ フィールドレンズ
４３１ 半導体レーザ
４３２ ＦＡＣレンズ
４３３ ロッドレンズ
４３４ 固体レーザ素子
４３６ 凹面ミラー
４３７ ガラスカバー
４５１ 携帯型情報処理装置
４５６ 光学エンジンユニット
４５７ 制御ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コングルエント組成のマグネシウム添加ニオブ酸リチウム単結晶基板に分極反転構造を形成する波長変換素子の製造方法であって、
前記基板の＋ｚ面に周期電極を、−ｚ面に対向電極を形成する工程と、
前記電極を形成した後に熱処理を行う熱処理工程と、
前記熱処理後、前記周期電極と前記対向電極間にパルス状の電界を印加する電界印加工程と、
を有する波長変換素子の製造方法。
【請求項２】
前記熱処理工程では、
前記周期電極及び前記対向電極を除去することなく熱処理を行い、
前記電界印加工程では、
前記熱処理後に、前記周期電極及び前記対向電極を用いて電界を印加し、
さらに、前記電界印加による分極反転構造の形成後に、前記周期電極及び前記対向電極を除去する工程を有する、
請求項１記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理工程では、
前記熱処理温度が、１６０℃〜２５０℃の範囲である、
請求項１記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項４】
前記電界印加工程では、
前記基板を１００℃以上に保持した状態で、前記周期電極と前記対向電極間にパルス状の電界を印加する、
請求項１記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項５】
前記電界印加工程では、
前記熱処理中において、前記基板間に印加される電圧をモニタする、
請求項１記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項６】
前記電界印加工程では、
前記印加電圧の値が、１．９ｋＶ〜３．５ｋＶの範囲である、
請求項１記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項７】
前記電界印加工程では、
前記印加電圧の値が、２．５ｋＶ〜３．５ｋＶの範囲であることを検知して、前記電界印加工程を終了する、
請求項１記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項８】
前記電界印加前の、前記基板の＋ｚ面と−ｚ面間の体積抵抗率が、前記基板温度が１００℃以上のとき、６．５ＭΩ・ｃｍ以上である、
請求項１記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項９】
前記コングルエント組成は、モル分率０．４８５〜０．４９である、
請求項１記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項１０】
コングルエント組成のマグネシウム添加ニオブ酸リチウム単結晶基板に分極反転構造が形成された波長変換素子であって、
前記基板の＋ｚ面と−ｚ面間の体積抵抗率が、前記基板温度１００℃以上のとき、９〜５ＭΩ・ｃｍの範囲である、
波長変換素子。
【請求項１１】
熱処理後の前記基板に対して、電界印加により形成された前記分極反転構造を有する、
請求項１０記載の波長変換素子。
【請求項１２】
請求項１０記載の波長変換素子を備える、レーザ光源装置。
【請求項１３】
請求項１２記載のレーザ光源装置を備える、画像表示装置。
【請求項１】
コングルエント組成のマグネシウム添加ニオブ酸リチウム単結晶基板に分極反転構造を形成する波長変換素子の製造方法であって、
前記基板の＋ｚ面に周期電極を、−ｚ面に対向電極を形成する工程と、
前記電極を形成した後に熱処理を行う熱処理工程と、
前記熱処理後、前記周期電極と前記対向電極間にパルス状の電界を印加する電界印加工程と、
を有する波長変換素子の製造方法。
【請求項２】
前記熱処理工程では、
前記周期電極及び前記対向電極を除去することなく熱処理を行い、
前記電界印加工程では、
前記熱処理後に、前記周期電極及び前記対向電極を用いて電界を印加し、
さらに、前記電界印加による分極反転構造の形成後に、前記周期電極及び前記対向電極を除去する工程を有する、
請求項１記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理工程では、
前記熱処理温度が、１６０℃〜２５０℃の範囲である、
請求項１記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項４】
前記電界印加工程では、
前記基板を１００℃以上に保持した状態で、前記周期電極と前記対向電極間にパルス状の電界を印加する、
請求項１記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項５】
前記電界印加工程では、
前記熱処理中において、前記基板間に印加される電圧をモニタする、
請求項１記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項６】
前記電界印加工程では、
前記印加電圧の値が、１．９ｋＶ〜３．５ｋＶの範囲である、
請求項１記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項７】
前記電界印加工程では、
前記印加電圧の値が、２．５ｋＶ〜３．５ｋＶの範囲であることを検知して、前記電界印加工程を終了する、
請求項１記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項８】
前記電界印加前の、前記基板の＋ｚ面と−ｚ面間の体積抵抗率が、前記基板温度が１００℃以上のとき、６．５ＭΩ・ｃｍ以上である、
請求項１記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項９】
前記コングルエント組成は、モル分率０．４８５〜０．４９である、
請求項１記載の波長変換素子の製造方法。
【請求項１０】
コングルエント組成のマグネシウム添加ニオブ酸リチウム単結晶基板に分極反転構造が形成された波長変換素子であって、
前記基板の＋ｚ面と−ｚ面間の体積抵抗率が、前記基板温度１００℃以上のとき、９〜５ＭΩ・ｃｍの範囲である、
波長変換素子。
【請求項１１】
熱処理後の前記基板に対して、電界印加により形成された前記分極反転構造を有する、
請求項１０記載の波長変換素子。
【請求項１２】
請求項１０記載の波長変換素子を備える、レーザ光源装置。
【請求項１３】
請求項１２記載のレーザ光源装置を備える、画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−８８４７９（Ｐ２０１３−８８４７９Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２６０７８（Ｐ２０１１−２２６０７８）
【出願日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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