波長轉換元件的制作方法

專利名稱：波長轉換元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及非線性光學元件。本發明具體地涉及用于光波長轉換的 波長轉換元件。
背景技術：
近年來，已經專注于高輸出激光光源作為用于處理應用、激光顯示等的光源。諸如YAG激光器的固態激光器、使用具有諸如Yb和Nd之類 的稀土元素光纖的光纖激光器己經發展成為紅外光區域中的激光光源。 另一方面，在可見光區域的激光光源中，具體地已經發展了紅光和藍光 區的激光光源、使用砷化鎵和氮化鎵等的半導體激光器，并且也已經研 究了這些光源的高輸出性能。然而，仍然難以從半導體激光器直接產生 綠光。因此，通常使用的方法包括使用上述固態激光器或光纖激光器 以首先獲得紅外光激光器；然后將紅外光通過非線性光學晶體的波長轉 換元件以實現波長轉換；從而獲得綠光激光。回到在開發上述半導體激光器之前的年代，除了使用非線性光學晶 體的波長轉換之外，幾乎沒有從可見光區域產生紫外區域激光的方法。 在這種技術背景下，已經積極地開發和利用了諸如鈮酸鋰(LiNb03)、鉭 酸鋰(LiTa03)、三硼酸鋰(LiB305)、 P-硼酸鋇(后-BaB204)、磷酸鈦氧 基鉀(KTiOP04: KTP)和硼酸銫鋰(CsLiBeA。 CLB0)。在作為以上示例取得的多種光學材料中，具體地公知的是鈮酸鋰晶 體具有較大的非線性光學常數。因為其較大的非線性光學常數，包含鈮 酸鋰晶體的非線性光學晶體表現出較高的轉換效率，并且另外能夠簡單 地構造使用該晶體的設備。因此，在具有100mW量級輸出的設備中頻繁 使用采用鈮酸鋰晶體的偏振反轉技術來形成準相位匹配(QPM)波長轉換 元件。
例如，使用鈮酸鋰(LN)晶體或鉭酸鋰(LT)晶體的準相位匹配(QPM) 鈮酸鋰元件(QPM-LN元件)具有比LB0晶體或KTP晶體更大的非線性光 學常數。因此，高效率和高輸出的波長轉換是可能的。然而，QPM-LN元 件要求將光能量會聚到較窄的區域中。同樣充分地，由基波和在晶體內 部根據基波產生的二次諧波引起的晶體損壞和解構(destruction)與 KTP晶體等的晶體損壞和解構相比易于出現。此外，具有幾W量級輸出的設備使用諸如硼酸鋰(LB0)和磷酸鈦 氧基鉀(KTP)之類的非線性光學晶體。前一種LB0晶體具有下述有利的 特征由基波和在晶體內部根據基波產生的二次諧波引起的晶體損壞和 解構幾乎不會出現。然而，所述晶體的非線性光學常數較小。因此，為 了獲得高轉換效率，配置了諧振器，并且將所述晶體放置在諧振器中。 因此，設備的結構變得復雜，并且所述設備也具有需要精細調節的缺點。 后一種KTP晶體的非線性光學常數與LB0晶體的非線性光學常數相比較 大。因此，KTP晶體與LB0晶體不同，可以無需諧振器就獲得高轉換效 率。然而，KTP晶體具有以下缺點由基波和在晶體內部根據基波產生 的二次諧波引起的晶體損壞和解構易于出現。上述晶體解構包括由光(光折射)引起的折射率變化。通常為了限 制作為晶體解構的一種的光折射，盡可能地去除在晶體內部產生吸收峰 的雜質；為了補償甚至當進行去除時產生的空穴或者由對位缺陷 (anti-site defect)產生的電荷的目的，所述對位缺陷是在其中最初 組成晶體的另一種元素巳經存在的位置存在的不同元素，通常執行由氧 化鎂或氧化鋅的摻雜實現的透射率的吸收端向短波長區域移動的控制、 或者可見光區域透射率的改善。JP 06-016500A (專利文獻1)通過向晶體(鈮酸鋰LN和鉭酸鋰LT) 中引入添加劑來嘗試限制由光(光折射)引起的折射率改變，以及JP 2002-072266A (專利文獻2)也通過使用能夠使晶體成分接近理想成分 (化學計量法按化學計量組成所需的成分)的方法生長晶體來嘗試進 行限制。然而目前，甚至在以上專利文獻1和2中的嘗試還沒有完全地限制 晶體損壞和解構。
如上所述，每一種非線性光學晶體均具有優點和缺點。在目前還沒 有成功地限制這些確定的情況下，非線性光學晶體的優點和缺點是一種 折衷的關系。因此目前我們不得不在考慮這種折衷關系的同時根據應用 來確定將要使用的晶體。此外，JP 11-271823A (專利文獻3)公開了一種具有多個波長轉換 元件的波長轉換器。圖1是在專利文獻3中描述的波長轉換器的示意性 方框圖。在該波長轉換器中，將輸入到兩個波長轉換元件102a、 102b 的每一個中的基波的功率密度限制為較低以抑制波長轉換元件的解構， 并且也改善了整個波長轉換器的轉換效率。然而，具有諸如設備結構的 波長轉換器包括諸如高生產成本、設備調節復雜之類的問題。專利文獻1: JP 06-016500A專利文獻2: JP 2002-072266A專利文獻3: JP 11-271823A發明內容本發明將要解決的問題本發明的目的是提出一種波長轉換元件。本發明提出了一種波長轉 換元件，所述波長轉換元件不會產生可以歸于在元件中存在的紫外光的 晶體解構和二次諧波的輸出飽和，或者所述波長轉換元件至少比傳統的 波長轉換元件更好地限制了晶體解構和二次諧波的輸出飽和。解決問題的方法在第一方面，本發明是一種波長轉換元件，所述波長轉換元件接收 具有波長A的光的基波以輸出具有波長^2的光的二次諧波，并且所述波 長轉換元件具有包含從由Sc、 Y、 La、 Ce、 Pr、 Eu、 Gd、 Ho、 Yb禾B Lu 構成的組中選擇的至少一種元素作為添加劑的晶體。在第二方面，本發明是一種波長轉換元件，所述波長轉換元件接收 具有波長A的光的基波以輸出具有波長義^的光的二次諧波，并且所述波 長轉換元件具有包含從由Sc、 Y、 La、 Ce、 Pr、 Eu、 Gd、 Ho、 Yb禾口 Lu 構成的組中選擇的至少一種元素作為添加劑的晶體。
在本發明的第一和第二方面，優選地，所述添加劑是Ce、 Pr或Eu。優選地，所述添加劑是Eu。更優選地，所述添加劑是Ce。更優選地，所述添加劑是Pr。替代地，在本發明的第一和第 Y、 La、 Gd、 Ho、 Yb或Lu。優選地，所述添加劑是Lu。更優選地，所述添加劑是Ho。更優選地，所述添加劑是Y。更優選地，所述添加劑是Yb。更優選地，所述添加劑是La。更優選地，所述添加劑是Sc。更優選地，所述添加劑是Gd。在本發明的第一和第二方面中 化物摻雜到晶體中。在本發明的第一和第二方面中在本發明的第一和第二方面中在本發明的第一和第二方面中 單晶還具有氧化鎂和氧化鋅中的任在本發明的第一和第二方面中，優選地，作為所述晶體的鉭酸鋰的 單晶還具有氧化鎂和氧化鋅中的任一種作為添加劑。在第三方面中，本發明是一種激光源設備，所述激光源設備包括激 光源和根據本發明第一或第二方面的波長轉換元件，其中發射通過接收 由激光源發射的激光的波長轉換元件產生的激光二次諧波，作為輸出激 光，其中輸出激光的波長包括在480至555nm的范圍內，并且輸出激光 的輸出是1.2W或以上。在本發明的第三方面中，優選地，輸出激光的輸出是2.5W或以上。在第四方面中，本發明是一種激光源設備，所述激光源設備包括激 光源和根據本發明第一或第二方面的波長轉換元件，并且具體地，所述 波長轉換元件包含Sc、 Y、 La、 Gd、 Ho、 Yb和Lu中的至少一種元素作為.方面中，優選地，所述添加劑是Sc、優選地，將所述添加劑作為三價氧優選地，所述晶體是鈮酸鋰的單晶。 優選地，所述晶體是鉭酸鋰的單晶。 優選地，作為所述晶體的鈮酸鋰的 -種作為添加劑。
添加劑，并且在所述激光源設備中，發射通過接收由激光源發射的激光 的波長轉換元件產生的激光的二次諧波，作為輸出激光，其中輸出激光的波長包括在400至480nra的范圍中，并且輸出激光的輸出是1. 2W或以 上。在本發明的第四方面中，優選地，輸出激光的輸出是2.0W或以上。 在第五方面中，本發明是一種包括光源和屏幕的圖像顯示設備，所 述光源包括本發明的第一或第二方面的波長轉換元件。本發明的有益效果本發明的波長轉換元件在輸出高功率二次諧波的同時，很好地抑制 了由于元件中紫外光的存在而導致的晶體解構和二次諧波的輸出飽和。


圖1是傳統技術的波長轉換器的示意性方框圖。圖2是示出了在波長轉換元件的傳統示例中的光相互作用的示意圖。圖3是示出了根據本發明的波長轉換元件中的光相互作用的示意圖。圖4A和圖4B分別是在第一和第二實施例中使用的單晶生長設備的示意圖和用于單晶生長的坩堝的示意圖。圖5是Pr: LiNb03單晶的透射率的光譜特征圖。圖6是用于估計紫外誘導光吸收的設備的光學測量系統的示意圖。圖7是示出了通過用于估計紫外誘導光吸收的設備得到的Pr:LiNb03的光吸收估計結果的圖。圖8是針對用于估計波長轉換特征的設備的光學測量系統的圖。 圖9是具有Pr:LiNb03的偏振反轉波長轉換元件的波長轉換特征估計結果的圖。圖10是Gd:LiNb03單晶的透射率的光譜特征圖。圖ll是通過用于估計紫外誘導光吸收的設備得到的Gd:LiNb03光吸 收估計結果的圖。
圖12是具有Gd: LiNb03的偏振反轉波長轉換元件的波長轉換特征估 計結果的圖。圖13是使用根據本發明的波長轉換元件的激光顯示器(圖像顯示 設備)的示例的示意圖。 附圖標記解釋101:基波光源102a、 102b:波長轉換元件 103a、 103b:分束鏡104:束徑轉換機構 105a、 105b: 二次諧效 106:殘余基波 拉制棒(綠光)201: 202: 203: 204: 205: 206:207a: 207b:208: 209: 401: 402: 403:404:405: 406: 501: 505: 510::晶熔化物 單晶 鉑坩堝 鉑導管加載單元l (重: 加載單元2 (重: 控制PC原料供應設備 綠光源:監視器) :監視器)晶體樣品功率計汞燈紫外光0.01摩爾百分比的Pr:LiNb03的透射率曲線 0. 05摩爾百分比的Pr:LiNb03的透射率曲線 0. 1摩爾百分比的Pr: L iNb03的透射率曲線601:基波光源 602:會聚透鏡 603:偏振反轉元件 604:再準直透鏡 605:珀耳帖元件 606:分波濾波器901: Mg0:LiNb03的偏振反轉波長轉換元件的轉換特征曲線903: PrO:LiNb03的偏振反轉波長轉換元件的轉換特征曲線905:波長轉換特征的理論值曲線1005: 0. 05摩爾百分比的Gd:LiNb03的透射率曲線1010: 0. 1摩爾百分比的Gd:LiNb03的透射率曲線1101:紅光源1102:綠光源1103:藍光源1104:紅光的空間調制元件 1105:綠光的空間調制元件 1106:藍光的空間調制元件 1107:鏡子 1108:復用棱鏡 1109:投影透鏡 1110:屏幕1201: MgO:LiNb03偏振反轉波長轉換元件的波長轉換特征曲線1203: Gd:LiNb03偏振反轉波長轉換元件的波長轉換特征曲線 1205:波長轉換特征的理論值曲線具體實施方式
以下參考附圖闡述本發明的實施例。本發明的發明人已經發現當使用QPM-LN元件獲得幾W的二次諧波 輸出時，由于所述元件較大的非線性光學常數，甚至紅外光和綠光背離 相位匹配條件以產生紫外光(三次諧波，是在QPM-LN元件內基波和二次
諧波的合頻波)時，正在輸入的紅外光(基波)和根據紅外光之間的相 互作用在元件內部產生的綠光(二次諧波)相互作用。該發現導致明顯 地出現由于元件內紫外光的存在導致的二次諧波的輸出飽和及晶體解 構。圖2是當將波長;i的基波輸入到元件中時在元件(例如QPM-LN元件) 內部產生的相互作用的粗略圖。基波在元件內部相互作用，并且將一部 分基波轉換為波長;i/2的二次諧波。另外，將基波和二次諧波在元件內 部相互作用，并且將他們的一部分轉換為波長;i/3的三次諧波。當基波 的波長義在特定范圍內時，三次諧波波長;i/3在紫外光的范圍內。例如， 當;i在1110nm或以下時，三次諧波是波長370腦或以下的紫外光，并且因 此紫外光(波長370nm或更小)在元件內部傳播。當波長370nm或以下的 紫外光存在于元件內部時，紫外光變成促使綠光(二次諧波)吸收的原 因，將吸收的能量轉化為熱，從而該吸收引起元件的綠光(二次諧波) 的輸出飽和，并且熱引起晶體解構。當功率粗略地為從2.5W至2.8W或以上時(元件內部相同束腰區中的 綠光功率密度是50kW/cm2或以上，或者在元件內部的束腰區基波的功率 密度是250kW/cm2或以上)，可歸因于紫外光的晶體解構開始出現。然而， 這些閾值依賴于元件而變化(并且依賴于元件的溫度而變化)。當具有仍 然比作為二次諧波的綠光的波長短的波長的光產生時，晶體解構產生的 閾值輸出值進一步地下降。當產生藍光作為二次諧波時，當藍光輸出變 為約2W或更多時晶體解構開始。從試驗中己經發現甚至當使用如專利文獻l中所述的雜質添加劑 Ln或LT晶體或者如專利文獻2中所述的按化學計量組成所需的合成物的 LN (SLN)或者LT (SLT)，也不能夠抑制由紫外光引起的晶體解構問題。根據本發明實施例的波長轉換元件解決了在關于由于紫外光導致 的晶體解構和二次諧波的輸出飽和的傳統波長轉換元件中的問題。根據 本發明實施例的波長轉換元件是一種具有摻雜有特定稀土元素中的至少 一種元素的非線性光學材料的波長轉換元件。根據本發明的波長轉換元件的非線性光學材料包含特定稀土元素
的至少一種核素作為添加劑。該非線性光學材料在特定的光譜帶中具有 由所摻雜的稀土離子的作用引起的吸收峰。當將具有特定波長的光作為 基波輸入到根據本發明的波長轉換元件中時，在波長轉換元件內部產生 的三次諧波的波長在以上稀土離子的吸收光譜帶之內，因此將所述三次 諧波吸收到稀土離子中。通過稀土離子的電子的激發-馳豫將所吸收的三次諧波能量轉換為 熱，或者轉換為具有比三次諧波的波長更長的波長的光。稀土離子的三 次諧波吸收抑制了歸因于固有三次諧波(紫外光，引起傳統波長轉換元 件中的問題)的二次諧波吸收，因此避免了在二次諧波(例如綠光)的 高輸出期間的輸出飽和問題)。此外，將所吸收的三次諧波能量部分地轉 換為熱，并且將殘余的部分轉換為具有比三次諧波更長波長的光)。因此， 同樣將波長轉換元件內部產生的熱量抑制為低，以從而避免晶體解構(已 經弓I起傳統波長轉換元件中的問題)。圖3是當將特定波長(A)的基波輸入到根據本發明實施例的波長轉換元件中時在元件內部發生的相互作用的粗略圖。將基波(A)在元件 內部相互作用，并且將所述基波部分地轉換為二次諧波(波長義/2)。此 外，基波(義)和二次諧波(義")在元件內部相互作用，并且將其部 分地轉換為三次諧波("3)。當義在特定范圍內時，三次諧波(義/3) 是紫外區域中的光。此時，將三次諧波的波長(義/3)包括在摻雜稀土 離子的吸收光譜帶中。因此，將紫外光(三次諧波A/3)吸收到摻雜的 稀土離子中，并且將其轉換為熱或者具有比三次諧波的波長更長波長的 光。據此，很少產生二次諧波和三次諧波之間的相互作用，并且很好地抑制了二次諧波的輸出飽和以及歸因于固有紫外光的晶體解構。 (實施例l)根據本發明第一實施例的波長轉換元件是一種具有通過向晶體摻 雜稀土元素之一的鐠(Pr)產生的非線性光學材料的波長轉換元件。 (晶體生長方法)首先，將闡述生長具有摻雜鐠離子(Pr3+)的鈮酸鋰(Pr: LN)晶 體的方法。
通常，通過使用Czochraski方法產生鈮酸鋰，所述方法是用于生長 晶體的方法之一。在下文中，將參考圖4闡述制造摻雜Pr"的鈮酸鋰(Pr: LN)的方法。首先，將4N純度的氧化鈮(Nb205)、氧化鐠(Pr203)和碳酸鋰(Li2C03) 稱重，并且將所得到的材料在1100。C下煅燒10小時。在這種情況下，基 于Pr203/(LiNb03+Pr203)的摩爾比將氧化鐠的摻雜量設定為O. 05摩爾百分 比。將按照這種方式產生的原料放置在具有100mm直徑和100mm高度的鉑 坩堝205中，并且由加熱設備(未示出)通過高頻感應加熱，熔化所述原 料。在提供原料直到坩堝205填充滿原料熔化物203為止的同時，繼續重 復熔化原料的操作，然后將熔化物203的表面溫度設定為變成126(TC，并 且引入鈮酸鋰的籽晶202。在該實施例中，將拉制方向設定為z向(晶軸 方向的c軸)，作為晶體的電介質軸，并且在約2天內獲得約30mm的 Pr:LiNb03的單晶204。此時，籽晶202的旋轉速度是20rpm，并且拉制速 率是2腿/h。對于氧化鐠摻雜量的摩爾比，理想的上限是0.5摩爾百分比。如果 所述比是O. 5摩爾百分比或以下，慘雜量的任一選擇使得晶體生長容易。 優選地，摻雜量的摩爾比為從O.Ol至O. l摩爾百分比，更優選地從O.Ol 至0.05摩爾百分比。如圖4A所示，在本實施例中，將可以連續引進原料的晶體生長爐用 作用于生長晶體的設備。參考圖4A，將描述其機構。將晶體的原料填充 到鉑坩堝205中。使固定在拉制棒201上的籽晶202與熔化物203接觸，并 且逐漸地拉制以生長單晶204。在鉑坩堝205中(其放大圖如圖4B所示)， 方式鉑導管206使得他們構成雙結構坩堝。在導管206的下部具有間隙， 并且熔化物可以從所述間隙來回移動。在晶體生長期間，可以通過加載 單元1和2 (重量監視器)207a和207b對坩堝203進行稱作。與加載單元l 和2 (207a和207b)相連的控制PC 208控制從原料供給器提供原材料，使 得可以通過從原料供應器的供應來補償由于結晶導致的重量減少。這防 止了分層現象，分層現象表示沿晶體拉制方向在上部和下部的添加劑合 成物中存在變化。
對已生長晶體的上部(肩部)和下部(尾部)進行切割，并且執行 單疇處理。沿與Z軸垂直的方向對所得到的材料進行切割，并且使所述表面end ground以獲得具有摻雜的Pr:LN(鐠離子Pr3+)的鈮酸鋰(Pr:LiNb03) 晶片(z板)。(透射譜測量結果)通過光譜儀測量這樣獲得的Pr:LN晶片的透射鐠。圖5是Pr: LN晶片 的透射率的光譜特征圖。圖中，橫坐標軸表示波長(nm)，縱坐標軸表示 透射率(％)。測量目標Pr:LN晶片是基于氧化鐠摻雜量的摩爾百分比的 0. Ol摩爾百分比、0. 05摩爾百分比和0. l摩爾百分比的三種Pr:LN晶片。 在下文中，將氧化鐠摻雜量為x摩爾百分比的Pr:LN表示為x摩爾百分比 Pr:LN。附圖繪制了O. 01摩爾百分比的Pr:LN透射率曲線501、 0.05摩爾百 分比的Pr:LN透射率曲線505和0. l摩爾百分比的Pr:LN透射率曲線510。此 外在圖中，在將紅外光設定為基波(義)的情況下，對二次諧波(義/2綠 光)和三次諧波(義/3，紫外光)的光譜帶添加陰影，以輔助理解。當參考附圖時，這三條透射率曲線501、 505和510共同表現在綠光 區域的波長542nm附近為充分平坦且高透射率特征，并且與542nm附近的 波長附近相比在紫外區域中的波長361nm附近表現出相對較低的透射率 特征。換句話說，用于測量目的三個Pr: LN晶片很好地共同透射542nm 附近波長的光，并且很好地共同吸收361rai的波長附近的光。因此，如果 將波長義(A 1084nm)的紅外光設定為基波，這三個Pr:LN晶片很好地 共同透射二次諧波(^2，義/2 542"^)附近的綠光，并且很好地共同 吸收三次諧波(義/3,義/^361鵬)附近的紫外光。通常，所關心的是非線性光學晶片的吸收末端越短，用于波長轉換 使用的非線性晶體越合適。因此，盡可能地排除引起吸收的元件的方法 是普遍的。此外，根本沒有把注意力集'中到以下事實像鈮酸鋰之類的 具有較大非線性光學常數的材料產生意外的諧波(例如，三次諧波)，并 且引入必要的諧波吸收(例如，二次諧波)。相反地，組成根據本發明的 波長轉換元件的非線性光學材料在三次諧波附近具有吸收線，吸收并且 去除不必要的三次諧波以限制通過紫外光(例如，三次諧波)引入的綠
光(例如，二次諧波)的吸收。像本發明這樣表現晶體吸收三次諧波的 方法非常值得抑制其中三次諧波的出現引入二次諧波吸收的現象。根據 本實施例的非線性光學晶體將所吸收的三次諧波的能量轉換為熱和光。具體地，鐠(Pr)將三次諧波的能量轉換為熱和從515至155nm波長的光。 因此，很好地抑制了晶體中的熱增加以及二次諧波輸出的增加。此外， 例如另一種稀土元素銪(Eu)將三次諧波的能量轉換為熱和具有從610nm 至660nm波長的光。同樣地，待摻雜的稀土元素的改變也使得可以控制待 轉換和輸出的波長。(綠光吸收測量的結果)接下來，對歸因于在非線性光學材料內部存在的紫外光導致的綠光 吸收進行測量用于估計(在下文中，將所述測量稱為"汞燈照射測試")。圖6是在汞燈照射測試中使用的光學測量系統的示意圖。該光學測 量系統具有用作光源的綠光源401、透鏡402、汞燈405、和用于測量透 射光功率的功率計404。綠光源401包括YAG激光器，以及根據通過YAG激 光器發射的激光產生二次諧波(波長532nm， 25mW)以發射波長532nm的 光(532nm光)。透鏡402是這樣一種透鏡具有25mm的焦距并且被設置在 光進入晶體樣品403中的焦距位置。作為測量目標的晶體樣品403是這樣 一種測量目標晶體:對其進行切割并且將其拋光為襯底厚度為lmm以及束 徑是25腿的尺寸。汞燈405可以用來自以上晶體樣品403的紫外光406照射 晶體樣品403。根據通過功率計404對透射的532nm的光的功率的測量，確 定在紫外光406的輻射期間和在沒有紫外光406輻射期間通過晶體樣品 403的532nm光的透射量。將沒有紫外光輻射期間透射的532nm的光功率和紫外光輻射期間透 射的532nm的光功率之間的差與沒有紫外光輻射期間透射的532nm的光功 率的比率定義為吸收。圖7是表示汞燈照射測試(綠光吸收測量)的結果 的圖。圖中，橫坐標軸表示吸收的百分比，并且將三個晶體樣品403放置 在用于表示測量結果的坐標上。這三個晶體樣品403是在本實施例中生長 的Pr:LiNb03、作為基準的無摻雜LiNb03、和具有5摩爾百分比的摻雜MgO 的MgO: LiNb03。
在廣泛使用的具有MgO摻雜用于光損壞抑制的MgO:LiNb03中，示出為 當照射紫外光時的透射率與當沒有照射紫外光時相比低15%。另一方面， 針對未摻雜LiNb03和在本實施例中生長的Pr: LiNb03的透射比沒有降低。 換句話說，將Pr的摻雜示出為很好地限制由紫外光引入的綠光吸收。此 外在無摻雜LiNb03中，由如上所述的光引起的折射率變化(惡化)易于 出現。應該注意的是無摻雜LiNb03不適用于波長轉換元件。 (使用Pr:LiNb03的波長轉換元件)接下來，將闡述使用Pr:LiNb03的波長轉換元件。 (波長轉換元件的形成)將通過生長獲得的Pr:LiNb03晶片進行光學處理以形成電極，并且向所述電極施加電場以執行偏振反轉處理。首先，將作為電極材料的金屬 膜氣相沉積到襯底(在本實施例中是lmm厚)上，對所述襯底兩側光學拋 光以便形成電極。作為晶體介電主軸的襯底z軸方向與襯底表面(z盤) 垂直。隨后，將光致抗蝕劑涂敷到金屬膜上，并且使用接觸曝光方法對 電極圖案進行構圖。然后，通過干法刻蝕設備形成金屬電極。其后，在 金屬膜上形成電介質，并且將直流(次數5000，脈沖寬度0.5毫秒) 脈沖序列施加到電極以在晶體中形成偏振反轉結構。此時，將反轉時間 段設定為 的;i是其中產生1084nm的二次諧波的時間段。并且將波長轉換元件的長度設定為25mm。(Pr:LiNb03晶體的波長轉換元件的特征估計) 在按照上述方式形成的元件上執行波長轉換特征估計。其中，通過 在改變輸入基波功率的同時測量輸出的二次諧波的功率來執行波長轉換 特征估計。圖8是在波長轉換特征估計中使用的光學系統的示意圖。光學 系統包括:基波光源601 、會聚透鏡602、再準直透鏡604和分波濾波器606， 并且還包括珀耳帖元件605，控制作為波長轉換元件的偏振反轉元件603 的溫度。基波光源601包括振蕩波長1084nm的摻Yb光纖激光器，并且可以 發射紅外光(平行光束徑760微米)。會聚透鏡602表示f = 30匪，并 且將來自基波光源601的紅外平行光會聚為通過珀耳帖元件固定的偏振 反轉元件603。在準直透鏡604將從偏振反轉元件603發射的光再次準直，
以向分波濾波器602發送光。分波濾波器606將從偏振反轉元件603發射的 光分為基波(w)和二次諧波(2w)，并且功率計(未示出)確定二次 諧波的功率。此外，珀耳帖元件605在特征估計期間將偏振反轉元件603 的溫度控制為約25"C。圖9是繪制了該特征估計結果的曲線。在該圖中，橫坐標軸表示輸 入到偏振反轉元件603中的基波的功率(W)，并且縱坐標軸是通過功率計 測量的二次諧波(二次諧波2w)的功率(W)。在該特征估計中，使用兩 種類型的波長轉換元件。即，使用通常具有5摩爾百分比摻雜MgO的MgO: LiNb03的波長轉換元件和在本實施例中生長、并且具有偏振反轉結構的 Pr: LiNb(V波長轉換元件作為偏振反轉元件603 。首先考慮特征曲線901，所述特征曲線901表示具有其中形成偏振反 轉結構的傳統晶體材料MgO:LiNM)3的偏振反轉元件(波長轉換元件)的 特征，曲線901在二次諧波輸出超過1.2W附近明顯地彎曲，并且在從1.2W 直到1.7W為止的范圍中曲線901的斜率與較低輸出范圍(1.2W或以下)中 的斜率相比更小。這是歸因于由于三次諧波(紫外光)導致的二次諧波 (綠光)吸收的出現，三次諧波是通過基波和二次諧波的相互作用產生 的。另外，曲線901在二次諧波輸出超過;L7W附近再次明顯地彎曲，并且 在1.7W輸出或以上的區域中(輸入超過約8W的區域)，曲線901的斜率與 從l. 2W至1. 7W輸出的區域相比更小。這表示二次諧波輸出飽和的出現。 最后，當二次諧波(綠光)的輸出達到2.5W時，在晶體內部出現內部損 壞(晶體解構)，因此不可以獲得2.5W或以上的輸出。另一方面，考慮特征曲線903，表示具有在其中形成的偏振反轉結 構的本實施例的Pr:LiNb03的偏振反轉元件(波長轉換元件)的特征，示 出了當二次諧波輸出上升時，與理論值的特征曲線905相比轉換效率的輕微但是擴大的降低。然而，很好地抑制了由于三次諧波(紫外光，例如 曲線901的1.2W輸出附近)導致的二次諧波(綠光)吸收的出現和二次諧 波(例如，曲線901的1.7W輸出附近)輸出飽和的出現，使得即使當二次 諧波輸出超過2. 5W時也不會觀察到晶體解構，并且可以獲得超過4W的二 次諧波輸出。這是由于通過摻雜的鐠(Pr)引起的紫外吸收的效果。應
該注意的是理論曲線905是根據理論公式的量級估計獲得的二階多項式 的拋物線曲線。在將紅外光輸入作為基波以便輸出綠光作為二次諧波的情況下，當獲得1.2W或以上的二次諧波(綠光)輸出時，具有其中在Pr:LiNb03晶體中形成偏振反轉結構的偏振反轉元件的本實施例的波長轉換元件是有利 的，并且當獲得1.7W或以上的二次諧波輸出時是更有利的。其中例如， 二次諧波可以是從480至560nm波長的綠光，并且在這種情況下基波可以 是從960至1120nm波長的紅外光。此外，二次諧波理想地是具有從480至 555nm波長的綠光。在這種情況下，基波可以是具有從960nm至1110nm波 長的紅外光。此外，用于根據本實施例的波長轉換元件的非線性光學材料可以包 括鈰(Ce)、銪(Eu)和鐠(Pr)作為晶體中的添加劑。Pr、 Ce和Eu—般 可以吸收紫外光，并且將吸收的紫外光的能量轉化為熱和光。Pr可以將 紫外光的能量轉換為熱和具有515至555nm的光。Ce可以將紫外光的能量 轉換為熱和具有430至470nm波長的光。Eu可也可以將紫外光的能量轉換 為熱和具有610至660nm波長的光。優選地，用于根據本實施例的波長轉換元件的非線性光學材料包括 鐠(Pr)、鈰(Ce)和銪(Eu)至少之一作為晶體中的添加劑。更優選地，用于根據本實施例的波長轉換元件的非線性光學材料包 括鐠(Pr)和鈰(Ce)的至少之一作為晶體中的添加劑。這是因為Pr和 Ce不具有在綠光區域(從500nm至550nm的波長)中的小吸收峰，所述小 吸收峰在Eu中存在。據此，包括Pr和Ce任一種或兩種的波長轉換元件獲 得高效的波長轉換效率。另外更優選地，用于根據本實施例的波長轉換元件的非線性光學材 料包括鐠(Pr)作為晶體中的添加劑。這是因為Pr吸收紫外光的能力比 Ce的紫外光吸收能力要高。Pr在綠光區域中透明性和在紫外吸收能力中 是優選的，并且因此作為添加劑是理想的。在通過添加以上三種稀土元素作為摻雜劑用于改善紫外區域中的 光吸收能力中，當摻雜Pr時的改善最大，當摻雜Ce時的改善第二大，以
及當摻雜EU時的改善第三大。以上三種稀土元素全部適合于根據本實施 例的波長轉換元件；紫外區域中的光吸收能力越高，波長轉換元件越有 利。對于來自稀土元素的上述三種添加劑，優選地，他們氧化物摻雜的摩爾比率的上限一般是約O. 5摩爾百分比，如在上述氧化鐠示例的情況 下。當摩爾比率不超過0.5摩爾百分比時，可以選擇任意量的摻雜，并且 容易地生長晶體。更優選地摻雜量的摩爾百分比從O.Ol至O. l摩爾百分 比，更優選地從O. 01至0.05摩爾百分比。(實施例2)根據本發明定義實施例的波長轉換元件是一種具有通過向晶體摻 雜作為稀土元素之一的釓(Gd)產生的非線性光學材料的波長轉換元件。 (晶體生長方法)首先，將闡述生長具有摻雜釓離子(Gd3+)的鈮酸鋰(Pr: LN)晶 體的方法。通常，生長具有釓摻雜離子(Gd3+)的鈮酸鋰(Gd: LN)晶體的方 法與生長第 一 實施例中所述晶體的方法類似。首先，將4N純度的氧化鈮、氧化釓(Gd203)和碳酸鋰(Li2C03)稱 重，并且將所得到的材料在110(TC下煅燒10小時。在這種情況下，基于 Gd203/ (LiNb03+Gd203)的摩爾比將氧化釓的摻雜量設定為0. 05摩爾百分 比。將按照這種方式產生的原料放置在具有100mm直徑和100mm高度的鉬 坩堝205 (參見圖4A和圖4B)中，并且由加熱設備(未示出)通過高頻感 應加熱，熔化所述原料。在提供原料直到坩堝205填充滿原料熔化物203 為止的同時，繼續重復熔化原料的操作(參見圖4A和圖4B)，然后將熔化 物203的的表面溫度設定為變成126(TC，并且引入鈮酸鋰的籽晶202。在 該實施例中，將拉制方向設定為z向(晶軸方向的c軸)，作為晶體的電介 質軸，并且在約2天內獲得約30腿的Gd:LiNbO3的單晶204。此時，籽晶202 的旋轉速度是20rpm，并且拉制速率是2mm/h。對于氧化釓摻雜量的摩爾比，理想的上限是0.5摩爾百分比。如果
所述比是O. 5摩爾百分比或以下，摻雜量的任一選擇使得晶體生長容易。優選地，摻雜量的摩爾比為從0.01至0.5摩爾百分比，更優選地從0.05 至O. l摩爾百分比。如在第一實施例中那樣，在本實施例中，將具有可以連續引進原料 的雙結構坩堝的晶體生長爐用作用于生長晶體的設備。該裝置防止了分 層現象，分層現象表示沿晶體拉制方向在上部和下部的添加劑合成物中 存在變化。對已生長晶體的上部(肩部)和下部(尾部)進行切割，并且執行 單疇處理。沿與z軸垂直的方向對所得到的材料進行切割，并且使所述表 面end ground以獲得具有摻雜的Gd:LN(釓離子G(T)的鈮酸鋰(Gd:LiNb03) 晶片(z板)。(透射譜測量結果)如在第一實施例中那樣，通過光譜儀測量所獲得的Gd:LN晶片的透 射鐠。圖10是Gd: LN晶片的透射率的光譜特征圖。測量目標Gd:LN晶片是 基于氧化釓摻雜量的摩爾百分比的O. 05摩爾百分比和0. l摩爾百分比的 兩種Gd:LN晶片。在下文中，將氧化釓摻雜量為x摩爾百分比的Gd:LN表示 為x摩爾百分比Gd:LN。附圖繪制了O. 05摩爾百分比的Gd:LN透射率曲線 1005和0. l摩爾百分比的Gd:LN透射率曲線1010。此外在圖中，在將紅外 光設定為基波(A )的情況下，對二次諧波("2綠光)和三次諧波(， 紫外光)的光譜帶添加陰影，以輔助理解。當參考附圖時，這兩條透射率曲線1005和1010共同表現在綠光區域 的波長542nm附近為充分平坦且高透射率特征，并且與542nm附近的波長 附近相比在紫外區域中的波長361nm附近表現出相對較低的透射率特征。 換句話說，用于測量目的兩個Gd: LN晶片很好地共同透射542nm附近波長 的光，并且很好地共同吸收361nm的波長附近的光。因此，如果將波長A (A《1084nm)的紅外光設定為基波，這兩個Gd : LN晶片很好地共同透射 二次諧波("2， ^2-542"附)附近的綠光，并且很好地共同吸收三次 諧波U/3，義/3a361謹)附近的紫外光。此外，進行一次本實施例的Gd: LN晶片與第一實施例的Pr:LN晶片情況(參見圖5)的比較和對比，GD:LN
晶片比在Pr:LN晶片中在三次諧波(波長WSl"m)具有更大的吸收，另外實質上在可見光和紅外光的整個區域中表現為相當平坦和高透射率。這是根據使用Gd:LN晶片的第二實施例的波長轉換元件的特別優勢。根據傳統晶體材料設計，將使用將其吸收末端偏移到最初處理的純晶體的長波長的非線性光學材料的方法認為是最優的反面方法。然而，本方法在減小非故意產生的高次諧波方面是非常理想的。 (綠光吸收測量的結果) 接下來，通過在第一實施例中的方法(汞燈照射測試，參見圖6)對歸因于在非線性光學材料內部存在的紫外光導致的綠光吸收進行測量用于估計。圖ll是表示汞燈照射測試(綠光吸收測量)結果的圖。圖中，橫坐 標軸表示吸收的百分比，并且將三個晶體樣品403放置在用于表示測量結 果的坐標上。這三個晶體樣品403是在本實施例中生長的Gd:LiNb03、作 為基準的無摻雜LiNb03、和具有5摩爾百分比的摻雜MgO的MgO: LiNb03。在廣泛使用的具有MgO摻雜用于光損壞抑制的MgO:LiNb03中，示出為 當照射紫外光時的透射率與當沒有照射紫外光時相比低15%。另一方面， 針對未摻雜LiNb03和在本實施例中生長的Gd: LiNbO:;的透射比沒有降低。 換句話說，將Gd的摻雜示出為很好地限制由紫外光引入的綠光吸收。此 外在無摻雜LiNb03中，由如上所述的光引起的折射率變化(惡化)易于 出現。應該注意的是無摻雜LiNb03不適用于波長轉換元件。 (使用Gd: LiNb03的波長轉換元件)接下來，將闡述使用Gd:LiNb03的波長轉換元件。 (波長轉換元件的形成)將獲得的晶片進行光學處理以形成電極，并且向所述電極施加電場 以通過如第一實施例所述相同的方法執行偏振反轉處理。同樣如第一實 施例中的情況，將反轉時間段設定為;1 = 7.36/^。 7.36;^的;i是其中產生 1084nm的二次諧波的時間段。并且將波長轉換元件的長度設定為25匪。 (Gd:LiNb03晶體的波長轉換元件的特征估計)在按照上述方式形成的元件上執行波長轉換特征估計。其中，通過
在改變輸入基波功率的同時測量輸出的二次諧波的功率來執行波長轉換 特征估計。在這些測量中使用的光學系統和方法與在第一實施例中的光 學系統和方法相同(參見圖8)。圖12是繪制了該特征估計結果的曲線。在該圖中，橫坐標軸表示輸入到偏振反轉元件603 (參見圖8)中的基波的功率(W)，并且縱坐標軸 是通過功率計測量的二次諧波(二次諧波2w)的功率(W)。在該特征估 計中，使用兩種類型的波長轉換元件。即，使用通常具有5摩爾百分比摻 雜MgO的MgO: LiNb03的波長轉換元件和在本實施例中生長、并且具有偏 振反轉結構的Gd:LiNb03波長轉換元件作為偏振反轉元件603。特征曲線1201表示具有其中形成偏振反轉結構的傳統晶體材料 MgO:LiNb03的偏振反轉元件(波長轉換元件)的特征，特征曲線1201是 與圖9的曲線901相同的特征曲線。曲線1201在二次諧波輸出超過1.2W附 近明顯地彎曲，并且在從1.2W直到1.7W為止的范圍中曲線1201的斜率與 較低輸出范圍(1.2W或以下)中的斜率相比更小。這是歸因于由于三次 諧波(紫外光)導致的二次諧波(綠光)吸收的出現，三次諧波是通過 基波和二次諧波的相互作用產生的。另外，曲線1201在二次諧波輸出超 過1.7W附近再次明顯地彎曲，并且在1.7W輸出或以上的區域中(輸入超 過約8W的區域)，曲線1201的斜率與從1.2W至1.7W輸出的區域相比更小。 這表示二次諧波輸出飽和的出現。最后，當二次諧波(綠光)的輸出達 到2.5W時，在晶體內部出現內部損壞(晶體解構)，因此不可以獲得2.5W 或以上的輸出。另一方面，考慮特征曲線1203，表示具有在其中形成的偏振反轉結 構的本實施例的Gd:LiNb03的偏振反轉元件(波長轉換元件)的特征，示 出了當二次諧波輸出上升時，與理論值的特征曲線1205相比轉換效率的 輕微但是擴大的降低。然而，很好地抑制了由于三次諧波(紫外光，例 如曲線1201的1.2W輸出附近)導致的二次諧波(綠光)吸收的出現和二 次諧波(例如，曲線1201的1.7W輸出附近)輸出飽和的出現，使得即使 當二次諧波輸出超過2. 5W時也不會觀察到晶體解構，并且可以獲得超過 4W的二次諧波輸出。這是由于通過摻雜的釓(Gd)引起的紫外吸收的效
果。應該注意的是理論曲線1205是根據理論公式的量級估計獲得的二階多項式的拋物線曲線。與第一實施例的情況不同，當像本實施例這樣摻雜Gd離子時，將所吸收的三次諧波的大部分能量釋放為熱。結果，在輸出二次諧波的同時 幾個難題產生熱。然而，三次諧波的輸出相當小，在微瓦量級。因此， 如果只通過帕爾貼元件控制溫度，該現象對于波長轉換特征實際上沒有施加不利效果。這是吸收紫外光的摻雜釓(Gd)的效果。在輸入基波以便輸出二次諧波的情況下，當獲得l. 2W或以上的二次 諧波(綠光)輸出時，具有其中在Gd:LiNb03晶體中形成偏振反轉結構的 偏振反轉元件的本實施例的波長轉換元件是有利的，并且當獲得l. 7W或 以上的二次諧波輸出時是更有利的。其中基波可以是從800至1120nm的紅 外光。在這種情況下，二次諧波可以是從藍光到綠光，具有從400至560nm 的波長。此外，基波也可以是具有從960nm至1110皿波長的紅外光。在這 種情況下，二次諧波可以是從480至555nm波長的綠光。組成本實施例的 波長轉換元件的非線性光學材料具有從其中沒有摻雜釓的該非線性光學 材料的吸收端向長波長一側偏移約10nm的吸收端。據此，根據透射比的 光譜特征清楚知道的是本實施例的波長轉換元件適用于在產生藍光至 綠光(從400至560nm的波長)作為二次諧波的應用中使用的波長轉換元 件。在本實施例中描述的是其中產生綠光作為使用紅外光作為基波的二 次諧波的情況。實際上，本實施例的構造使得可以產生從藍光到綠光(從 400至560n的波長)作為高輸出二次諧波。此外，用于根據本實施例的波長轉換元件的非線性光學材料可以包 括鈧(Sc)、鑭(La)、釔(Y)、鐿(Yb)、鈥(Ho)、镥(Lu)和軋(Gd)作為晶體中的添加劑。優選地，用于根據本實施例的波長轉換元件的非線性光學材料包括 軋(Gd)、鈧(Sc)、鑭(La)、釔(Y)、鐿(Yb)、鈥(Ho)和镥(Lu) 的至少之一作為晶體中的添加劑。更優選地，用于根據本實施例的波長轉換元件的非線性光學材料包 括軋(Gd)、鈧(Sc)、鑭(La)、釔(Y)、鐿(Yb)和鈥(Ho)的至少之
一作為晶體中的添加劑。這是因為在摻雜Gd、 Sc、 La、 Y、 Yb和Ho的任一 種或更多的情況下吸收端的偏移量比在摻雜Lu的情況下吸收端的偏移量 更大。在前一種情況下可以比后一種情況更好地吸收紫外區域中的光。另外更優選地，用于根據本實施例的波長轉換元件的非線性光學材 料包括釓(Gd)、鈧(Sc)、鑭(La)、釔(Y)和鐿(Yb)的至少之一作 為晶體中的添加劑。這是因為然而Ho在從1060至1080nm的波帶中具有相 當小的吸收，Gd、 Sc、 La、 Y和Yb在所述帶中不具有這種吸收。除了以上 原因之外，在Gd、 Sc、 Laa、 Y和Yb的情況下吸收端的偏移量比在摻雜Ho 的情況下吸收端的偏移量更大。在前一種情況下可以比后一種情況更好 地吸收紫外區域中的光。另外更優選地，用于根據本實施例的波長轉換元件的非線性光學材 料包括釓(Gd)、鈧(Sc)和鑭(La)的至少之一作為晶體中的添加劑。 這是因為在摻雜Gd、 Sc和La的任一種或更多的情況下吸收端的偏移量比 在摻雜Y和Yb的任一種或兩種的情況下吸收端的偏移量更大。在前一種情 況下可以比后一種情況更好地吸收紫外區域中的光。另外更優選地，用于根據本實施例的波長轉換元件的非線性光學材 料包括釓(Gd)和鈧(Sc)的至少之一作為晶體中的添加劑。這是因為 在摻雜Gd和Sc的任一種或兩種的情況下吸收端的偏移量比在摻雜La的情 況下吸收端的偏移量更大。在前一種情況下可以比后一種情況更好地吸 收紫外區域中的光。另外更優選地，用于根據本實施例的波長轉換元件的非線性光學材 料包括釓(Gd)作為晶體中的添加劑。這是因為在摻雜Gd的情況下吸收 端的偏移量比在摻雜Sc的情況下吸收端的偏移量更大。在前一種情況下 可以比后一種情況更好地吸收紫外區域中的光。除了以上原因之外，Gd 在紫外區域中具有吸收峰(參見圖IO)。在通過摻雜以上七種稀土元素的情況下，吸收端的偏移量摻雜GD的 情況下最大。摻雜Sc的情況下第二大。然后摻雜Y和Yb的任一種的情況下 第三。Y和Yb示出了實質相同的偏移量。緊接著以上情況，摻雜La、 Ho 或LU的情況下依次變小。以上七種稀土元素全部適用于本實施例的波長
轉換元件。吸收端的偏移量越大，紫外區域光的光吸收能量越有利。甚 至表示吸收端的最大偏移量的Gd具有在可見光區域中光的平坦透射性 質。因此，根據本實施例的波長轉換元件可以用于任意顏色的可見光的 轉換。對于來自稀土元素的上述七種添加劑的釓(Gd)、鑭(La)、鐿(Yb)、 鈥(Ho)和镥(Lu)，優選地，它們氧化物摻雜的摩爾比率的上限一般是 約O. 5摩爾百分比，如在上述氧化釓示例的情況下。當摩爾比率不超過0. 5 摩爾百分比時，可以選擇任意量的摻雜，并且容易地生長晶體。更優選 地摻雜量的摩爾百分比從O. 05至0. 5摩爾百分比，更優選地從O. 05至0. 1 摩爾百分比。對于上述七種添加劑的鈧(Sc)和釔(Y)，與上述氧化釓的示例不 同，摻雜氧化物的摩爾比率為O. 5摩爾百分比或以上是可能的。這是因為 Sc和y的離子半徑較小，并且與以上其他五種稀土元素相比較高的摻雜是 可能的。優選地，摻雜量的摩爾比率是1.3至4.0摩爾百分比，更優選地 從l. 5摩爾百分比至2. O摩爾百分比。(使用本發明波長轉換元件的波長轉換器)在根據第一和第二實施例的任意一種波長轉換元件中，可以無需修 改地利用圖8所示的波長轉換的特征估計的光學系統作為波長轉換器。此外，因為與傳統相比可以更好地抑制波長轉換元件的熱釋放值，可以省略帕爾貼元件605。此外，會聚透鏡602和再準直透鏡604可以是可選擇的。與具有圖2中所示波長轉換器的傳統示例的構造相比，明顯的是簡化了圖8系統的構造和構件。使用根據本實施例的波長轉換元件的波長轉換器有利之處在于所述轉換器具有比傳統波長轉換器更簡單的構造。因此，也使得波長轉換器的成本較低。(使用本發明波長轉換元件的高輸出激光顯示器) 此外，在第一和第二實施例中所示的波長轉換元件的使用使得能夠 產生2.5W或以上的綠光以及2.0W或以上的藍光，這是傳統限制。當構成 具有10001m亮度的顯示器(投影儀)時，盡管每一中顏色所必需的光量 依賴于構造而略微變化，對于紅色、綠色和三色所必需的光量分別是
3.0W、 2.8W和3.0W。使用根據本發明的波長轉換元件，可以實現這種具 有10001m或以上亮度的高亮度激光顯示器(圖像顯示設備)。圖13示出了 使用根據本發明的波長轉換元件的這種激光顯示器(圖像顯示設備)的 構造示例。
使用紅色、綠色和藍色的三個激光源。紅色激光源1101包括具有 635nm波長的GaAs半導體激光器。構成所述半導體激光器使得通過集束光 纖從一個光纖的輸出中輸出的3至8個半導體激光二極管的輸出，并且其 光譜寬度寬達幾個納米。該較寬的光譜抑制了斑點噪聲(speckle noise) 的出現。
藍光源1103和綠光源1105分別包括波長轉換藍光源和波長轉換綠 光源，所述波長轉換光源均包括本發明所建議的元件。
將來紅光源1101、綠光源1102和藍光源1103的束分別發送至反射調 制器元件1104、 1105和1106，并且進行空間調制。經由鏡子1107，在復 用棱鏡1108處將綠光與紅光和藍光混合以形成彩色圖像。通過投影透鏡 1109將所形成的彩色圖像投影到屏幕1110上。
此外，可以組成除了以上圖像顯示設備職位的投影儀，所述投影儀 對來自屏幕背部的圖像進行投影。
此外在圖13中，使用集成了微型鏡的反射空間調制器元件，也可以 使用其中使用液晶或電化學鏡的調制器元件。 (總結)
在第一實施例中，描述了使用通過將Pr離子摻雜到鈮酸鋰單晶中產 生的非線性光學材料的波長轉換元件。通過將Pr離子摻雜到鈮酸鋰單晶 中產生的非線性光學材料在綠光區域表現出高透射率，并且在紫外區域 具有寬吸收峰。
在第二實施例中，描述了使用通過將Gd離子摻雜到鈮酸鋰單晶中產 生的非線性光學材料的波長轉換元件。通過將Gd離子摻雜到鈮酸鋰單晶 中產生的非線性光學材料實質上從可見光區域到紅外光區域是透明的， 并且在紫外區域(350nm附近)表現出尖銳的吸收峰。
除了以上摻雜劑Pr和Gd之外，使用通過諸如Sc、 Y、 La、 Ce、 Eu、
Ho、 Yb或Lu之類的稀土元素摻雜產生的非線性光學材料的波長轉換元件
也具有與在第一和第二實施例中描述的效果類似的效果。
在以上其中稀土元素中，使用具有如第一實施例中所述摻雜Pr的或 具有諸如摻雜Ce或Eu之類的稀土元素的非線性光學材料的波長轉換元件 在綠光區域表現出高透射率，并且在紫外區域示出了寬的吸收峰。據此， 去除了紫外區域中不必要的高二次諧波，并且還可以在綠光區域中輸出 高功率的低階二次諧波。
可以使用通過摻雜諸如Pr、 Ce或Eu之類的稀土元素產生的非線性光 學材料的波長轉換元件，具有通過吸收紫外光發射長波長(可見光)的 性質。因此，可以抑制由于光吸收導致的熱釋放，并且可以容易地保持 相位匹配狀態穩定。
此外，在以上七種稀土元素中，使用具有如第二實施例中所述的摻 雜Gd的或具有的摻雜諸如Sc、 Y、 La、 Ho、 Yb或Lu之類的稀土元素的非線
性光學材料的波長轉換元件從可見光區域到紅外光區域實質上是透明 的，并且由于所述摻雜，將晶體的吸收端偏移到紫外區域(350nm附近)。 因此，波長轉換元件去除了在紫外區域中不必要的高階二次諧波，并且 可以無需將低階諧波再次吸收到波長轉換元件中就在可見光區域中輸出 高功率低階諧波。
以上第一和第二實施例描述了其中將稀土元素摻雜到鈮酸鋰晶體 中的情況。此外，在其中將以上稀土元素摻雜到鉭酸鋰晶體、摻雜氧化 鎂(MgO)的鈮酸鋰晶體、摻雜氧化鎂(MgO)的鉭酸鋰晶體、摻雜氧化 鋅(Zn0)的鈮酸鋰晶體、摻雜氧化鋅(Zn0)的鉭酸鋰晶體中的情況下 也可以獲得類似效果，所述晶體具有與鈮酸鋰晶體類似的晶體結構和性 質。
盡管將摻雜Nd或Yb達到鈮酸鋰晶體等研究作為自倍頻元件(自加倍 元件)，以上目的是為了減少元件個數。通過另一個激光器激發的Nb或Yb 離子產生紅外光，并且偏振反轉晶體產生二次諧波。以上目的與本發明 的目的完全不同。
具有根據本發明的非線性光學材料的非線性光學元件(波長轉換元
件)包括至少一種稀土元素作為添加劑。從根據吸收峰所明白的，添加 劑(稀土離子)吸收在元素內部存在的不必要的紫外光，并且通過離子 的電子對激發/馳豫過程將紫外光轉換為熱和/或具有比紫外光更長波長 的光。該作用抑制了由于紫外光(例如，三次諧波)的存在引起的二次 諧波(綠光)的吸收，從而能夠避免輸出飽和和晶體解構。此外， 一般為了獲得較大輸出，對基波進行分布，并且通過多個波 長轉換元件產生輸出。然而，對在結構使用本發明的非線性光學元件的 波長轉換器進行了簡化并且不需要復雜的復雜調節，從而能夠減少制造 所需的成本。此外，在每一個以上實施例中所述的波長轉換元件僅是示例，可以 在不脫離本發明的范圍和精神的情況下實現其他方面。工業應用性根據本發明的波長轉換元件提供了一種比傳統波長轉換元件更簡 單結構的波長轉化器。因此，改善了設備的可靠性，并且可以廢除復雜 的調節，所以可以提供比傳統成本更低生產成本的高亮度激光顯示器(圖 像顯示設備)。
權利要求
1. 一種波長轉換元件，所述波長轉換元件接收具有波長;i的光的基波以輸出具有波長^2的光的二次諧波，所述波長轉換元件具有包含從由Sc、 Y、 La、 Ce、 Pr、 Eu、 Gd、 Ho、 Yb和Lu構成的組中 選擇的至少一種元素作為添加劑的晶體。
2. 根據權利要求1所述的波長轉換元件，其中所述添加劑是Ce、 Pr或Eu。
3. 根據權利要求2所述的波長轉換元件，所述添加劑是Ce。
4. 根據權利要求2所述的波長轉換元件，其中所述添加劑是Pr。
5. 根據權利要求2所述的波長轉換元件，其中所述添加劑是Eu。
6. 根據權利要求1所述的波長轉換元件，其中所述添加劑是Sc、 Y、La、 Gd、Ho、 Yb或Lu。
7.根據權利要求6所述的波長轉換元件，其中所述添加劑是Sc。
8.根據權利要求6所述的波長轉換元件，其中所述添加劑是Y。
9.根據權利要求6所述的波長轉換元件，其中所述添加劑是La。
10.根據權利要求6所述的波長轉換元件，其中所述添加劑是Gd。
11.根據權利要求6所述的波長轉換元件，其中所述添加劑是Ho。
12.根據權利要求6所述的波長轉換元件，其中所述添加劑是Yb。
13.根據權利要求6所述的波長轉換元件，其中所述添加劑是Lu。
14.根據權利要求1所述的波長轉換元件，其中將所述添加劑作為三價氧化物摻雜到所述晶體中。
15.根據權利要求l所述的波長轉換元件，其中所述晶體是鈮酸鋰單晶。
16. 根據權利要求l所述的波長轉換元件，其中所述晶體是鉭酸鋰 單晶。
17. 根據權利要求15或16所述的波長轉換元件，其中所述晶體包 括氧化鎂和氧化鋅中的任一種作為另外的添加劑。
全文摘要
提出了一種波長轉換元件，所述波長轉換元件不會產生由于元件內部產生的三次諧波導致的晶體解構和二次諧波的輸出飽和。所述波長轉換元件接收具有波長λ的光的基波，輸出具有波長λ/2的光的二次諧波，并且具有包括從由Sc、Y、La、Ce、Pr、Eu、Gd、Ho、Yb和Lu組成的組中選擇的至少一種元素作為添加劑的晶體。
文檔編號G02F1/37GK101147098SQ20068000968
公開日2008年3月19日 申請日期2006年3月24日 優先權日2005年3月25日
發明者古屋博之, 山本和久, 水內公典 申請人:松下電器產業株式會社