JPH10153806A - 高調波出力安定化方法および紫外線レーザ装置並びにマーキング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 非線形光学結晶の温度が上昇しても、高出力
の高調波を安定に出力できるようにすること。 【解決手段】 １１〜１３ａ，１３ｂから構成されるレ
ーザ装置から放出される光は２倍波結晶１８ａに入射し
第２高調波に変換される。該第２高調波は、さらに、４
倍波結晶１８ｂに入射し上記第２高調波は第４高調波に
変換される。４倍波結晶１８ｂからの出力光はスキャン
ミラー２ａ．２ｂに入射し、スキャンミラー２ａ，２ｂ
はマーキング図形／文字パターンに応じて駆動され、ワ
ークＷ上に所定の図形／文字パターンが描かれる。非線
形光学結晶１８ｂが出力する高調波光は検出器２２によ
り検出され、制御回路２３は該高調波光が最大となるよ
うに、結晶駆動機構２４により、入射レーザ光の光軸に
対する非線形光学結晶１８ｂの角度を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は非線形光学結晶によ
る高調波発生技術を利用して高調波レーザ光を安定に出
力するための高調波出力安定化方法をおよび該技術を利
用した紫外線レーザ装置並びにマーキング装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】非線形光学結晶による高調波発生技術を
利用した紫外線発生装置は、半導体製造工程におけるリ
ソグラフィ装置の光源として適用することが期待されて
いる。リソグラフィ装置の光源として上記高調波発生技
術を利用した場合には、エキシマレーザ装置を光源とし
て用いた場合に生ずる、原料ガスとして極めて反応性の
高いハロゲンガスを使用することによる保守性、ハンド
リングについての問題や、原料ガス交換頻度が高くラン
ニング・コストが増加する等の問題を回避することがで
きる。

【０００３】また、上記紫外線レーザ装置は、レーザマ
ーキング装置の光源として適用することが期待されてい
る。従来上記マーキング装置の光源としては、ＹＡＧレ
ーザ（波長１．０６μｍ）やＣＯ₂ レーザ（波長１０．
６μｍ）といった波長が赤外域にあるレーザ装置が光源
として使用されていた。しかし、被マーキング物が金属
やガラスや一部の樹脂等の場合は、上記光源ではマーキ
ングが困難であった。例えば、被マーキング物がガラス
の場合、ＹＡＧレーザ光は透過してしまう。また、ＣＯ
₂ レーザ光では、マーク自体にクラックが発生して良好
なマーキングができない。その点、エキシマレーザのよ
うな紫外レーザ光を用いると、こういった被マーキング
物に良好なマーキングを実現できることが確認されてい
るが、エキシマレーザ装置の場合には上記したように保
守性、ランニング・コストと等の問題がある。

【０００４】さらに、近年、上記紫外線レーザ装置を、
レーザビームにより３次元物体モデルを形成する光造形
装置の光源として利用することも検討されている。光造
形装置は、３次元物体モデルの数値モデル（ＣＡＤデー
タまたは３次元計測データ）を高さ方向に等間隔の水平
面で切断したスライス図形データ群に基づきスライス図
形データに沿って光ビームを光硬化性樹脂に照射し、ス
ライス図形データ毎に薄板状硬化層を形成する工程を繰
り返し、形成された薄板状固化層を積層して任意の３次
元物体モデルを形成する技術である。

【０００５】次に、上記技術のうちレーザマーキングを
例にとって従来技術を説明する。ワークに文字、図形等
を描画するレーザマーキングは次のように行われる。 （１）マスク方式 光内に挿入したマスク（ステンシル）にレーザ光を照射
し、マスクに施された文字／図形パターンを通過したレ
ーザ光によりワークにマーキングする。 （２）ビームスキャン方式 ビームの照射位置を移動制御して、所定の文字／図形パ
ターンをワーク上にマーキングする。

【０００６】ＹＡＧレーザ装置や連続発振するＣＯ₂ レ
ーザ装置の場合は、レーザ装置より放出されるレーザ光
束の断面積が小さくスポット状であるので、上記ビーム
スキャン方式のマーキングが行われている。一方、パル
ス発振するＴＥＡ−ＣＯ₂ レーザ装置やエキシマレーザ
装置の場合は、レーザ装置より放出されるレーザ光束の
断面積が比較的大きいので、上記マスク方式のマーキン
グが行われる。非線形光学結晶による高調波発生技術を
適用した紫外線レーザ装置をマーキング等に適用する場
合には、紫外線レーザ光出力は高出力が望ましい。した
がって、高調波発生のための基本波を放出するレーザ装
置は、レーザ光出力の大きいＹＡＧレーザなどの固体レ
ーザ装置である場合が多い。

【０００７】上記固体レーザ装置では、一般にレーザ装
置から放出されるレーザ光束の断面積が小さくスポット
状であるので、上記ビームスキャン方式のマーキングを
採用することになる。ビームスキャン方式のマーキング
におけるビームの移動制御は、例えば、回転角度が制御
可能なモータに取り付けられた２組のガルバノメータス
キャナ（回転角度が制御可能なモータに取り付けられた
ミラーにより光を走査するスキャナ）を用いてなされ
る。

【０００８】図１２は上記した方法によるワークにマー
キングを行うマーキング装置の概略構成を示す図であ
り、同図において、１はレーザビームを放射するレー
ザ、２は上記したガルバノメータスキャナ、３はシステ
ムコントローラである。同図において、レーザ１から放
射されるレーザビームはガルバノメータスキャナ２の２
組のミラーにより反射されワークＷ上に照射される。シ
ステムコントローラ３はガルバノメータスキャナ２に文
字／図形のパターンに応じたＸ方向位置制御信号Ｓx 、
Ｙ方向位置制御信号Ｓy を送り、ガルバノメータスキャ
ナ２の２つのミラーの角度を制御する。

【０００９】図１３は上記ガルバノメータスキャナ２の
ミラーの配置を示す図である。同図に示すように、回転
軸が直交した２組のＸ軸ミラー２ａ、Ｙ軸ミラー２ｂが
設けられており、Ｘ軸ミラー２ａ、Ｙ軸ミラー２ｂはＸ
軸スキャナー２ｃ、Ｙ軸スキャナー２ｄにより駆動され
る。レーザ装置１から照射されるレーザ光は、上記Ｘ軸
ミラー２ａ、Ｙ軸ミラー２ｂにより反射され、レーザビ
ームがワークＷ上の所定位置に照射される。

【００１０】図１４はガルバノメータスキャナ２の構成
の一例を示す図である。同図は、Ｘ軸ミラー２ａを駆動
するための回路構成を示しているが、Ｙ軸ミラー２ｂを
駆動するための回路構成も同様である。同図に示すよう
に、Ｘ軸ミラー２ａの回転軸にミラー駆動部２ｅとポジ
ションセンサ部２ｆが接続されており、ミラー駆動部２
ｅは増幅器Ａｍｐ１が出力する駆動電流Ｉx に応じてＸ
軸ミラー２ａを回転させる。また、Ｘ軸ミラー２ａの回
転角はポジションセンサ部２ｆのセンサＳｅｎにより検
出される。センサＳｅｎの出力は増幅器Ａｍｐ２に与え
られ、増幅器Ａｍｐ２はＸ軸ミラー２ａの回転角度に相
当した位置信号Ｐx を出力する。一方、増幅器Ａｍｐ１
は後述する制御部から与えられる照射位置制御信号Ｓx
と上記位置信号Ｐx を比較し、その差に応じた駆動電流
Ｉx を出力しミラー駆動部２ｅを駆動する。したがっ
て、Ｘ軸ミラー２ａは、上記位置制御信号Ｓx に応じた
回転角度に制御される。

【００１１】上記した図１２〜図１４に示したシステム
の全体構成をブロック図で示すと図１５に示す構成とな
る。すなわち、システムコントローラ３は、制御部３ａ
を備え、制御部３ａは照射位置制御信号Ｓx ，Ｓy （Ｓ
y はＹ軸の位置制御信号）を出力するとともにレーザ装
置１を制御する。また、ガルバノメータスキャナ２の比
較部２ｇ（上記増幅器Ａｍｐ１に相当）は上記位置制御
信号Ｓx ，Ｓy と、ポジションセンサ部２ｆが出力する
位置信号Ｐx ，Ｐｙ（Ｐy はＹ軸の位置信号）とを比較
し、ミラー駆動部２ｅへ駆動電流Ｉx ，Ｉy を出力す
る。

【００１２】ミラー駆動部２ｅは上記駆動電流Ｉx ，Ｉ
y に応じてＸ軸ミラー２ａ、Ｙ軸ミラー２ｂを駆動す
る。Ｘ軸ミラー２ａ、Ｙ軸ミラー２ｂの回転角度はポジ
ションセンサ部２ｆで検出され比較部２ｇにフィードバ
ックされる。一方、レーザ装置１が放射するレーザ光は
ガルバノメータスキャナ２のＸ軸ミラー２ａ、Ｙ軸ミラ
ー２ｂで反射されてワークＷに照射される。なお、上記
のようにワークＷにレーザビームを照射して、ワークＷ
にマーキングを行う場合、ワークＷの材質に応じてレー
ザビームの照射量が定まる。このため、ワークＷの材質
に応じて一定の速度でレーザビームをスキャンする必要
があり、ガルバノメータスキャナ２のＸ軸ミラー２ａ、
Ｙ軸ミラー２ｂも一定の速度で動かす必要がある。すな
わち、制御部３ａから出力される照射位置制御信号Ｓx
，Ｓy もある一定の速度で変化させる必要がある。

【００１３】図１６は上記マーキング装置の光源とし
て、非線形光学結晶による高調波発生技術を適用した紫
外線レーザ装置を用いた場合の構成例を示す図である。
同図において、１１はレーザ光のポンピングに用いられ
る励起ランプであり、例えばＫｒアークランプから構成
されるが、半導体レーザであってもよい。１２はＹＡＧ
ロッド、１３ａ，１３ｂは共振器ミラーであり、上記１
１〜１３ａ，１３ｂでレーザ装置を構成している。１４
はレーザ光をパルス化するＱ−ＳＷ、１５，１６は折り
返しミラー、１７ａ〜１７ｄはレンズ、１７ｅは集光レ
ンズである。また、１８ａは２倍波結晶であり、例えば
ＬＢＯ（ＬｉＢ₃ Ｏ₅ ）から形成される。１８ｂは４倍
波結晶であり、例えばＣＬＢＯ（Ｃ_s ＬｉＢ₃ Ｏ₅ ）か
ら形成される。１９ａはレーザ光を開閉するシャッタ、
１９ｂはシャッタ駆動機構、２ａ，２ｂは前記したスキ
ャンミラー、Ｗはマーキング対象となるワークである。

【００１４】同図において、１１〜１３ａ，１３ｂから
構成されるレーザ装置から放出される光は折り返しミラ
ー１５，１６、レンズ１７ａを介して２倍波結晶１８ａ
に入射し、第２高調波に変換される。上記第２高調波
は、レンズ１７ｂ，１７ｃを介して４倍波結晶１８ｂに
入射し、第２高調波は第４高調波に変換される。４倍波
結晶１８ｂからの出力光はレンズ１７ｄ、シャッタ１９
ａ、集光レンズ１７ｅを介してスキャンミラー２ａ，２
ｂに入射し、スキャンミラー２ａ，２ｂは前記したよう
に、マーキング図形／文字パターンに応じて駆動され、
ワークＷ上に所定の図形／文字パターンが描かれる。

【００１５】上記したように非線形光学結晶を用いて高
調波を発生させる際、基本波（ω）から第２高調波（２
ω）への変換効率を大きくするためには、位相整合（ph
asematching) を行う必要がある。位相整合技術には様
々なものがあるが、通常、非線形光学結晶が非等方性結
晶のときには、この非等方性結晶において発生する複屈
折（biefringence）を利用する。なお、複屈折とは、媒
体に入射した光が媒質中で異なる速度を持つ２成分に分
かれることである。ここでは、複屈折性の非線形光学結
晶としてＫＤＰのような、非等方性の単軸結晶（uniaxi
al crystal) について考える。なお、単軸結晶（uniaxi
al crystal) とは、複屈折にならずに光が伝播する光軸
〔この光軸を光学軸（optic axis）という〕が一本だけ
ある結晶のことである。

【００１６】非等方性単軸結晶において、複屈折により
分裂した２つの光線は、それぞれ常光線（ordinary ra
y) 、異常光線(extraordinary ray) と呼ばれ、非等方
性単軸結晶に入射した光は、それぞれ常光線と異常光線
に分裂する。ｎ^W を基本波（ω）の屈折率、ｎ^2Wを第２
高調波（２ω）の屈折率とすると、位相整合条件は次の
式が成り立つときに成立する。 ｎ^W ＝ｎ^2W ここで、位相整合条件の伝播方向と光学軸（optic axi
s) とのなす角をθ、基本波（ω）の常光線の屈折率を
ｎ₀ ^W 、第２高調波（２ω）の異常光線の屈折率をｎ_e
^2Wとしたとき、一般にｎ_e ^2W＜ｎ₀ ^W ならば、ｎ
_e ^2W（θ_m ）＝ｎ₀ ^W となる角θ_m が存在する。すなわ
ち、基本波（ω）のθ_m 方向に常光線の形で、非等方性
の単軸結晶に入射させれば、それと同一方向に第２高調
波を効率よく発生させることができる。非等方性単軸結
晶以外の結晶、例えば２軸結晶に場合はもっと複雑にな
るが、基本的な考え方は同じである。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】非線形光学結晶は、当
該非線形光学結晶に入射する入射光や、当該非線形光学
結晶において発生する入射波の第２高調波によって昇温
する。非線形光学結晶自体の温度が上昇するにつれ、非
線形光学結晶における入射光から第２高調波への変換効
率は低下する。これは、非線形光学結晶の昇温による位
相ずれ（dephasing)、すなわち、位相不整合(phase mis
matching) 量が増大するためである。換言すれば、非線
形光学結晶自体の温度が上昇するにつれ、ｎ
_e ^2W（θ_m ）＝ｎ₀ ^W となる角θ_m が変化してしまうか
らである。

【００１８】図１７は上記位相ずれの様子を示す図であ
り、非線形光学結晶内Ｚ1 で生じた第２高調波と、Ｚ2
で発生しつつある第２高調波は、位相が異なると干渉を
生じ、この位相ずれ量が増大すると相互に打ち消し合
い、変換効率が低下する。一般に、非等方性の単軸結晶
への基本波（ω）の入射方向とθ_m 方向とのずれに対す
る第２高調波の出力変化は、非常に急峻である。従っ
て、非線形光学結晶自体の温度が上昇するにつれ、第２
高調波の出力変化は急激に低下してしまう。前記図１６
で示した構成の紫外線レーザ装置を運転させたところ、
ＹＡＧレーザ光の基本波（波長１０６４ｎｍ）を第２高
調波（波長５３２ｎｍ）に変換するＬＢＯ結晶に比べ
て、第２高調波（波長５３２ｎｍ）を第４高調波（波長
２６６ｎｍ）に変換するＣＬＢＯ結晶の温度上昇が著し
かった。

【００１９】上記した紫外線レーザ装置を実用的に使用
するには、入射光に対する非線形光学結晶の角度を温度
上昇を考慮して設定しなければならないが、例えばＣＬ
ＢＯで２６６ｎｍへの波長変換を行う場合、非線形光学
結晶を入射光に対して一定角度に設置すると、次のよう
な問題が生じる。 （１）結晶の角度を０度、すなわち、入射光の強度が小
さい時に位相整合がとれるような角度に調整した場合。
この場合は、入射光の強度が大きい場合、波長２６６ｎ
ｍの光の強度が大きくなり、時間とともに結晶の温度が
上昇し、次第に位相整合条件からずれてくる。このた
め、波長２６６ｎｍの光の強度は、初期状態（入射光が
非線形光学結晶に入射した瞬間）における強度より低下
する。最終的には、非線形光学結晶において発生する波
長２６６ｎｍの光による当該非線形結晶の温度上昇と、
位相整合条件からのずれによる波長２６６ｎｍの光の強
度の低下が平衡した状態に落ち着き、波長２６６ｎｍの
光の強度はある値に安定する。

【００２０】このような状態は最適な位相整合条件から
ずれているので、入射光の強度が大きいにもかかわら
ず、波長２６６ｎｍの光の強度は小さくなり、被処理物
によってはマーキングに最適な強度より低下してしま
う。したがってマークが薄くなったり、場合によっては
マーキング不可能となってしまう。

【００２１】（２）結晶の角度を、入射光が強く結晶の
温度が高いときの位相整合角に合わせておいた場合。こ
の場合は、起動時には高調波が発生しないため、結晶の
温度が上がらず、高調波は発生できないため、最初から
マーキングが不可能である。 （３）結晶を温度制御されたセル内におき、この温度を
強い高調波が発生するときの温度に設定し、結晶の角度
をこの温度での位相整合角に合わせておいた場合。この
場合には、起動時には強い高調波を発生させることがで
きるので、マーキングは始動時から可能である。しか
し、周囲温度を一定にしても、結晶の温度分布は高調波
が発生している部分で高くなるので、位相整合角は崩れ
てくる。この温度差は予測可能であるので、温度制御の
値を最初からずらして設定することで、この不都合はあ
る程度解消することができる。しかしながら、温度制御
の時定数は通常かなり遅いので、入射光が変化するなど
の急激な変化のときには対応できず、ゆるやかな周期で
紫外線出力が変動し、マークの濃いところと薄いところ
が発生してしまう。

【００２２】本発明は上記した事情を考慮してなされた
ものであって、本発明の第１の目的は、結晶温度が上昇
しても、高出力の高調波を安定に出力することができる
高調波光出力安定化方法を提供することである。本発明
の第２の目的は、結晶温度が上昇しても、高出力の高調
波を安定に出力することができ、保守性がよく、ランニ
ングコストが低廉な紫外線レーザ装置を提供することで
ある。本発明の第３の目的は、高出力の紫外線レーザ光
を照射することができ、また、マーキングむら等が発生
したり、クラックを生じさせることなく良好なマーキン
グを行うことができる保守性がよく、ランニングコスト
が低廉なマーキング装置を提供することである。

【００２３】

【課題を解決するための手段】以上説明したように、非
線形光学結晶を入射光に対して一定角度に設置すると、
結晶の温度上昇により位相整合角がずれ、変換効率を最
大値に保つことができない。そこで、ＣＬＢＯについ
て、入射エネルギーとＣＬＢＯの温度、および最大変換
効率を得ることができる結晶の補正角度の関係を調べた
ところ、図１８に示す関係が得られた。

【００２４】なお、同図はレーザ光を周波数１００Ｈｚ
でパルス状に長さ５．７５ｍｍのＣＬＢＯに与えたとき
を示しており、横軸は波長２６６ｎｍのレーザ光の平均
出力（Ｗ）、左縦軸はＣＬＢＯの温度（°Ｃ）、右縦軸
は結晶のθ方向の追跡角度（ｍｒａｄ）〔出力が最大と
なる結晶角度〕を示し、実線がＣＬＢＯの温度、点線が
θ方向追跡角度である。上記実験結果から、結晶角度を
制御すれば、結晶の温度が上昇しても常に最大変換効率
を得ることが明らかになった。

【００２５】以上の点に基づき、本発明においては、次
のようにして前記課題を解決する。 （１）非線形光学結晶にレーザ光を入射させ、該レーザ
光の高調波光を得るに際し、上記非線形光学結晶が出力
する高調波光を検出し、該高調波光が最大となるよう
に、上記入射レーザ光の光軸に対する上記非線形光学結
晶の角度を制御する。 （２）非線形光学結晶にレーザ光を入射させ、該レーザ
光の高調波光を得るに際し、上記非線形光学結晶の入射
レーザ光の光軸に対する角度を微小変化させ、その微小
変化前後の上記非線形光学結晶から得られる高調波光を
検出し、上記微小変化前の上記高調波光と、微小変化後
の上記高調波光を比較し、微小変化前の高調波光に対し
て微小変化後の高調波光が大きい場合には、上記微小変
化させた方向と同じ方向に上記非線形光学結晶の角度を
微小変化させ、また、微小変化前の高調波光に対して微
小変化後の高調波光が小さい場合には、上記微小変化さ
せた方向と反対方向に上記非線形光学結晶の角度を微小
変化させる操作を繰り返し、上記非線形光学結晶から得
られる高調波光が最大となるように非線形光学結晶の角
度を制御する。

【００２６】（３）非線形光学結晶にレーザ光を入射さ
せ、該レーザ光の高調波光を得るに際し、上記非線形光
学結晶の入射レーザ光の光軸に対する角度を微小振動さ
せながら、上記非線形光学結晶から得られる高調波光を
検出し、検出された上記高調波光の位相を判別し、該位
相が上記微小振動の位相と同位相のとき、上記非線形光
学結晶の角度を第１の方向に変化させ、上記位相が上記
微小振動の位相と逆位相のとき、上記非線形光学結晶の
角度を上記第１の方向と反対方向に変化させることによ
り、上記非線形光学結晶から得られる高調波光が最大と
なるように非線形光学結晶の角度を制御する。

【００２７】（４）レーザ光を放出するレーザ光源と、
上記レーザ光が入射し、このレーザ光の第２高調波を含
むレーザ光を放出する第１の非線形光学結晶と、上記第
２高調波を含むレーザ光が入射し、この第２高調波光の
第２高調波光であって、波長が紫外域にある光を含むレ
ーザ光を放出する第２の非線形光学結晶を備えた紫外線
レーザ装置において、上記紫外線レーザ装置に、上記第
２の非線形光学結晶の入射レーザ光の光軸に対する角度
を調整する結晶角度調整機構と、上記第２の非線形光学
結晶からの紫外線レーザ光出力を検出する検出器と、上
記結晶角度調整機構を駆動して、上記紫外線レーザ光出
力が最大となるように、上記第２の非線形光学結晶の角
度を調整する制御部とを設ける。

【００２８】（５）上記（４）の紫外線レーザ装置を光
源とし、上記紫外線レーザ装置から放出される紫外線レ
ーザ光を走査するビーム走査手段と、マーキングするパ
ターンに応じて、上記ビーム走査手段による紫外線レー
ザ光の走査を制御する制御手段と、上記紫外線レーザ光
の放出を制御するレーザ光制御手段とを設け、上記ビー
ム走査手段により走査される紫外線レーザ光を被照射物
に照射してマーキングを行う。

【００２９】本発明の請求項１〜３の発明においては、
上記（１）〜（３）のように非線形光学結晶の出力光が
最大となるように、非線形光学結晶の角度を制御してい
るので、結晶の温度が上昇しても高調波への変換効率が
低下することがなく、常に最大の変換効率を得ることが
できる。本発明の請求項４の発明においては、紫外線レ
ーザ装置を上記（４）のように構成したので、結晶温度
に影響されることなく、安定した高出力の紫外線レーザ
光を放出することができる。また、紫外線レーザ装置の
保守性を向上させ、ランニングコストの低廉化を図るこ
とができる。本発明の請求項５の発明においては、マー
キング装置を上記（５）のように構成したので、高出力
でかつ安定した紫外線レーザ光を被照射体に照射してマ
ーキングを行うことができ、マーキングむら等の発生を
回避することができる。また、マーキング装置の保守性
を向上させ、ランニングコストの低廉化を図ることがで
きる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例をマーキン
グ装置について説明するが、本発明は前記したリソグラ
フィ装置、光造形装置等にも適用することができる。図
１は本発明の第１の実施例のマーキング装置の全体構成
を示す図であり、前記図１６に示したものと同一のもの
には同一の符号が付されている。本実施例においては、
前記図１６に示したものに、半透鏡２１と、検出器２２
と制御回路２３と４倍波結晶１８ｂを駆動する結晶駆動
機構２４が付加されており、上記検出器２２により４倍
波結晶１８ｂの出力光を検出し、その出力光が最大にな
るように結晶駆動機構２４により４倍波結晶の角度を調
整する。

【００３１】検出器２２は、半透鏡２１を介して得られ
る４倍波結晶１８ｂの出力光を検出するために設けられ
たものであり、検出器２２としては、例えば、紫外線の
光量を計測することができる太陽電池のようなセンサ、
あるいはピンフォトダイオード等を使用することができ
る。なお、高い応答速度が必要な場合にはピンフォトダ
イオード等のセンサを用いるのが望ましい。また、一般
に紫外線を検出するセンサは高価なので、例えば、特開
平８−２３３６５０号公報に示されるように、紫外線が
照射される蛍光板と可視光を検出するセンサから紫外線
センサを構成し、蛍光板から得られる可視光を上記セン
サで検出するようにしてもよい。また、図１ではＹＡＧ
レーザを用いる場合を示したが、ＹＬＦレーザ、ＹＶＯ
₄ レーザを用いてもよい。

【００３２】図２は上記結晶駆動機構の構成の一例を示
す図である。同図において、１８ｂは４倍波結晶であ
り、４倍波結晶１８ｂは可動部材３１の上に設置されて
いる。３２は固定部材、３３はネジであり、可動部材３
１は板バネ３６により固定部材３２に対して移動可能に
取り付けられ、ネジ３３は固定部材３２に設けられたネ
ジ穴を貫通している。このため、ネジ３３が回転する
と、ネジ３３が上下に移動し、これにより可動部材３１
の一方端が上下動し、レーザビームＬに対する４倍波結
晶１８ｂの角度が変化する。

【００３３】上記ネジ３３はベローズカップリング３４
を介して、制御回路２３（図１参照）により駆動される
ＤＣモータ３５の回転軸に取り付けられており、ＤＣモ
ータ３５が回転するとネジ３３も回転しネジ３３は上下
に移動する。このとき、ベローズカップリング３４が伸
縮するので、ＤＣモータ３５は移動しない。なお、同図
では、レーザ光に含まれる赤外光を分離するため高調波
分離ミラー３７を用い、高調波分離ミラー３７で赤外光
を反射させ、高調波分離ミラー３７を透過した高調波を
半透鏡２１に入射するように構成しているが、赤外光の
照射を問題としない場合には、前記図１に示した構成に
してもよい。

【００３４】図３は本実施例の制御回路２３の構成の一
例を示す図、図４はその動作を説明する図であり、図４
（ａ）は４倍波結晶１８ｂの角度と４倍波結晶１８ｂか
ら出力される変換光出力との関係を示している。図４
（ａ）に示すように、４倍波結晶１８ｂの角度を変化さ
せていったとき、４倍波結晶１８ｂの変換光出力は同図
に示すように次第に増大し、結晶角度がある値を越える
と上記変換光出力は減少していく。したがって、制御回
路２３により変換出力光がピーク値になるように、結晶
角度を制御すれば、最大効率で変換を行うことができ
る。

【００３５】制御回路２３は、図３に示すように検出器
２２の出力をホールドするピークホールド回路４１と、
ピークホールド回路４１の出力をデジタル信号に変換す
るＡ／Ｄ変換器４２と、上記ホールド値を記憶するメモ
リ４３と、上記検出器２２により検出された検出信号の
ホールド値と上記メモリ４３に記憶された値を比較し、
出力を決定する演算装置４４と、演算装置４４が出力す
るデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器
４５と、Ｄ／Ａ変換器４５の出力を増幅する増幅器４６
を備えており、増幅器４６の出力により前記したＤＣモ
ータ３５を駆動する。

【００３６】上記構成において、次のようにして位相整
合状態を維持する。 半透鏡２１で取り出したレーザ光の出力Ｉn1を検出
器２２により検出し、ホールド回路４１によりホールド
した値をＡ／Ｄ変換器４２によりデジタル量に変換し、
メモリ４３に記憶する。 演算装置４４は、ＤＣモータ３５を駆動して結晶駆
動機構２４により４倍波結晶１８ｂの角度を、図４
（ｂ）に示すように微小角度変化させる。ここでのθ方
向は、結晶の光学軸と、入射光光軸と、位相整合を満た
す結晶への入射方向とが含まれる円方向である。 微小変位後のレーザ光の出力Ｉn2を検出器２２で検
出する。演算装置４４は、メモリ４３に記憶されている
上記出力Ｉn1を読み出し上記出力Ｉn1と出力Ｉn2を比較
する。 演算装置４４により、ＤＣモータ３５を駆動して、
Ｉn1＜Ｉn2ならば、上記のときと同方向に、また、Ｉ
n1＞Ｉn2ならば、上記のときと逆方向に結晶の角度を
微小変化させる。 上記手順を繰り返し、常に位相整合状態を維持す
る。

【００３７】例えば、図４（ａ）のに示すように、Ｄ
Ｃモータ３５を正方向に駆動することにより、検出器２
２の出力がメモリ４３記憶された値より大きくなる場合
には、上記のようにしてＤＣモータ３５を正方向に駆動
していく。そして、結晶角度が図４（ａ）のＰの位置に
達し、４倍波結晶１８ｂの角度が最大出力を発生する角
度を越え、同図のようにＤＣモータ３５を正方向に駆
動したとき、検出器２２の出力がメモリ４３に記憶され
た値より小さくなると、同図に示すようにＤＣモータ
３５を逆方向に回転させる。上記動作を繰り返すことに
より、図４（ａ）に示すように、結晶１８ｂの角度を、
その変換光出力が最大値近傍になるように制御すること
ができる。

【００３８】図５は、本実施例の動作シーケンスを説明
する図であり、同図に示すように本実施例のマーキング
装置はマーキング待機期間中に結晶の角度制御を行い、
ワークＷへのマーキング期間中は結晶の角度制御を行わ
ないようにしている。次に、図１、図５により本実施例
のマーキング装置の動作について説明する。ワークＷが
マーキング領域にセットされていない図５に示す期間−
１では、Ｑ−ＳＷ１４が所定の周期でオンオフしパルス
状のレーザ光が放出される。このレーザ光は、２倍波結
晶１８ａを介して４倍波結晶１８ｂに入射する。なお、
このとき、シャッタ１９ａは閉じており、スキャンミラ
ー２ａ，２ｂにはレーザ光は入射しない。４倍波結晶１
８ｂから放出される変換光は半透鏡２１を介して検出器
２２に入射し、制御回路２３は前記図３で説明したよう
に、結晶駆動機構２４を介して４倍波結晶１８ｂを駆動
し、その出力が最大になる角度に制御する。

【００３９】ついで、ワークがマーキング領域内にセッ
トされると、図５に示すように、シャッタ１９ａが開き
マーキングを開始する。また、シャッタ１９ａが開くと
同時に、制御回路２３は動作を停止し、ＤＣモータ３５
の回転が停止する。このため、４倍波結晶１８ｂは期間
−１において制御された最大光を放出する角度に保持さ
れる。マーキング期間である期間−２の間は、図５に示
すように、Ｑ−ＳＷ１４がワークＷ上にマーキングする
文字／図形パターンに応じて開閉するとともに、スキャ
ンミラー２ａ，２ｂが駆動され、し、ワークＷ上に所定
の文字／図形パターンがマーキングされる。

【００４０】そして、ワークＷ上へのマーキングが終了
しワークＷがマーキング領域から除去されると、次のワ
ークＷがマーキング領域内にセットされるまでの間、前
記したように、４倍波結晶１８ｂの角度制御が行われ
る。以上の動作を繰り返し、マーキング待機期間中に、
４倍波結晶１８ｂの出力光が最大になるように角度制御
を行いながら、ワークＷへのマーキングを行う。

【００４１】本実施例においては、上記のように、マー
キング待機期間中に４倍波結晶１８ｂの角度制御を行
い、マーキング期間中は４倍波結晶１８ｂの角度をマー
キング期間直前の値に保持しているため、マーキング期
間中の結晶の温度上昇による位相不整合の発生を回避す
ることはできない。しかしながら、本実施例において
は、レーザ光が一定周期でパルス状に出力されているマ
ーキング待機期間中にのみ結晶の角度制御を行っている
ので、結晶駆動機構２４の応答速度が比較的遅くても制
御可能であり、結晶駆動機構２４として上記したＤＣモ
ータ３５等の比較的安価な手段を用いることができる。

【００４２】図６、図７は本発明の第２の実施例の結晶
駆動機構および制御回路の構成を示す図である。本実施
例では、結晶駆動機構の駆動素子としてピエゾ素子を用
い、結晶駆動機構の応答速度を向上させることにより、
マーキング期間中も結晶角度の制御を行えるように構成
したものであり、マーキング装置としては前記図１と同
じものを使用することができる。本実施例の結晶駆動機
構は、図６に示すように、前記図２において、ＤＣモー
タ３５、ベローズカップリング３４、ネジ３３に換え
て、応答速度が速いピエゾ素子３８を用いたものであ
る。その他の構成は前記図２と同様であり、本実施例に
おいては、ピエゾ素子３８に高電圧を印加することによ
り、ピエゾ素子３８を変位させ４倍波結晶１８ｂの角度
を制御する。また、本実施例の制御回路は、図７に示す
ように、前記図３において、高電圧発生部４７を用い、
高電圧発生部４７が出力する高電圧によりピエゾ素子３
８を駆動する。

【００４３】図８は本実施例の動作シーケンスを説明す
る図であり、本実施例においては、同図に示すように、
レーザ動作中、ワークＷがマーキング領域にあるときも
常に結晶角度制御を行うようにしたものである。すなわ
ち、マーキング待機期間中は、上記図５で説明したよう
に結晶角度を制御し、マーキング期間中は、レーザパル
スが出力されていない期間、検出器２２の出力をピーク
ホールド回路４１により保持しながら、４倍波結晶１８
ｂの角度をその出力が最大になるように制御する。例え
ば、図８のａ点における検出器２２の出力をピークホー
ルド回路４１により保持し、ａ点における検出器２２の
出力とｂ点における検出器２２の出力を比較して、４倍
波結晶１８ｂの出力光が増大するように結晶角度を制御
する。以上のような制御をすることにより、マーキング
期間中、結晶の温度が上昇しても位相不整合を生ずるこ
となく変換効率を最大値に保つことができる。なお、本
実施例の場合には、マーキング期間中も結晶角度を制御
しているので、ピエゾ素子のように比較的応答速度の速
い駆動素子を用いる必要がある。

【００４４】図９は本発明の第３の実施例のマーキング
装置の全体構成を示す図である。本実施例においては、
前記図１に示したものにおいて、シャッタ１９ａ，シャ
ッタ駆動機構１９ｂに換え、ＥＯシャッター（electric
al-optical shutter) ２５を設けたものであり、その他
の構成は前記図１に示したものと同様である。ＥＯシャ
ッター２５は電気光学効果を用いてレーザ光を開閉する
ものであり、前記図１に示した機械的なシャッターに比
べ、高速な開閉を行うことができる。なお、上記電気光
学的効果を用いたＥＯシャッターに換え、音響光学的効
果を用いたＡＯシャッターを用いてもよい。

【００４５】本実施例は上記のような高速なＥＯシャッ
ター２５を用い、マーキング期間中もレーザを常にオン
にし、ワークＷへのレーザ光の照射制御は上記ＥＯシャ
ッター２５を開閉して行うようにしたものであり、結晶
駆動機構２４としては、前記図２に示したＤＣモータを
使用した結晶駆動機構、あるいは、前記図６に示したピ
エゾ素子を使用した結晶駆動機構を用いることができ、
また、制御回路としては、前記図３もしくは図７に示し
たものを用いることができる。

【００４６】図１０は本実施例の動作シーケンスを示す
図であり、本実施例においては、上記したように、レー
ザ動作中、ワークＷがマーキング領域にあるときも常に
結晶角度制御を行う。すなわち、同図に示すように、マ
ーキング待機期間中は、レーザを動作させたままＥＯシ
ャッター２４を閉じ、マーキング期間中は、描画する文
字／図形パターンに応じてＥＯシャッタ２５を開閉制御
する。そして、マーキング待機期間中およびマーキング
期間中、前記したように検出器２２により４倍波結晶１
８ｂの出力を検出し、それが最大値になるように結晶角
度制御を行う。本実施例においては、上記のように常に
レーザ光がオンなので、マーキング待機中およびマーキ
ング期間中の両期間において結晶角度制御を行うことが
でき、マーキング期間中、結晶の温度が上昇しても位相
不整合を生ずることなく変換効率を最大値に保つことが
できる。

【００４７】図１１は本発明における制御回路の他の実
施例を示す図であり、本実施例はアナログ回路を用いて
結晶角度制御を行う場合を示しており、本実施例の制御
回路は、前記した第１、第３の実施例のマーキング装置
に適用することができる。同図において、２２は検出器
であり、検出器２２は同図Ａに示すように、変換光出力
のピーク値の左右で位相が反対の出力を発生する。これ
は次の理由による。すなわち、後述するように本実施例
においては、発振器５２が設けられており、発振器５２
の出力により結晶角度は微小に変動している。そして、
結晶角度が同図Ａにおいてピーク値の左側にあるとき
は、結晶角度が増大するとき変換光出力も増大し、結晶
角度が減少するときには変換光出力も減少するので、上
記検出器２２の出力は上記発振器５２が出力する振動波
形と同位相となる。一方、結晶角度が同図Ａにおいてピ
ーク値の右側にあるときは、結晶角度が増大するとき変
換光出力は減少し、結晶角度が減少するときには変換光
出力は増大するので、上記検出器２２の出力は上記発振
器５２が出力する振動波形の逆位相となる。

【００４８】上記検出器２２の出力は、トランスＴ１を
介してトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４で構成される回路に
入力される。トランジスタＴＲ１，ＴＲ２のベースに
は、図１１Ｂに示すように、同図Ａにおいてピークの左
側で表れる信号と同位相の駆動信号が与えられ、トラン
ジスタＴＲ３，ＴＲ４のベースには、同図Ｂに示すよう
に、同図Ａにおいてピーク値の右側で表れる信号と同位
相の駆動信号が与えられる。このため、抵抗Ｒ１の両端
には、同図Ｃに示すように上記ピーク値の左右で符号の
異なる電圧が表れる。この電圧はコンデンサＣ１で平滑
化され、増幅器５１に入力される。増幅器５１には前記
したように発振器５２が出力する振動波形が入力されて
おり、増幅器５１の出力は上記コンデンサＣ１の両端電
圧と上記振動波形を重畳した波形となる。

【００４９】増幅器５１の出力は、例えばＤＣモータ３
５に与えられ、前記図２に示した結晶駆動機構２４によ
り４倍波結晶１８ｂを駆動しその角度を変化させる。こ
こで、上記したように、増幅器５１の出力には発振器５
２が出力する振動波形が重畳しているので、４倍波結晶
１８ｂは上記した振動波形により微小振動しており、こ
れにより前記したように、検出器２２はピーク値の左右
で位相が逆の信号を出力する。

【００５０】本実施例の制御回路は上記のように構成さ
れているので、結晶角度が図１１Ａにおいてピーク値の
左側にあるときには、増幅器５１から結晶角度を増大さ
せる方向の出力を発生させ、また、結晶角度が図１１Ａ
においてピーク値の右側にあるときには、結晶角度を減
少させる方向の出力を発生させることができ、結晶角度
をその出力が最大となるピーク値近傍に制御することが
できる。また、本実施例の制御回路はアナログ回路から
構成されているので、前記したデジタル方式の制御回路
に比して比較的安価に構成することができ、外部からの
ノイズ等により誤動作することもない。

【００５１】なお、上記実施例では、４倍波結晶の角度
を調整する手段として、ＤＣモータ、ピエゾ素子を用い
る場合について説明したが、上記角度調整手段として、
パルスモータを使用し、パルスモータによりネジを駆動
して角度調整を行ったり、前記図１４に示したガルバノ
方式で角度調整を行うこともできる。また、上記実施例
では、４倍波結晶の角度を常温下で制御する場合につい
て説明したが、４倍波結晶等の非線形光学結晶を恒温槽
等に入れて周囲温度より高い温度に保持してもよい。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、以下の効果を得ることができる。 （１）非線形光学結晶の出力光が最大となるように、非
線形光学結晶の角度を制御しているので、結晶の温度が
上昇しても高調波への変換効率が低下することがなく、
常に最大の変換効率を得ることができる。 （２）紫外線レーザ装置に、非線形光学結晶の入射レー
ザ光の光軸に対する角度を調整する結晶角度調整機構
と、上記非線形光学結晶からの紫外線レーザ光出力を検
出する検出器と、上記結晶角度調整機構を駆動して上記
紫外線レーザ光出力が最大となるように上記非線形光学
結晶の角度を調整する制御部とを設けたので、結晶温度
に影響されることなく、安定した高出力の紫外線レーザ
光を放出することができる。また、紫外線レーザ装置の
保守性を向上させ、ランニングコストの低廉化を図るこ
とができる。

【００５３】（３）マーキング装置の光源として、非線
形光学結晶の入射レーザ光の光軸に対する角度を調整す
る結晶角度調整機構と、上記非線形光学結晶からの紫外
線レーザ光出力を検出する検出器と、上記結晶角度調整
機構を駆動して上記紫外線レーザ光出力が最大となるよ
うに上記非線形光学結晶の角度を調整する制御部とを備
えた紫外線レーザ装置を用いたので、高出力でかつ安定
した紫外線レーザ光を被照射体に照射してマーキングを
行うことができ、マーキングむら等の発生を回避するこ
とができる。また、マーキング装置の保守性を向上さ
せ、ランニングコストの低廉化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例のマーキング装置の全体
構成を示す図である。

【図２】第１の実施例の結晶駆動機構の構成の一例を示
す図である。

【図３】第１の実施例の制御回路２３の構成の一例を示
す図である。

【図４】第１の実施例の制御回路２３の動作を説明する
図である。

【図５】第１の実施例の動作シーケンスを説明する図で
ある。

【図６】本発明の第２の実施例の結晶駆動機構の構成を
示す図である。

【図７】本発明の第２の実施例の制御回路の構成を示す
図である。

【図８】本発明の第２の実施例の動作シーケンスを説明
する図である。

【図９】本発明の第３の実施例のマーキング装置の全体
構成を示す図である。

【図１０】本発明の第２の実施例の動作シーケンスを説
明する図である。

【図１１】本発明における制御回路の他の実施例を示す
図である。

【図１２】マーキング装置の概略構成を示す図である。

【図１３】ガルバノメータスキャナ２のミラーの配置を
示す図である。

【図１４】ガルバノメータスキャナの構成の一例を示す
図である。

【図１５】マーキング装置のシステム構成を示すブロッ
ク図である。

【図１６】非線形光学結晶による高調波発生技術を用い
たマーキング装置の構成を示す図である。

【図１７】非線形光学結晶内で生ずる位相のずれの様子
を示す図である。

【図１８】４倍波結晶ＣＬＢＯ出力と温度、追跡角度の
測定結果を示す図である。

【符号の説明】

２ａ，２ｂ スキャンミラー １１ 励起ランプ １２ ＹＡＧロッド １３ａ，１３ｂ 共振器ミラー １４ Ｑ−ＳＷ １５，１６ 折り返しミラー １７ａ〜１７ｄ レンズ １７ｅ 集光レンズ １８ａ ２倍波結晶 １８ｂ ４倍波結晶 １９ａ シャッタ １９ｂ シャッタ駆動機構 ２１ 半透鏡 ２２ 検出器 ２３ 制御回路 ２４ 結晶駆動機構 ３１ 可動部材 ３２ 固定部材 ３３ ネジ ３６ 板バネ ３４ ベローズカップリング ３５ ＤＣモータ ４１ ピークホールド回路 ４２ Ａ／Ｄ変換器 ４３ メモリ ４４ 演算装置 ４５ Ｄ／Ａ変換器 ４６ 増幅器 ４７ 高電圧発生部 ５１ 増幅器 ５２ 発振器 Ｗ ワーク Ｒ１ 抵抗 Ｃ１ コンデンサ ＴＲ１〜ＴＲ４ トランジスタ Ｔ１ トランス

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非線形光学結晶にレーザ光を入射させ、
   該レーザ光の高調波光を得るに際し、 上記非線形光学結晶が出力する高調波光を検出し、該高
   調波光が最大となるように、上記入射レーザ光の光軸に
   対する上記非線形光学結晶の角度を制御することを特徴
   とする高調波出力安定化方法。
2. 【請求項２】 非線形光学結晶にレーザ光を入射させ、
   該レーザ光の高調波光を得るに際し、 上記非線形光学結晶の入射レーザ光の光軸に対する角度
   を微小変化させ、その微小変化前後の上記非線形光学結
   晶から得られる高調波光を検出し、 上記微小変化前の上記高調波光と、微小変化後の上記高
   調波光を比較し、 微小変化前の高調波光に対して微小変化後の高調波光が
   大きい場合には、上記微小変化させた方向と同じ方向に
   上記非線形光学結晶の角度を微小変化させ、 また、微小変化前の高調波光に対して微小変化後の高調
   波光が小さい場合には、上記微小変化させた方向と反対
   方向に上記非線形光学結晶の角度を微小変化させる操作
   を繰り返し、 上記非線形光学結晶から得られる高調波光が最大となる
   ように非線形光学結晶の角度を制御することを特徴とす
   る高調波出力安定化方法。
3. 【請求項３】 非線形光学結晶にレーザ光を入射させ、
   該レーザ光の高調波光を得るに際し、 上記非線形光学結晶の入射レーザ光の光軸に対する角度
   を微小振動させながら、上記非線形光学結晶から得られ
   る高調波光を検出し、 検出された上記高調波光の位相を判別し、該位相が上記
   微小振動の位相と同位相のとき、上記非線形光学結晶の
   角度を第１の方向に変化させ、 上記位相が上記微小振動の位相と逆位相のとき、上記非
   線形光学結晶の角度を上記第１の方向と反対方向に変化
   させることにより、上記非線形光学結晶から得られる高
   調波光が最大となるように非線形光学結晶の角度を制御
   することを特徴とする高調波出力安定化方法。
4. 【請求項４】 レーザ光を放出するレーザ光源と、 上記レーザ光が入射し、このレーザ光の第２高調波を含
   むレーザ光を放出する第１の非線形光学結晶と、 上記第２高調波を含むレーザ光が入射し、この第２高調
   波光の第２高調波光であって、波長が紫外域にある光を
   含むレーザ光を放出する第２の非線形光学結晶を備えた
   紫外線レーザ装置であって、 上記紫外線レーザ装置は、上記第２の非線形光学結晶の
   入射レーザ光の光軸に対する角度を調整する結晶角度調
   整機構と、 上記第２の非線形光学結晶からの紫外線レーザ光出力を
   検出する検出器と、 上記結晶角度調整機構を駆動して、上記紫外線レーザ光
   出力が最大となるように、上記第２の非線形光学結晶の
   角度を調整する制御部とを備えていることを特徴とする
   紫外線レーザ装置。
5. 【請求項５】 上記請求項４記載の紫外線レーザ装置を
   光源とし、 上記紫外線レーザ装置から放出される紫外線レーザ光を
   走査するビーム走査手段と、 マーキングするパターンに応じて、上記ビーム走査手段
   による紫外線レーザ光の走査を制御する制御手段と、 上記紫外線レーザ光の放出を制御するレーザ光制御手段
   とを備え、 上記ビーム走査手段により走査される紫外線レーザ光を
   被照射物に照射してマーキングを行うことを特徴とする
   マーキング装置。