專利名稱：用超短激光脈沖在印版上制作圖象的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在印版上制作圖象的裝置，具有至少一個(gè)激光器和一個(gè)用于將激光射線在印版上成象的光學(xué)系統(tǒng)。
很久以來就公知，可以通過用強(qiáng)的激光射線照射其表面來在印版上制作圖象，該印版可以是平的或彎曲的面。通過光—物質(zhì)相互作用發(fā)生表面特性的物理或化學(xué)變化。在表面特性由于激光照射的熱效應(yīng)而發(fā)生變化的情況下，為了產(chǎn)生像點(diǎn)需要一定的門限能量密度。此外，該門限能量密度取決于印版的材料參數(shù)和照射持續(xù)時(shí)間。如果該能量密度小于門限能量密度，在經(jīng)過很長時(shí)間的照射后也不會(huì)產(chǎn)生像點(diǎn)。門限能量密度典型地隨著激光照射持續(xù)時(shí)間的縮短而下降。
為了在印版上制作圖象，在許多實(shí)際應(yīng)用中使用射線，它是在激光器的連續(xù)工作或者說持續(xù)振蕩運(yùn)行(Dauerstrichbetrieb)中產(chǎn)生的。激光照射的持續(xù)時(shí)間典型地這樣確定，即通過接通和切斷激光器振蕩或中斷射線，從而使曝光典型地在微秒范圍內(nèi)或更大的范圍內(nèi)進(jìn)行。用發(fā)射脈沖的激光器可以達(dá)到較短的曝光持續(xù)時(shí)間。對(duì)于一系列的應(yīng)用，建議使用在脈沖狀態(tài)下的Q調(diào)制的激光器。這通常涉及氣體激光器系統(tǒng)或固體激光器系統(tǒng)。
在US 5 874 981中公開了可以如何通過調(diào)節(jié)所使用光源的輸入能量實(shí)現(xiàn)對(duì)所產(chǎn)生的激光射線的波幅和時(shí)間調(diào)制，從而在一個(gè)面上產(chǎn)生圖象。其中，為了使時(shí)間間隔短，使用持續(xù)振蕩運(yùn)行的激光器。
在DE 195 44 502 C1中描述了一種激光雕刻裝置。通過一個(gè)被調(diào)制的激光射線在工件表面產(chǎn)生預(yù)定圖形。其中所述圖形的細(xì)微結(jié)構(gòu)由一個(gè)第一激光器的射線形成，它被一個(gè)聲光調(diào)制器以兆赫范圍內(nèi)的相當(dāng)高的調(diào)制頻率調(diào)幅，而預(yù)定圖形的深處區(qū)域由一個(gè)第二激光器的射線形成。調(diào)制器和第二激光射線源被相互關(guān)聯(lián)但彼此分開的控制信號(hào)控制。為了使時(shí)間間隔短，使用持續(xù)振蕩運(yùn)行的激光器。
在US 5208819中描述了一種用于在表面上繪制出數(shù)字圖案的激光系統(tǒng)。一個(gè)光調(diào)制器被一個(gè)激發(fā)物激光器的脈沖激光射線曝光，從而可在表面上投影一個(gè)圖案。該光調(diào)制器由可變形鏡子的一個(gè)列陣組成，這些鏡子可在有效狀態(tài)和無效狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。在US 5940115中使用了一種激光系統(tǒng)，它發(fā)射微秒范圍內(nèi)的脈沖。這里典型地涉及氣體激光器，特別是CO2激光器。利用激光脈沖在光敏材料上寫下點(diǎn)。通過一個(gè)縮小的光學(xué)系統(tǒng)在表面上這樣成象，即，只有被有效鏡子反射的光才落在該表面上。
在US 3657510中介紹了一種Q調(diào)制的激光器，用于改變表面。這里涉及一種被光泵浦的激光器，特別是一種固體激光器。通過Q調(diào)制產(chǎn)生的激光脈沖用于在一個(gè)表面上給出一個(gè)掩模的圖象，該掩模位于激光諧振器之內(nèi)。通過用激射光照射，表面發(fā)生變化，例如蒸發(fā)、發(fā)熱、化學(xué)反應(yīng)或氧化。
為了在印版上制作圖象，在持續(xù)振蕩運(yùn)行中典型地要求門限能量密度為0.5J/cm2。這樣，在點(diǎn)的大小約為10微米時(shí)，產(chǎn)生0.5至3μJ(微焦)的門限能量。因此，為了利用一個(gè)二極管激光器制作圖象，每個(gè)單束射線的輸出功率必須在100到500mW(毫瓦)之間。由于高要求的光功率，必須要求相應(yīng)的電功率。它典型地達(dá)到每個(gè)單束射線3W(瓦特)。由此還必須有相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)。所需的空冷或水冷系統(tǒng)使得以緊湊的形式集成制作圖象裝置變得困難。
氣體激光器或固體激光器系統(tǒng)不很適合實(shí)際應(yīng)用于在印版上制作圖象的裝置中，特別是印刷裝置或印刷機(jī)中。這種系統(tǒng)要求一個(gè)昂貴的泵裝置用于產(chǎn)生激光振蕩，其典型地具有大的結(jié)構(gòu)空間尺寸并且格價(jià)昂貴。在用Q調(diào)制的激光系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖時(shí)，可達(dá)到的最小脈沖持續(xù)時(shí)間受物理極限限制，最小脈沖持續(xù)時(shí)間典型地在幾個(gè)10-8秒。
因此，從以上描述的情況出發(fā)，本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種利用激光器發(fā)射的射線在印版上制作圖象的改進(jìn)裝置，借助該裝置達(dá)到較低的門限能量密度。
根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)通過具有權(quán)利要求1所述特征的裝置解決。
對(duì)于超短脈沖，熱印版的門限能量密度與激光射線的脈沖時(shí)間寬度之間的非線性關(guān)系是明顯的。在脈沖寬度為10ps(皮秒)時(shí)，獲得例如0.02J/cm2的門限能量密度。該門限能量密度比激光器在持續(xù)振蕩運(yùn)行中的門限能量密度小一個(gè)因子25。為了產(chǎn)生具有幾個(gè)納秒至皮秒時(shí)間寬度的激射光脈沖，在文獻(xiàn)中特別公開了波型耦合(Modenkopplung)方法。例如見P.W.Milonni和J.H.Eberly的“激光器”，Wiley，紐約，NY，1998年。這種方法也可用于二極管激光器以產(chǎn)生短的光脈沖。例如見P.Vasil’ev的“超快二極管激光器”，Artechhouse Inc.，1995年。
由于使用發(fā)射1ns(納秒)以下的持續(xù)時(shí)間的超短脈沖的激光器，在權(quán)利要求1所述的裝置中，為了制作圖象，每個(gè)單束射線比持續(xù)振蕩運(yùn)行需要更小的平均功率。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施形式中，其涉及一種半導(dǎo)體激光器。為了泵浦一個(gè)脈沖激光器，需要使用一個(gè)更小的電功率。因此只需更少的冷卻，從而可以更簡單地構(gòu)成相應(yīng)裝置。這樣就可以更簡單地以集成形式實(shí)現(xiàn)緊湊的制作圖象裝置。此外，較小的熱負(fù)荷提高了激光器的使用壽命。
本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)和有利的實(shí)施形式借助下面的附圖及其說明給出。
具體地示出

圖1通過發(fā)射超短脈沖的脈沖激光器在印版上制作圖象的示意圖。
圖2通過被脈沖地運(yùn)行的二極管激光器的列陣在印版上制作圖象的示意圖。
圖1中示出在印版上制作圖象，該印版位于一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒上。光源10產(chǎn)生脈沖的激光射線12，它借助一個(gè)成象光學(xué)系統(tǒng)14在印版18上在一個(gè)像點(diǎn)16上成象，該印版18位于一個(gè)滾筒110上。滾筒110可圍繞其對(duì)稱軸線旋轉(zhuǎn)。該轉(zhuǎn)動(dòng)通過雙箭頭B標(biāo)出。光源10可平行于滾筒46的對(duì)稱軸線在直線路徑上運(yùn)動(dòng)，這通過雙箭頭A表示出。為了連續(xù)制作圖象，滾筒110與印版18一起按照旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)B轉(zhuǎn)動(dòng)，光源10沿滾筒縱向按照平移運(yùn)動(dòng)A運(yùn)動(dòng)。這就產(chǎn)生一個(gè)圖象，其在螺旋形路徑上圍繞滾筒110的對(duì)稱軸線行進(jìn)。像點(diǎn)16的路徑通過線112給出。發(fā)射脈沖激光射線12的光源10借助用于供電和控制的線路114與控制單元116連接。該控制單元具有一個(gè)直流電源120和一個(gè)交流電源122以及一個(gè)電耦合器118，在該電耦合器中，光源10的供電電壓的直流分量和交流分量結(jié)合。在另一個(gè)實(shí)施例中，像點(diǎn)16也可以彎曲形地在印版18上運(yùn)動(dòng)，其中，首先沿一條平行于滾筒110的對(duì)稱軸線的線進(jìn)行完全的制作圖象，接著圍繞滾筒110的對(duì)稱軸線進(jìn)行步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)。
清楚的是，只在像點(diǎn)16和印版18之間進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)。該相對(duì)運(yùn)動(dòng)也可通過印刷滾筒110的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于平移A和旋轉(zhuǎn)B這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，其運(yùn)動(dòng)可以連續(xù)地或步進(jìn)式地進(jìn)行。
此外，在一個(gè)可替換的實(shí)施例中，具有光源10、成象光學(xué)系統(tǒng)14和類似件、用于在印版上制作圖象的該裝置，也可以安置在印刷滾筒110之內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省空間的結(jié)構(gòu)布局。
光脈沖12的重復(fù)速率至少和用于控制各個(gè)印刷點(diǎn)的節(jié)拍頻率一樣大，從而至少一個(gè)激光脈沖供一個(gè)印刷點(diǎn)使用。成象光學(xué)系統(tǒng)14可以具有反射的、發(fā)射的、折射的或類似的光學(xué)部件。這里優(yōu)選涉及微型光學(xué)(mikrooptisch)部件。成象光學(xué)系統(tǒng)14既可以具有放大的、也可以具有縮小的成象比例，或者還可以在相對(duì)于光源10的有效區(qū)域平行和垂直的兩個(gè)方向上具有不同的成象比例。通過激光照射，印版18的表面在其物理或化學(xué)特性方面發(fā)生變化。有些情況下還需要進(jìn)一步的加工步驟，直至表面可用于其最終要求。印版18還可被重新寫或清除。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施形式中，控制單元116可以調(diào)制直流電，從而可以改變產(chǎn)生的光強(qiáng)度。
在圖2中示出一個(gè)在印版上制作圖象的裝置，它具有n個(gè)激光射線24，這些激光射線由一個(gè)二極管激光器列陣產(chǎn)生。光源20由一個(gè)由n個(gè)二極管激光器組成的單個(gè)可控制列陣組成，這些二極管激光器發(fā)射持續(xù)時(shí)間在1ns以下的超短脈沖長度的n個(gè)激光射線24。一個(gè)這樣的光源典型地具有多至100個(gè)的條紋二極管激光器(Einstreifendiodenlaser)，優(yōu)選在10到60之間。條紋二極管激光器具有發(fā)射極表面22，其大小典型地為1×5μm2，并且其發(fā)出具有良好射線質(zhì)量的激光射線。借助一個(gè)成象光學(xué)系統(tǒng)26，持續(xù)時(shí)間在1ns以下的超短脈沖長度的n個(gè)激光射線24被成象在印版28上的n個(gè)像點(diǎn)210上。印版28有利地位于成象光學(xué)系統(tǒng)26的焦距上。特別有利的是，通過成象光學(xué)系統(tǒng)26，激光射線既在其直徑比(垂直和平行于有效區(qū)域22)方面變化，也修正激光射線24的相互間距。通常各個(gè)發(fā)射極之間的距離是恒定的，但為了有利地制作圖象，需要的只是使n個(gè)像點(diǎn)210的間距恒定，因?yàn)樗怯沙上蠊鈱W(xué)系統(tǒng)26確定的。
在優(yōu)選實(shí)施形式中，光源20位于一個(gè)冷卻元件212上。光源20借助一個(gè)用于供電和控制的線路214與控制單元216連接?？刂茊卧?16優(yōu)選具有一個(gè)直流電源220、一個(gè)交流電源222和一個(gè)電耦合器218，在該電耦合器中供電電流的直流分量和交流分量結(jié)合。光源20借助一個(gè)用于控制冷卻元件的線路224與溫度調(diào)節(jié)裝226有利地連接。為了實(shí)現(xiàn)射線的強(qiáng)度調(diào)節(jié)，可以調(diào)制直流電分量。
這種本發(fā)明裝置可以用于印刷裝置或印刷機(jī)之內(nèi)或用于其之外。
參考標(biāo)號(hào)10光源 12激光射線14成象光學(xué)系統(tǒng) 16像點(diǎn)18印版 110滾筒112像點(diǎn)路徑 114用于供電和控制的線路116控制單元 118電耦合器120直流電源 122交流電源20光源二極管列陣 22有效面積24脈沖激光射線 26成象光學(xué)系統(tǒng)28印版 210像點(diǎn)212冷卻元件 214用于供電和控制的線路216控制單元 218電耦合器220直流電源 222交流電源224用于控制冷卻元件的線路226溫度調(diào)節(jié)裝置A平移運(yùn)動(dòng)B旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
權(quán)利要求
1.用于在印版上制作圖象的裝置，具有至少一個(gè)激光器(10)并具有一個(gè)用于將激光射線在印版上成象的光學(xué)裝置(14)，其特征在于，激光射線具有1ns以下的持續(xù)時(shí)間的超短脈沖(12)。
2.如權(quán)利要求1所述用于在印版上制作圖象的裝置，其特征在于，激光射線(12)由一個(gè)半導(dǎo)體激光器(10)產(chǎn)生。
3.如權(quán)利要求1或2所述用于在印版上制作圖象的裝置，其特征在于，激光器(10)在多模式運(yùn)行狀態(tài)下使用并且是波型耦合的。
4.如權(quán)利要求1至3之一所述用于在印版上制作圖象的裝置，其特征在于，激光器(10)的供電電流具有直流分量和交流分量。
5.如權(quán)利要求1至4之一所述用于在印版上制作圖象的裝置，其特征在于，激光射線(12)由一個(gè)單個(gè)的二極管激光器(10)產(chǎn)生。
6.如權(quán)利要求1至5之一所述用于在印版上制作圖象的裝置，其特征在于，激光射線(12)由一個(gè)二極管激光器列陣(10)產(chǎn)生。
7.如權(quán)利要求6所述用于在印版上制作圖象的裝置，其特征在于，二極管激光器列陣(10)由單個(gè)的可控制的條紋二極管激光器組成。
8.如權(quán)利要求1至7之一所述用于在印版上制作圖象的裝置，其特征在于，該裝置具有一個(gè)用于激光器(10)之溫度調(diào)節(jié)裝置(226)的控制裝置。
9.如權(quán)利要求1至8之一所述用于在印版上制作圖象的裝置，其特征在于，為了將射線在印版上成象，光學(xué)系統(tǒng)(14)具有反射元件。
10.如權(quán)利要求1至9之一所述用于在印版上制作圖象的裝置，其特征在于，光學(xué)系統(tǒng)(14)具有微型光學(xué)元件。
11.如權(quán)利要求4至10之一所述用于在印版上制作圖象的裝置，其特征在于，直流電分量是可調(diào)制的。
12.印刷裝置，其特征在于，該印刷裝置至少具有一個(gè)如前述權(quán)利要求之一所述的裝置。
13.印刷機(jī)，其特征在于，該印刷機(jī)至少具有一個(gè)如 12所述的印刷裝置。
全文摘要
提出了一種利用二極管激光器在印版上成象的改進(jìn)裝置。激光射線由1ns以下的持續(xù)時(shí)間的超短光脈沖組成,它特別是通過激光器的波型耦合產(chǎn)生。為了用脈沖的二極管激光器成象,與在持續(xù)振蕩運(yùn)行中使用的可比較系統(tǒng)相比,需要更小的平均輸出功率。
文檔編號(hào)B41C1/00GK1332055SQ0111578
公開日2002年1月23日 申請(qǐng)日期2001年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月7日
發(fā)明者伯納德·拜爾 申請(qǐng)人:海德堡印刷機(jī)械股份公司