用超短雷射脈衝在印版上製作圖象的製作方法

2023-05-16 06:29:11

專利名稱：用超短雷射脈衝在印版上製作圖象的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在印版上製作圖象的裝置，具有至少一個雷射器和一個用於將雷射射線在印版上成象的光學系統。
很久以來就公知，可以通過用強的雷射射線照射其表面來在印版上製作圖象，該印版可以是平的或彎曲的面。通過光—物質相互作用發生表面特性的物理或化學變化。在表面特性由於雷射照射的熱效應而發生變化的情況下，為了產生像點需要一定的門限能量密度。此外，該門限能量密度取決於印版的材料參數和照射持續時間。如果該能量密度小於門限能量密度，在經過很長時間的照射後也不會產生像點。門限能量密度典型地隨著雷射照射持續時間的縮短而下降。
為了在印版上製作圖象，在許多實際應用中使用射線，它是在雷射器的連續工作或者說持續振蕩運行(Dauerstrichbetrieb)中產生的。雷射照射的持續時間典型地這樣確定，即通過接通和切斷雷射器振蕩或中斷射線，從而使曝光典型地在微秒範圍內或更大的範圍內進行。用發射脈衝的雷射器可以達到較短的曝光持續時間。對於一系列的應用，建議使用在脈衝狀態下的Q調製的雷射器。這通常涉及氣體雷射器系統或固體雷射器系統。
在US 5 874 981中公開了可以如何通過調節所使用光源的輸入能量實現對所產生的雷射射線的波幅和時間調製，從而在一個面上產生圖象。其中，為了使時間間隔短，使用持續振蕩運行的雷射器。
在DE 195 44 502 C1中描述了一種雷射雕刻裝置。通過一個被調製的雷射射線在工件表面產生預定圖形。其中所述圖形的細微結構由一個第一雷射器的射線形成，它被一個聲光調製器以兆赫範圍內的相當高的調製頻率調幅，而預定圖形的深處區域由一個第二雷射器的射線形成。調製器和第二雷射射線源被相互關聯但彼此分開的控制信號控制。為了使時間間隔短，使用持續振蕩運行的雷射器。
在US 5208819中描述了一種用於在表面上繪製出數字圖案的雷射系統。一個光調製器被一個激發物雷射器的脈衝雷射射線曝光，從而可在表面上投影一個圖案。該光調製器由可變形鏡子的一個列陣組成，這些鏡子可在有效狀態和無效狀態之間轉換。在US 5940115中使用了一種雷射系統，它發射微秒範圍內的脈衝。這裡典型地涉及氣體雷射器，特別是CO2雷射器。利用雷射脈衝在光敏材料上寫下點。通過一個縮小的光學系統在表面上這樣成象，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調製的雷射器，用於改變表面。這裡涉及一種被光泵浦的雷射器，特別是一種固體雷射器。通過Q調製產生的雷射脈衝用於在一個表面上給出一個掩模的圖象，該掩模位於雷射諧振器之內。通過用激射光照射，表面發生變化，例如蒸發、發熱、化學反應或氧化。
為了在印版上製作圖象，在持續振蕩運行中典型地要求門限能量密度為0.5J/cm2。這樣，在點的大小約為10微米時，產生0.5至3μJ(微焦)的門限能量。因此，為了利用一個二極體雷射器製作圖象，每個單束射線的輸出功率必須在100到500mW(毫瓦)之間。由於高要求的光功率，必須要求相應的電功率。它典型地達到每個單束射線3W(瓦特)。由此還必須有相應的冷卻系統。所需的空冷或水冷系統使得以緊湊的形式集成製作圖象裝置變得困難。
氣體雷射器或固體雷射器系統不很適合實際應用於在印版上製作圖象的裝置中，特別是印刷裝置或印刷機中。這種系統要求一個昂貴的泵裝置用於產生雷射振蕩，其典型地具有大的結構空間尺寸並且格價昂貴。在用Q調製的雷射系統產生脈衝時，可達到的最小脈衝持續時間受物理極限限制，最小脈衝持續時間典型地在幾個10-8秒。
因此，從以上描述的情況出發，本發明的任務是，提供一種利用雷射器發射的射線在印版上製作圖象的改進裝置，藉助該裝置達到較低的門限能量密度。
根據本發明，該任務通過具有權利要求1所述特徵的裝置解決。
對於超短脈衝，熱印版的門限能量密度與雷射射線的脈衝時間寬度之間的非線性關係是明顯的。在脈衝寬度為10ps(皮秒)時，獲得例如0.02J/cm2的門限能量密度。該門限能量密度比雷射器在持續振蕩運行中的門限能量密度小一個因子25。為了產生具有幾個納秒至皮秒時間寬度的激射光脈衝，在文獻中特別公開了波型耦合(Modenkopplung)方法。例如見P.W.Milonni和J.H.Eberly的「雷射器」，Wiley，紐約，NY，1998年。這種方法也可用於二極體雷射器以產生短的光脈衝。例如見P.Vasil』ev的「超快二極體雷射器」，Artechhouse Inc.，1995年。
由於使用發射1ns(納秒)以下的持續時間的超短脈衝的雷射器，在權利要求1所述的裝置中，為了製作圖象，每個單束射線比持續振蕩運行需要更小的平均功率。在一個優選的實施形式中，其涉及一種半導體雷射器。為了泵浦一個脈衝雷射器，需要使用一個更小的電功率。因此只需更少的冷卻，從而可以更簡單地構成相應裝置。這樣就可以更簡單地以集成形式實現緊湊的製作圖象裝置。此外，較小的熱負荷提高了雷射器的使用壽命。
本發明進一步的優點和有利的實施形式藉助下面的附圖及其說明給出。
具體地示出

圖1通過發射超短脈衝的脈衝雷射器在印版上製作圖象的示意圖。
圖2通過被脈衝地運行的二極體雷射器的列陣在印版上製作圖象的示意圖。
圖1中示出在印版上製作圖象，該印版位於一個可轉動的滾筒上。光源10產生脈衝的雷射射線12，它藉助一個成象光學系統14在印版18上在一個像點16上成象，該印版18位於一個滾筒110上。滾筒110可圍繞其對稱軸線旋轉。該轉動通過雙箭頭B標出。光源10可平行於滾筒46的對稱軸線在直線路徑上運動，這通過雙箭頭A表示出。為了連續製作圖象，滾筒110與印版18一起按照旋轉運動B轉動，光源10沿滾筒縱向按照平移運動A運動。這就產生一個圖象，其在螺旋形路徑上圍繞滾筒110的對稱軸線行進。像點16的路徑通過線112給出。發射脈衝雷射射線12的光源10藉助用於供電和控制的線路114與控制單元116連接。該控制單元具有一個直流電源120和一個交流電源122以及一個電耦合器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合。在另一個實施例中，像點16也可以彎曲形地在印版18上運動，其中，首先沿一條平行於滾筒110的對稱軸線的線進行完全的製作圖象，接著圍繞滾筒110的對稱軸線進行步進式旋轉。
清楚的是，只在像點16和印版18之間進行相對運動。該相對運動也可通過印刷滾筒110的運動實現。對於平移A和旋轉B這兩個運動方向，其運動可以連續地或步進式地進行。
此外，在一個可替換的實施例中，具有光源10、成象光學系統14和類似件、用於在印版上製作圖象的該裝置，也可以安置在印刷滾筒110之內，從而實現節省空間的結構布局。
光脈衝12的重複速率至少和用於控制各個印刷點的節拍頻率一樣大，從而至少一個雷射脈衝供一個印刷點使用。成象光學系統14可以具有反射的、發射的、折射的或類似的光學部件。這裡優選涉及微型光學(mikrooptisch)部件。成象光學系統14既可以具有放大的、也可以具有縮小的成象比例，或者還可以在相對於光源10的有效區域平行和垂直的兩個方向上具有不同的成象比例。通過雷射照射，印版18的表面在其物理或化學特性方面發生變化。有些情況下還需要進一步的加工步驟，直至表面可用於其最終要求。印版18還可被重新寫或清除。
在一個優選實施形式中，控制單元116可以調製直流電，從而可以改變產生的光強度。
在圖2中示出一個在印版上製作圖象的裝置，它具有n個雷射射線24，這些雷射射線由一個二極體雷射器列陣產生。光源20由一個由n個二極體雷射器組成的單個可控制列陣組成，這些二極體雷射器發射持續時間在1ns以下的超短脈衝長度的n個雷射射線24。一個這樣的光源典型地具有多至100個的條紋二極體雷射器(Einstreifendiodenlaser)，優選在10到60之間。條紋二極體雷射器具有發射極表面22，其大小典型地為1×5μm2，並且其發出具有良好射線質量的雷射射線。藉助一個成象光學系統26，持續時間在1ns以下的超短脈衝長度的n個雷射射線24被成象在印版28上的n個像點210上。印版28有利地位於成象光學系統26的焦距上。特別有利的是，通過成象光學系統26，雷射射線既在其直徑比(垂直和平行於有效區域22)方面變化，也修正雷射射線24的相互間距。通常各個發射極之間的距離是恆定的，但為了有利地製作圖象，需要的只是使n個像點210的間距恆定，因為它是由成象光學系統26確定的。
在優選實施形式中，光源20位於一個冷卻元件212上。光源20藉助一個用於供電和控制的線路214與控制單元216連接。控制單元216優選具有一個直流電源220、一個交流電源222和一個電耦合器218，在該電耦合器中供電電流的直流分量和交流分量結合。光源20藉助一個用於控制冷卻元件的線路224與溫度調節裝226有利地連接。為了實現射線的強度調節，可以調製直流電分量。
這種本發明裝置可以用於印刷裝置或印刷機之內或用於其之外。
參考標號10光源 12雷射射線14成象光學系統 16像點18印版 110滾筒112像點路徑 114用於供電和控制的線路116控制單元 118電耦合器120直流電源 122交流電源20光源二極體列陣 22有效面積24脈衝雷射射線 26成象光學系統28印版 210像點212冷卻元件 214用於供電和控制的線路216控制單元 218電耦合器220直流電源 222交流電源224用於控制冷卻元件的線路226溫度調節裝置A平移運動B旋轉運動
權利要求
1.用於在印版上製作圖象的裝置，具有至少一個雷射器(10)並具有一個用於將雷射射線在印版上成象的光學裝置(14)，其特徵在於，雷射射線具有1ns以下的持續時間的超短脈衝(12)。
2.如權利要求1所述用於在印版上製作圖象的裝置，其特徵在於，雷射射線(12)由一個半導體雷射器(10)產生。
3.如權利要求1或2所述用於在印版上製作圖象的裝置，其特徵在於，雷射器(10)在多模式運行狀態下使用並且是波型耦合的。
4.如權利要求1至3之一所述用於在印版上製作圖象的裝置，其特徵在於，雷射器(10)的供電電流具有直流分量和交流分量。
5.如權利要求1至4之一所述用於在印版上製作圖象的裝置，其特徵在於，雷射射線(12)由一個單個的二極體雷射器(10)產生。
6.如權利要求1至5之一所述用於在印版上製作圖象的裝置，其特徵在於，雷射射線(12)由一個二極體雷射器列陣(10)產生。
7.如權利要求6所述用於在印版上製作圖象的裝置，其特徵在於，二極體雷射器列陣(10)由單個的可控制的條紋二極體雷射器組成。
8.如權利要求1至7之一所述用於在印版上製作圖象的裝置，其特徵在於，該裝置具有一個用於雷射器(10)之溫度調節裝置(226)的控制裝置。
9.如權利要求1至8之一所述用於在印版上製作圖象的裝置，其特徵在於，為了將射線在印版上成象，光學系統(14)具有反射元件。
10.如權利要求1至9之一所述用於在印版上製作圖象的裝置，其特徵在於，光學系統(14)具有微型光學元件。
11.如權利要求4至10之一所述用於在印版上製作圖象的裝置，其特徵在於，直流電分量是可調製的。
12.印刷裝置，其特徵在於，該印刷裝置至少具有一個如前述權利要求之一所述的裝置。
13.印刷機，其特徵在於，該印刷機至少具有一個如 12所述的印刷裝置。
全文摘要
提出了一種利用二極體雷射器在印版上成象的改進裝置。雷射射線由1ns以下的持續時間的超短光脈衝組成,它特別是通過雷射器的波型耦合產生。為了用脈衝的二極體雷射器成象,與在持續振蕩運行中使用的可比較系統相比,需要更小的平均輸出功率。
文檔編號B41C1/00GK1332055SQ0111578
公開日2002年1月23日 申請日期2001年7月2日 優先權日2000年7月7日
發明者伯納德·拜爾 申請人:海德堡印刷機械股份公司