Автоматизация формных процессов — лазерные модуляторы

Юрий Самарин, докт. техн. наук, профессор МГУП им. Ивана Федорова

Применение лазеров в фотовыводных и формовыводных устройствах обусловлено тем, что создаваемое ими излучение является узкомонохроматическим, когерентным, направленным, высокоинтенсивным и поляризованным. Эти свойства обеспечивают эффективное применение лазеров во многих отраслях промышленности, в том числе в полиграфии.

Эффективность лазеров при записи изображения на фото и формном материале определяется тем, что оно записывается быстро и с высоким качеством.

Для управления интенсивностью лазерного луча по принципу «да — нет» в процессе вывода и регистрации графической информации в лазерных выводных устройствах применяются модуляторы.

По типу модулятора лазерного излучения выводные устройства можно разделить на четыре типа. В устройствах первого и второго типа для изменения интенсивности излучения газового или твердотельного лазера применяются модуляторы — электрооптические (ЭОМ) и акустооптические (АОМ). К устройствам третьего типа относятся выводные устройства с полупроводниковыми лазерами. Модуляция лазерного луча в этих устройствах осуществляется за счет управления мощностью излучения лазерного диода. В устройствах четвертого типа используются линейные или матричные многоканальные модуляторы различных принципов действия.

Принцип работы ЭОМ основан на линейном электрооптическом эффекте. При воздействии на электрооптический кристалл электрического поля в результате двойного лучепреломления изменяется направление поляризации прошедшей через кристалл световой волны. Если электрооптические кристаллы (рис. 1) поместить между поляризаторами с ортогонально направленными осями поляризации и на вход этой системы направить лазерный пучок с поляризацией, соответствующей поляризации входного элемента, то при отсутствии напряжения на электродах кристаллов световой поток на выходе второго поляризатора (анализатора) будет отсутствовать. При подаче на электроды управляющего напряжения возникнет выходной световой поток, интенсивность которого достигает максимума при некотором значении этого напряжения, называемого полуволновым. Зависимость интенсивности выходного светового потока Iвых от управляющего напряжения Uупр определяется выражением:

,

где I — интенсивность входной световой волны; п0 — показатель преломления кристалла для обыкновенной волны; rij — электрооптический коэффициент; d — толщина кристалла; l — общая длина модулятора.

Вид этой зависимости в относительных единицах изображен на рис. 1. Таким образом, модуляцию светового потока можно осуществлять, изменяя напряжение, подаваемое на электроды. Время переключения электрооптического модулятора из одного состояния в другое может составлять всего 10–8 с и менее. Для переключения ЭОМ требуется высокое управляющее напряжение, превышающее 100 В. Кроме использования высокого управляющего напряжения, к недостаткам ЭОМ следует отнести зависимость параметров от температуры и низкий коэффициент контрастности (порядка 100), представляющий собой отношение максимальной и минимальной световой мощности излучения, проходящего через модулятор.

Рис. 1. Зависимость интенсивности выходного светового потока от управляющего напряжения: а — схема электрооптического модулятора света: 1, 2 — поляризаторы; 3 — электрооптические кристаллы; б — модуляционная характеристика ЭОМ: 1 — идеальная; 2 — реальная

Принцип действия АОМ основан на дифракции поляризованного света на бегущей ультразвуковой волне в оптически прозрачном материале. Если на акустопровод (рис. 2), в котором с помощью пьезоэлектрического преобразователя возбуждена бегущая ультразвуковая волна, подать пучок света, то, благодаря возникновению участков сжатия и растяжения с разными показателями преломления, эта область будет действовать на падающий свет как дифракционная решетка. Световой пучок, дифрагируя на решетке, образует несколько выходных пучков — максимумов интенсивности излучения различных порядков, разнесенных в пространстве по направлению.

Рис. 2. Устройство акустооптического модулятора: 1 — акустооптическая среда (акустопровод); 2 — пьезопреобразователь; 3 — поглотитель; 4 — диафрагма

Особый практический интерес представляет случай, когда свет (лазерный пучок) направляется на кристалл под так называемым углом Брэгга θqБ, который определяется равенством:

где  — длина ультразвуковой волны в акустооптическом кристалле.

При условии наблюдается дифракция Брэгга, которая характеризуется тем, что интенсивности всех дифракционных максимумов, кроме I1, становятся пренебрежимо малыми. В процессе модуляции лазерный пучок может или проходить через акустооптический кристалл без изменения направления и интенсивности, или переходить в дифрагированный пучок, преломленный под углом Брэгга. Интенсивность света в направлении этого угла определяется выражением:

.

где I — интенсивность света при отсутствии ультразвуковой волны; Pa — мощность ультразвуковой волны; l и h — длина и высота акустооптического кристалла соответственно; ky — эффективный упругооптический коэффициент; v3 — скорость распространения звука в кристалле; r — плотность акустооптической среды; n — показатель преломления кристалла.

Эффективность дифракции определяется как отношение силы дифрагированного I1 и падающего I света h = I1/I.

Действие АОМ осуществляется следующим образом: луч света I проходит через кристалл и попадает на диафрагму, преграждающую ему путь. В этом случае модулятор прерывает световой поток. При подаче на кристалл акустической волны с помощью пьезопреобразователя наблюдается явление дифракции, и из кристалла выходит луч света I1. Направление этого луча выбирают так, чтобы оно совпадало с направлением оптической оси системы. В этом случае модулятор открыт, а для прерывания светового луча отключают пьезопреобразователь. Допустимые частоты модуляции для АОМ определяются упругооптическими свойствами акустической среды и временем прохождения акустической волны через апертуру светового луча и достигают 80 МГц (рис. 2).

Основные преимущества АОМ по сравнению с ЭОМ — низкие управляющие напряжения (порядка 10 В), высокий коэффициент контрастности (до 1000), независимость параметров модуляции от температуры, использование неполяризованного света, отсутствие в конструкции модулятора склеек оптических элементов, что существенно уменьшает потери света.

Управление полупроводниковыми лазерами (лазерными диодами) обеспечивается схемотехническими приемами и средствами, поэтому оказывается относительно несложным. Мощность излучения Pизл полупроводникового лазера строго зависит от инжекционного тока Iлд (тока возбуждения) в активной зоне лазерного диода (ЛД). При небольших уровнях тока Iлд полупроводниковый лазер действует как светодиод и генерирует некогерентное оптическое излучение небольшой мощности. При достижении порогового уровня тока Iлд оптические колебания в лазерном резонаторе генерируются, становятся когерентными; резко возрастает мощность излучения Pизл. Однако генерируемая мощность Pизл и в этом режиме пропорциональна уровню тока Iлд. Таким образом, возможности изменения (переключения, модуляции) мощности излучения полупроводникового лазера однозначно связаны с целенаправленным изменением инжекционного тока Iлд(рис. 3а).

Рис. 3. Диаграммы управления мощностью излучения полупроводникового лазера в режимах цифровой (а) и аналоговой (б) модуляции

В импульсном режиме действия лазерного диода его рабочая точка М фиксируется на пологом участке ватт­амперной характеристики в предпороговой области лазера. Резкое увеличение тока Iлд переводит рабочую точку на крутой участок характеристики (например, в положение N), что гарантирует возбуждение и интенсивный рост мощности лазерных колебаний. Спад тока Iлд и перевод рабочей точки лазера в исходное положение М обеспечивают срыв лазерных колебаний и резкое снижение выходной мощности лазерного излучения.

В аналоговом режиме модуляции лазерных колебаний рабочая точка Q фиксируется на крутом участке ватт­амперной характеристики (рис. 3б). Изменение тока Iлд под действием внешнего информационного сигнала приводит к пропорциональному изменению выходной мощности полупроводникового лазера.

Многолучевая запись изображения в лазерных выводных устройствах может быть реализована за счет использования нескольких лазеров, многоканальных модуляторов различного типа, а также одновременного применения тех и других. В качестве многоканальных модуляторов могут использоваться акустооптические модуляторы в многоканальном режиме работы, многоканальные световые затворы LSA (Light Switching Arrays), микрозеркальные чипы DMD (Digital Micromirror Device), решетчатые световые затворы GLV (Grating Light Valve).

Акустооптический модулятор в многоканальном режиме функционирует следующим образом. Для отклонения луча на разные углы на кристалл пьезопреобразователем подают акустические волны разной частоты. Для последовательного отклонения луча на угол θ1, θ2,..., θm последовательно подают акустические волны с частотой  f1, f2,..., fm. При этом угол отклонения луча θi  линейно связан с частотой акустической волны fi:

θi = (λ/v₃)fi,

где v3  — скорость звуковой волны; λ — длина волны света.

Схема работы АОМ в многоканальном (6­канальном) режиме представлена на рис. 4.

Рис. 4. Акустооптический дефлектор в сканирующем устройстве лазерного фотонаборного автомата

Процессор 1 через промежуточный (согласующий) блок 2 управляет высокочастотным генератором 3 электрического напряжения. Частота выходных колебаний такого генератора изменяется в зависимости от уровня управляющего напряжения (на выходе блока 2). В результате генератор формирует выходные сигналы с шестью различными частотами f1­f6 (в диапазоне 200­250 МГц). Лазерный луч 6, падающий на акустооптическую среду 5, в зависимости от частоты f отклоняется дифракционной решеткой 4, образующейся под действием звуковых волн, дефлектора 7 на различные углы a. Поэтому выходные (дифрагированные) лучи 8 далее распространяются по различным направлениям, каждое из которых обеспечивает попадание лучей на поверхность экспонируемого материала.

Известны акустооптические модуляторы, у которых 8, 16 или 32 канала управления частотой 800 МГц.

Многоканальные световые затворы LSA осуществляют модуляцию света посредством электрического или магнитного воздействия. Световые затворы выполнены в виде однорядной или многорядной линейной матрицы с зигзагообразным (шахматным) расположением светоклапанных ячеек. Например, магнитооптический LSA представляет собой матрицу ячеистой структуры, образованную токопроводящим слоем, нанесенным на пленку феррит­граната, содержащего висмут.

При просвечивании поляризованным светом LSA формирует двумерную светоконтрастную картину в соответствии с последовательностью управляющих импульсов, подаваемых на комбинацию автоматически управляемых ячеек. Таким образом модулируется подсветка точек синтезируемой строки растра. В данном случае используется принцип оптической модуляции в прозрачных ферромагнетиках на основе эффекта Фарадея.

Ферромагнитная пленка, в которой осуществляется этот процесс, выращивается на монокристаллической подложке. Часть пленки удаляется путем травления так, что остаются только «островки» ферромагнитного материала. Они и определяют ячеистую структуру LSA, в соответствии с которой между ячейками (островками) наносятся токопроводящие слои, разделенные электростойким материалом. В каждой ячейке заключен один домен (область однонаправленного намагничивания точечных элементов материала), лишенный возможности перемещения или взаимодействия с соседними ячейками. Таким образом, ячейка является основным переключающим элементом пленки, способным хранить два информационных состояния. Состояние переключения участка пленки связано с двумя противоположными направлениями намагничивания.

Причиной бистабильности ферромагнитной пленки является свойственная ей одноосная магнитная анизотропия, ось легкого намагничивания которой перпендикулярна плоскости пленки. Плоскость поляризации линейно поляризованного света, пропускаемого пленкой, может поворачиваться либо влево, либо вправо в зависимости от направления намагничивания, имеющего место в данный момент. Пропускаемый свет, колеблющийся в одной из допустимых плоскостей поляризации на выходе, блокируется затем анализатором, установленным за пленкой. Свет с вращаемой плоскостью поляризации пропускается соответственно больше или меньше в зависимости от угла ее поворота. Матричная адресация сигналов обеспечивает переключение выбираемой комбинации ячеек.

Помимо магнитооптического кристалла в LSA входят интегральные схемы, зацементированные в керамические пластины. Данные схемы дешифрируют поступающую на них информацию о включаемой комбинации ячеек и адресуют в них соответствующие сигналы управления. Среднее время переключения ячеек в LSA, выпускаемых за рубежом, составляет от 1 до 10 мкс.

Микрозеркальные чипы DMD и решетчатые световые затворы GLV осуществляют оптическое разделение пучка лазерного излучения на множество лучей за счет отражения этого излучения от множества отражающих элементов. Отражающие элементы могут принимать два положения. При одном положении отраженный лазерный луч направляется в оптическую систему для формирования и регистрации изображения микроточки на формном материале, а при другом — отраженный луч не попадает в оптическую систему и соответственно на формный материал. Каждый отражающий элемент имеет индивидуальное управление своим положением высокочастотными электрическими сигналами, которые могут их изменять. Изменением положений отражающих элементов и осуществляется модуляция отраженных лазерных лучей по принципу «да — нет» и формирование микроштрихового изображения печатающих и пробельных элементов на формном материале.

Рис. 5. Микрозеркальный чип

Микрозеркальный чип DMD (рис. 5) имеет зеркальную поверхность площадью около 2 см2, на которой в виде матричной структуры располагаются 0,8 или 1,3 млн отражающих микрозеркал. Управление положением микрозеркал может осуществляться, например, изменением формы и объема пьезоэлектрических кристаллов, на которых они закреплены (рис. 6).

Рис. 6. Схема управления микрозеркалом DMD

При подаче электрического сигнала (V > 0) пьезоэлектрик мгновенно меняет свою форму (наклоняется) и немного увеличивает свой объем. Это приводит к тому, что микрозеркало наклоняется на некоторый угол, в результате чего изменяется направление отражаемого им лазерного луча. При снятии электрического сигнала (V = 0) пьезоэлектрик и соответственно микрозеркало возвращаются в исходное положение.

Решетчатый затвор GLV представляет собой линейку чередующихся подвижных и неподвижных отражающих полосок (микрозеркал) шириной 3 мкм, длиной 100 мкм и толщиной 0,1 мкм. При изменении электростатического поля подвижные отражающие полоски меняют свое положение. Микроточка изображения (пиксел) образуется за счет отражения от нескольких подвижных и неподвижных полосок, число которых в исходном положении должно быть четным (например, две или четыре). При подаче электрического сигнала подвижные полоски, участвующие в формировании пиксела, меняют свое положение (рис. 7). При этом  чередования изменивших  свое положение подвижных и оставшихся в исходном положении неподвижных отражающих полосок образуют дифракционную решетку, которая изменяет направление отраженных лучей. В результате они не попадают в оптическую систему и не формируют изображение на формном материале.

Рис. 7. Положение микрозеркал решетчатого светового затвора GLV: а — исходное (при отсутствии управляющих электрических сигналов); б — при подаче управляющих электрических сигналов

Рис. 8. Лазерная записывающая головка на основе решетчатого светового затвора GLV

Время переключения положения микрозеркал в GLV составляет порядка 20 нс.

Записывающая лазерная головка формовыводного устройства с внешним барабаном для многолучевой записи может быть построена на основе многоканального решетчатого светового затвора GLV (рис. 8). В этой головке полупроводниковый лазер формирует плоский широкий пучок инфракрасного (830 нм) излучения, который направляется на линейный решетчатый световой затвор GLV. Отраженный от полосок затвора пучок лазерных лучей направляется зеркалом в линзу, фокусирующую эти лучи на формной пластине, которая расположена на внешней поверхности вращающегося барабана.

За счет перемещения записывающей головки вдоль образующей барабана и его вращения производится сканирование поверхности формной пластины лазерным пучком. Модуляцию лазерного излучения и его разбиение на отдельные индивидуально управляемые лучи (512 или 1024) осуществляет решетчатый световой затвор GLV. Эта записывающая головка обеспечивает запись изображения на термочувствительных пластинах с разрешением от 1200 до 2400 dpi.

КомпьюАрт 4'2013