Лазеры в современных системах CtP
Группы лазеров и их характеристика
Основные свойства лазерного излучения
Эксплуатационные параметры лазеров
Слово «лазер» пришло в русский язык из английского и представляет собой аббревиатуру, образованную от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Сегодня лазерные устройства прочно вошли в повседневную жизнь людей и стали своего рода символом высоких технологий. В полиграфии лазеры используются в принтерах, фотонаборных автоматах и устройствах CtP.
Широкое применение лазеров в различных областях науки и техники предопределила их способность генерировать интенсивное когерентное направленное монохроматическое излучение. В полиграфии использование лазеров началось сразу же после их появления. На протяжении последних лет и до настоящего времени технология лазерной записи информации непрерывно развивается. Подтверждение тому — присутствие на рынке большого количества компаний-производителей широкой номенклатуры устройств Сomputer-to-Plate.
Все используемые в экспонирующих модулях CtP-устройств лазеры по природе их активной среды можно разделить на три большие группы:
· газовые;
· твердотельные;
· полупроводниковые.
Каждая из групп имеет свои особенности, сильные и слабые стороны. Сравнение лазеров приведено в таблице.
Газовые лазеры
Активной средой лазеров данного типа является газ или смесь газов. Особенностью активной среды, находящейся в газовой фазе, является ее высокая оптическая однородность, что позволяет применять большие длины резонатора и добиваться высокой направленности и монохроматичности излучения. Оптическая накачка газовой системы неэффективна, так как в газе отсутствуют широкие полосы поглощения. Поэтому лазеры данной группы накачиваются пропусканием через активную среду электрического тока, или так называемым тлеющим разрядом. Реже используются методы химической накачки, газодинамического расширения и т.п.
В первых зарубежных и отечественных устройствах СtP, например в лазерном гравировальном автомате ЛГА, использовались CO2-лазеры. Однако в настоящее время они применяются редко, в основном для гравирования металлов или полимеров. Причиной тому стали такие недостатки CO2-лазеров, как высокие требования к охлаждению, малая глубина резкости, большой размер пятна (более 30 мкм). Более широкое применение нашли лазеры на основе инертных газов — гелий-неоновый (He-Ne) и аргоновый (Ar).
Аргоновый лазер может испускать свет семи различных длин волн, однако более 80% подобных лазеров работают в диапазонах 488 (голубой) и 514,5 нм (зеленый). По сравнению с CO2-лазером аргоновый лазер гораздо дешевле и проще в эксплуатации. В технологию Computer-to-Plate аргоновый лазер пришел из ФНА, хотя сегодня используется в них редко. В настоящие время аргоновые лазеры являются самыми мощными источниками непрерывного когерентного излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра (см. рис. 1). Широкому распространению мощных аргоновых лазеров мешают их высокая стоимость, низкий КПД (до 10%) и большая потребляемая мощность (3-5 кВт). Тем не менее подобные лазеры используются в современном CtP-оборудовании. Например, аргоновый лазер может устанавливаться в устройстве PlateDriver компании Esko-Graphics. Максимальное разрешение PlateDriver составляет 5080 точек/дюйм при размере точки 6,5 мкм.
Другим типом газовых лазеров, используемым в CtP-устройствах, является гелий-неоновый, который также называют атомарным. В этом лазере в качестве активного вещества выступает смесь гелия и неона в соотношении примерно 20:3 при общем давлении в газоразрядной трубке около 80 Па.
Вынужденное излучение создается атомами неона, а атомы гелия участвуют лишь в передаче энергии атомам неона. При возбуждении газовой смеси электрическим током (постоянным или переменным с частотой около 30 МГц) возникает тлеющий разряд, подобный разряду в рекламной неоновой лампе. В результате часть атомов неона переходит с основного энергетического уровня на долгоживущие возбужденные уровни, тем самым создавая накачку лазера.
В диапазоне видимого и инфракрасного спектров гелий-неоновый лазер может содержать большое число (~130) спектральных линий. Выделение нужной спектральной линии осуществляется подбором зеркал оптического резонатора, введением в резонатор диспергирующего или селективно поглощающего элемента, а также постоянного магнита. В гелий-неоновом лазере рабочая газовая смесь находится в газоразрядной трубке, длина которой может достигать 0,2-1,0 м. Трубка изготавливается из высококачественного кварцевого стекла. Мощность генерации существенно зависит от диаметра трубки. С увеличением ее диаметра, с одной стороны, возрастает объем рабочей смеси, с другой — уменьшается электронная температура плазмы, что приводит к уменьшению числа электронов, способных возбуждать атомы газов.
Достоинствами гелий-неоновых лазеров являются когерентность излучения, малая потребляемая мощность (8-10 Вт) и относительно небольшие размеры. Основные недостатки — невысокий КПД (до 10%) и низкая выходная мощность, не превышающая 100 мВт. При использовании для возбуждения импульсного напряжения большой амплитуды лазер работает в импульсном режиме.
Гелий-неоновым лазером с длиной волны 633 нм оснащаются, например, плоскостные устройства TigerCat компании ECRM. Максимальное разрешение записи устройств TigerCat — 3556 точек/дюйм, при размере точки 14 мкм.
Несмотря на неплохие характеристики газовых лазеров, в последнее время производители оборудования CtP, как правило, отдают предпочтение более простым и дешевым твердотельным и полупроводниковым лазерам.
 |
|
Твердотельные лазеры
Активной средой в современных твердотельных лазерах, как правило, является диэлектрический кристалл, в который введены ионы редкоземельных металлов, например неодима. Система оптической накачки выполнена в виде отражателя в корпусном исполнении. Внутри отражатель имеет форму эллипса, в фокусе которого находятся активный элемент (активная среда) и лампы накачки. Оптическим резонатором служат противоположные полированные грани активного элемента, на которые нанесен слой металла.
В качестве активного элемента в первом промышленном лазере использовался рубин, однако в настоящее время твердотельные лазеры создаются в основном на основе кристаллов иттрий-алюминиевого граната с добавкой ионов неодима (Nd: YAG). Активной средой в них является кристалл Y3Al5O12, в котором часть ионов Y3+ замещена ионами Nd3+.
Nd: YAG—лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. При работе в импульсном режиме для накачки используются ксеноновые лампы, в непрерывном — криптоновые. Размеры стержней такие же, как и у рубинового лазера. Выходные параметры мощности:
· в непрерывном многомодовом режиме — до 500 Вт;
· в импульсном режиме с большой частотой повторения импульсов (50 Гц) — до 200 Вт;
· в режиме РМД — до 50 МВт.
Твердотельные лазеры нашли применение в науке (лазеры с РМД), в медицине, в обработке материалов (резка, сверление, сварка, осаждение металлов и т.д.).
В устройствах CtP используются лазеры мощностью от 1 Вт до нескольких кВт. КПД составляет от 3 (при использовании для накачки ламп) до 10% (при применении для накачки диодов). Глубина резкости при этом достигает 60 мкм. Используют лазеры с длиной волны 1064 нм, а также с удвоенной частотой (532 нм). Твердотельные лазеры имеют следующие достоинства:
· небольшая длина волны позволяет получить пятно диаметром менее 10 мкм и значительно повысить разрешение записи;
· минимальные потери при прохождении по оптоволоконным световодам и легкость модуляции упрощают конструкцию лазерных установок;
· значительное число известных материалов (в особенности металлов) имеют высокий коэффициент поглощения в области излучаемых длин волн, что облегчает разработку формных пластин и повышает эффективность лазерной записи.
В CtP-устройствах, оснащенных твердотельными лазерами, компании предлагают фотополимеризующиеся и серебросодержащие формные пластины, а также пластины с гибридными и термочувствительными слоями. При этом под воздействием лазера с длиной волны 1064 нм термочувствительные слои могут подвергаться термодеструкции, абляции или термоструктурированию.
Твердотельными YAG-лазерами оснащаются CtP-устройства Polaris (Agfa), LaserStar LS (Krause), DigiPlater (PPI) и многие другие. Однако в последнее время все чаще вместо твердотельных лазеров используются лазерные диоды.
|
|
Оптоволоконные лазеры
Эти лазеры весьма условно можно выделить в отдельный тип, так как в них использован примерно такой же механизм возбуждения активной среды (накачки), как у газовых или твердотельных лазеров. «Сердечник» лазера толщиной всего лишь несколько микрометров состоит из иттербия и функционирует как резонатор. Наилучшего качества удается добиться при длине волны излучения 1110 нм, при этом длина оптоволоконного кабеля может достигать 40 м. Серийно выпускаются лазеры мощностью от 1 до 100 Вт, с КПД около 50%. Оптоволоконные лазеры обычно не требуют специального охлаждения. Минимальный размер пятна у современных оптоволоконных лазеров — около 20 мкм, причем при использовании механизмов коррекции его удается уменьшить до 5 мкм. Глубина фокуса составляет 300 мкм, что позволяет без механизма автофокусировки успешно работать с формными материалами различной толщины.
|
|
Полупроводниковые лазеры
В лазерах этого типа активной средой является полупроводниковый кристалл. Наиболее распространенный способ накачки — пропускание через кристалл тока.
В системах CtP обычно используются диоды малой мощности. Однако при их объединении в группы суммарная мощность системы может достигать сотен ватт при КПД 50%. Обычно полупроводниковые лазеры не требуют применения специальных систем охлаждения. Интенсивное водяное охлаждение используется только в устройствах повышенной мощности.
Главным недостатком полупроводниковых лазеров является неодинаковое распределение энергии по сечению лазерного луча. Однако, благодаря хорошему соотношению цены и качества, полупроводниковые лазеры стали в последнее время наиболее востребованным видом источников экспонирующего излучения в CtP-системах.
Широко применяются сегодня инфракрасные диоды с длиной волны 670 и 830 нм. Среди устройств, оснащенных ими — Lotem и Trendsetter (Creo); PlateRite (Dainippon Screen); Topsetter (Heidelberg); XPose! (Luscher); Dimension (Presstek). Для повышения производительности устройств экспонирование осуществляется матрицей диодов. Минимальный размер точки обычно лежит в пределах 10-14 мкм. Однако малая глубина резкости ИК-диодов требует применения дополнительных операций по коррекции луча. Из достоинств ИК-диодов можно отметить возможность загрузки пластин при дневном свете.
В последнее время во многих моделях CtP-устройств используется фиолетовый лазерный диод с длиной волны 405 нм. Полупроводниковый фиолетовый лазер применяется в промышленности сравнительно недавно. Его внедрение связано с разработкой технологии DVD. Достаточно быстро новый источник излучения стал применяться в системах Computer-to-Plate. Фиолетовые лазерные диоды дешевы, долговечны и имеют достаточную для воздействия на копировальные слои пластин энергию излучения. Однако из-за коротковолновой эмиссии лазер очень прихотлив в работе, а на качество записи большое влияние оказывают качество поверхности печатной пластины и состояние оптики. Пластины для экспонирования фиолетовым лазером можно загружать при желтом освещении. В настоящее время фиолетовый лазер используется в следующих устройствах: Palladio (Agfa); Mako 2 (ECRM); Luxel V/Vx (FujiFilm); Prosetter (Heidelberg); PlateDriver (Esko-Graphics).
|
|
Характеристики лазеров
Технологические параметры CtP-систем определяются такими характеристиками лазера, как «качество» пучка, размеры пятна, глубина резкости луча, мощность лазера.
Для оценки «качества» луча служит коэффициент М2. Коэффициент качества идеального лазера равен единице. Наиболее близок к этому значению коэффициент качества оптоволоконных лазеров. Среднее значение М2 твердотельных и полупроводниковых лазеров равно соответственно 5 и 15. Фактически качество луча определяется видом кривой распределения энергии в поперечном сечении луча (рис. 2). Как правило, на центр луча приходится большее количество энергии, чем на его края, что ведет к неравномерности засветки.
Размер пятна (поперечного сечения луча) лазера определяет разрешение записи. Например, при линиатуре вывода 54 лин/см размер лазерного пятна должен быть 12 мкм. Размер пятна связан с другими характеристиками лазерного луча и оптической системы следующим упрощенным соотношением:
,
где f — фокусное расстояние линзы; 
— длина волны лазерного излучения; M2 — коэффициент качества; r —
радиус кривизны линзы.
Как видно из формулы, чем больше длина волны лазера, тем труднее сфокусировать луч в пятно малого диаметра.
Глубина резкости (фокуса) определяется как наибольшее расстояние, измеренное вдоль оптической оси, между точками, воспроизводимыми достаточно резко (рис. 3). Поверхность формного материала, как правило, не совсем однородна, а толщины копировальных слоев современных пластин могут варьироваться в диапазоне 10-50 мкм. Если глубина резкости будет недостаточной, то о качественной засветке или удалении слоя говорить будет затруднительно. При прямом гравировании фотополимерной пластины глубина резкости должна быть от 0,5 до 2,5 мм, иначе невозможно будет сформировать профиль печатающего элемента (рис. 4). Некоторые компании, например Hell Gravure Systems, определяют глубину резкости как 10% от диаметра сфокусированного луча. Ниже приведена формула для оценки глубины резкости:
.
Таким образом, длина волны и качество луча обратно пропорциональны разрешающей способности и прямо пропорциональны глубине резкости.
Время экспонирования лазерным лучом в основном зависит от двух факторов: мощности лазера и светочувствительности применяемого материала, которая обычно обозначается в Дж/см2 или в Втхс/см2. Например, печатная форма площадью 1 м2, обладающая светочувствительностью 3,5 Втхс/см2, требует для ее засветки 35 кВтхс (10 000 см2 х 3,5 Втхс/см2). Для лазера мощностью 45 Вт время экспонирования составит 35 000/45 = 778 с, то есть около 13 минут.
Лазерный луч может доставляться к поверхности материала тремя способами. В самом простом случае лазер (обычно лазерные диоды) помещается в записывающей головке и движется вместе с ней. При другом способе лазер неподвижен, а луч развертывается с помощью системы зеркал и линз, что ведет к увеличению требований к точности и жесткости всей конструкции. При третьем способе используются оптические световоды.
Многие компании используют различные ухищрения для улучшения технических параметров своих устройств, например уменьшают размеры пятна путем пропускания луча через модулирующую диафрагму (рис. 5). Главный недостаток такого решения — потеря значительной части (до 75%) мощности лазера. К тому же подобные системы требуют интенсивного охлаждения. Другой путь повышения разрешения — экспонирование изображения с наложением лучей (рис. 6). Эта технология используется не только в CtP-системах, но и в фотонаборных автоматах и лазерных принтерах. Для компенсации малой глубины резкости применяются системы автофокусировки.
Использованная литература
Хьюстин Д.Л., Чантри П.Д., Висанд В. Д. Газовые лазеры. 1986.
Brunner L. Making a CtP change//Printing world. 1999. № 4.
Breiholdt J. The suitability of laser technologies for digital production of flexographic printing forms//Special Bulletin by Hell Gravure Systems. 2002. № 11.
|
|