Лазери в сучасних системах CtP

1. газові лазери
2. твердотільні лазери
3. оптоволоконні лазери
4. напівпровідникові лазери
5. характеристики лазерів

Наши партнеры ArtmMisto

9 - 2003

М.Сіняк, канд. техн. наук. Д.Морев

газові лазери

твердотільні лазери

оптоволоконні лазери

напівпровідникові лазери

характеристики лазерів

Групи лазерів і їх характеристика

Основні властивості лазерного випромінювання

Експлуатаційні параметри лазерів

Слово «лазер» прийшло в російську мову з англійської та являє собою абревіатуру, утворену від Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Сьогодні лазерні пристрої міцно увійшли в повсякденне життя людей і стали свого роду символом високих технологій. У поліграфії лазери використовуються в принтерах, фотонабірних автоматах і пристроях CtP.

Широке застосування лазерів в різних областях науки і техніки визначила їх здатність генерувати інтенсивне когерентне спрямоване монохроматичне випромінювання. У поліграфії використання лазерів почалося відразу ж після їх появи. Протягом останніх років і до теперішнього часу технологія лазерного запису інформації безперервно розвивається. Підтвердження тому - присутність на ринку великої кількості компаній-виробників широкої номенклатури пристроїв Сomputer-to-Plate.

Всі використовувані в експонують модулях CtP-пристроїв лазери по природі їх активного середовища можна розділити на три великі групи:

· Газові;

· Твердотільні;

· Напівпровідникові.

Кожна з груп має свої особливості, сильні та слабкі сторони. Порівняння лазерів приведено в таблиці.

газові лазери

Активним середовищем лазерів даного типу є газ або суміш газів. Особливістю активного середовища, що знаходиться в газовій фазі, є її висока оптична однорідність, що дозволяє застосовувати великі довжини резонатора і вимагати більшої спрямованості і монохроматичности випромінювання. Оптичне накачування газової системи неефективна, тому що в газі відсутні широкі смуги поглинання. Тому лазери даної групи накачуються пропусканням через активне середовище електричного струму, або так званим тліючим розрядом. Рідше використовуються методи хімічної накачування, газодинамічного розширення і т.п.

У перших зарубіжних і вітчизняних пристроях СtP, наприклад в лазерному гравірувальному автоматі ЛГА, використовувалися CO2-лазери. Однак в даний час вони застосовуються рідко, в основному для гравірування металів або полімерів. Причиною тому стали такі недоліки CO2-лазерів, як високі вимоги до охолодження, мала глибина різкості, великий розмір плями (більше 30 мкм). Більш широке застосування знайшли лазери на основі інертних газів - гелій-неоновий (He-Ne) і аргоновий (Ar).

Аргоновий лазер може випромінювати світло семи різних довжин хвиль, однак понад 80% подібних лазерів працюють в діапазонах 488 (блакитний) і 514,5 нм (зелений). У порівнянні з CO2-лазером аргоновий лазер набагато дешевше і простіше в експлуатації. У технологію Computer-to-Plate аргоновий лазер прийшов з ФНА, хоча сьогодні використовується в них рідко. У теперішній час аргонові лазери є найпотужнішими джерелами безперервного когерентного випромінювання в ультрафіолетовому та видимому діапазонах спектру (див. Мал. 1 ). Широкому поширенню потужних аргонових лазерів заважають їх висока вартість, низький ККД (до 10%) і велика споживана потужність (3-5 кВт). Проте подібні лазери використовуються в сучасному CtP-обладнанні. Наприклад, аргоновий лазер може встановлюватися в пристрої PlateDriver компанії Esko-Graphics. Максимальна роздільна здатність PlateDriver становить 5080 точок / дюйм при розмірі точки 6,5 мкм.

Іншим типом газових лазерів, що використовуються в CtP-пристроях, є гелій-неоновий, який також називають атомарним. У цьому лазері в якості активної речовини виступає суміш гелію і неону в співвідношенні приблизно 20: 3 при загальному тиску в газорозрядної трубці близько 80 Па.

Вимушене випромінювання створюється атомами неону, а атоми гелію беруть участь лише в передачі енергії атомам неону. При порушенні газової суміші електричним струмом (постійним або змінним з частотою близько 30 МГц) виникає тліючий розряд, подібний розряду в рекламній неонової лампі. В результаті частина атомів неону переходить з основного енергетичного рівня на довгоживучі збуджені рівні, тим самим створюючи накачування лазера.

В діапазоні видимого і інфрачервоного спектрів гелій-неоновий лазер може містити велику кількість (~ 130) спектральних ліній. Виділення потрібної спектральної лінії здійснюється підбором дзеркал оптичного резонатора, введенням в резонатор диспергуючого або селективно поглинає елемента, а також постійного магніту. У неоновому лазері робоча газова суміш знаходиться в газорозрядної трубці, довжина якої може досягати 0,2-1,0 м. Трубка виготовляється з високоякісного кварцового скла. Потужність генерації істотно залежить від діаметра трубки. Зі збільшенням її діаметру, з одного боку, зростає обсяг робочої суміші, з іншого - зменшується електронна температура плазми, що призводить до зменшення числа електронів, здатних порушувати атоми газів.

Перевагами гелій-неонових лазерів є когерентність випромінювання, мала споживана потужність (8-10 Вт) і відносно невеликі розміри. Основні недоліки - невисокий ККД (до 10%) і низька вихідна потужність, що не перевищує 100 мВт. При використанні для збудження імпульсного напруги великої амплітуди лазер працює в імпульсному режимі.

Гелій-неоновим лазером з довжиною хвилі 633 нм оснащуються, наприклад, площинні пристрої TigerCat компанії ECRM. Максимальна роздільна здатність запису пристроїв TigerCat - 3556 точок / дюйм, при розмірі точки 14 мкм.

Незважаючи на непогані характеристики газових лазерів, останнім часом виробники обладнання CtP, як правило, віддають перевагу більш простим і дешевим твердотілим і напівпровідникових лазерів.

твердотільні лазери

Активним середовищем в сучасних твердотільних лазерах, як правило, є діелектричний кристал, в який введено іони рідкісноземельних металів, наприклад неодиму. Система оптичного накачування виконана у вигляді рефлектора в корпусному виконанні. Усередині відбивач має форму еліпса, в фокусі якого знаходяться активний елемент (активне середовище) і лампи накачування. Оптичним резонатором служать протилежні поліровані грані активного елементу, на які нанесено шар металу.

В якості активного елементу в першому промисловому лазері використовувався рубін, проте в даний час твердотільні лазери створюються в основному на основі кристалів ітрій-алюмінієвого граната з добавкою іонів неодиму (Nd: YAG). Активним середовищем у них є кристал Y3Al5O12, в якому частина іонів Y3 + заміщена іонами Nd3 +.

Nd: YAG-лазери можуть працювати як в безперервному, так і в імпульсному режимі. При роботі в імпульсному режимі для накачування використовуються ксенонові лампи, в безперервному - криптонові. Розміри стрижнів такі ж, як і у рубінового лазера. Вихідні параметри потужності:

· В безперервному многомодовом режимі - до 500 Вт;

· В імпульсному режимі з великою частотою повторення імпульсів (50 Гц) - до 200 Вт;

· В режимі РМД - до 50 МВт.

Твердотільні лазери знайшли застосування в науці (лазери з РМД), в медицині, в обробці матеріалів (різка, свердління, зварювання, осадження металів і т.д.).

У пристроях CtP використовуються лазери потужністю від 1 Вт до декількох кВт. ККД становить від 3 (при використанні для накачування ламп) до 10% (при застосуванні для накачування діодів). Глибина різкості при цьому досягає 60 мкм. Використовують лазери з довжиною хвилі 1064 нм, а також з подвоєною частотою (532 нм). Твердотільні лазери мають такі переваги:

· Невелика довжина хвилі дозволяє отримати пляма діаметром менше 10 мкм і значно підвищити дозвіл записи;

· Мінімальні втрати при проходженні по оптоволоконним световодам і легкість модуляції спрощують конструкцію лазерних установок;

· Значне число відомих матеріалів (особливо металів) мають високий коефіцієнт поглинання в області випромінюваних довжин хвиль, що полегшує розробку формних пластин і підвищує ефективність лазерного запису.

У CtP-пристроях, оснащених твердотільними лазерами, компанії пропонують фотополімеризуючі і серебросодержащие формні пластини, а також пластини з гібридними і термочутливими шарами. При цьому під впливом лазера з довжиною хвилі 1064 нм термочутливих шари можуть піддаватися термодеструкції, абляції або термоструктурірованію.

Твердотільними YAG-лазерами оснащуються CtP-пристрою Polaris (Agfa), LaserStar LS (Krause), DigiPlater (PPI) і багато інших. Однак останнім часом все частіше замість твердотільних лазерів використовуються лазерні діоди.

оптоволоконні лазери

Ці лазери вельми умовно можна виділити в окремий тип, так як в них використаний приблизно такий же механізм збудження активного середовища (накачування), як у газових або твердотільних лазерів. «Сердечник» лазера товщиною всього лише кілька мікрометрів складається з ітербію і функціонує як резонатор. Найкращої якості вдається домогтися при довжині хвилі випромінювання 1110 нм, при цьому довжина оптоволоконного кабелю може досягати 40 м. Серійно випускаються лазери потужністю від 1 до 100 Вт, з ККД близько 50%. Оптоволоконні лазери зазвичай не вимагають спеціального охолодження. Мінімальний розмір плями у сучасних оптоволоконних лазерів - близько 20 мкм, причому при використанні механізмів корекції його вдається зменшити до 5 мкм. Глибина фокусу складає 300 мкм, що дозволяє без механізму автофокусування успішно працювати з формовими матеріалами різної товщини.

напівпровідникові лазери

У лазерах цього типу активним середовищем є напівпровідниковий кристал. Найбільш поширений спосіб накачування - пропускання через кристал струму.

У системах CtP зазвичай використовуються діоди малої потужності. Однак при їх об'єднанні в групи сумарна потужність системи може досягати сотень ват при ККД 50%. Зазвичай напівпровідникові лазери не вимагають застосування спеціальних систем охолодження. Інтенсивне водяне охолодження використовується тільки в пристроях підвищеної потужності.

Головним недоліком напівпровідникових лазерів є неоднакове розподіл енергії по перетину лазерного променя. Однак, завдяки оптимальному співвідношенню ціни і якості, напівпровідникові лазери стали останнім часом найбільш затребуваним видом джерел експонуються випромінювання в CtP-системах.

Широко застосовуються сьогодні інфрачервоні діоди з довжиною хвилі 670 і 830 нм. Серед пристроїв, оснащених ними - Lotem і Trendsetter (Creo); PlateRite (Dainippon Screen); Topsetter (Heidelberg); XPose! (Luscher); Dimension (Presstek). Для підвищення продуктивності пристроїв експонування здійснюється матрицею діодів. Мінімальний розмір точки зазвичай лежить в межах 10-14 мкм. Однак мала глибина різкості ІК-діодів вимагає застосування додаткових операцій по корекції променя. З переваг ІК-діодів можна відзначити можливість завантаження пластин при денному світлі.

Останнім часом у багатьох моделях CtP-пристроїв використовується фіолетовий лазерний діод з довжиною хвилі 405 нм. Напівпровідниковий фіолетовий лазер застосовується в промисловості порівняно недавно. Його впровадження пов'язано з розробкою технології DVD. Досить швидко новий джерело випромінювання почали застосовувати в системах Computer-to-Plate. Фіолетові лазерні діоди дешеві, довговічні і мають достатню для впливу на копіювальні шари пластин енергію випромінювання. Однак через короткохвильового емісії лазер дуже примхливий в роботі, а на якість запису великий вплив мають якість поверхні друкованої пластини і стан оптики. Пластини для експонування фіолетовим лазером можна завантажувати при жовтому освітленні. В даний час фіолетовий лазер використовується в наступних пристроях: Palladio (Agfa); Mako 2 (ECRM); Luxel V / Vx (FujiFilm); Prosetter (Heidelberg); PlateDriver (Esko-Graphics).

характеристики лазерів

Технологічні параметри CtP-систем визначаються такими характеристиками лазера, як «якість» пучка, розміри плями, глибина різкості променя, потужність лазера.

Для оцінки «якості» променя служить коефіцієнт М2. Коефіцієнт якості ідеального лазера дорівнює одиниці. Найбільш близький до цього значення коефіцієнт якості оптоволоконних лазерів. Середнє значення М2 твердотільних і напівпровідникових лазерів одно відповідно 5 і 15. Фактично якість променя визначається видом кривої розподілу енергії в поперечному перерізі променя ( Мал. 2 ). Як правило, на центр променя доводиться більшу кількість енергії, ніж на його краю, що веде до нерівномірності засвічення.

Розмір плями (поперечного перерізу променя) лазера визначає дозвіл записи. Наприклад, при линиатуре виведення 54 лін / см розмір лазерної плями повинен бути 12 мкм. Розмір плями пов'язаний з іншими характеристиками лазерного променя і оптичної системи наступним спрощеним співвідношенням:

,

де f - фокусна відстань лінзи; - довжина хвилі лазерного випромінювання; M2 - коефіцієнт якості; r - радіус кривизни лінзи.

Як видно з формули, чим більше довжина хвилі лазера, тим важче сфокусувати промінь в пляма малого діаметра.

Глибина різкості (фокуса) визначається як найбільша відстань, виміряний вздовж оптичної осі, між точками, відтвореними досить різко ( Мал. 3 ). Поверхня формного матеріалу, як правило, не зовсім однорідна, а товщини копіювальних шарів сучасних пластин можуть варіюватися в діапазоні 10-50 мкм. Якщо глибина різкості буде недостатньою, то про якісну засветке або видаленні шару говорити буде важко. При прямому гравіруванні фотополімерною пластини глибина різкості повинна бути від 0,5 до 2,5 мм, інакше неможливо буде сформувати профіль друкуючого елемента ( Мал. 4 ). Деякі компанії, наприклад Hell Gravure Systems, визначають глибину різкості як 10% від діаметра сфокусованого променя. Нижче наведена формула для оцінки глибини різкості:

.

Таким чином, довжина хвилі і якість променя обернено пропорційні роздільної здатності і прямо пропорційні глибині різкості.

Час експонування лазерним променем в основному залежить від двох чинників: потужності лазера і світлочутливості застосовуваного матеріалу, яка зазвичай позначається в Дж / см2 або в Втхс / см2. Наприклад, друкована форма площею 1 м2, що володіє світлочутливістю 3,5 Втхс / см2, вимагає для її засвічення 35 кВтхс (10 000 см2 х 3,5 Втхс / см2). Для лазера потужністю 45 Вт час експонування складе 35 000/45 = 778 с, тобто близько 13 хвилин.

Лазерний промінь може доставлятися до поверхні матеріалу трьома способами. У найпростішому випадку лазер (зазвичай лазерні діоди) поміщається в записуючої голівки і рухається разом з нею. При іншому способі лазер нерухомий, а промінь розгортається за допомогою системи дзеркал і лінз, що веде до збільшення вимог до точності і жорсткості всієї конструкції. При третьому способі використовуються оптичні світловоди.

Багато компаній використовують різні хитрощі для поліпшення технічних параметрів власних пристроїв, таких зменшують розміри плями шляхом пропускання променя через модулирующую діафрагму ( Мал. 5 ). Головний недолік такого рішення - втрата значної частини (до 75%) потужності лазера. До того ж подібні системи вимагають інтенсивного охолодження. Інший шлях підвищення дозволу - експонування зображення з накладенням променів ( Мал. 6 ). Ця технологія використовується не тільки в CtP-системах, але і в фотонабірних автоматах і лазерних принтерах. Для компенсації малої глибини різкості застосовуються системи автофокусування.

Використана література

Хьюстін Д.Л., Чантри П.Д., Вісанд В. Д. Газові лазери. 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.

КомпьюАрт 9'2003