CN101755369A - 利用具有多个出射端口的放大器的雕刻 - Google Patents

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Abstract

一种用于直接雕刻的设备，包括：以不同波长发射的多个激光二极管；复用器(11)，其用于将所述多个激光源聚集成单个激光束；稀土掺杂光纤放大器(12)，其用于将所述单个激光束放大以形成放大的单个激光束；解复用器，其用于将所述单个激光束分裂成多个放大的激光源；以及成像装置，其用于应用所述多个放大的激光源来对印刷版(55)成像。

Description

利用具有多个出射端口的放大器的雕刻
技术领域
本发明涉及用以更高效地产生印版(printing block)的、对由不同波长的激光二极管组成的多个激光源的掺杂光纤放大(DFA)。
背景技术
在当前的印刷技术中，通过将油墨从印版转移到成像表面来将最终图像传送到基片。所述印版包括感光材料，其中通过用激光源对所选择的区域进行曝光来形成图像。可以通过图案化掩模(膜)来进行曝光，然而，最常见的是通过一般在称为计算机直接制版(CtP)的工艺中直接控制曝光光束来实现该曝光；在CtP系统中，在表面(印版)上扫描激光束，并根据由计算机生成的数据来调制激光的强度。
已知在直接激光成像中使用的一系列印版是由诸如聚合物或橡胶的柔性材料制成以便其可以附着于辊或圆筒以便着墨的柔性(柔)印刷版。当印版上的凸起的图像在印刷过程期间与基片接触时发生油墨转移。为了进行直接激光图像设定，柔性印版由充当下层光聚合物材料的光阻掩模的上层感光材料组成。在第一步骤中，将上层成像(烧蚀)成期望的图案。在随后的步骤中，用紫外线(UV)光对柔性印版进行曝光。所述光聚合物使掩模的未去除区域下面的材料固化，同时在去除区域下面，光聚合物保持其未固化的形式并在随后的显影步骤中被冲掉。为了进行机械支撑，将这两个层置于由柔性聚合物制成的第三基片层上。
其中去除UV曝光和随后的显影步骤的用于产生高分辨率柔性印版的替换方法是直接雕刻到聚合物中。通过借助于激光烧蚀而选择性地去除材料来实现印版的成像。在印版的表面上施加激光一次或多次，直至形成具有所需深度的3D特征。烧蚀的深度取决于材料性质，诸如材料吸收激光能量的能力、吸收深度及材料的其它性质。对于给定材料来说，为了使烧蚀发生，存在激光束的最小要求能量密度，在此阈值以上，制版机(plate setter)的生产率将取决于激光器的功率。
对来自激光源的高功率的此要求常常与高分辨率成像的要求相矛盾。为了使激光器提供适当的成像分辨率，激光光斑必须具有被聚焦至特定光斑尺寸的能力。然而，由于衍射效应，存在激光光斑可以被聚焦至的尺寸的基本最小值，该基本最小值取决于激光源的波长和激光束的角散度。
以由理论极限设置的最小角散度被聚焦至特定光斑尺寸的激光光斑被称为是衍射受限的。通过所谓的M2模型来提供激光束超过此理论极限多少的定量度量。(由Thomas Johnston和Michael Sanset在Ed.G.F.Marshal的“Handbook of Optical and Laser Scanning”中)讨论了通过“M2模型”对激光束的表征。本质上，由以下公式给出由激光源和用来使激光束聚焦的理想透镜产生的光斑：
Figure GPA00001008574100021
其中，λ是激光源的波长，f是成像透镜的焦距，且D是透镜处的输入光束直径。M2可以视为光束散度超过衍射极限的倍数。对于衍射受限光束，M2＝1。发射波长λ＝10.6λm的光的CO2激光器是由于长波长而受到限制的普遍激光器系统的示例。另一方面，高功率激光二极管通常被设计为以低于1λm的波长发射，但只有用具有相当大的散度即M2比一(unity)大许多倍的多模激光器腔才能实现大功率发射。
出于这些原因，以及随着光纤激光器技术的出现，基于掺镱(Yb)玻璃光纤的光纤激光器作为用于高功率激光器应用的选择技术而出现，从而提供高光束质量：M2接近于一，以及λ≈1.1μm量级的波长。能够发射数百瓦特的光纤激光器可从例如IPG Photonics之类的各种公司购买到。Ed.Michel J.F.Digonnet的第二版“Rare Earth Doped Fiber Lasersand Amplifiers”给出了对光纤激光器的评论。
虽然单个光纤激光器能够提供充足的输出功率，但存在对可以在CtP系统中使用的单个激光束的功率的实际限制。按照惯例，在CtP中，将印版夹紧到转鼓并沿着平行于旋转轴的轴在印版上扫描激光束。该生产率可以表示为每单位时间处理的印版材料的总面积。因此，为了利用来自激光源的增大的功率来提高制版机的生产率，需要使鼓快速旋转。同样地，如果使用被称为“平板式”或“绞盘式”的线性扫描法，则相对于激光束线性地扫描印版，因此需要提高线速度。
然而，通常，存在使较高扫描速度变得越来越复杂的机械约束。因此，用于提高生产率的常见方法是使用被定位于相邻阵列中的多个光纤激光束，针对印版的同时成像来独立地调制每个光束。此类方法一般用于多个激光二极管源，其中通过对驱动电流的直接调制来调制每个二极管。然而，激光二极管光纤激光器局限于通常小于100KHz的中频范围的直接电流调制，其小于高速成像所需的频率。
为了克服光纤激光器的此缺点，标准方法是使用声光调制器(AOM)来调制光束。对于多个光束，利用多个AOM，并且为每个光束提供单独的AOM。作为替换，向由多个RF电压频率驱动的声光偏转器(AOD)提供对应于特定光束信道的调幅的每个RF频率。美国专利No.6,822,669(Fischer等人)描述了与由多个RF电压驱动的单个AOM或多个AOM相结合的多个光纤激光器的此类布置。
虽然AOM可以提供用于高速率调制的手段，但除了增大添加附加部件的复杂性和成像头的成本之外，还存在与之相关的许多缺点。由于AOM不是完全地透明的，所以透过调制器的光被衰减。
与AOM相关的另一缺点与其可靠性有关。当由AOM对光束进行调幅时，调制的上升时间与穿过调制器的光束直径成比例。如果AOM以高调制速率工作，则入射在AOM上的激光束直径必须小，因此，标准方法是使光束聚焦在调制器的输入孔径处。这导致光束的光功率密度的显著增大且可能引起AOM的损坏。甚至功率密度的稍微过大都可能损坏AOM内的晶体，从而导致对较高部分的激光束的光吸收和不可避免的装置故障。AOM的又一缺点与RF电压驱动器相关。由于电能到声能的转换并不高效，所以需要从系统去除RF驱动器内部由消耗的电能产生的热(通常通过水冷却来去除)，这增加了CtP的复杂性并削弱了其可靠性。本发明的目标是提供用于利用回避使用声光装置的光纤激光器技术构造用于CtP的多个激光束的方法。
在光纤激光器中，用于激光作用的增益介质是利用一个或多个激光二极管所泵浦的、掺杂有诸如镱(Yb3+)、铒(Er3+)、钕(Nd3+)或其它稀土金属的离子的光纤。为了使激光作用发生，通过将一种谐振反射器引入到光纤中来形成腔体，所述谐振反射器可以是反射镜、光纤环、光纤光耦合器、或文献中描述的其它布置。如果未将谐振反射器引入到增益介质中，则经掺杂和泵浦的光纤可以充当发射到其中的低功率激光的光放大器。该布置则一般称为“掺杂光纤放大器”(DFA)。DFA增益介质的作用不限于单一低功率激光的放大。可以由同一DFA来同时放大多个激光输入，条件是激光的发射波长在DFA的光谱带宽内。此外，DFA可以以多级级联以提供多级放大。
在光纤通信、特别是波分复用(WDM)中广泛使用DFA应用，在波分复用中，使用主要掺铒(Er3+)光纤放大器(EDFA)来放大多个信道内的光信号，每个信道具有在光纤中传播的不同的波长。
美国专利No.6,212,310(Waarts等人)描述了将多个激光源耦合到单个光纤波导中。经由掺杂光纤放大装置来实现单波导中的信号放大。
欧洲专利No.0846562(Tamaki)描述了利用掺杂光纤放大装置的图像记录设备和方法。与单个激光源的放大相结合地使用DFA，然后应用放大的激光源以用于雕刻印版的目的。
发明内容
简而言之，根据本发明的一方面，一种用于直接雕刻的设备包括：以不同波长发射的多个激光二极管；复用器，其用于将所述多个激光源聚集成单个激光束；稀土掺杂光纤放大器，其用于将所述单个激光束放大以形成放大的单个激光束；解复用器，其用于将所述单个激光束分裂成多个放大的激光源；以及成像装置，其用于应用所述多个放大的激光源来对印刷版成像。
附图说明
图1是示出组合具有不同波长的来自多个激光源的激光束、经由单个掺杂光纤放大器放大它们、并随后将光束分裂成其波长分量并将它们照射到印刷版上的示意图。
图2A是基于衍射光栅的复用器的示意图。
图2B是基于棱镜的复用器的示意图。图3A示出多个激光源的宽光谱宽度和小间隔。
图3B示出多个激光源的具有增大的间隔的宽光谱宽度。
图3C示出多个激光源的具有宽间隔的窄光谱宽度。
图4A示出铒增益与激光束波长的关系的曲线图。
图4B示出镱增益与激光束波长的关系的曲线图。
图5示出用于CTP实施的基于镱的DFA示例。
图6示出将两个DFA级联成行以实现更强的放大。
具体实施方式
如图1所描绘的那样，一种用于利用由不同波长的激光二极管10组成的多个激光源来产生印版的方法。来自激光二极管光的光输出被耦合到稀土掺杂光纤放大器(DFA)12。然后借助于光解复用器13根据光波长将来自放大级的输出分裂成不同的解复用激光束14。然后将解复用激光束14照射在印刷版15上。光解复用器的作用是从光纤接收由多个光波长组成的光束，并将它们分离成波长分量至不同的端口中。同样地，该装置可以执行相反操作以进行波长复用：被引入到其多个端口的不同波长组合成多波长光束。此类布置在图1中示出，其中光复用器11将来自激光源10的光耦合到DFA 12中。可以通过简单的光纤耦合器将光发射到DFA中；然而，这导致与所使用的信道数目成比例的显著光功率损耗。
参照图1，在每个单独激光源的光束被DFA放大之后，使用光解复用器13根据其波长确定其出射(exit)端口。
最常见的光复用器基于诸如衍射光栅或棱镜的色散部件，但是也可以根据干涉测量法的原理来实现。图2A和2B举例说明此类解复用器的两种不同实施方式。图2A示出基于衍射光栅装置28的解复用，而图2B是基于棱镜29。
在图2A中，来自激光源20的光束22穿过透镜21，并入射在色散光栅装置28上。结果得到的经解复用的、具有不同波长分量的多个激光束23通过透镜24被耦合到不同的波导25中。
在图2B中，棱镜29充当色散部件并将光束23分裂成波长分量，这些波长分量随后被耦合到不同的端口中。
应理解的是可以使光束的路径折回成沿相反方向传播，然后装置起到复用器的作用，从而将不同端口25的光组合到单个端口23中。Academic Press公司的Katsunari Okamoto在“Fundamentals of OpticalWaveguides”中讨论了光复用器。
不同波长的激光源10是光纤耦合半导体二极管激光器。由于激光二极管的光束被DFA放大，并且因为光放大发生在称为增益带宽的有限光频率范围内，所以激光源的波长必须位于DFA的工作波长范围内。对于用铒离子进行的掺杂，放大的有用范围是1535nm到1565nm且可以扩展至1610nm。当用镱离子进行掺杂时，可适用波长是1030～1100nm。
重要的是应避免输入激光源之间的光谱重叠；各个激光源的宽度需要比各个源之间的波长间隔更窄。这在图3A、3B和3C中有所描述。图3A示出各个激光源的光谱宽度是宽的，而信道之间的间隔是小的，因此激光信道具有显著的重叠。在图3B中，激光源的光谱宽度是宽的，但现在间隔增大了，所以重叠看起来减小了。如图3C所示的那样，利用窄光谱和宽间隔，信道具有可忽略的重叠，并且因此将在没有不同信道之间的串扰的情况下被路由到出射端口。
由于期望以高光束质量(即M2接近于一)进行工作，所以优选的DFA是单模光纤。因此，激光源优选地是具有单模光纤输出的单模激光器。由于激光二极管被放大，所以不需要高功率，并且因此单模工作不引入对输出功率要求的约束。此外，激光二极管的巨大优点是通过调制激光二极管的驱动电流来进行内部强度调制的能力。单模激光二极管更适合于高速率的内部调制。适合于镱DFA或铒DFA的波长的单模激光二极管可通过例如Lumics-GmbH http://www.lumics.com/获得。
根据激光源的波长来选择波分解复用器信道，并且端口数目由激光源的数目确定。DFA可以是掺镱光纤放大器(YDFA)，如图4B所示，其适合于1050-1100nm的波长范围内的放大。吸收光谱(虚线)表示掺杂光纤吸收光子能量的效率。由于峰值出现在970nm附近，所以用于泵浦DFA的二极管激光器被设计在此波长附近。发射曲线表示受激励的DFA的发射辐射的相对功率。当使用970nm峰值来泵浦DFA时，使用从1050nm到1100nm的曲线部分用于放大。此类YDFA可从例如IPGPhotonics的YAR-LP-SF系列获得(http://www.ipgphotonics.com/index.htm)。
如可以从图4A中的它们的曲线推断出的那样，掺铒光纤放大器(EDFA)适合于在1535～1565nm的较长波长范围下工作，且可以扩展至1610nm。此类放大器也可容易地从例如IPG Photonics获得，例如EAD和EAR系列，http://www.ipgphotonics.com/index.htm。
从图4A和4B显而易见的是，DFA的增益光谱不是平坦的。例如，在图4A中，对于铒DFA，波长1525nm处的增益40明显不同于波长1565nm处的增益41。在本领域已知用于不同信道的增益均衡、强度调制的各种方案，控制DFA的输入端处的激光二极管光束的强度是这些方案中的一个。
在优选布置中，所提议的成像印版的方法对超出所使用的光纤放大器的有用范围和所使用的光谱带宽的波长不敏感。作为示例，如果使用基于镱离子的DFA，则用于放大的有用光谱范围是1030～1100nm。在可能的布置中，CtP包括各信道之间具有5nm的波长间隔的8个光束，其中第一信道以1070nm为中心。由于间隔是5nm，所以第二信道在1075nm处，诸如此类，最后的第八信道8th在1105nm处。这在图5中被描述。激光源10进入光复用器11中，然后进入基于镱的掺杂放大器52中以被光解复用器13解复用，并且照射印刷版55。印刷版55应具有在1070nm到1105nm范围处具有相等灵敏度的特征。
本发明的方法提供部署模块化方法、允许级联多个放大级、将输出功率放大至所需水平的优点。图6示出通过部署以级联形式配置的两个基于稀土的放大器来执行放大的方法。激光束进入第一级稀土放大器62中，然后在其进入解复用器13中之前行进到第二级稀土放大器66中。关于这一点，光输出放大器的输出耦合本质上比激光器的输出耦合好，因为不需要反馈光。使得在不增加大功率激光源的数目及因此不增加相关声光调制装置的数目的情况下利用多个大功率激光束进行成像成为可能。
使用放大级而不是离散的大功率激光器的另一好处在于，控制各个激光二极管的较低功率的调制比控制大功率激光源的调制简单得多，此外，还因为激光二极管的内部电流调制是直接的。

Claims (16)

1.一种用于直接雕刻的设备，包括：
以不同波长发射的多个激光二极管；
复用器，其用于将所述多个激光源聚集成单个激光束；
稀土掺杂光纤放大器，其用于将所述单个激光束放大以形成放大的单个激光束；
解复用器，其用于将所述单个激光束分裂成多个放大的激光源；以及
成像装置，其用于应用所述多个放大的激光源以对印刷版成像。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述稀土掺杂光纤放大器由沿着光传播路径的方向级联的至少两个单独的稀土掺杂光纤放大器形成。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述稀土掺杂光纤放大器是基于镱的。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述稀土掺杂光纤放大器是基于铒的。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述稀土掺杂光纤放大器是基于钕的。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述解复用器基于衍射光栅装置。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述解复用器基于棱镜。
8.一种用于直接雕刻的方法，包括步骤：
提供不同波长的多个激光束；
将所述激光束复用成单个激光束；
使用稀土掺杂光纤放大器将所述单个激光束放大以形成放大的单个激光束；
将所述放大的单个激光束分裂成多个放大的激光源；以及
在印刷版上对所述多个放大的激光源成像。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述稀土掺杂光纤放大器由沿着光传播路径的方向级联的多于一个的稀土掺杂光纤放大器形成。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述稀土掺杂光纤放大器是基于镱的。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述稀土掺杂光纤放大器是基于铒的。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述稀土掺杂光纤放大器是基于钕的。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述解复用器是衍射光栅装置。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述解复用器是棱镜。
15.一种用于直接雕刻的方法，包括步骤：
提供多个激光束；
将所述激光束复用成单个激光束；
使用放大器将所述单个激光束放大以形成放大的单个激光束；
将所述放大的单个激光束分裂成多个放大的激光源；以及
在基片上对所述多个放大的激光源成像。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述放大器是稀土掺杂光纤放大器。
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