CN1223172C - 多光束二极管泵浦的成象系统 - Google Patents

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Abstract

一种单激光晶体由多个泵浦源驱动，以得到分离、准直的输出，而没有明显的热串扰，使得一个泵浦源的作用不会对驱动同一晶体的其他源的工作产生有害干扰；即从一个晶体区发出的图象输出不会失效，也不会引起其他区域的伪图象输出。

Description

多光束二极管泵浦的成象系统
发明领域
本发明涉及数字打印装置及方法，尤其涉及如平板印刷组件的记录介质的成象系统。
相关现有技术
使用激光光源的成象器件常常用光纤装置将激光输出传送到其目的地。这免去了设计者使激光直接相邻于记录介质物理定位的必要。例如，美国专利US.5,351,617和US.5,385,092(这些专利说明书的全文都是本申请的参考文献)公开了用激光在平板印刷板构件上刻印图象的情况。
如这些专利所述，激光输出可以从远处发出，并借助于光纤和聚焦透镜装置而照射到记录空白处。
重要的是，当辐射光聚焦在多种类型的记录介质上时，要保持满意的聚焦深度，即，距记录表面上理想角度的允许偏差。允许的聚焦深度对于成象装置的结构和使用都是重要的；工作聚焦深度越小，需要的精细机械调节工作越多且易损性越大，以致由于正常使用时出现的对准偏差而使性能降低。通过保持光束发散性为最小，而使聚焦深度最大。
为减小光束发散在光学方面所作的努力还减小了能力密度，因为透镜不能改变它所修正的光辐射的亮度；透镜只能改变光路。于是，光学修正在聚焦深度与功率损耗之间存在固有的交替损益。美国专利US.5,822,345公开了一种方法，利用半导体或二极管激光器的发散输出光学泵浦-激光晶体，而其本身还发出可观功率密度的基本无发散的激光束，该激光晶体将发散的输入光转换成有更高亮度的单模输出。激光晶体的输出被聚焦在记录介质表面上，以实现成象功能。
该美国专利5,822,345所公开的方案使用一个独立晶体作每个二极管泵浦源。由于激光晶体和其工作的特性，这通常是必需的。在有光学激励存在的情况下，由这些光学增益晶体构成的共振腔是平面-平面的整块；但当光功率传递到这种晶体的一个端面时，该面和相对的面会弯曲-体热透镜效应。为了做到横向单模工作(优选的是最低次基模TEM00)，要利用尽可能接近衍射受限光源的发散输出，在考虑体热透镜效应的设计中必须采用该晶体。
该现象使从单个激光晶体得到多个独立输出更为困难。即使每个泵浦源的能量被限制在一个晶面上的离散区域中，在一个区域中产生激光所需的热透镜作用通常将要影响到其他区域，进而导致相互干扰。该情况称为“热串扰”。因此，现行的技术状况是每个激光通道用一个独立晶体，这不仅导致晶体及其装配成本的增加，而且也使独立聚焦组件的成本增加。
此外，美国专利US5351617和US5385092(及更为相关的美国专利US5764274)所述的结构试图永久地将二极管激光器插件固定在光纤上。这是由于需要将激光能量有效地耦合到光纤的端面中去。所以，部件被永久地连接，以保持在工作时其间的对准不受干扰。如果二极管损坏了，不仅是二极管而是整个光纤组件必须更换。这样的要求是美国专利US5764274所述方案中一个小小推论，因为该光纤与聚焦组件相耦合，用于SMA连接器等等，它可以方便地去除和移动。在具有光纤输出端的方案中，无需可接触到内部或需要更多的复杂安装操作，但是，在光纤输入端永久地固定二极管无疑可以显示出其缺点。
发明概要
第一方面，本发明涉及可以用多个泵浦源驱动单个激光晶体而得到离散的准直输出，并且没有明显的热串扰。本文所用术语“明显热串扰”的含义应当理解为成象领域中的术语。基本上讲，它意味着一个泵浦源的作用不与其他驱动同一晶体的源发生横向相互干扰；即从一个晶体区域发出成象输出既未消失也没有引起其他区域的伪图象输出。事实上，“图象输出”的构成还取决于用途。在平板印刷场合下，“图象输出”在印刷板上产生一个光点，对油墨不粘合(由板的属性)的该板改变了对油墨或流体的亲和性。所以，即使激光输出对该板上产生某些物理效应，也不是“成象输出”，除非使用该板时这种效应转换成了平板印刷功能的效果。因此，未高到成象输出(或其消失)量级的较小热串扰，未达到“显著热串扰。”
根据本发明的这个方面，为了将与热透镜有关的热限定在特定的晶体区域而进行测量，同时尽最大可能地对这些区域隔热。于是，在一个实施例中，激光晶体的前面具有一串平行槽，和一对垂直于槽在该晶体前面上延伸的间隔开的金属条.这些槽和条用于对其所限定的区域进行隔热，且这些区域与泵浦源对准，以使得泵浦源的输出照射到条和槽所围区域中心的前晶面上。
这种配置可以包括永久安装的用于将泵浦能量传导到晶体上的纤维。因此，第二方面，本发明在纤维输入端提供了泵浦激光二极管可拆卸附件。在一个实施例中，此附件采用了一个蓝宝石窗，和一个将纤维的(输入)端面与该窗相抵的固定件。在另一个实施例中，泵浦激光输出耦合到其另一端与晶体前面相对接的纤维中。
例如，一种适合的布局包括：一激光二极管；与激光二极管相对应的微透镜(如永久粘在二极管输出狭缝)；其一侧与微透镜(如永久粘在与二极管狭缝相反的透镜上)对应的蓝宝石窗，和一个用于可拆卸地接受光纤使得其端面与蓝宝石窗的自由面相接触的固定件，以构成从激光二极管到光纤端面的连续光路。适用于包含同轴围绕光纤的螺纹套管等连接器(如SMA连接器)中所附光纤的适合固定件，可以包括一个具有用于接受套管的外螺纹和用于接纳有光纤的孔的管状芯柱。蓝宝石窗放置在固定件的后面，且固定件内元件之间的关系根据光纤伸入或伸出连接器的距离而定，以确保当连接器连接时，光纤端面与蓝宝石窗可靠地接触。
在第三个方面，本发明利用了成象器件的典型阵列结构，以减小成象偏差。本发明的这个方面适于组成为一或多组(每组可以包括可产生多个激光输出的多重泵浦的激光晶体)并聚焦在转鼓上的任何图象输出系统。该鼓每转动一次，一组中的每个输出都产生一列或一“条”象点(根据与所提供图象对应的数据)；相邻条的距离对应于图象的分辨率，且每当该鼓转动完一次时，由其量值对输出进行标引，以开始进行下一条。本发明采用可变标引，打乱了与特定输出对应的明显偏差的周期性，从而减少了其可见的影响。具体地讲，首先用分辨率对每组激光晶体的输出进行标引，直至每组内相邻输出光束之间的区域都已经被扫过了。然后，再用一组中第一与最后输出之间的较大距离(或对鼓上的记录介质，表示为该组输出所跨过的成象区轴向宽度)对每组进行标引，再如前用分辨率距离对每组再次进行标引。该过程是连续的，直至相邻组之间的所有未成象的区域都扫描完为止。
附图简要说明
通过本发明下面参考附图的详细说明，前述的讨论将会更为易于理解，其中：
图1是一个表示本发明基本构件的平面示意图；
图2是一个适用于接受四个独立输入而没有明显串扰的晶体的等长视图。
图3是一个用于可拆卸地使光纤耦合到激光泵浦二极管上的第一构件的截面图，其光纤部分地插入到该构件中；以及
图4是一个用于可拆卸地使光纤耦合到激光泵浦二极管上的第一构件的截面图，其中光纤已从该组件上拆卸下来。
具体实施方式
首先参考图1，其中示意性地表示出本发明的基本构件。记录介质50，如平版印刷空白板或其他图象工艺构件，在成象过程中被固定在一支撑件上。在所述设备中，该支撑件是一个被记录介质50围绕着的圆柱52，且其如箭头所示转动。如果需要，圆柱52可以直接地并入到传统平版印刷的设计中作为印刷的版柱。圆柱52支撑在一个框架上，并由标准电机或其他传统机构驱动而转动。与探测器55对应的转轴编码器检测圆柱52的角位置。如下文所述，本发明的光学组件可以安装在读写头上，当圆柱52转动时该读写头可在垂直于记录介质的螺杆和导杆组件上移动。读写头的轴向移动由步进电机转动驱动，该电机转动螺杆并使读写头在每次通过圆柱52之后换位。
照射在记录介质50上而产生成象扫描的成象光，由符号D1，D2，D3，D4表示的4个串联泵浦激光二极管60产生。下文讨论的光学组件使激光输出在记录介质50上汇集成小光点，从而得到高的有效功率密度。控制器65选择性地操纵一组激光驱动器67(下文将更为全面地说明)，以当激光60的输出对准与记录介质50相对的相应点时产生成象曝光。
控制器65从两个源接收数据。与激光输出对应的圆柱52的角位置始终由探测器55检测，它为控制器65提供表示该位置的信号。此外，图象数据源(如计算机)70也为控制器65提供数据信号。该图象数据定义了将要写入图象点的记录介质50上的点。所以，(当探测器55报告时)控制器65使激光器60的聚焦输出的即时相关位置和记录介质50与图象数据相关联，以在扫描记录介质50期间，相应次数地激励相应的激光驱动器。实施该方案所需的驱动器和控制电路，在扫描器和绘图机技术领域是公知的；适合的设计公开在前述美国专利US.5385092和美国专利US.5174205中，两者都属于本申请人，并在本文中被引用作为参考。
每个激光器60的输出都由光纤装置721，722，723，724引导到对准台座75，该台座具有一组用于接收光纤的平行槽77。可由金属或石英等材料制造的台座75，与激光晶体对准，以将激光器60的输出指向激光晶体80前面80f上的适当点。由于激光晶体80的如下所述结构，每个激光器60从激光晶体80中受激发射出独立的输出，而没有明显的热串扰。
晶体80的辐射到达记录介质50上。第一透镜阵列82将激光器D1-D4的输出会聚到晶体80上，而第二透镜阵列84将来自于晶体80的输出会聚到聚焦透镜85上。然后，后面的透镜缩小入射光束，目的是进一步将其会聚，并使其在记录介质50的表面上更紧密地会聚在一起。来自晶体80的光束其初始间距或间隔P，与其在记录介质50上的最终间隔之间的关系由Pf＝P/D给出，其中Pf是最终间隔，而D是透镜85的缩小率。例如，台座75的槽77可以间隔开400μm，它也确定了间距P。如果透镜85的缩小率是4∶1，然后光点将在记录介质50上间隔开100μm。
目前市售激光晶体的给定特征，每个晶体四个泵浦源，是优选的配置。但是，不同的配置当然也是可以的。大多数成象应用将需要四个同步工作的激光束。所以，一种是采用具有多个晶体(如，每个都接收四个泵浦输入)的读写头，它们通过相同或独立的光学组件82，85进行聚焦，并全部都用相同的螺杆推进。如下文所述，多泵浦激光晶体组的采用也是为了减小成象的偏差。
本发明可以采用各种激光晶体，只要它们在所需的成象波长下能发出足够的激光，并产生准直的输出即可。优选的晶体是掺杂稀土元素的，通常为钕(Nd)，并包括Nd:YVO4，Nd:YLF和Nd:YAG晶体。但是应当理解，采用其他晶体也可以得到有利的结果。
参考图2，为了接收多泵浦源发出的能量并相响应于该能量提供无明显热串扰的离散输出，对激光晶体80作了改进。晶体80具有一组切入端面80f的平行纵槽100和横向槽101。槽100，101可以有2-10μm的深度并间隔开100μm。(通常晶体80的厚度为0.5-2.0mm，并且极化矢量VP如所示取向)
一对金属条1021，1022跨过晶体80的面80f且平行于槽101延伸；互补的另一对金属条1023，1024跨过晶体80的后面延伸。金属条102可以是黄金的，高0.8μm且厚0.005μm，而且可以用真空镀或其他方法涂覆。其目的是将晶体80的接触区热耦合到热沉装置上(如，共同悬而未决的1997年11月7日提交的申请08/966492，其全文在此作为参考)。
槽100，101限定了一组四个有界区域。经过泵浦的激光输出按需要指向这些区域的中心点105。相应地，晶体80将产生四个独立的输出而没有明显的热串扰。
激光二极管的分组结构有利于减小成象偏差。这些偏差可能出现在相邻成象器件所成图象带之间边界处，并且反射器件之间间隔中产生的轻微缺陷。可以通过对每个阵列内的器件间间隔和阵列间间隔进行处理以便用不同的量做标引，来消除这些缺陷直观可见的影响。变化的标引打乱了图象误差的周期性，使其不易被察觉。
建议，图1所示的阵列是单读写头中几个阵列之一，每个阵列中的间距P是400μm，透镜85的缩小率是4∶1，以便在记录介质表面上产生间隔开100μm的光点。进一步建议，所需的光点分辨率(即记录介质50上相邻光点之间的间隔)是20μm。圆柱52每转动一次，四个二极管的每一个都产生一列或“一行”象点。一次转动之后，用20μm标引该阵列(分辨率或“点间”距离)；且完成4次阵列标引之后(以便完成间隔开20μm的四列)，即完成了该阵列所跨过的整个区段的成象。然后用300μm标引该读写头，该距离代表该成象区段的宽度。由于阵列间的正常间隔比区段宽度明显地大，在一次扫描行程中可以经过多个区段宽度对每个阵列进行标引。由于这个变化的标引(即，分辨率和区段宽度的大小)，与其器件仅仅以分辨率距离标引的系统比较起来成象，偏差一般会不易察觉。
图3表示了第一固定构件，它便于可拆卸地将激光二极管D1-D4的任何一个耦合到其对应的光纤721-724(见图1)。该构件表示为150，它将激光二极管155的输出引导到光纤端面而不需要永久地固定到其上。固定构件150包括一个具有容纳永久固定于其中二极管插件155的内腔的外壳158。外壳158包含便于二极管155电连接的适当开口，未示出。
二极管155具有发射狭缝160，从其中发射出激光辐射。辐射离开狭缝160时发生色散，并在狭缝边缘处发散。通常沿着短或“快”轴的色散(表示为“数值”，或NA)是初级的；采用发散减小透镜165来减小该色散。优选的配置是柱透镜；但是其他光学装置，如具有半球截面或快慢轴均校正的透镜，也可以很好地使用。透镜165可以直接粘到二极管155的狭缝160处。在透镜165的前面是蓝宝石窗168，该窗安装在管壳170的端部，形成其端面。管壳170被放置在外壳158的内腔里，且适宜粘在其中以使得窗168的外侧面接触(并可以粘到其上)到柱透镜165的平面。管壳170和外壳158适宜为金属的。
管壳170包括用于接收光纤缆180的螺纹套筒175，该光缆端接在SMA连接器插件182上，它包括自由转动的螺纹接头184。缆线180穿入接头184内并从接头伸出，在端面180f处端接。(光纤在缆线内并用虚线表示。)可以选择套筒175的长度，以使得接头184完全拧上，缆线180的端面180f与蓝宝石窗168的内面相接触。因此，如果二极管155损坏，拆卸时不必妨碍光缆组件。代之以可拆卸连接器182的简单拆卸，和二极管构件的替换。
图4表示了便于可拆卸地将任何激光二极管D1-D4耦合到其相应光纤721-724中(见图1)的第二固定构件。所述构件通常表示为200，它将激光二极管155的输出引导到光纤端面中，而不必永久地固定于其上。固定构件200包括一个容纳永久固定于其中二极管插件155的内腔的外壳210。该外壳210包含便于二极管155电连接的适当开口，未示出。
二极管155的发射狭缝160，通过发散减小透镜165来定向，该透镜可以是柱面透镜。透镜165可以粘到光纤的长度215处，该光纤穿过外壳210内的一陶瓷套筒218而伸出。从外壳210伸出并对准套筒218的管壳220中具有一或多个导引槽或通道222。该光纤缆180端接在一个具有凸脊或凸缘端227的连接器225，该凸缘的直径大致与管壳220的内径相匹配(以便将连接器225方便地接收在管壳220内)。当连接器225轴向深入到管壳220内时，销子230从凸缘227径向伸出并配合到导槽222内。缆线所载光纤穿过装在连接器225内的陶瓷套管235而从连接器225伸出。
选择导槽222的深度，以使得销子在到达槽的端部之前，陶瓷套筒235的端面与套筒218的端面机械接触，从而缆线180中的光纤与光纤215对准。一或两个端面可以涂覆标引匹配液(如十氢萘的顺-反混合物)，以确保有适当的光透过连接点。
为了保持套筒218，235端面之间的机械接触，鉴于商用印刷条件振动严重，连接器225可以具有弹簧237，其一端与凸缘227相接触。弹簧237的另一端与机械组件配合(未示出)，以将其推向固定构件200。所得的轴向力传递到凸缘227，弹簧237弹簧常数决定了该力幅值，它保持套筒218，235端面之间的接触。选择弹簧237的弹簧常数，以确保可靠的接触而不损坏套筒218，235，或者更可能是端面的歪斜或偏移。
所以可以看到，我们开发了新的有用的方法，来解决壳用于各种数字成象条件下多光束二极管泵浦激光系统的设计与操作。本文所用的术语和表述是为了说明的目的，并不是限制，没有用这样的术语和表述排斥其所描述的特征任何等效物，但是应当知道，各种修正可以包括在本发明权利要求范围内。

Claims (6)

1.用于对激光响应记录构件进行成象的装置，该装置包括：
a.至少一个阵列，其每一个包含多个图象输出源，每个阵列的源彼此间隔开一个源间距并产生一输出，每个阵列在所述记录构件上具有一个等于来自第一源的光束与来自最后源的光束间距离的区段宽度；
b.用于将输出在记录构件上聚焦成一组按光点间距隔开图象光点的机构；
c.按照对应于所述光点间距的连续增量偏移每个阵列的机构，偏移量等于所述源间距；以及
d.在偏移所述源间距之后，按照对应于区段宽度的增量偏移每个阵列的装置。
2.权利要求1的装置，其中相邻阵列的相应源隔开一个阵列间距，该阵列间距比区段宽度要大得多，以便按多倍区段宽度标引该阵列。
3.权利要求1的装置，其中的源是共线的。
4.权利要求1的装置，进一步包括：
a.用于承载记录构件的转鼓；
b.按照代表图象的图案驱动源的机构，在完成鼓的运转之后标引阵列，以利用记录构件成象区的源实现扫描。
5.权利要求1的装置，其中聚焦机构具有缩小率，缩小率使得源间距超过点间距一个预定量。
6.一种用至少一个阵列对激光响应记录构件成象的方法，该阵列包括多个图象输出源，每个阵列的源彼此隔开一个源间距并产生输出，每个阵列在所述记录构件上具有一个等于来自第一源的光束与来自最后源的光束之间的距离的区段宽度，该方法包括下列步骤：
a.将输出在记录构件上聚焦成一组彼此隔开光点间距的象点；
b.按照对应于所述光点间距的连续增量偏移每个阵列，偏移量等于所述源间距；以及
c.偏移源间距之后，按照对应于区段宽度的增量偏移每个阵列。
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