JP2007536572A - 長さを短縮し、性能を向上させたレーザ共振器を使用するグラフィックアートレーザ画像形成 - Google Patents

Abstract

装置の出力パワーが大きい（例えば、１０ワット以上）である場合に、比較的小型のキャビティ長（例えば、５０〜５３ｍｍ）であるにもかかわらず、比較的高いビーム品質（例えば、Ｍ^２＜１．２５）を有する共振器レーザ。この共振器レーザによれば、性能を犠牲にすることなく、物理的に小さなレーザ及び光学アセンブリを構築することが可能となる。また、画像形成能力を低下させる可能性がある光学的干渉も低減される。レーザ及び光学アセンブリは、光学障壁要素(156)に規定された開口部(154)を使用して、ダイオードポンプレーザ(112)から放射される光ビームの発散を低減する。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２００４年５月５日に出願された仮米国特許出願第６０／５６８，３４３号に基づき優先権を主張し、その恩恵を受ける。この特許出願の開示は参照により本明細書に援用される。

発明の分野
本発明は概してグラフィックアート画像形成に関し、特に、リトグラフによる画像形成に使用されるレーザ共振器の最適化に関する。

発明の背景
オフセット印刷機では、印刷可能な画像が、インクに馴染む（親油性の）表面領域とインクを弾く（疎油性の）表面領域のパターンとして印刷部材上に形成される。それらの領域にインクを塗布すると、非常に忠実に画像に従ったパターンとしてインクを記録媒体に効率的に転写することができる。乾式印刷機は、インクを直接塗布することが可能であるくらい十分にインクを弾く性質の部分を有する印刷部材を使用する。印刷部材に均一に塗布されたインクは、画像に従ったパターンとして記録媒体に転写される。通常、印刷部材はまず、ブランケットシリンダと呼ばれる軟らかい中間面に接触させられ、次に、その画像が、用紙その他の記録媒体に付着される。一般的な枚葉紙印刷機では、記録媒体は圧胴に固定され、その圧胴がブランケットシリンダに接触させられる。

湿式石版印刷機では、非画像領域は親水性であり、必要とされるインクを弾く性質は、インクを塗布する前に、最初に湿し液（湿し水）をプレートに塗布することによって得られる。このインク溶剤は、インクが非画像領域に固着することを防止するが、画像領域の親油性に影響は与えない。

印刷機が２色以上で印刷するためのものである場合、各色に対応する個別の印刷部材が必要となる。原画像は複数の画像に従ったパターン、すなわち「セパレーション」に分解され、各画像に従ったパターンは、対応する印刷可能な色の貢献度を反映する。印刷部材の位置は、異なる部材によって印刷される複数の色成分が印刷用紙上で整合するように調整される。各印刷部材は通常、「プレート」シリンダ上に取り付けられ（又は、一体化され）、印刷機上の特定の色に関連するシリンダの組は通常、印刷ステーションと呼ばれる。

大半の従来の印刷機では、印刷ステーションは真っ直ぐに、すなわち、「インライン」構成で配置される。各ステーションは通常、圧胴、ブランケットシリンダ、プレートシリンダ、及び必要なインクアセンブリ（湿式印刷機では、湿し水アセンブリ）を有する。記録材料は、複数の印刷ステーション間を順番に送られ、各ステーションが、記録材料に異なるインク色を付け、合成多色画像を生成する。米国特許第４，９３６，２１１号に記載される他の装置では、各印刷ステーションを通過させるようにして記録材料のシートを担持する中央圧胴を使用することにより、媒体を各印刷ステーションを物理的に通過させる必要性を省いている。いずれのタイプの印刷機を使用する場合も、記録媒体はカットシート、または材料の「ロール」の形で印刷ステーションに供給される。

従来の印刷技術を象徴する石版印刷による面倒な現像、プレート取り付け、及びプレート位置決めの操作を避けるために、実務者は、画像に従ったパターンをデジタル形態で記憶し、そのパターンをプレートに直接印刷する電子的な代替方法を開発した。コンピュータ制御によるプレート画像形成装置は、種々の形態のレーザ装置（例えば、共振器タイプのレーザ）を有する。例えば、米国特許第５，３３９，７３７号、５，３５１，６１７号、５，３８５，０９２号、５，８２２，３４５号、及び５，９９０，９２５号は、レーザ放電を使用して、石版印刷による未加工の層を画像に従ったパターンで除去することにより、写真現像を必要とせずに直ぐにインク印刷可能な部材を作成するアブレーション／サブアブレーション記録装置を開示している。これらの文献は参照により本明細書に援用される。こうしたシステムでは、レーザ出力はダイオードから印刷面に導かれ、レーザアブレーションを受けやすいその表面（すなわち、レーザアブレーションを最も受けやすい層、この層は通常、表面層の下にある）に集束される。印刷機によっては、フォトマスクまたはネガを通して全体を露光する代わりに、レーザエネルギーを使用して、アブレーション以外の方法でドナーからアクセプタシートへ材料を転写するもの、すなわち、点状に材料を転写するものがある。

レーザを利用した画像形成装置を設計する際の難題は、装置のコストや設置面積を最小限に抑えながら、高度な対称性とエネルギー集中度を有するビームを実現することである。一般に、出力は本来円形で、主峰を１つだけ有するという特徴を持つものでなければならない。実際の出力が理想の回折限界光源にどの程度近いかは定量化することができ、出力の品質は、その量を使用して評価される。特に、広く使用されているＭファクタは、ビーム分解能を理想の回折限界光源（すなわち、Ｍ^２＝１）に関連付ける。不都合なことに、共振器レーザのビーム品質は、キャビティの長さに応じて変化する（出力パワーレベルが一定の場合）。すなわち、キャビティのが長くなるほど（そして、レーザアセンブリが大きくなるほど）、Ｍ^２は１に近づき、したがって、ビームは良好になる。したがって、比較的高いビーム品質と比較的短い共振器長を兼ね備えた設計が必要とされている。

発明の概要
本発明によれば、共振器レーザは、比較的高い出力パワー（例えば、１０ワット以上）のデバイスの場合に、比較的短いキャビティ長（例えば、５０〜５３ｍｍ）であるにもかかわらず、比較的高いビーム品質（例えば、Ｍ^２＜１．２５）を有する。その結果、性能を犠牲にすることなく、物理的に小型のレーザアセンブリ及び光学アセンブリを構築することが可能となる。また、本発明によれば、画像形成能力を低下させる可能性がある光学的干渉も低減することができる。一実施形態において、レーザアセンブリ及び光学アセンブリは、光学障壁要素に形成された開口部を利用して、ダイオードポンプレーザから放射される光ビームの発散を低減する。発散の低減された光ビームは更に、バルクレンズの発生量を低減するためにドーパントレベルを比較的低減した「レーザ母体結晶（ホストクリスタル）」（例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＡＧ）上に集束される。ドーピングレベルを低減することで、結晶の長い方の長さ方向にわたってポンプエネルギーを吸収させることができ、その結果、結晶をより均一に加熱することが可能となる。開口部のサイズを、結晶ドーピングレベルの低減と組み合わせると、母体結晶の有効口径が低減され、その結果、通常の曲率よりも大きな曲率を有する出力カプラ／レンズを使用することが可能となり、したがって、レーザ共振器の長さを短縮することが可能となる。また、結晶の長さを短縮（１２ｍｍから１０ｍｍへ）し、特定の結晶を選択するのではなく、特定の出力カプラを選択することによって記録媒体を照明する光ビームの特性を調節してもよい。共振器ノイズの量を低減し、モード品質（例えば、Ｍ^２）を改善するために、結晶と出力カプラの間には第２の開口部を配置することが望ましい。

レーザ装置から放射された光ビームを記録装置で使用する場合、レーザの動作に悪影響を与え、所望の画像品質を低下させる後方反射（レーザの損傷や、記録媒体の露光の過不足の原因となる）、及び／又は、他の望ましくない干渉（例えば、記録媒体内で発生する熱分解により生じる電離プラズマや塵の噴流の量を低減するために、光ビームは記録媒体に対して垂直に照射されるのではなく、所定の入射角にしたがって記録媒体へ照射される。有用な一実施形態において、レーザ装置から記録媒体へ放射される光ビームは、比較的一般的な２°の入射角ではなく、約７．５°から約１０．０°の範囲の入射角を有する（この入射角は赤外（ＩＲ）波長、又は近赤外波長の場合であり、紫外線や他の波長の場合は異なる場合がある）。入射角を大きくすることで、レーザを望ましくない後方反射から保護することができ、また、光ビームに対する塵の噴流やプラズマの干渉の影響を低減することができ、さらに画像品質が改善され、必要とされる画像形成パワー、及び最終的な放射を低減することができる。当業者には明らかなように、比較的大きな入射角を使用したプラズマ／塵の噴出からの保護は、レーザマーキング、レーザ彫刻、レーザミリングのような非常に様々な実施形態に有用である。
大きなオフセット角の使用は、標準的な実施形態とは対照的である。例えば、回転ミラーを使用してレーザビームを位置決めする装置では、オフセット角を大きくすると、画像形成装置の内部シリンダの全幅が、回転ミラーの中心からレーザビームがそのシリンダに当たるポイントまでの距離（すなわち、距離に正接角を乗じたもの）だけ増加し、光学スポットは歪み、丸くならなくなる。また、入射角を大きくすると、例えば、反射エネルギーが増加することにより、記録媒体の層に吸収されるエネルギーは減少する。こうした理由から、オフセット角は一般に最小限に抑えられていた。しかしながら、本技術によれば、従来の欠点を上回る予想外の利点が得られることが判明した。
一実施形態において、開示技術は、ダイオードポンプ半導体レーザを利用する。こうした装置は、マルチモード半導体レーザ（例えば、８０８ｎｍのピーク波長を有する）を使用して母体結晶をポンピングする。母体結晶には、例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４、Ｎｄ：ＹＬＦ、又はＮｄ：ＹＡＧが使用される。次いで母体結晶は、その高発散性のマルチモードポンプエネルギーを非常に低い発散性のシングルモードレーザビームに変換する。レーザ共振器のキャビティは、母体結晶と出力カプラの対向する面に設けられた光コーティングによって画定される。通常、母体結晶には、何らかの形の熱制御機能が与えられる。レーザ装置は、例えば、アブレーション／サブアブレーション型の印刷部材、または転写型の印刷部材への画像形成に使用される。
開示技術の少なくとも一部の態様によれば、ポンピング光源の出力は、集束レンズ装置、及び光学障壁を貫通するビーム発散低減開口部を有する光学アセンブリを介して母体結晶に供給される。この光学アセンブリは、母体結晶と出力カプラの間に、第２のビーム発散低減開口部を更に有する場合がある。この第２の開口部によれば、電源ラインの変動やモード擾乱によるポンプノイズを低減することができ、更に、共振器を安定させることができる。第２の開口部から放射された光ビームは音響光学変調器（「ＡＯＭ」）に供給され、記録媒体に向けて屈折される一次ビーム（及び／又は、ゼロ次ビーム）と、破棄される二次ビームが、コリメートされる。ＡＯＭは、そのビームを変調して印刷媒体上に「ＤＯＤ（Dot On Demand）」画像を生成し、画像データに従って、ドットが必要な印刷媒体の場所にだけビームを照射する。印刷媒体に対するビームの位置決めは、画像形成分解能に基づいて決まる固定速度で回転する多面鏡によって達成される。

アブレーション型の装置では、ビームは、レーザ光に反応して揮発するように設計された記録媒体の「アブレーション層」に集束される。転写型装置では、ビームは転写層に集束される。いずれの場合も、レーザビームの焦点深度は、ある程度の許容偏差を有する。次に、高品質の（すなわち、Ｍ^２が小さい）シングルモードレーザビームを使用して、焦点深度を拡大する。このように、市販のプレート画像形成装置では、焦点深度が重要とされ、本発明によれば、小型のレーザパッケージにおいて必要な焦点深度、及びビーム品質が得られる。

開示技術の光学部品は書き込みヘッドに取り付けられ、書き込みヘッドは均一な間隔で配置された複数のそのようなアセンブリを含む場合がある。コントローラは、書き込みヘッドと記録媒体を相対移動させることにより、その表面全体をレーザ（複数の場合もあり）によって走査し、記録媒体の適当なポイント、又は領域の近傍の位置において、それらを駆動して画像を形成する。コントローラは、印刷部材の各走査が完了するたびに、書き込みヘッドから放射されたビームの数、及び所望の分解能（すなわち、単位長さ当たりの画像ポイントの数）によって決まる距離に書き込みヘッドを位置決めする。レーザの駆動パターンは、原画像の正確なネガ画像、又はポジ画像を生成するための画像信号によって決まる。この画像信号は、記録媒体上に印刷される原文書または写真に対応するもので、コントローラに供給される。画像信号はビットマップファイルとしてコンピュータに記憶される。ビットマップファイルは、ラスターイメージプロセッサ（ＲＩＰ）、又は他の適当な手段によって生成することができる。例えば、ＲＩＰは、記録媒体に転写しなければならない全ての特徴を規定する入力データを受け取る。この入力データは、ページ記述言語で記載され、あるいはページ記述言語と１以上の画像データファイルの組み合わせによって記載される。ビットマップは、色調、並びに、画面の周波数、及び角度を規定するように構成される。開示技術の構成要素は印刷機に配置してもよいし、別個の独立したＣＴＰプレートメーカー（または、「プレートセッター」）に配置してもよい。印刷機に配置した場合は、画像形成されたプレートを使用して直ぐに印刷を行うことができ、プレートメーカーに配置した場合は、画像形成されたプレートを取り外し、それを手作業で印刷機に移す。

本明細書で使用される「プレート」、又は「部材」という用語は、インク、及び／又は溶剤に対して異なる親和性を有する複数の領域によって規定される、画像の記録が可能な任意のタイプの印刷媒体、又は表面を意味する。適当な部材としては、印刷機、又はオフプレス型ＣＴＰ（Computer To Plate）画像形成装置のプレートシリンダに取り付けられる従来の平坦な、又は湾曲した（例えば、凹状、又は凸状に）リトグラフプレートなどがあり、また、継ぎ目のないシリンダ（例えば、プレートシリンダのロール面）、エンドレスベルト、又は他の部材であってもよい。

概して、一態様において、本発明は、レーザに反応する記録媒体に画像形成する装置を提供する。この装置は、光ビームを放射する光源と、開口部が形成された光学障壁要素とを含む。開口部は、ビームの一部だけを通過させることができ、通過部分は、開口部に入射するビームに比べて低い発散性を有する。この装置は、開口部から出た放射光を受け取るための結晶を更に含む。結晶は、開口部のサイズ、及び結晶のドーピングレベルに少なくとも一部基づく有効口径を有するシングルモードの光ビームを形成する。この装置は、結晶によって形成されたシングルモードの光ビームを受け取り、共振器のキャビティを形成する出力カプラを更に含む。

本発明の種々の実施形態において、光ビームは、実質的に赤外波長を有する。また、開口部は、約５．０〜６．５ｍｍの範囲の直径を有する。さらに、結晶は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４結晶、Ｎｄ：ＹＬＦ結晶、及び／又はＮｄ：ＹＡＧ結晶に対応し、約１０ｍｍの長さを有し、約０．２％〜０．５％の範囲のドーパントレベルを有する。共振器のキャビティは、約５０〜５３ミリメートルの範囲の長さを有する。実施形態によっては、出力カプラから出たシングルモードの光ビームは、約７．５〜１０．０°の範囲の入射角で記録媒体に集束される場合がある。

本発明のこの態様の一実施形態において、装置は、第２の開口部が規定された第２の光障壁要素を更に有し、第２の開口部は共振器のキャビティの中に配置され、モードパワー擾乱を低減し、不要なモードを遮断する。第２の開口部は、約０．０２〜０．０５インチの範囲の直径を有する場合がある。

一般に、本発明の他の態様において、本発明は、レーザに反応する記録媒体に画像形成する方法を提供する。この方法は、シングルモードの光ビームを形成するステップと、そのシングルモードの光ビームを約７．５〜１０．０°の範囲の入射角で記録媒体の所望の位置に集束させるステップとを含む。

本発明の更に他の態様において、本発明は、レーザ光を送達する方法を提供する。この方法は、光ビームを放射するステップと、開口部が形成された光学障壁要素を通して前記光ビームを導き、前記開口部において前記光ビームの一部だけを通過させることによりビーム発散性を低減するステップとを含む。この方法は、前記ビームの通過部分を結晶に導き、該結晶により、前記開口部のサイズ、及び前記結晶のドーピングレベルに少なくとも一部基づく有効口径を有するシングルモードの光ビームを形成することを含む。この方法は、レーザ出力を形成するように前記結晶によって形成されたシングルモードの光ビームを利用して共振器のキャビティを形成するステップを更に含む。種々の実施形態において、この方法は、第２の開口部が形成された第２の光学障壁素子を前記共振器の内部に配置することにより、モードパワーの擾乱を低減し、不要なモードを遮断するステップを更に含む。

開示技術は、印刷以外の環境に使用しても有用である。事実上、高品質の変調レーザビームが必要とされるどのような用途であっても、本明細書に記載するアプローチから恩恵を受けることができる。そのような用途には、切断、彫刻、マーキング、はんだ付け、薬物療法などがある。

特に断わりがない限り、例示する実施形態は、特定の実施形態の種々の細部の例示的特徴として提供するものと考えられる。したがって、特に断わりがない限り、それらの例における特徴、構成要素、プロセス、モジュール、データ要素、及び／又は態様は、場合によっては、開示するシステム、又は方法から外れることなく、結合され、相互接続され、並べられ、分離され、交換され、及び／又は位置変更される場合がある。さらに、構成要素の形やサイズも、特に断わりがない限り例示的なものであり、開示技術に影響を与えることなく変更することが可能である。

開示のために、「実質的に」という用語は、正確な相互関係、条件、構成、向き、及び／又は他の特性を指すものとして、また、開示する方法やシステムに影響を与えないものであれば、当業者が理解するようなそれらの変形も指すものとして広く解釈される。

図１を参照すると、一実施形態において、開示技術の少なくとも一部の態様を含むレーザアブレーション／サブアブレーション記録装置１００を使用すると、未加工のリトグラフプレート、又は他のグラフィックアーツ部材のような記録媒体１０２に画像形成することができる。画像形成の間、記録媒体１０２は支持部材に固定される。図示の実施形態において、支持部材は、従来のシリンダ１０４、又は従来の平坦な、若しくは湾曲した支持部材（例えば、凹状又は凸状のシリンダ）のような他の適当な構成であり、その周りに、又はその内部に、記録媒体１０２が配置される。必要であれば、シリンダ１０４は、従来の石版印刷機、又は独立したＣＴＰデバイスの設計に単純に組み込むこともでき、プレートシリンダとして機能する場合がある。シリンダ１０４はフレームによって支持され、必須ではないが、標準的な電子モータ、又は他の従来の手段によって回転される。シリンダが回転するとき、シリンダ１０４の角度位置は、検出器１０６に接続されたシャフトエンコーダによってモニタリングされる。以下で説明する開示技術の光学部品の全部、又は一部は、記録媒体１０２上を横切って配置された親ネジ及びガイドバーアセンブリ（図示せず）に対して移動させるために、書き込みヘッドに取り付けられる場合がある。書き込みヘッドがシリンダ１０４上を一回走査するたびに、モータ（図示せず）の回転によって書き込みヘッドは軸方向に移動され、それによって、親ネジが回転され、書き込みヘッドが位置決めされる。必要であれば、印刷部材は、代わりに静止シリンダの内部に取り付けてもよい。

画像の走査に影響を与えるように記録媒体１０２に衝突する画像形成のための光は、１以上のダイオードポンプ半導体レーザ装置（「ＤＰＳＳ」）１１０を使用して生成される。ダイオードポンプ半導体レーザ装置１１０は、ポンプレーザ１１２、及びレーザ母体結晶１１５を含む。以下で説明する光学部品によれば、レーザ出力全体が小さな形で記録媒体１０２上に集束されるため、高い有効パワー密度が得られる。ＤＰＳＳ１１０は、画像形成モードにおいて一定パワーで動作する。画像データソース（例えば、コンピュータ）１２０は、制御電子回路１１２に画像データを供給し、制御電子回路１１２は、ＲＦ変調器駆動回路１２５を駆動して、その瞬間の画像を生成する。ＲＦ変調器駆動回路１２５は音響光学変調器（ＡＯＭ）１３０を制御し、次いで、音響光学変調器１３０はレーザビームを変調し、画像情報を記録媒体１０２に転写する。画像データが記録媒体への書き込みを表すものである場合、ＡＯＭ１３０は、レーザビームを上方向に屈折させ、レーザービームを記録媒体１２０へと続く光路の中に導く。これに対し、レーザ１１０が非画像ポイントの近傍にある場合、ＡＯＭ１３０は駆動されず、レーザビームは、反射ビームブロック１３４を介してレーザパワー検出器１３２へと導かれる。ＡＯＭ１３０と反射ビームブロック１３４の間には、レンズのような更に別の光学部品が使用される場合がある。

コントローラ１２２は３つのデータソースからデータを受け取る。レーザ出力に対するシリンダ１０４の角度位置は、検出器１０６によって常にモニタリングされる。検出器１０６は、その角度位置を示す信号をコントローラ１２２に供給する。更に、画像データソース１２０は、データ信号をコントローラ１２２に供給する。この画像データは、画像スポットが書き込まれるべき記録媒体上のポイントを規定する。したがって、コントローラ１２２は、レーザ１１０と記録媒体１０２の間の瞬間的な相対位置（検出器１０６から報告される）と画像データとの間の相関を求め、記録媒体１０２を走査する際に適当な時点でＲＦ駆動回路１２５を駆動する。また、コントローラ１２２は、ミラー１３６の回転も制御する。ミラー１３６は、記録媒体１０２に対するビームの最終的な位置、及び記録媒体１０２に対するビームの入射角を決定する。この仕組みを実施するために必要となる駆動制御回路は、スキャナやプロッタの技術分野において既知のものである。適当な設計は、米国特許‘０９２及び米国特許第５，１７４，２０５に記載されている。これらの文献は参照によりその全体が本明細書に援用される。また、コントローラ１２２は更に、レーザパワー検出器１３２からフィードバックを受信する。レーザパワー検出器１３２は、ＤＰＳＳレーザ１１０の出力パワーをモニタリングし、その情報をフィードバック回路１４０を介してコントローラ１２２に供給する。次に、コントローラ１２２は、ポンプレーザ１１２へ向かう電流を調節し、レーザ出力パワーを一定に維持する。記録媒体１０２へと続く光路上には、レーザビーム減衰器／遮断器１４２が配置される場合がある。これにより、レーザビームが記録媒体１０２に到達することを防止できるだけでなく、更に、ＤＰＳＳレーザ１１０を光学的、及び熱的に安定した状態に維持することができ、「オンデマンド（要求に応じた）」画像形成信号に対する迅速な応答を得ることができる。その結果、オフプレス型ＣＴＰ画像形成装置の処理能力を向上させることができるだけでなく、オンプレス型印刷機の画像形成装置の処理能力を向上させることもできる。

レーザ１１２（直接放射される場合もあれば、光ファイバー束１４５を通して放射される場合もある）の出力でレーザ結晶１１５をポンピングすると、結晶１１５からの放射光が、実際に記録媒体１０２まで到達する。本発明によれば、所望の画像形成波長において適度な変換効率を有し、所望のビーム品質のレーザを放射するものであれば、種々のタイプのレーザ結晶を母体結晶１１５として使用することができる。好ましい結晶は、希土類元素、一般的にはネオジム（Ｎｄ）がドープされ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４、及びＮｄ：ＹＡＧ結晶を含むものである。

１以上のレンズ１５０は、レーザ１１２の出力を結晶１１５のポンプ面に集束させる。例えば、ポンプ面１５２に衝突するビームの直径は５００μｍである。光ファイバ束、又は光源１１２から出力される放射光は、そこを出る際に発散する。一般に、図１に示すような短軸、すなわち「高速」軸方向における発散が、主な問題となる。この発散は、光ファイバー束からビームが出力される場所に配置された発散低減レンズを使用して低減することができ、又はポンプレーザ１１２から放射される光ビームの少なくとも一部を光学障壁１５６に形成された開口部１５４を通過させることによって低減することができ、さらに、それら両方によって低減することもできる。例えば、発散低減レンズを使用する場合、発散低減レンズには、実質的に適当な直径を有するガラス棒のセグメントである円柱レンズを使用することができる。ただし、半球型断面を有するレンズや、高速軸と低速軸の両方を補正するレンズのような他の光学部品を使用すると有利な場合もある。光学障壁１５６は、反射率、及び／又は屈折率の高い表面１５８を有し、その表面１５８が、望ましくない光を結晶１１５から遠ざかる方向へ導く。

レンズ１５０は、開口部１５４（及び／又は、発散低減レンズ）から放射される光をレーザ結晶１１５のポンプ面１５２に集束させる。短い共振器を使用する場合、この開口部１５４は、レーザ出力ビームのＭ^２を低下させる働きをする。一般に、結晶１１５のポンプ面１５２は、ポンプ光源からの所望の波長を有する光は入射させることができるが、母体結晶のレーザ波長を有する光は内部反射させるミラーコーティングを有する。他方の出口面は、そのレーザ波長を有する光を母体結晶１１５の出力面を通してを最大限に通過させるＡＲコーティング１６０を有する。

母体結晶１１５の出力は、出力カプラ１６５の湾曲面１６２に衝突する。出力カプラ１６５は、平凸デバイスであってもよいし（図示のように）、他の幾何学構成を有するものであってもよい。湾曲面１６２は、母体結晶１１５の表面１１５と同様に、レーザ波長の一部を反射させるミラーコーティング、及びレーザ増幅特性を有し、内部反射が可能な２つコーティングが施される。出力カプラ１６５の他方の出口面１６８は、表面パワー損失を抑制するＡＲコーティングを有する。一実施形態において、ポンプ面１５２はＨＲ／ＨＴコーティングが施され、カプラ面１６２はＰＲ／ＨＲコーティングが施される。例えば、それらのコーティングは、出力光を強力に反射し、それによって出力光を捕捉して共振器のキャビティ１７０を形成し、同時にポンプレーザ１１２からの入力光は通過させる。

他の集束素子（図示せず）は、母体結晶１１５の出力を回転ミラー１３６を介して記録媒体１０２へ送る。この回転ミラーは、平行移動する書き込みヘッドの一部であってもよいし、なくてもよく、その回転（したがって、ビームが導かれる媒体１０２上の位置）は、上記のようにコントローラ１２２によって制御される。ビームが記録媒体１０２に衝突すると、そのビームによって画像形成層にアブレーションが発生し、又はドナーシートからアクセプタシートへの材料の転写が発生する。母体結晶１１５の出力パワーは、実質的に、例えば１０ワット以上である。

母体結晶１１５の機能は、ポンプレーザ１１２によって供給されたエネルギーから低ＮＡのレーザビームを生成することである。一般に、母体結晶１１５は、両面が平坦な「熱レンズ効果」を有する材料のモノリシック構造であることが望ましい（当然、必須ではない）。ポンプ面１５２に与えられたパワーにより、両側の面１５２、１６０が変形され、凸状表面になる。上記のように、良好な形の画像スポットを形成するためには、回折限界光源（すなわち、Ｍ^２＝１）の出力発散に出来る限り近い出力発散が得られるように、単一横モード（好ましくは、最低次の、基本ＴＥＭ００モード）の動作をすることが望ましい。

本発明によって解決される重要な問題は、共振器の長さが短くなるほど、ビーム品質は低下する傾向があるという問題である。共振器の長さを短くするほど、レーザ画像形成アセンブリの設置面積は縮小されるが、それと同時に、ビーム品質も低下する傾向がある。画像形成の品質を向上させるためには、市販の画像形成装置の特性に匹敵する誤差許容を得るために、高いビーム品質（例えば、Ｍ^２＜＝１．２５）と長い焦点深度が重要である。共振器のキャビティが短い場合にビーム品質を向上させるために使用される第１の方策は、上で説明したような光学障壁１５６と開口部１５４である。開口部１５４の直径は、ポンプレーザ１１２から発せられる光の発散に応じて、例えば、５．０〜６．５ｍｍの範囲の値をとる。第２の方策は、結晶１１５のドーパントレベルを低下させることである。一般的なドーパントレベルは１％程度である。しかしながら、本発明の技術によれば、ドーパントレベルは約０．１〜０．７５％の範囲の値を有し、好ましくは約０．２〜０．５％の範囲の値を有する。したがって、結晶１１５内の熱レンズ効果の大きさを低減することができ、その結果、より高い曲率の光カプラ１６５と、より低い反射率のコーティングを使用することで、キャビティの長さを短縮することが可能となる。ビーム品質を向上させる第３の要素は、レーザキャビティ１７０の内部に規定される開口部１７２である。詳しくは、開口部１７２が規定された光学障壁１７４が、母体結晶１１５と出力カプラ１６５の間に配置される。開口部１７２は、レーザの基本（１次）モードをぎりぎり通過させることが可能な大きさを有し、ビーム品質を低下させるそれよりも大きな次数のモードは遮断する。具体的には、母体結晶１１５の有効口径は、光学障壁１２６に形成された開口部１５４、母体結晶１１５のドーパントレベル、及びキャビティ内開口部１７２の関数となる。一実施形態において、ＤＰＳＳ１１０は、６．５ｎｍの開口部１５４（レーザポンプ光源から放射される出力光の高い開口数を許容するように選択される）、約０．５％のドーパントレベル、及び直径０．０３１インチのキャビティ内開口部１７２を有する。これらのパラメータによれば、Ｍ^２＜＝１．２５のときに、５３μｍのキャビティを使用して、１０ワット以上の出力レベルを得ることが可能となる。

また、結晶１１５の長さｌを減らし（例えば、標準的な１２ｍｍから最小で６ｍｍまで）、特定の結晶ではなく特定の出力カプラを選択することによって、記録媒体１２０を照らす光ビームの特性を制御してもよい。最小結晶長は、動作中に結晶から熱を除去する必要性に基づいて決定される。結晶は金属被覆され、直接接触による熱伝導（熱移動）が可能となるように、非ポンプ面上のハウジングにはんだ付けされる。その結果、バルク及び熱レンズ効果が低減され、それによって、レーザビームの品質が向上する。熱伝導性を得るための結晶の金属被覆は、当業者にとって既知のものであり、例えば、米国特許第５，８２２，３４５号に記載されている。この文献は参照によりその全体が本明細書に援用される。

また、本明細書の説明によれば、レーザ光に反応する記録媒体１０２の目標部分の熱分解によって生じる塵の噴流や電離プラズマは、目標部分の隣接領域を遮蔽し、それらの領域における画像形成を不安定で不均一なものにすると考えられる。高速な画像形成の際に遭遇するそのような電離プラズマ、及び／又は塵の噴流による遮蔽、すなわち光学的干渉問題を解決するために、本発明は、印刷部材に対する通常の入射角を２°〜７．５°以上まで増加させ、好ましくは７．５°〜１０°の角度まで増加させている。これは、記録媒体１０２の表面に対するミラー１３６の角度を調節することにより、簡単に達成することができる。

本明細書で使用した用語や表現は説明のために使用したものであり、制限のために使用したものではない。したがって、そのような用語や表現を使用した場合でも、本明細書で図示説明した特徴やその一部に相当するもの以外を除外するような制限は何もなく、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲内で、種々の変更が可能であるものと考えられる。

代表的な実施形態における開示技術の基本構成要素を概略的に示す図である。

Claims (20)

1. レーザ反応性記録媒体に画像形成する装置であって、
   光ビームを放射する光源と、
   開口部が規定された光学障壁要素であって、前記開口部が、前記光ビームの一部のみを通過させ、該通過部分が、前記開口部に対して入射する光ビームに比べて低い発散性を有するように構成された、光学障壁要素と、
   前記開口部を出た光を受け取る結晶であって、前記開口部のサイズ、及び前記結晶のドーピングレベルに少なくとも一部基づいて決まる実行口径を有するシングルモードの光ビームを形成する結晶と、
   前記結晶により形成された前記シングルモードの光ビームを受け取り、それを使用して共振器のキャビティを形成する出力カプラと
   からなる装置。
2. 第２の開口部が規定された第２の光学障壁要素を更に含み、前記第開口部は、前記共振器のキャビティの中に配置され、モードパワー擾乱を低減し、不要なモードを遮断する、請求項１に記載の装置。
3. 前記第２の開口部は、約０．０２〜０．０５インチの範囲の直径を有する、請求項２に記載の装置。
4. 前記光ビームは、実質的に赤外波長を有する、請求項１に記載の装置。
5. 前記開口部は、約５．０〜６．５ｍｍの範囲の直径を有する、請求項１に記載の装置。
6. 前記結晶は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４結晶、Ｎｄ：ＹＬＦ結晶、及びＮｄ：ＹＡＧ結晶のうちの少なくとも１つに対応する、請求項１に記載の装置。
7. 前記結晶は、約０．２％〜０．５％の範囲のドーパントレベルを有する、請求項１に記載の装置。
8. 前記結晶は、約１０ｍｍの長さを有する、請求項１に記載の装置。
9. 前記共振器のキャビティは、約５０〜５３ミリメートルの範囲の長さを有する、請求項１に記載の装置。
10. 前記出力カプラから出る前記シングルモードの光ビームは、約７．５〜１０．０°の範囲の入射角で記録媒体上に集束される、請求項１に記載の装置。
11. レーザ反応性記録媒体に画像形成する方法であって、
    シングルモードの光ビームを形成するステップと、
    前記シングルモードの光ビームを約７．５〜１０．０°の範囲の入射角で記録媒体の所望の位置に集束させるステップと、
    からなる方法。
12. レーザ光を送達する方法であって、
    光ビームを放射するステップと、
    前記光ビームの一部のみを通過させ、ビーム発散性を低減する開口部が形成された光学障壁要素を通して前記光ビームを導くステップと、
    前記光ビームの通過部分を結晶に導き、該結晶により、前記開口部のサイズ、及び前記結晶のドーピングレベルに少なくとも一部基づく有効口径を有するシングルモードの光ビームを形成するステップと、
    前記結晶により形成された前記シングルモードの光ビームを利用して共振器のキャビティを形成し、レーザ出力が生成されるようにするステップと
    からなる方法。
13. 前記共振器のキャビティの中に、第２の開口部が規定された第２の光学障壁要素を配置することにより、モードパワー擾乱を低減し、不要なモードを遮断するステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第２の開口部は、約０．０２〜０．０５インチの範囲の直径を有する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記光ビームは、実質的に赤外波長を有する、請求項１２に記載の方法。
16. 前記開口部は、約５．０〜６．５ｍｍの範囲の直径を有する、請求項１２に記載の方法。
17. 前記結晶は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶、Ｎｄ：ＧｄＶＯ_４結晶、Ｎｄ：ＹＬＦ結晶、及びＮｄ：ＹＡＧ結晶のうちの少なくとも１つに対応する、請求項１２に記載の方法。
18. 前記結晶は、約０．２％〜０．５％の範囲のドーパントレベルを有する、請求項１２に記載の方法。
19. 前記結晶は、約１０ｍｍの長さを有する、請求項１２に記載の方法。
20. 前記共振器のキャビティは、約５０〜５３ミリメートルの範囲の長さを有する、請求項１２に記載の方法。

Images