Лазеры в полиграфии
ВВЕДЕНИЕ
Лазер (англ. laser, акроним от англ. light
amplification by stimulated emission of radiation - усиление света посредством
вынужденного излучения), оптии ческий ква́нтовый
генера́тор
- устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую,
химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и
узконаправленного потока излучения.
Физической основой работы лазера служит
квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения.
Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или
импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах
рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для
излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров,
использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества.
Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или
полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот
(мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров
разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров
футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные
свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки
и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и
заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.
1. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРА
1916 год: А. Эйнштейн предсказывает существование
явления вынужденного излучения - физической основы работы любого лазера.
Рис. 1.1
-
А. Эйнштейн
В 1927-1930 гг. Строгое теоретическое
обоснование в рамках квантовой механики это явление получило в работах П.
Дирака.
год: экспериментальное подтверждение Р.
Ладенбургом и Г. Копферманном существования вынужденного излучения.
В 1940 г. В. Фабрикантом и Ф. Бутаевой была
предсказана возможность использования вынужденного излучения среды с инверсией
населённостей для усиления электромагнитного излучения.
год: А. Кастлер (Нобелевская премия по физике
1966 года) предлагает метод оптической накачки среды для создания в ней
инверсной населённости.
Реализован на практике в 1952 году Бросселем,
Кастлером и Винтером. До создания квантового генератора оставался один шаг:
ввести в среду положительную обратную связь, то есть поместить эту среду в
резонатор.
год: первый микроволновой генератор - мазер на
аммиаке (Ч. Таунс - Нобелевская премия по физике 1964 года, Дж. Гордон, Г.
Цайгер). Роль обратной связи играл объёмный резонатор, размеры которого были
порядка 12,6 мм (длина волны, излучаемой при переходе аммиака с возбуждённого
колебательного уровня на основной).
Весомый вклад в изучение принципов квантового
усиления и генерации внесли также советские физики А. Прохоров и Н. Басов
(Нобелевская премия по физике 1964 г.). Для усиления электромагнитного
излучения оптического диапазона необходимо было создать объёмный резонатор,
размеры которого были бы порядка микрона. Из-за связанных с этим
технологических трудностей многие учёные в то время считали, что создать
генератор видимого излучения невозможно.
Рис. 1.2
-
Н. Басов
Рис. 1.3
-
А. Прохоров
1960 год, 16 мая Т. Мейман продемонстрировал
работу первого оптического квантового генератора - лазера. В качестве активной
среды использовался кристалл искусственного рубина (оксид алюминия Al2O3 с
небольшой примесью хрома Cr), а вместо объёмного резонатора служил резонатор
Фабри-Перо, образованный серебряными зеркальными покрытиями, нанесенными на
торцы кристалла. Этот лазер работал в импульсном режиме на длине волны в 694,3
нм.
В декабре того же года был создан гелий-неоновый
лазер, излучающий в непрерывном режиме (А. Джаван, У. Беннет, Д. Хэрриот).
Изначально лазер работал в инфракрасном диапазоне, затем был модифицирован для
излучения видимого красного света.
Физика лазеров и по сей день интенсивно
развивается. С момента изобретения лазера почти каждый год появлялись всё новые
его виды, приспособленные для различных целей.
В 1961 г. был создан лазер на неодимовом стекле,
а в течение следующих пяти лет были разработаны лазерные диоды, лазеры на
красителях, лазеры на двуокиси углерода, химические лазеры.
В 1963 г. Ж. Алфёров и Г. Кремер (Нобелевская
премия по физике 2000 г.) разработали теорию полупроводниковых гетероструктур,
на основе которых были созданы многие лазеры.
2. ПРИНЦИП
ДЕЙСТВИЯ
лазер промышленность флексография
волна
Физической основой работы лазера служит явление
вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что
возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его
поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до
и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему
излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление
света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые
фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.
ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР.
Светящийся луч в центре - это не собственно
лазерный луч, а электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как
это происходит в неоновых лампах. Луч проецируется на экран справа в виде
светящейся красной точки.
Вероятность того, что случайный фотон вызовет
индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности
поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии. Поэтому
для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше,
чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии
термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются
различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические,
химические и др.).
Первоисточником генерации является процесс
спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений
фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой
излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для
этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем
случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное -
через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал,
пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём
индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и
импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки
Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения
тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения
очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы
лазера называют режимом модулированной добротности.
Генерируемое лазером излучение является
монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку
вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко
расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и
вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум.
Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут
доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого
расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые
распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на
небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора.
Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч
лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят
различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки,
установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.
3. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА В
ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ТЕХНИКЕ
Оптические квантовые генераторы и их излучение
нашли применение во многих отраслях промышленности. Так, например, в индустрии
наблюдается применение лазеров для сварки, обработки и разрезания металлических
и диэлектрических материалов и деталей в приборостроении, машиностроении и в
текстильной промышленности.
Рис. 3.1 -
Вспышка лазера
Начиная с 1964 года, малопроизводительное
механическое сверление отверстий стало заменяться лазерным сверлением. Термин
лазерное сверление не следует понимать буквально. Лазерный луч не сверлит
отверстие: он его пробивает за счет интенсивного испарения материала в точке
воздействия. Пример такого способа сверления - пробивка отверстий в часовых
камнях, которая сейчас уже является обычным делом. Для этой цели применяются
твердотельные импульсные лазеры, например, лазер на стекле с неодимом.
Отверстие в камне (при толщине заготовки около 0,1 - 0.5 мм.) пробивается
серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию около 0,1 - 0,5 Дж. и
длительностью около 10-4 с. Производительность установки в автоматическом
режиме составляет 1 камень в секунду, что в 1000 раз выше производительности
механического сверления. Лазер используется и при изготовлении сверхтонких
проволок из меди, бронзы, вольфрама и других металлов. При изготовлении
проволок применяют технологию протаскивания (волочения) проволоки сквозь
отверстия очень малого диаметра. Эти отверстия (или каналы волочения) высверливают
в материалах, обладающих особо высокой твердостью, например, в сверхтвердых
сплавах. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего протягивать
тонкую проволоку сквозь отверстия в алмазе (алмазные фильеры). Только они
позволяют получить проволоку диаметром всего 10 мкм. Однако на механическое
сверление одного отверстия в алмазе требуется 10 часов. Зато совсем нетрудно
пробить это отверстие серией из нескольких мощных лазерных импульсов. Как и в
случае с пробивкой отверстий в часовых камнях, для сверления алмаза
используются твердотельные импульсные лазеры.
Лазерное сверление широко применяется при
получении отверстий в материалах, обладающих повышенной хрупкостью. В качестве
примера можно привести подложки микросхем, изготовленные из глиноземной
керамики. Из-за высокой хрупкости керамики механическое сверление выполняется
на “сыром” материале. Обжигают керамику уже после сверления. При этом
происходит некоторая деформация изделия, искажается взаимное расположение
высверленных отверстий. При использовании “лазерных сверл” можно спокойно
работать с керамическими подложками, уже прошедшими обжиг.
Интересно применение лазера и как универсального
паяльника. Предположим, что внутри электронно-лучевой трубки произошла авария -
перегорел или оборвался какой-нибудь провод, нарушился контакт. Трубка вышла из
строя. Казалось бы, поломка неисправима, ведь ЭЛТ представляет собой
устройство, все внутренние компоненты которого находятся в вакууме, внутри
стеклянного баллона, и никакому паяльнику туда не проникнуть. Однако, лазерный
луч позволяет решать и такие задачи. Направляя луч в нужную точку и должным
образом фокусируя его, можно осуществить сварочную работу.
Рис. 3.2 -
Лазер как паяльник
Лазеры с плавной перестройкой частоты служат
основой для спектральных приборов с исключительно высокой разрешающей силой.
Например, пусть требуется исследовать спектр поглощения какого-либо вещества.
Измерив величину лазерного потока, падающего на изучаемый объект, и прошедшего
через него, можно вычислить значение коэффициента поглощения.
Перестраивая частоту лазерного излучения, можно,
следовательно, определить коэффициент поглощения как функцию от длины волны.
Разрешающая способность этого метода совпадает, очевидно, с шириной линии лазерного
излучения, которую можно сделать очень малой. Ширина линии, равная, например,
10-3 см-1 обеспечивает такую же разрешающую способность, как и дифракционная
решётка с рабочей поверхностью 5 м., а изготовление таких решёток представляет
собой почти неразрешимую задачу. Лазеры позволили осуществить светолокатор, с
помощью которого расстояние до предметов измеряется с точностью до нескольких
миллиметров. Такая точность недоступна для радиолокаторов. В настоящее время в
мире существует несколько десятков лазерных локационных систем.
Многие из них уже имеют космическое значение.
Они осуществляют локацию Луны и геодезических искусственных спутников Земли. В
качестве примера можно назвать лазеро-локационную систему Физического института
имени П.Н. Лебедева.
Погрешность измерения при использовании данной
системы составляет 40 см. Проведение таких исследований организуется для того,
чтобы точнее узнать расстояние до Луны в течение некоторого периода времени,
например, в течение года. Исследуя графики, описывающие изменение этого
расстояния со временем, ученые получают ответы на ряд вопросов, имеющих научную
важность. Импульсные лазерные локаторы сегодня применяются не только в
космонавтике, но и в авиации. В частности, они могут играть роль научных
измерителей высоты. Лазерный высотомер применялся также в космическом корабле
“Аполлон” для фотографирования поверхности Луны. Впрочем, у оптических лазерных
систем есть и свои слабые стороны. Например, не так просто при помощи
остронаправленного луча лазера обнаружить объект, так как время обзора
контролируемой области пространства оказывается слишком большим.
Рис. 3.3 -
Измерение лазером расстояния до объекта
Поэтому оптические локационные системы
используются вместе с радиолокационными. Последние обеспечивают быстрый обзор
пространства, обнаруживают цель, а затем оптическая система измеряет параметры
цели и осуществляет слежение за ней.
Большой интерес представляют последние
разработки в области создания телевизора на основе лазерных технологий.
Согласно ожиданиям специалистов, такой телевизор должен отличаться сверхвысоким
качеством изображения. Стоит также отметить использование лазеров в уже давно
известных принтерах высокого качества или лазерных принтерах. В этих устройствах
лазерное излучение используется для создания на специальном светочувствительном
барабане скрытой копии печатаемого изображения.
Рис. 3.4 - Устройство
четырёх проходного лазерного принтера.
4. ЛАЗЕРЫ В ПОЛИГРАФИЧЕСКОМ
ПРОИЗВОДСТВЕ
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.
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. 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.
Рис. 4.1 -
Газовый лазер
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 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.
Рис. 4.2 - Схема
твердотельного лазера
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.
ЦИФРОВАЯ ФЛЕКСОГРАФИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ОПТОВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА.
В зависимости от особенностей изображения
модуляция лазерного излучения может быть внешней - через акустооптический
модулятор - или путем прямой внутренней модуляцией самого источника лазерного
излучения (со значительным снижением уровня качества).
Неоспоримое преимущество CO2-лазера - высокая
мощность и производительность. Длина волны лазера составляет 10,6 мкм. В
реальных условиях фокусировка лазерного луча не может дать пятна, диаметр
которого не превышал бы длину волны лазера менее чем в пять раз. Поэтому у
высокомощного CO2-лазера размер пятна составляет примерно 50 мкм. Это
соответствует реальному разрешению только в 500 DPI и максимально возможной
линиатуре около 20 линий/см. При увеличении разрешения размер пятна лазера
остается неизменным, вследствие чего уменьшается число растровых точек в светах
и в теневых областях. При печати пропадают контраст и прозрачность изображения,
а переходы становятся неплавными и ступенчатыми.
На рис. 4.3 представлено пиксельное изображение
растровой точки с линиатурой 50 линий/см (127 lpi) при разрешении 2000 ppi для
источника излучения CO2-лазера и Nd:YAG- или оптоволоконного лазера.
Рис. 4.3 -
Соотношение размеров пятна у лазеров различных типов
Наблюдается заметное различие в размерах пятна
разных источников лазерного излучения, поэтому использование CO2-лазера
приводит к сильному уменьшению количества передаваемых тоновых градаций.
В отличие от CO2-лазеров, Nd:YAG-лазеры и
оптоволоконные лазеры благодаря короткой длине волны (1,06 мкм или 1064 нм)
могут точно записывать высоколиниатурные изображения и поэтому широко
используются в цифровой флексографии.технология
Под «цифровой флексографией» обычно
подразумевается так называемая LAMS-технология CtFP (где LAMS расшифровывается
как Laser Ablatable Mask и переводится «маска, удаляемая лазером»). Эта
технология была впервые представлена на выставке Drupa 1995 и с тех пор заняла
значительную долю европейского рынка.
В цифровой флексографии используются обычные
фотополимерные пластины, покрытые черным LAMS-слоем. Толщина LAMS-слоя
составляет несколько микрометров, а изображение записывается с помощью
инфракрасного лазера (обычно оптоволоконного лазера с длиной волны 1064 нм или
лазерных диодов с длиной волны 830 нм).
LAMS-слой заменяет пленку, используемую в
традиционных способах печати. Он полностью удаляется лазерным лучом в нужных
для печати местах (абляция). LAMS-слой с записанным изображением называется
также «цифровой пленкой» (digital Film).
После записи изображения на LAMS-слое цифровая
печатная флексографская пластина подвергается дальнейшей обработке так же, как
и традиционные пластины, включая основное экспонирование, обратное экспонирование
с помощью УФ излучения, вымывание, сушку, дополнительную обработку
Рис. 4.4 -
LAMS-технологии в флексографии
Двухступенчатый технологический процесс в полном
объеме отвечает современным требованиям по качеству и производительности.
Передача полутоновых изображений при линиатуре до 200 линий/см уже стала
стандартом в печати флексографским способом на складных коробках и этикетках.
Даже для гофрированного картона возможны линиатуры до 60 линий/см. Сегодня для
печати защитных элементов, применяемых в печати упаковки, этикеток и лотерейных
билетов, производятся цифровые флексографские формы с линиатурой до 400
линий/см - т.е. разрешение в этом случае достигает 8000 DPI.
Удаление LAMS-слоя с цифровой флексографской пластины
требует примерно в 30 раз большей мощности лазера, чем запись изображения на
термальной офсетной пластине, и примерно в 100 раз меньшей мощности, чем прямая
гравировка фотополимерной пластины, чувствительной к УФ-излучению. Таким
образом, ни лазерные технологии, разработанные для прямой гравировки, ни те,
что используются для записи изображения на термальные офсетные пластины, не
применимы для цифровой флексографии, если только не снижать уровень качества,
производительность и рентабельность. Здесь чаще всего применяются
оптоволоконные лазеры. Их преимущество заключается в мощности, достаточной для
технологии удаления LAMS слоя на флексографской пластине, что позволяет
обеспечить хорошее качество лазерного луча. Последнее дает возможность
создавать глубину резкости, компенсируя большие допуски по толщине
флексографских пластин и рукавных форм без необходимости применения
дорогостоящих и часто неэффективных на практике систем автофокусировки. Еще
один подход к источникам излучения в цифровой флексографии - применение для
записи цифровых форм экспонирующих головок с лазерными диодами от офсетных
формных экспонирующих устройств. Недостатком таких систем является низкое
качество излучения. Это осложняет выравнивание множества отдельных маломощных
лучей, применяемых в данной технологии, таким образом, чтобы нанесение
растрового изображения с применением флексографских углов происходило без
появления дефектов изображения (полосы, муар). Результатом низкого качества
излучения является недостаточная глубина резкости, которая не сможет в полном
объеме компенсировать большие допуски на толщину для флексографских пластин и
особенно рукавных форм.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕР.
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).
Рис. 4.5 -
Схема полупроводникового лазера
ХАРАКТЕРИСТИКА 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. 4.6 - Характеристика
лазерного луча
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. 4.7 -
Изображение глубины резкости
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.
Рис. 4.8
При прямом гравировании фотополимерной пластины
глубина резкости должна быть от 0,5 до 2,5 мм, иначе невозможно будет
сформировать профиль печатающего элемента. 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. 4.9 -
Уменьшение пятна лазера
Главный недостаток такого решения - потеря
значительной части (до 75%) мощности лазера. К тому же подобные системы требуют
интенсивного охлаждения. Другой путь повышения разрешения - экспонировании
изображения с наложением лучей.
Рис. 4.10 -
Наложение лучше друг на друга
Эта технология используется не только в
CtP-системах, но и в фотонаборных автоматах и лазерных принтерах. Для
компенсации малой глубины резкости применяются системы автофокусировки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Лазеры решительно и притом широким фронтом
вторгаются в нашу действительность. Они необычайно расширили наши возможности в
самых различных областях - обработке металлов, медицине, измерении, контроле,
физических, химических и биологических исследованиях. Уже сегодня лазерный луч
овладел множеством полезных и интересных профессий. Во многих случаях
использование лазерного луча позволяет получить уникальные результаты. Можно не
сомневаться, что в будущем луч лазера подарит нам новые возможности,
представляющиеся сегодня фантастическими. Мы уже начали привыкать, что “лазер
все может”. Подчас это мешает трезво оценить реальные возможности лазерной
техники на современном этапе ее развития. Неудивительно, что чрезмерные
восторги по поводу возможностей лазера иногда сменяются некоторым охлаждением к
нему. Все это, однако, не может замаскировать основной факт - с изобретением
лазера человечество получило в свое распоряжение качественно новый, в высокой
степени универсальный, очень эффективный инструмент для повседневной,
производственной и научной деятельности. С годами этот инструмент будет все
более совершенствоваться, а вместе с этим будет непрерывно расширяться и
область применения лазеров.
1.
Системы CtP [Электронный ресурс] / - Режим доступа: http://www.computer-art.ru
Сигаков, М. Лазеры в системах CtP [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
<http://computer-art.ru>.
. Жилин И.И.
Лазеры наше будущее
/ И.И. Жилин. -
М.: АСТ, 2001. - 355 с. - ISBN 5-901124-18-0.
.
Москва А.А. Меховцев Новые технологии в полиграфии / А.А. Меховцев// Инженерам
и не только. - 2000. - 4 апреля. - С. 19.
.
Сергеенко С.И. История полиграфии для детей. / С.И.
Сергеенко. - М.:
Дрофа,
2001. - 258 с. - ISBN 5-401248-18-5.