 |
||||||
|
|
|
А. Ласкин, к. т. н.,
НПЦ «Альфа»
|
Каковы основные тенденции развития лазерных систем записи изображения для цифровой флексографии? Какие решения на сегодняшний день наиболее оптимальны с точки зрения применяемых лазеров? |
В любой лазерной системе наиболее важная ее часть, конечно же, сам лазер. Именно от его характеристик, надежности, удобства эксплуатации зависят многие «отчетные характеристики» всего оборудования. Больше года назад мы давали обзор о лазерах*, которые используются в лазерных системах записи изображения, применяемых для цифровой технологии изготовления флексографских форм. Читатель наверняка помнит, что там были представлены пять основных оптических систем излучателей. В обзоре давалась некоторая сравнительная оценка достоинств и недостатков тех или иных решений. Лазерная техника не стоит на месте, развивается, в том числе происходит и постоянное совершенствование тех типов лазеров, которые используются в лазерных системах для цифровой флексографии.
Говоря о сегодняшнем дне цифровой технологии флексографии, следует отметить, что сейчас в лазерных системах записи изображений доминируют лазеры с так называемой полупроводниковой накачкой. Их основные преимущества, скажем, в отличие от лазеров с ламповой накачкой в том, что они потребляют значительно меньше электроэнергии; им не требуются внешнее водяное охлаждение, в конструкции этих лазеров отсутствуют сменные компоненты (в ламповой системе, например, лампу накачки приходится менять каждые 500–1000 ч работы). По наиболее «изнашиваемым» компонентам лазеров с полупроводниковой накачкой называются «времена жизни», превышающие 10000 ч, что позволяет строить надежные и, вместе с тем, удобные системы лазерной записи, эксплуатировать которые могли бы операторы, не являющиеся специалистами в лазерной технике, что чрезвычайно важно для полиграфических предприятий. Другая существенная особенность таких систем заключается в том, что за названное время лазерная система полностью окупает себя — это чрезвычайно важно при планировании инвестиций.
Из лазеров с полупроводниковой накачкой, в свою очередь, наиболее популярными становятся волоконные лазеры (Fiber Laser или Faser). Сегодня эти устройства достигли уровня характеристик, в первую очередь, мощности, надежности, позволяющих с успехом использовать их для решения различных задач лазерной обработки материалов. Очень часто волоконные лазеры заменяют в приложениях лазеры других типов, например, твердотельные Nd:YAG-лазеры. Они представляют собой практически идеальные преобразователи световой энергии лазерных диодов накачки в лазерное излучение с рекордным КПД, по сравнению, например, с Nd:YAG-лазерами. Создание таких лазеров явилось результатом многолетнего развития лазерной техники.
Говоря о технической стороне дела, стоит остановиться на некоторых конструкционно-технологических и эксплуатационных достоинствах систем с волоконными лазерами.
Сначала остановимся немного на технических особенностях самих волоконных лазеров с полупроводниковой накачкой. Самое общее представление о них давалось на страницах настоящего журнала примерно год назад в общем обзоре лазеров, применяемых для технологий Computer-to-Plate. Напомним некоторые наиболее важные особенности этих лазеров. На рис. 1 представлена схема работы волоконного лазера с полупроводниковой накачкой и в общем виде весь оптический тракт вплоть до обрабатываемого материала.
Рис. 1. Оптическая система с волоконным лазером: 1 — сердцевина, легированная металлом, диаметр 6–8 мкм; 2 — кварцевое волокно, диаметр 400–600 мкм; 3 — полимерная оболочка; 4 — внешнее защитное покрытие; 5 — лазерные диоды оптической накачки; 6 — оптическая система накачки; 7 — волокно (до 40 м); 8 — коллиматор; 9 — модулятор света;
10 — фокусирующая оптическая система
Главная особенность этого лазера в том, что излучение здесь рождается в тонком, диаметром всего в 6–8 мкм, волокне (сердцевине — например, активная среда иттербий), которое фактически находится внутри кварцевого волокна диаметром 400–600 мкм. Излучение лазерных диодов накачки вводится в кварцевое волокно и распространяется вдоль всего сложного составного волокна, имеющего длину несколько десятков метров. Упрощенно говоря, это излучение «пересекает», то есть оптически накачивает сердцевину, именно в ней на атомах иттербия (Yb) происходят те замечательные физические превращения, приводящие к возникновению лазерного излучения. Вблизи концов волокна на сердцевине делают два так называемых дифракционных зеркала — в виде набора «насечек» на цилиндрической поверхности сердцевины (дифракционные решетки); таким образом создается резонатор волоконного лазера. Общую длину волокна и количество лазерных диодов выбирают, исходя из требуемой мощности, эффективности. На выходе получается идеальный одномодовый лазерный пучок с весьма равномерным распределением мощности, что позволяет сфокусировать излучение в пятно малого размера и иметь большую, чем в случае мощных твердотельных Nd:YAG-лазеров, глубину резкости, а это чрезвычайно важное для лазерных систем свойство, особенно для многолучевых оптических систем (рис. 2). Также стоит отметить, что ряд свойств излучения волоконных лазеров, например, характер поляризации пучка, делает более удобным и надежным управление этим излучением с помощью акусто-оптических компонентов, позволяет реализовать многолучевые схемы записи изображений. В целом повышается надежность всего оптического тракта лазерной системы. Поскольку оптическая накачка идет по всей длине волокна, отсутствуют, например, такие свойственные обычным твердотельным лазерам эффекты, как термолинза в кристалле, искажения волнового фронта вследствие дефектов самого кристалла, девиация луча со временем и др. Эти эффекты всегда были препятствием для достижения максимальных возможностей твердотельных систем. В волоконном же лазере сам принцип его устройства и работы гарантирует высокие «отчетные характеристики» и делает такие лазеры совершенными, практически идеальными преобразователями светового излучения в лазерное.
Рис. 2. Форма пучка разных лазерных источников: а — волоконные лазеры, одномодовый режим; б — Nd:YAG-лазеры, многомодовый режим; в — излучение лазерных диодов
Интересна история развития этих лазеров. Первоначально это были усилители волоконных линий связи, в которых используется такой же физический принцип усиления сигнала, что и при генерации лазерного излучения. Такие усилители широко используются в системах телекоммуникации на базе оптических волокон. Развитие этих устройств привело к тому, что мощность создаваемого ими оптического излучения достигла уровней нескольких десятков ватт, а это сделало возможным их применение в задачах лазерной обработки материалов. Для одной из таких задач — удаления тонкого черного слоя на цифровом фотополимере — эти лазеры подходят наиболее оптимально, можно сказать, идеально.
Рис. 3. Аппарат Laser-Graver4003DS
Среди западных производителей допечатных систем для цифровой технологии флексографии, использующих излучатели данного типа — фирмы Hell, FlexoLaser, Cartomac. Разумеется, фирма «Альфа», ведущая российская компания, занимающаяся изготовлением этих систем и поставляющая их не только на отечественный, но и на западные рынки, также перешла на данный тип лазеров. Осенью 2001 г. «Альфа» сняла с производства машины LaserGraver, выполненные на базе Nd:YAG-лазеров с ламповой накачкой. Читатель наверняка помнит, что год назад каждая модель LaserGraver (рис. 3), имела четыре исполнения: одно- или двухлучевая (DualBeam) оптическая система, с лазером с ламповой или с полупроводниковой накачкой. Теперь каждая машина с заданным форматом предлагается лишь в двух модификациях — один или два луча, а в качестве лазера всегда используется волоконный лазер с полупроводниковой накачкой (активная среда иттербий, ИК-излучение).
Переход этот был сделан не «вдруг», перед принятием этого решения был проанализирован довольно продолжительный опыт работы систем LaserGraver с такими лазерами в условиях реальных производств флексографских форм у некоторых европейских клиентов. Поэтому сейчас отечественным пользователям фактически предлагается решение, проверенное на «западном полигоне», что, безусловно, представляет известный дополнительный интерес. Предложение отечественным полиграфистам этих современных лазерных систем, соответствующих принятым в данной области техники мировым стандартам, стало возможным после того, как развитие волоконных лазеров и расширение спектра их применения в промышленности позволило снизить на них цены. Поэтому появилась возможность создать доступные и отечественным флексографским печатникам модели оборудования.
В заключение суммируем главные «лазерные» достоинства лазерных систем записи изображений на цифровом фотополимере, построенных на базе волоконного лазера с полупроводниковой накачкой:
-
малое энергопотребление, например, системы LaserGraver представляют собой практически офисную технику, питание которой осуществляется от обычной розетки;
-
никакого водяного охлаждения, для компонентов волоконного лазера достаточно охлаждения воздушного;
-
отсутствие сменных элементов и профилактических операций со стороны оператора;
-
удобство для построения многолучевых оптических систем;
-
высокая надежность оборудования.
Таким образом, волоконные лазеры по комплексу свойств наиболее оптимальны для применения в системах цифровой флексографии и в этом, пожалуй, главная причина обретения ими все большей популярности в этой области техники.
| КОММЕНТАРИЙ АВТОРА
Лазеры в системах записи на цифровых фотополимерах (Digital Flexo) |
|
В современных системах Computer-to-Plate для флексографии используются следующие основные лазерные источники:
Их схематические изображения представлены на рис. A–D.
Рис. А. Вариант исполнения Nd:YAG-лазера с ламповой накачкой: Твердотельные лазеры с ламповой накачкой. Исторически твердотельные Nd:YAG-лазеры с ламповой накачкой были первыми лазерными источниками, примененными в системах CtP для флексографии. Сегодня они установлены во всех системах CDI и CDI Compact компании Baasel-Scheel (Barco) и аппаратах фирмы Schepers/Ohio, также эти лазеры используются в некоторых системах LaserGraver фирмы «Альфа». Это проверенное надежное решение, ведь компоненты таких лазеров отрабатывались в течение нескольких десятилетий, и сегодня их производством занимаются сотни компаний во всем мире. Однако «ламповым» лазерам присущ ряд недостатков, вынуждающих в некоторых случаях искать им замену: невысокий коэффициент полезного действия, большое энергопотребление, необходимость во внешнем водяном охлаждении и в периодической замене ламп накачки.
Рис.В. Вариант исполнения Nd:YAG-лазера с полупроводниковой накачкой: 1- заднее зеркало, 2 - лазерные диоды оптической накачки, 3 - кристалл Nd:YAG, 4 - корпус, 5 - заслонка, 6 - выходное зеркало, 7 - модулятор света, 8 - фокусирующая оптическая система Твердотельные лазеры с диодной накачкой. Развитие и совершенствование лазерной техники в 90-е гг. привели к распространению твердотельных лазеров, включая и Nd:YAG-лазеры, где ламповый источник света (оптическая накачка) заменен полупроводниковыми лазерами (диодами). Это лазеры с полупроводниковой накачкой, один из вариантов оптической схемы которых представлен на рис. B. Главное отличие этих лазеров от «ламповых» заключается в более высокой (на порядок!) эффективности преобразования излучения мощных лазерных диодов, что позволяет избежать высокого электропотребления, интенсивного внешнего водяного охлаждения (обычно внутренний контур водяного охлаждения активного тела лазера все же необходим). Очевидно, это делает системы записи изображения с такими лазерами очень удобными в эксплуатации. Из представленных на рынке систем можно назвать следующие: CDI Spark компании Barco, Kosmos 3000 компании Cartomac. Волоконные лазеры. Другим логичным развитием твердотельных лазеров стали так называемые волоконные лазеры, где в качестве накачки также используются лазерные диоды. Эти источники были разработаны для телекоммуникационных систем волоконной связи, где они применяются в качестве усилителей сигналов. Представим себе, что кристалл, в котором происходит генерация полезного лазерного излучения, «растянут» на несколько десятков метров и представляет собой сердцевину волокна диаметром 9–12 мкм (рис. 1). Эта сердцевина находится внутри кварцевого волокна. Излучение диодов направляется в кварцевое волокно, и на всем его протяжении происходит оптическая накачка сердцевины. Волоконные лазеры имеют очень высокую (до 80%) эффективность преобразования излучения лазерных диодов в полезное излучение. Для обеспечения их работы достаточно воздушного охлаждения. Это самые удобные и перспективные лазерные источники для систем цифровой флексографии. Сегодня они используются в оборудовании LaserGraver фирмы «Альфа», в продукции фирм Flexolaser, Hell.
Рис. C. Схема экспонирования с помощью лазерного диода и промежуточного волокна. В аппаратах может быть до 48 таких сборок: 1 — лазерный диод, 2 — оптическая система ввода излучения в волокно, 3 — кварцевое волокно, 4 — фокусирующая оптическая система Лазерные диоды. Четвертым типом лазерных источников являются лазерные диоды. Системы, построенные на базе этих источников, представлены аппаратами фирм Creo и Scitex, которые первоначально были разработаны для технологии CtP в офсетной печати (рис. C, D). Лазерные диоды (или полупроводниковые лазеры) дают инфракрасное излучение и напрямую используются для удаления черного слоя цифровых фотополимеров. Так как мощность отдельных лазерных диодов обычно не превышает 1–2 Вт, то в аппаратах реализуются сложные оптические системы (например, многолучевые). Несмотря на удобство управления этими источниками, а также малые габариты, им присущ весьма существенный недостаток — качество излучения лазерных диодов, выражаемое в параметрах расходимости диаметра лазерного пучка, намного ниже, чем у твердотельных Nd:YAG или волоконных лазеров. Это приводит к очень малой глубине резкости для лазерного пучка в зоне обработки материала и часто является причиной снижения качества изображения, записанного на черной маске цифрового фотополимера.
Рис. D. Схема экспонирования с помощью лазерных диодов и линейки модуляторов света: 1 — лазерные диоды, 2 — оптическая система, 3 — линейка модуляторов света, 4 — фокусирующая оптическая система В последние годы среди производителей лазерных систем записи изображений для флексографии все большую популярность приобретают волоконные лазеры как самые удобные и надежные источники. Их используют не только в новых моделях устройств, но и при модернизации ранее разработанных систем. |
Издательство «Курсив»
 |