9*1.3. Лазерное излучение и лазеры

Лазер (laser — название составлено из начальных букв английского выражения: light amplification by stimulated emission of radiation_y что означает «усиление света путем его вынужденного из

лучения») представляет собой оптический квантовый генератор и является источником лазерного излучения.

Генерируемое лазером излучение является монохроматическим, т. е. генерируется (от лат. generatio — рождение) на фиксированной длине волны (или на нескольких длинах волн). Лазерное излучение является, когерентным и направленным (распространяется достаточно узким направленным пучком) и обладает высокой интенсивностью.

Указанные свойства лазерного излучения определяют основные параметры лазеров (энергетические, пространственные, частотно- временные) и его эксплуатационные характеристики.

Энергетические параметры определяют энергетические возможности лазеров, в частности, их мощность.

Пространственные характеризуют размер и форму пятна в сечении пучка, а также расходимость пучка (его диаграмму направленности).

Частотно-временные параметры характеризуют спектр излучения. Различные лазеры генерируют излучение в спектральной области от ближней УФ до дальней ИК. Эксплуатационные характеристики лазеров определяют потребляемую ими мощность, коэффициент полезного действия, время непрерывной работы, ресурс работы, надежность, габариты, стоимость и др.

9.2. Лазерная запись информации на формные материалы

9.2.1. Процессы, протекающие при лазерной записи информации на формные материалы

Разновидности процессов. Лазерное излучение, используемое для записи информации, обеспечивает протекание в приемных слоях формных материалов определенных процессов. В зависимости от интенсивности лазерного излучения, его длины волны, продолжительности действия и ряда других параметров, а также природы облучаемого материала различают процессы двух типов: световые и тепловые.

Световые процессы происходят в формных материалах, если интенсивность лазерного излучения невелика и оно поглощается частицами вещества, способными к фото- и физико-химическим реакциям. Инициированные лазерным излучением световые процессы могут быть аналогичны фотохимическим, которые происходят под действием обычных источников светового излучения (см. § 3.2), но интенсивность протекания превращений исходных реагентов выше.

Тепловые процессы под действием излучения проходят ряд последовательных стадий: нагревания, плавления и испарения или возгонки — сублимации (от лат. sublimo — возношу), т. е. перехода вещества в результате нагревания из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое.

Развитие процесса в формных материалах при повышении плотности лучистой энергии (отношения мощности к площади излучения) происходит следующим образом: при повышении плотности лучистой энергии первоначально наблюдается умеренное нагревание, сопровождаемое протеканием относительно энергоемких физико-химических превращений (фазовых переходов, химических реакций, полимеризации, разрушения структурных связей и т.д.). В дальнейшем с повышением плотности энергии начинается плавление материала и граница между жидкой и твердой фазами (поверхность расплава) смещается в глубину материала. Чем больше плотность лучистой энергии, тем интенсивнее происходит испарение, и часть вещества переходит в другое фазовое состояние с выбросом продуктов химической деструкции. Тепловой процесс может развиваться и по другой схеме. В ряде случаев, например, в слоях малой толщины основная часть поглощенной лучистой энергии может расходоваться не на плавление, а на термическое разрушение в результате возгонки.

Различают механизмы теплового воздействия лазерного излучения в металлах и неметаллах. В металлах кванты излучения поглощаются в основном электронами проводимости, которые отдают энергию кристаллической решетке, увеличивая тепловую энергию колебаний атомов.

Процессы, происходящие в неметаллах, более разнообразны. Возможна фотоэмиссия электронов с последующей передачей им энергии излучения и нагреванием материала. Может происходить также процесс непосредственного взаимодействия квантов со структурными элементами материала. В результате поглощения лазерного излучения повышение температуры материала иногда сопровождается и другими изменениями: в ряде случаев активизируются диффузионные процессы в твердом теле, протекают некоторые химические реакции на поверхности и в приповерхностных слоях материала и др.

Методы лазерной записи информации в различных формных технологиях. В зависимости от природы формного материала и его толщины в различных технологиях реализуются возможности как световых, так и тепловых процессов. При лазерном гравировании в толстых слоях формных материалов происходят тепловые процессы, сопровождаемые нагреванием, плавлением и последующим испарением материала из зоны действия излучения. В результате этого в относительно толстых слоях образуются углубленные ячейки, причем их размеры в глубину растут в основном за счет плавления и удаления жидкого материала при создаваемом избыточном давлении продуктов испарения. Процесс образования ячеек зависит от плотности энергии, подаваемой на поверхность материала, длительности и частоты действия импульсов излучения, его длины волны, теплопроводности материала, его отражательной способности и ряда других параметров (см. гл. 11, 12).

В результате лазерного воздействия (различают световой и тепловой типы воздействий) процессы происходят в тонких приемных слоях формных материалов. Световое воздействие лазерного излучения УФ- и видимого диапазона длин волн обеспечивает возможность протекания тем же процессам, которые возникают под действием излучения при копировании и проекционном экспонировании. Поглощение энергии лазерного излучения обеспечивает протекание фотохимических или электрофотографических процессов. Фотохимические процессы сопровождаются либо восстановлением галоге- нидов серебра и диффузией комплексов серебра, либо фотополимеризацией. Электрофотографические процессы основаны на изменении фотопроводимости слоя (т.е. электрического сопротивления фотополупроводника) под действием лазерного излучения. В отличие от светового при реализации теплового воздействия лазерного ИК- излучения обеспечивается протекание термических процессов, таких как термодеструкция и термоструктурирование, возгонка (изменение агрегатного состояния слоя) или инверсия (от лат. itiversio — перестановка) смачиваемости.

Для обоих типов воздействий характерно наличие аберраций (от лат. aberratio — уклонение), причем природа и последствия этих аберраций различны. Так, при реализации светового воздействия они связаны с рассеянием излучения. Это приводит к увеличению экспонируемой зоны, и, соответственно, к искажениям геометрических размеров элементов изображения.

Аберрации при тепловом воздействии в основном связаны с дополнительным прогреванием слоя на участках вблизи области точечного нагрева. Дополнительное влияние на эту область оказывает струя раскаленных продуктов разложения, которая дает вторичный разогрев участков, прилегающих к области лазерного воздействия. Влияние этого процесса аналогично влиянию светорассеяния, но из- за инерционности теплового процесса, существует возможность уменьшения таких аберраций путем, например, сокращения длительности воздействия излучения за счет скорости перемещения лазерного пучка. Благодаря этому появляется возможность сведения к минимуму тепловых аберраций в отличие от световых, которые всегда имеют место.

9.2.2. Лазеры, используемые в формных процессах

Требования к лазерам, используемым в формных процессах.

Требования, предъявляемые к лазерам, используемым в качестве инструмента для поэлементной записи информации на формные материалы, определяются теми функциями, которые лазер выполняет в цифровой технологии: осуществляет гравирование, реализует лазерное воздействие или обеспечивает термоперенос. Выполнение указанных функций обеспечивается выбором лазера с соответствующими параметрами (см. § 9.1.3). Значимость того или иного параметра определяется конкретной цифровой технологией, а необходимые величины этих параметров зависят от типа используемого в технологии формного материала. Так, при использовании лазеров для гравирования наиболее важным является требование к его мощности, поскольку процесс лазерного гравирования требует больших затрат энергии. Требования к мощности лазеров при записи информации путем лазерного воздействия и в результате термопереноса зависят от энергетической чувствительности приемных слоев формных материалов и могут отличаться для слоев различных типов. Существенным для всех цифровых технологий формных процессов являются требования к пространственным параметрам излучения лазеров, так как они определяют размеры и качество сформированных при записи элементов изображения, т. е. репродукционно-графические показатели печатных форм. Не менее важным является требование к спектральным характеристикам излучения лазера. При его оптимальном согласовании со спектральной чувствительностью приемного слоя обеспечивается высокая актиничность действия излучения и, как следствие, сокращение времени записи информации.

Определяя требования к параметрам лазеров необходимо учитывать, что их стабилизация имеет решающее значение при записи информации на формные материалы. Немаловажными являются также требования к эксплуатационным показателям лазеров, которые характеризуют их технико-экономические возможности и определяют целесообразность применения для записи информации в цифровых формных процессах.

Разновидности лазеров, используемых в формных процессах. С момента первого использования до настоящего времени в формных процессах находят практическое применение следующие типы лазеров: газовые, твердотельные и полупроводниковые.

Газовые лазеры. Активной средой таких лазеров является газ или смесь газов. В формных процессах применяются гелий- неоновый, ион-аргоновый лазеры и лазер на двуокиси углерода (лазер на СО2). Они генерируют излучение в видимом и ИК- спектральных диапазонах длин волн.

Гелий-неоновые лазеры (красные лазеры) с X = 633 нм характеризуются стабильностью параметров, устойчивостью к внешним воздействиям и мощностью излучения не более 100 мВт.

Ион-аргоновые (синие) лазеры генерируют излучение с X. = 488 нм. Средняя мощность этих лазеров составляет 500 мВт.

Лазеры на СО2 генерируют излучение с X = 10600 нм мощностью от нескольких десятков ватт (в непрерывном режиме работы) до нескольких мегаватт (в импульсном режиме).

Твердотельные лазеры. В твердотельных лазерах активной средой является кристаллический или аморфный диэлектрик, в который введены ионы редкоземельных элементов. В формных процессах используют твердотельные лазеры на основе кристаллов иттрий- алюминиевого граната с примесью, например, неодима (Nd) — Nd:YAG^a3epbi (активной средой в них является кристалл Y3AI5O12, в котором часть ионов Y ⁺ замещена ионами Nd ). Твердотельные лазеры генерируют излучение в ИК-диапазоне длин волн (например, г Х = 1064 нм). Эти лазеры можно использовать с оптическими системами удвоения (X = 532 нм) и утроения (X = 355 нм) пространственной частоты, что позволяет получать излучение как в видимой, гак и УФ-областях спектра. Твердотельные лазеры обеспечивают возможность получения значительной мощности излучения (от не- :кольких мВт до нескольких кВт).

Различают твердотельные лазеры с ламповой или полупровод- шковой (диодной) накачкой. Лазеры с ламповой накачкой имеют ієвьісокий КПД и требуют использования внешнего водяного ох- іаждения. Твердотельные лазеры с полупроводниковой накачкой імеют более высокий КПД и при их использовании можно достичь значительной мощности излучения при высоком качестве лазерного пятна.

Среди лазеров с полупроводниковой накачкой наиболее широко применяются в последнее время волоконные лазеры. В них в качестве накачки также используются лазерные диоды, а активной средой является сердцевина волокна, легированная, например, иттербием (Yb). Эти лазеры генерируют излучение с X = 1112 нм. Как и Nd: YAG-лазеры с полупроводниковой накачкой волоконные лазеры имеют высокий КПД, а для обеспечения их работы не требуется принудительного внешнего охлаждения (им достаточно воздушного охлаждения). К достоинствам этого типа лазеров относится также большая глубина резкости (она составляет 250-400 мкм, в то время как у твердотельных лазеров — 100-150 мкм), что особенно важно для многолучевых оптических систем.

Полупроводниковые лазеры (лазерные диоды). В лазерах этого типа активной средой является полупроводниковый кристалл, например, арсенид галлия (GaAs). К достоинствам таких лазеров следует отнести небольшие габариты и малую потребляемую мощность. Кроме того, эти лазеры не требуют применения внешнего охлаждения. В зависимости от состава активной среды они могут давать излучение в видимом и коротковолновом ИК-диапазонах длин волн с X = 405 нм, 670 нм, 830 нм, их часто в практике называются фиолетовыми, красными и ИК-лазерными диодами. Мощность лазерных диодов составляет 1-2 Вт. Для достижения большей производительности их часто объединяют в линейки лазерных диодов.

Применение различных типов лазеров в конкретных условиях. Для конкретного применения в формных процессах выбор типа лазера обусловлен, прежде всего, теми требованиями, которые к ним предъявляются.

Лазеры, обозначенные на рис. 9.2 номерами 1, 2, 4, 5, 8, 9 используются для записи световым воздействием. Лазеры, под номерами 6, 7, 10 — для записи тепловым воздействием. Для лазерного гравирования применяются лазеры, обозначенные номерами 3, 6. Более подробно использование различных типов лазеров для записи информации на формные пластины (и цилиндры) при изготовлении

печатных форм плоской офсетной, флексографской и глубокой печати по цифровым технологиям рассмотрено в гл. 10-12.