專利名稱：產(chǎn)生不變尺寸圖像點的二極管激勵系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字打印裝置和方法，特別涉及一種使用數(shù)字控制激光輸出的聯(lián)機或脫機的平版印刷成像打印元件的系統(tǒng)。
在平版印刷中，打印元件上可打印的圖像，為一個接受油墨(親油的)和排斥油墨(憎油的)表面區(qū)域的圖形。一旦作用到這些區(qū)域，油墨能夠有效地以足夠的逼真度以圖形方式傳輸?shù)接涗浗橘|(zhì)。干式打印系統(tǒng)使用的打印元件，其排斥油墨部分對油墨是足夠恐懼的就象允許其直接應用一樣。同樣應用到打印元件的油墨僅僅以圖形方式傳輸?shù)酱蛴≡稀Ｒ话愕?，首先打印元件與一個叫膠印滾筒的合適中間表面相接觸，該表面層依次將圖像作用到紙或其他記錄介質(zhì)。在一般的進紙打印機系統(tǒng)中，記錄介質(zhì)固定在壓印滾筒上，該滾筒使紙與膠印滾筒相接觸。
在濕法平版印刷系統(tǒng)中，非圖像區(qū)域是親水的，并在噴墨之前，通過對平板一種濕潤(或“噴水”)處理的初始處理，提供了必要的油墨排斥性。憎油噴水處理防止了油墨粘附到非圖像區(qū)域，但是不影響圖形區(qū)域的親油特性。
如果打印機打印不止一種顏色，每種顏色就要求一個獨立的打印元件。原始圖像分解成一系列圖形模式，或“分離”，每個均反映了相應的可打印顏色的作用。打印元件的位置是相同的，這樣由不同元件打印的顏色成分將在打印拷貝上互相對準。每個打印元件通常安裝(或結(jié)合)在一“平板”滾筒上，在印刷機上的與每種顏色相聯(lián)系的一組滾筒一般稱為一個打印位置。
為了克服笨重的照相顯影技術(shù)及代表傳統(tǒng)打印技術(shù)的平板安裝和平板對齊操作，專業(yè)人員開發(fā)了電子選擇以數(shù)字形式儲存的圖形圖案，并將圖案直接印刷到平板上。平板成像設(shè)備可以使用計算機控制，包括各種形式的激光。例如，美國專利文獻No.5351617和No.5385092披露了消融記錄系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用低功率激光器以圖形模式消除一層或多層平板印刷半成品，從而在不需要照相顯影的情況下，制作了一個準備印刷油墨(ready-to-ink)的打印元件。依照那些系統(tǒng)，激光輸出是從二極管導向到打印表面的并聚焦到該表面(或者，按要求，到易受激光消融的表層，一般在表面層的下面)。其他系統(tǒng)使用激光能量來引起從供給器到接受器的材料傳輸，到非消融的記錄，或通過一光掩?；蜇撈瑏硗耆毓獾闹瘘c方式。
如在專利文獻’617和’092中所述，激光輸出能夠遠距離產(chǎn)生，并通過光纖機構(gòu)和聚焦透鏡裝置帶到記錄介質(zhì)上。重要的是，當將光束聚焦到記錄介質(zhì)上時，要保持滿意的焦深(depth-of-focus)，也就是，在記錄表面上準確聚焦所可容忍的偏差。適當?shù)慕股顚Y(jié)構(gòu)和成像裝置的使用是重要的；工作焦深越小，精巧的機械調(diào)整和性能降級的弱點的需要就越大，性能降低是由于能伴隨正常使用的調(diào)整移位而產(chǎn)生的。焦深通過保持輸出光束的發(fā)散的最小化而達到最大的。
遺憾的是，從光學方面努力減少光束發(fā)散的同時，也減小了功率密度，因為透鏡不能改變恰當?shù)墓馐炼?；一個透鏡只能改變光路。因此，光學修正在焦深和功率損耗之間存在著固有的弊病。1996年7月8日申請并授權(quán)的美國專利文獻No.08/676470“二極管-激勵激光系統(tǒng)和方法”，披露了一種方法，利用半導體或二極管激光器到光學激勵激光晶體的發(fā)散輸出，本身發(fā)射與功率密度相比光束發(fā)散度足夠小的激光光束；激光晶體轉(zhuǎn)換發(fā)散的進入光束為較高亮度的單模輸出光束。
激光晶體的輸出聚焦到記錄介質(zhì)的表面以完成成像功能。在消融類型的系統(tǒng)中，光束被聚焦到記錄材料的“消融層”，該材料適于用激光光束揮發(fā)；此外，激光束的焦深也提供一個可容許的偏差程度。在傳輸類型的系統(tǒng)中，光束聚焦在傳輸層上。這里所用的詞語“平板”或“元件”提到的任意類型的打印元件或表面，有記錄圖像的能力，圖像是由對墨水和/或噴灑溶劑不同親合力的區(qū)域所限定的；合適的配置包括傳統(tǒng)的平的或彎曲的平面印刷板，該印刷板安裝在打印機的平板滾筒上，但也可能包括無縫滾筒(如，平板滾筒的滾動表面)，一個環(huán)形帶，或其他布置。
實際的成像設(shè)備要求的激光器，幾乎立即對高頻矩形波功率脈沖產(chǎn)生反應，這樣，成像點，也就是由激光束在記錄材料上產(chǎn)生的點，以清晰、不連續(xù)并且一般是恒定尺寸的圓形出現(xiàn)。點也應該是打印的，或記錄間隔留空，以非常接近的間隔來達到典型的打印分辨率。雖然專利文獻＇470披露了通過在一定程度上改變脈沖寬度來控制圖像點尺寸的大小，但是，也發(fā)現(xiàn)點尺寸也可能隨打印點時的密度而改變。詞語“占空度”所提到的位于實際接受激光光束的圖像區(qū)域的像素百分數(shù)(也就是，激光晶體活動的頻率)。越大的占空度，相應的顏色也就更深，因為在數(shù)字打印系統(tǒng)中灰度密度或色調(diào)是通過改變像素密度來實現(xiàn)的。
如果點尺寸隨占空度變化，將不可能建立一個色彩密度的不變標準，因為點尺寸也影響密度。例如，如果點在低占空度內(nèi)較小，那么在低像素密度成像的區(qū)域打印的將比所期望的要輕。而且，因為文件一般帶有變化密度的區(qū)域，在復雜圖案中可能是混合的，問題就不能通過選擇像素密度修正點尺寸變化簡單地解決。
通過使用新穎的安裝和調(diào)整方法，本發(fā)明幾乎消除了跨越占空度范圍的點尺寸變化(范圍一般從1％到100％，也就是，從打印密度范圍每百個像素到每個連續(xù)的像素)。應該強調(diào)的是，詞語“成像”一般涉及到對打印平板親合性質(zhì)的永久改變；在優(yōu)選實施例中，成像表示記錄層的消融(在消融類型的平板中)或供給材料到紙張接受器的轉(zhuǎn)運(在傳輸類型的平板中)。
雖然本發(fā)明的優(yōu)選實施例涉及平版印刷元件激光成像，但也能廣泛應用到包括各種不同類型的圖文結(jié)構(gòu)的各種激光記錄系統(tǒng)中。
優(yōu)選實施例利用，如一個激勵源，至少一個發(fā)射紅外線，以及最好是近紅外線的激光部件，來描繪可消融的打印元件(如上所述，例如，在專利文獻＇617和＇092，以及美國專利No.5339737和No.5379698中)；或傳輸類型打印元件(如所述的，例如，在美國文獻號No.08/376766的，1995年1月23日申請并授權(quán)的“通過熱非消融釋放的平版印刷元件激光成像的方法和裝置”)。激勵激光器一般是固態(tài)機構(gòu)(一般為半導體激光器并且一般基于鎵鋁砷化物或鎵鋁銦混合物)；這些顯然是經(jīng)濟和便利的，也可能與各種記錄介質(zhì)共同使用。近紅外光束的使用促進了有機和無機吸收混合及特別是半導體和導體類型等廣泛的應用。
為了評價本發(fā)明的創(chuàng)新，重要的是認識通過激勵晶體發(fā)射激光的機構(gòu)。合適的晶體一般是板-板“熱透鏡作用”材料的整體制品；光學能量傳送到其一個端面；導致此面和相對的面偏轉(zhuǎn)成弓形(在輸入激勵光束的區(qū)域)，產(chǎn)生一個諧振腔，有利于激光輸出自增強反射特性。雖然要求“熱透鏡作用”晶體來發(fā)出激光，過多的熱透鏡作用(與諧振行為無關(guān)的全部晶體的膨脹聚焦)導致了無效的操作及多輸出模式。為了生成一個平滑的成像點，在輸出的分散與衍射限制源的分散盡可能近的情況下，希望得到一個操作的單橫模(最好是最低級別，基橫模TEM00，也就是一個高斯光束輪廓)。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，點尺寸變化的一個源頭，就是低劣的熱的控制。因為由泵激勵晶體發(fā)出的能量總是小于從激勵源發(fā)出的能量，不可避免地產(chǎn)生了熱量，并且如果不消除，這個熱量就導致額外的聚焦。一般地，晶體通過粘接劑如氟硅酮粘接在熱傳導(通常為金屬)架上。因為聚合物粘接劑和金屬架的熱膨脹和熱損耗系數(shù)有很大不同，無論如何，熱量從晶體傳導出去是不佳的。而且，不同的膨脹速率能引起粘接劑和架之間的不良接觸，更進一步將損害熱量的排除。
另外，粘結(jié)劑一般只涂敷在晶體的外邊緣。晶體表面通?？吭诩艿谋谏稀Ｔ俅?，因為熱傳導方面的不匹配，熱量傳遞減少了。
因此，第一方面，本發(fā)明通過使用其熱膨脹和熱損耗系數(shù)基本與架匹配的材料，將激光晶體固定到架上，改善了傳統(tǒng)裝備布置。在一優(yōu)選實施例中，激光晶體在一大的橫向尺寸的凹口里，并且此空閑的面積里充滿了具有適當熱特性的焊料。另外，至少晶體的一個面是金屬化的，這樣可以提供與架接觸部分的熱適應性。
在第二方面，選擇激光晶體的厚度--也就是，激光器諧振腔的深度--這樣，使得所選擇的占空度改變時點尺寸的變化減到最小。雖然發(fā)射激光的諧振行為的要求，基本上限制了可接受厚度的范圍，仍然發(fā)現(xiàn)在該范圍內(nèi)有一個理想的厚度(或小的厚度范圍)。與理想厚度的偏差導致了點尺寸和占空度之間的更顯著的關(guān)系。
在第三方面，也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)晶體的摻雜級影響該關(guān)系。激光晶體一般摻雜如銣(Nd)的稀土元素，并且就是這個元素，當嵌入到晶體基底如YVO4、YLF或YAG時，實際上導致了在合適的激勵下發(fā)射激光。再次，可接受的摻雜劑濃度范圍是由有效的激光性能的要求所決定的，但是通常也能夠確定一個理想的濃度(或濃度的小范圍)。
本發(fā)明的第四方面考慮了晶體和與之相關(guān)的光學器件的外殼結(jié)構(gòu)。晶體架一般可以是一個圓柱形外殼，在其內(nèi)接受熱匹配的聚焦元件。當連接后，這些部件保持晶體并承受熱量消散；一個固定在聚焦元件上的透鏡將激勵光束導引到晶體表面。從激勵激光器來的光束通過與一個直接與激光器相連的連接器，或更一般地，通過一個光纜，進入聚焦元件。由激勵晶體發(fā)射的光束離開晶體架并通過一個筒，該筒與一個光學配置相接，該配置聚焦用于施加到記錄結(jié)構(gòu)上的low-NA光束。外殼結(jié)構(gòu)的元件裝配在一起，在運轉(zhuǎn)在那里的部件之間建立一個適當?shù)墓鈱W和機械關(guān)系。
在一個相關(guān)方面，本發(fā)明提供了一個提高從激勵源發(fā)出的激光能量連接到光纜的方法，并因此用于刺激激光晶體。
外殼通常安裝在寫字頭上，該寫字頭可以在均勻的間隔里保持多個這樣的配置?？刂破鲗е聦懽诸^和記錄介質(zhì)之間的相對移動，有效地掃描在表面上的激光，在臨近平板上的所選點或面積的位置激發(fā)它們?？刂破饕龑懽诸^，在每次穿過或沿著打印元件完成之后，距離由從頭發(fā)出的光束數(shù)量和由所要求的分辨率(也就是，每單位長度的圖像點的數(shù)量)決定。激光激勵的模式由提供給控制器的圖像信號和相對應的原始文件或被拷貝到平板上的圖像所決定，來產(chǎn)生一個精確的原始圖像的正或負圖像。圖像信號在計算機上以位圖數(shù)據(jù)文件存儲。這些文件可由光柵圖像處理器(RIP)或其他合適機構(gòu)所產(chǎn)生。例如，一個RIP能夠接收頁面描述語言(page-descripition language)的輸入數(shù)據(jù)，該語言定義了要求傳輸?shù)酱蛴∑桨迳系乃刑卣?，或作為一個頁描述語言和一個或多個圖像數(shù)據(jù)文件的組合物。構(gòu)造的位圖限定了同屏幕頻率和角度一樣的顏色的色度。本發(fā)明的部件能夠裝在印刷機上，這時，圖像板準備好可以立即準備好打?。换蛘咴谝粋€獨立的平版制造機(或“平版安裝機”)上，這時，圖像版移走并手工轉(zhuǎn)送到印刷機上。
在任何聚焦配置設(shè)計中的一個固有困難是光束的二維調(diào)整，因此，它撞擊在平板表面上的點與位圖所限定的x,y位置相適應。為了制造外殼和帶有精密附件的寫字頭，該附件可自動進行正確的調(diào)整，在制造和裝配上要求相當大的費用。替代的是已經(jīng)采用的如

圖1所示的配置。如這里所表示的，光纜10與一個SMA(或類似的)連接器包12相連，包12包括一個可自由轉(zhuǎn)動的螺紋軸環(huán)14。聚焦裝置16包括一個與蓋14相配合的螺紋套筒18；一個第一管狀外殼段20；及一個第二外殼段22。套筒18通過螺母24安裝到段20上，并且不在段20的中心位置。換句話說，套筒18的中心軸線與段20、22的中心軸線有徑向位移，段20、22限定了一個帶有內(nèi)壁31的單獨連續(xù)孔30。段20和22之間可以互相自由轉(zhuǎn)動，但是，可以由一對螺母26、28鎖緊到一個所要求的扭力方向。段22在其終端有一對聚焦透鏡32、34。
因為套筒18位于偏離軸線的位置，從電纜10來的光束不能通過孔30的中心；光束的軸線始終與孔30的中心軸線保持偏差，并且段20、22的轉(zhuǎn)動移動了光或光束軸線的角度位置。此構(gòu)造的原因如圖2所示。假定一個正確安裝的聚焦裝置16有一個中心軸線，該軸線通過X、Y軸的起點。這樣完美在實際上是既貴而又難以實現(xiàn)的。因此，假設(shè)聚焦裝置16的中心軸線40與原始位置有位移，如圖所示。由于安裝時的偏心，光束將更偏，如圖所示在點42處。然而，段20、22的相對轉(zhuǎn)動將光束方便地帶入到水平位置(也就是，與Y軸相交)，并且簡單的時間調(diào)整一般能夠補償垂直位移的影響。例如，在一個筒狀配置中，在這里，光束聚焦到轉(zhuǎn)動打印元件的表面，引起沿Y軸的相對移動，有效的起點僅僅能夠通過瞬間加快或延遲激光激勵來移動；如果一個圖像點將被寫到原點上，激光控制器在發(fā)射激光之前，等待打印元件上的真正原點達到與光束偏離位置相接近。
雖然對很多應用適用，但上述設(shè)計依然存在一定的設(shè)計缺點。甚至一個完美對中射到孔30里的激光束可能發(fā)散而撞擊到內(nèi)壁31上，在聚焦平面上產(chǎn)生各種直徑的虛反射。光學軸線的偏心惡化了這個問題，因為外部光束早一點撞擊在壁31上，導致了附加的相互作用。確實，因為光束傳播應該足夠保證除了偏離軸線的散射外，有充足的能量穿過中心軸線，這樣的反射很大程度上是不可避免的。還有更進一步的相互作用是光束回到孔30和離開段20的后部壁的內(nèi)表面的反射所引起的。所有這些相互作用的不對稱導致了陰影和虛反射，最后的結(jié)果是令人討厭的，在聚焦平面上的假能量，在其他情況之間，引起在調(diào)整期間的不準確能量閱讀。
一個可選的配置，美國專利文獻流水號No.08/602881(1996年2月16日申請并授權(quán)的激光發(fā)射成像裝置和其上所用的聚焦元件，在此參考了整個文獻)利用光學器件對水平光束位移進行修正；也就是，聚焦透鏡能將焦點集中在偏心軸上，因此，光束通路稍微有點偏心，并且通過透鏡的轉(zhuǎn)動獲得水平位移量。當然，這種配置需要特殊的光學器件。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，外殼包括一個具有徑向分布(也就是，偏心)孔的筒。光束聚焦光學部件安裝到筒上，它不影響光束通路；也就是，光束通過聚焦光學元件停留在軸線上，因此可以使用傳統(tǒng)的透鏡。圓柱形筒在寫字頭內(nèi)，由于筒孔的徑向偏心，外殼/筒裝置的轉(zhuǎn)動引起水平光束位移。
本發(fā)明可以有效應用到不同于打印的環(huán)境中。事實上，任何要求高頻的校正后的激光束應用能夠從這里所述的各種方法中得到。這樣的應用包括切割、釬焊、藥物療法等。
從下面本發(fā)明的詳細描述中并結(jié)合附圖，對上述論述將會更加明白，這里圖1是現(xiàn)有技術(shù)聚焦裝置的局部剖面正視圖；圖2是描述從真實位置修正光束位移示意圖；圖3表示本發(fā)明典型的作為儀器的基本部件；圖4表示常規(guī)激光--晶體布置(現(xiàn)有技術(shù))的占空度與點尺寸的變化；圖5A是根據(jù)本發(fā)明涂層和金屬化后的激光--晶體軸視圖；圖5B是圖5A中晶體的端面正視圖；圖6是一個局部剖面圖，及安裝到圖5A和5B所示晶體上用于軸承和聚焦光束的兩件套的平面分解視圖；圖7是圖6所示兩件套與所有部件連接的局部剖面平面視圖；圖8是圖6所示晶體和晶體外殼的端面視圖；圖9是整個外殼和調(diào)焦組件的分解平面視圖；圖10是圖9所示組件與所有部件連接的局部剖面平面視圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明得到的占空度與點尺寸變化的圖形；圖12是一個完成發(fā)明可選部件的分解視圖；圖13A和13B分別是圖12所示透鏡外殼的正視圖和剖面圖；圖13C是外殼的另一個沿13C-13C線的剖面視圖；圖14A、14B和14C分別是圖12所示晶體外殼的分解視圖、端面視圖和剖面視圖；圖15是透鏡管的分解視圖，表示如何連接到晶體外殼上；圖16圖12所示保持盒的端面視圖17是圖12所示裝配部件的剖面視圖；及圖18圖示在激勵源(舉例來說，光纜)和激光晶體之間輸出功率偏振一致性的相關(guān)性。
首先參照圖3，表示本發(fā)明可能應用的環(huán)境的基本部件。一個記錄介質(zhì)50，如一個平版印刷版或其他圖版，在成像過程中附著在支架上。在所述實施例中，支架是滾筒52，其上環(huán)繞著記錄介質(zhì)50。如果需要，滾筒52可以正直地與普通平版印刷機設(shè)計合為一體，作為印刷機的平板滾筒。滾筒52由一個支架支撐并由標準電動機或其他常用機構(gòu)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。滾筒52的角度位置由一個與探測器55相連的軸狀(光線)譯碼器所監(jiān)控。本發(fā)明的光學部件，下面將要描述的，可以安裝在用于在導向螺桿和操縱桿組合體上移動的寫字頭上，在其旋轉(zhuǎn)時穿過記錄介質(zhì)50。寫字頭的軸向移動由步進電機的轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生，步進電機轉(zhuǎn)動導向螺桿并在寫字頭每次經(jīng)過滾筒52后引導寫字頭。
由一個或多個激勵激光二極管60所產(chǎn)生的成像光束，撞擊記錄介質(zhì)50以實現(xiàn)一次圖形掃描。下面所討論的光學部件將所有激光輸出集中在記錄介質(zhì)50上，以一個小部件，產(chǎn)生高效的能量密度。當激光器60的輸出狹縫69達到相對于記錄介質(zhì)50的合適點時，控制器65操縱一個激光驅(qū)動器67來產(chǎn)生一個成像脈沖；如在＇470申請中所討論的，激光器60可以另外保持在無成像能量水平的基線上來將開關(guān)時間減到最小。驅(qū)動器最好包括一個能夠產(chǎn)生最少40,000激光驅(qū)動脈沖/秒的脈沖電路，每個脈沖相對短，舉例來說，在微秒的級別上。
控制器65從兩個信源接收數(shù)據(jù)。相對于激光器輸出的滾筒52的角度位置不斷地由探測器55所監(jiān)控，它提供表示位置的信號給控制器65。另外，圖像數(shù)據(jù)源(如，計算機)70也給控制器65提供數(shù)據(jù)信號。圖像數(shù)據(jù)定義了在其上寫圖像點的記錄介質(zhì)50上的點。因此，在記錄介質(zhì)50掃描期間，控制器65使激光器60和記錄介質(zhì)50的瞬間相對位置(由探測器55所報告的)與圖像數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)來在合適的時間激勵合適的激光驅(qū)動器。眾所周知在掃描器和繪圖儀領(lǐng)域，有要求能執(zhí)行這個計劃的驅(qū)動器和控制電路；在＇092專利和美國專利No.5174205中描述了合適的設(shè)計，這兩個專利本申請均承認，并因此合并引用。
激光器60的輸出激勵激光晶體75，實際上晶體75發(fā)射光束到記錄介質(zhì)50上。一組透鏡77、79聚集激光器60的輸出到晶體75的端面85上。它從激光器60的狹縫69離開后光束發(fā)散。通常沿圖3所示的短或“快”軸的發(fā)散(表示為“數(shù)值孔徑”或NA)是基本形式；使用發(fā)散-縮減透鏡77使散射減少。一個優(yōu)選配置是一個完全的圓柱形透鏡，基本上是一個適當直徑的玻璃棒段；可是，其他光學布置如具有半球狀截面的或修正快和滿軸的透鏡，也能具有優(yōu)勢。
調(diào)焦透鏡79聚集從透鏡77散射到激光晶體75的端面85上光束。透鏡77和79之間的光路可以是直的，或可以通過一個光纜代替進行。透鏡79可以是一個雙非球面透鏡(見＇881的說明書)。通常，端面85、87具有鏡面涂層，除了從激勵源所產(chǎn)生的外，該涂層限制了光束的進入，并捕捉輸出光束。這樣，當阻止虛光束進入時，這兩個涂層促進了激光放大的內(nèi)部反射特性。在一個實施例中，面85、87的每個面具有一個HR涂層，該涂層提供了1064nm光束(輸出)大于99.8％的反射率和808nm光束95％的傳輸率，以及一個R涂層，該涂層提供了1064nm光束(輸出)95％(±0.5％)的反射率和808nm光束大于95％的傳輸率。
晶體75高的校準和low-NA輸出，最終由透鏡90聚焦在記錄介質(zhì)50的表面上(或一個合適的內(nèi)層上)，該透鏡可以是一個平凸透鏡(如圖所示)或其他適當?shù)墓鈱W裝置。激光、激光晶體和光學部件通常裝在一個單獨的長外殼內(nèi)。對應于晶體75發(fā)出的成像光束的記錄介質(zhì)50，如，通過消融成像層或通過從供給器到接收器材料的非消融傳輸。
激光晶體75的功能是從激光器60在沒有過多能量損耗的情況下，提供一個low-NA激光輸出；基本上，損耗的能量代表了增加焦深的代價。一般地，晶體75最好(雖然不是必須)是一個“熱透鏡作用(thermallensing)”材料的平板-平板整體制品；光能傳輸?shù)蕉嗣?5使得端面85、87偏轉(zhuǎn)成弓形，產(chǎn)生一個有利于發(fā)射激光的諧振腔。為了產(chǎn)生一個平滑的成像點，隨著其輸出發(fā)散與限制衍射源盡可能近，需要獲得一個操作的單橫模(最好是最低級別，基模TEM00)。
一個通常的操作上述裝置中激光晶體的行為在圖4中作了描述。圖表100表示2mm厚Nd:YVO4晶體摻雜有5％濃度的占空度與點尺寸的變化，而圖表102表示1mm晶體的占空度與點尺寸的變化。在這兩種情況下，點尺寸變化基本上是在低占空度部分，并逐漸超過其余部分。(對固定的點尺寸來說，)相對于所期望的這些變化，充分改變了打印色彩。
圖5-10表示了實現(xiàn)本發(fā)明的典型的部件和圖3所示可應用到裝置中的方式。首先，如圖5A和5B所示，激光晶體175僅僅部分涂有鏡面涂層185、187；鏡面涂層的寬度W基本上比激勵源出來的光束大，無論如何，所有的光束能量用來產(chǎn)生激光。晶體175沿涂層185的邊部金屬化以形成一對金屬薄膜柱195、200。柱195、200可以在晶體175內(nèi)真空涂敷，并且可以包括300埃的鉻涂層和2400埃的金涂層。
如圖6所示，晶體175在晶體外殼筒225中，該筒包括一個具有一個凹口230的前面228，在凹口230里固定晶體175(下面還要論述)。筒225本身在透鏡外殼235里，外殼也帶有一個聚焦透鏡240。透鏡外殼235的前面部分包括一個圓柱通道245，該通道也帶有一個聚焦透鏡240。透鏡外殼235的前端部分包括一個圓柱通道245，該通道部分終止于一個阻擋壁247，該阻擋壁有一個引導到第二個較小的圓柱通道250的中心開孔，該圓柱通道250部分終止于一個第二阻擋壁252。在阻擋壁252后面的更小一些的同心的圓柱段展寬到縱向孔255里。透鏡外殼235的后段部分包括一個管狀套筒260，該套筒有一個外部螺紋，它與標準的SMA接頭相配合，激勵光源引導入一終止于一SMA接頭的光纜上，并且當這樣的一個接頭旋到套筒260上時，光纖通過孔255延伸接近一個將孔255與通道250相連的最窄小的圓柱段。
如圖7所示，透鏡240在通道250內(nèi)并固定在阻擋壁252上，并且晶體175在凹口230內(nèi)。筒225在透鏡外殼235的通道245內(nèi)，這樣，筒225的前端面228與透鏡外殼235的阻擋壁247相接觸。(為清楚起見，在圖7中，前端面228與阻擋壁247稍微有一點距離。)在這樣的配置下，透鏡240聚集進入的激勵光束到晶體175的前端面上，該端面與阻擋壁147相對，這樣柱195、200(見圖5A、5B)與阻擋壁247具有良好的機械接觸。外殼225、235最好用金屬如OFHC銅制造。
現(xiàn)在參考圖8，圖8詳細表示筒225的前端面228及晶體175安裝在里面的方式。前端面228除了凹口230外基本上平的。在凹口230的開始是一個縱向中心孔280，該孔通過筒225延伸。凹口230終止于下面的孔280以形成一個支撐架285，并與孔280稍微有一點偏移量，這樣，晶體175的邊緣與支撐架285及凹口230的右邊相接，在凹口230的上面和晶體175的左邊存在著空閑的空間。
為了將晶體175固定到筒225上以提供基本上不中斷熱傳導的方式，晶體安裝在凹口230內(nèi)，帶有與支撐架285相鄰的晶體175的兩個角邊和一個凹口230的垂直邊，這樣，晶體175基本上位于孔280入口的上方中央。凹口230內(nèi)的空閑空間充填有與外殼225接近的熱膨脹和熱傳導系數(shù)的焊料?！敖咏币馑际窃?0％之內(nèi)，最好在5％之內(nèi)；從絕對意義上來說，焊料的熱膨脹系數(shù)應該是這樣的，即在使用不超過晶體能夠承受的剪切應力總量時所有使用的焊料的膨脹量。結(jié)果，從晶體175到筒225外部的連續(xù)熱傳導路徑，熱量是連續(xù)和高效地從晶體175散發(fā)的，避免了過熱和膨脹聚焦，因此減小了點尺寸的變化。
特別地，與OFHC銅外殼的相配合，焊藥最好是銦或合金或雙金屬基的，如銦/金。作為選擇，也可以使用鉛/錫合金。采用傳統(tǒng)的浸粘(dye-bonding)技術(shù)來涂敷焊料，并且通過化學蝕刻方式進行焊料的表面清理。直到外殼225、235相配合，所有表面最好在惰性氣體的環(huán)境中以避免氧化。
現(xiàn)在參考圖9和圖10，它表示一個根據(jù)本發(fā)明的完整聚焦和外殼裝置300。裝置300引導光束從光纜305到打印元件的成像表面(未畫出，但安裝在裝置300的輸出端那一邊)。
如圖所示，光纜305在SMA連接器部件310處終止，該部件310包括一個螺紋使之能旋到管狀套筒260上。墊圈315可以確保把光纜305與聚集透鏡240(為簡化，未在圖9中畫出)分離一定的距離。隨著晶體175固定在筒225、筒225裝在透鏡外殼235內(nèi)，外殼235裝在第一個圓柱段325內(nèi)。透鏡外殼通過一個螺母330安裝到圓柱段325上，為了便于機械調(diào)整，可以位于偏離筒225的孔280中心的位置(如在專利文件＇881中所述)。圓柱段325同心地裝在第二圓柱段335內(nèi)，并基本上延伸到它的端部。段325、335通過一個空心套筒340和一個螺母345相連接，并且如果需要的話，整個組合體可以用空氣或循環(huán)水冷卻。
如專利文件＇881中所述的聚焦和校正透鏡350，是裝在一個保持蓋355上，該蓋固定在段335的端部。蓋335包括一個窗口360，它使得透鏡350暴露，透鏡350的直徑小于段325(如圖10所示，當其全部在段335內(nèi)時，它實際上包圍著透鏡350)。透鏡350可以通過一個O形圈365固定在蓋355內(nèi)。
為了防止反射，段325、335的所有內(nèi)表面最好是暗的(如Ebmol“C”黑)。
如前面提到的，因為晶體175的厚度決定了激光諧振腔的深度，當占空度改變時，此參數(shù)也影響點尺寸的變化；較厚一點的晶體遭受較大程度的熱和膨脹的聚焦，引起較大的輸出變化。舉例來說，對于Nd:YVO4晶體，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，0.75mm厚度是最佳的。
優(yōu)化晶體的摻雜級也減少了點尺寸的變化。一般地，足夠的激光性能所必須的最小摻雜級是理想的。在Nd:YVO4晶體中，低于1％的摻雜級不能提供充足的激光轉(zhuǎn)化能量；但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)從1％至1.12％的摻雜級易于使發(fā)射的激光有最小的點尺寸變化。
圖11表示上述熱匹配的裝配組件的綜合效應，使用1％摻雜、0.75mm厚Nd:YVO4帶有兩個不同類型鏡面涂層的激光晶體。曲線400表示單遍涂層的結(jié)果在占空度的整個范圍里，點尺寸的變化在一個微米范圍內(nèi)。(這里，為了目的，點尺寸范圍平均在2％之內(nèi)，或目標點尺寸認為基本上為一個不變的點尺寸。)曲線402揭示了，使用雙遍涂層在占空度低于15％時增加了點尺寸的變化；在較高一些的占空度區(qū)間，點尺寸的變化也大約保持在一個微米范圍內(nèi)。
圖12-17表示一個可選的外殼配置。如圖12所示，一般地，配置包括一個透鏡外殼500；一個晶體外殼502；一個聚焦筒504；和一個保持筒506，該保持筒終止于筒夾并通過筒夾螺母510安裝在筒504上。
在圖13A-13C中較詳細表示了透鏡外殼500的組件。外殼500的前端部分有一個軸環(huán)520，該軸環(huán)環(huán)繞著圓柱通道525，該通道可安裝一個聚集透鏡527(如一個非球面透鏡)。通道525終止于阻擋壁529，該阻擋壁有一個同心中心孔，引導通道525到第二個稍小的圓柱通道，并擴展進入一個縱向孔532內(nèi)。當安裝到通道525內(nèi)時，透鏡527的外邊緣通過一個彈性O(shè)形環(huán)537保持在阻擋壁529上，依次地，阻擋壁用蓋540固定，蓋壓緊在軸環(huán)520上。
透鏡外殼500的后端部分包括一個管狀套筒534，該套筒有一個外螺紋(見圖13B)或其他用來接受光纜接頭的安裝部件。當這樣的接頭固定到套筒534上時，光纖通過孔532延伸接近較小的把孔532與通道525隔開的圓柱通道。
外殼500包括一個用于接受不同調(diào)整和安裝部件的輔助孔。特別地，第二個縱向孔545在孔532的徑向布置，并通過外殼500的本體延伸?？?45為了接受螺桿547(見圖12)，它帶有一內(nèi)螺紋。兩個稍長的孔550a、550b(見圖13C)通過用于接受一對與晶體外殼502相連的定位銷的外殼500延伸(如下面所述)。最后，一個側(cè)孔通過外殼500橫向延伸，但它與中心軸線有一定距離，并在孔550a、532之間(與它們垂直)。參照圖12，側(cè)孔552接受一個卡緊軸環(huán)555和一個卡緊螺母557，前者有一個平滑的內(nèi)壁，并且后者有一個內(nèi)螺紋。環(huán)555和螺母557都有一個外斜面。隨著定位銷通過通道550a、550b的延伸，軸環(huán)555引入到孔552的頂部并且螺母557進入孔的底部。螺桿蓋560通過軸環(huán)555和螺紋進入螺母557。當螺桿560擰緊后，軸環(huán)555和螺母557的斜面通過孔550a抵住定位銷。在擰緊螺桿560之前，調(diào)整螺桿547在透鏡外殼500和晶體外殼502之間建立一個預定的位移量。
現(xiàn)在參考圖14A-14C，較詳細描述晶體外殼502。晶體外殼502有一個前端表面570，該表面除了一個通道572之外基本上是平的，該通道帶有一個更深一層的凹口574。與上面圖8所述一樣，凹口574帶有一個支撐架并接受晶體576(并且，如果必要的話，一個預置晶體架578)。
外殼502還有一對相對配置的凹口580a、580b，每個凹口接受一個暗銷582a、582b。這些作為上述的定位銷，并且突出到面570上的銷582a、582b段體由透鏡外殼500的孔550a、550b所接受。最好如在圖14C的剖面圖所看到的，在凹口574的開始是一個中心縱向孔585，在展寬進入通道587之前，它有部分穿過外殼502，通道587延伸到外殼502的前端表面。
圖15表示透鏡筒504的部件，透鏡筒504與晶體外殼502是緊密配合的。特別地，筒504后端終止于頸部590，頸部590擴展延伸形成肩部592。頸部590在晶體外殼502的通道587很完全合適地裝配；隨著頸部590被全部容納，肩部592就與晶體外殼502的前端面594相鄰接。
縱向孔600延伸完全穿過筒504，終止于軸環(huán)602，該軸環(huán)限制了筒504的前端面。一個聚焦透鏡604，可以是一個普通的非球面透鏡，它在孔600內(nèi)，并且由一個彈性O(shè)形環(huán)606和一個蓋608保持，蓋608壓緊在軸環(huán)602上。筒504的長度，特別是在孔600內(nèi)的長度，由透鏡604的焦距長度所定。
再來重新參考圖12，透鏡筒504的整個長度在一個寬長孔620內(nèi)，該孔穿過保持筒506。筒506的前端分成弓形段以形成一個筒夾，該筒夾包括一組與筒夾螺母510相配合的外螺紋625。因此，隨著筒504裝在筒506內(nèi)，擰緊螺紋625上的筒夾螺母510來將筒504通過壓力固定到筒506上，以防止筒504轉(zhuǎn)動或移動。
如圖16所示，圖16表示筒506的后端部，筒620相對于中心軸線稍微偏離一點。如圖17所示，在裝置的所有部件連接后，裝置裝在一個寫字頭內(nèi)，并轉(zhuǎn)動它直至光束達到與一個相對的平支架的合適的水平位置；裝置然后被固定在寫字頭里(例如，當嚙合時，通過寫字頭里的鎖定機構(gòu)，防止裝置的移動)。這樣，即使在激光束水平位置時，此裝置的設(shè)計允許所有部件保持相互之間的固定，因為整個裝置(勝于個別部件)是轉(zhuǎn)動的。
在專利文獻＇881中，論述了用于增大從激光器到光纜傳輸能量并最終到激光晶體的許多方法。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于從光纜發(fā)射的光束偏振和激光晶體的自然偏振之間的不匹配，能量可能產(chǎn)生損失。這在圖18中用圖表表示了。當偏振平面是校準的，當在3600轉(zhuǎn)動內(nèi)發(fā)生兩次時，能量輸出是最大的。因此，最好避免不考慮能量輸出而將光纜接頭接合到透鏡-和-晶體裝置。代替的是，接頭應該首先松散地安裝，并在光纖轉(zhuǎn)動時測量能量輸出(使用合適的光束分析設(shè)備)；然后固定接頭(例如，通過如圖1所示的轉(zhuǎn)動，或，如果使用一個鎖住接頭部件--如一個如圖17所示的ST接頭630，通過鎖緊機械接合)因此，將明白，上述封裝和設(shè)計方法基本上提高了激勵-晶體激光性能。這里所采用的術(shù)語和表達式如說明書術(shù)語，并不是限定，且沒有意圖，在使用這些術(shù)語和表達式時，并不排除任何與這里所表示的和描述的或部分相同的特征，但是，需要承認的是在本發(fā)明權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)，各種修改是可能的。
權(quán)利要求
1．一種用于激光一響應記錄結(jié)構(gòu)成像的裝置，該裝置包括a．一個光束激勵源；b．一個激光晶體，對激勵源響應，用于產(chǎn)生低發(fā)散光束；c．聚集從晶體到記錄介質(zhì)表面的光束的機構(gòu)；d．用于操作激勵源的機構(gòu)，在記錄結(jié)構(gòu)上來產(chǎn)生一個圖形方式的點，這些點有一個尺寸和應用密度，在應用密度范圍內(nèi)點尺寸基本保持常數(shù)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，應用密度范圍從1％到100％，并且點尺寸的變化不超過2％。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括用于承受激光晶體的機構(gòu)，該機構(gòu)包括a．一個熱傳導架，該架具有一定的熱膨脹和熱損耗系數(shù)；b．用于將激光晶體熱耦合到架上的機構(gòu)，耦合機構(gòu)有一個大約與架相當?shù)臒崤蛎浐蜔釗p耗系數(shù)。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，激光晶體至少包括與架相接觸的兩邊，耦合機構(gòu)包括一個金屬膜，該金屬膜配置在至少一個與架相接觸的邊上。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，外殼材料是OFHC銅，并且薄膜由鉻和金構(gòu)成。
6．根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，還包括一個用于從架傳熱的機構(gòu)。
7．根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，激光晶體還包括兩個不與架接觸的邊，耦合機構(gòu)還包括將非接觸邊與機架熱耦合的焊料。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，外殼材料是OFHC銅，并且焊料含有銦。
9．根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，外殼材料是OFHC銅，并且焊料是銦/錫合金。
10．根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，外殼材料是OFHC銅，并且焊料是鉛/錫合金。
11．根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，激光晶體包括一種濃度范圍為1％-1.12％的摻雜劑。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所說的裝置，其特征在于，摻雜劑是銣。
13．一種制造激勵激光一晶體部件，使其在增加占空度時顯示最小點尺寸變化的方法，該方法包括下列步驟a．提供一個激光晶體，該晶體響應激勵源，用于產(chǎn)生輸出光束。b．提供一個激光晶體的外殼，該外殼包括一種促進從晶體散發(fā)輸出光束的機構(gòu)；并且c．將晶體放置在外殼中，這樣就提供一個從晶體到外殼基本一致的熱通道，使晶體曝光給激勵源，該激勵源產(chǎn)生有一個點尺寸的輸出光束，點尺寸在曝光頻率范圍內(nèi)基本保持不變。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所說的方法，其特征在于，激光晶體有一個在曝光頻率范圍內(nèi)將點尺寸變化減到最小的厚度。
15．根據(jù)權(quán)利要求14所說的方法，其特征在于，激光晶體需要一個最小的厚度來產(chǎn)生輸出光束，晶體厚度大約等于，但不小于此最小厚度。
16．根據(jù)權(quán)利要求15所說的方法，其特征在于，激光晶體為Nd:YVO4，并且厚度大約為0.75mm。
17．根據(jù)權(quán)利要求13所說的方法，其特征在于，激光晶體有一個在曝光頻率范圍內(nèi)將點尺寸變化減到最小的摻雜級。
18．根據(jù)權(quán)利要求17所說的方法，其特征在于，激光晶體需要一個最小的厚度來產(chǎn)生輸出光束，摻雜級大約等于，但不小于此最小層。
19．根據(jù)權(quán)利要求18所說的方法，其特征在于，激光晶體為Nd:YVO4，并且摻雜級范圍從1％-1.12％。
20．一種瞄準和聚焦激光光束的裝置，該裝置包括a．一個連接到光束激勵源的容器；b．一個對應于激勵源的激光晶體，用于產(chǎn)生低發(fā)散度光束，晶體有一個輸入邊和一個輸出邊；c．一個保持激光晶體的機構(gòu)；d．一個聚集從容器到激光晶體輸入邊光束的透鏡；e．一個聚焦透鏡，該透鏡有一個聚集從晶體的輸出邊散發(fā)到記錄介質(zhì)的光束的焦距；并且f．一個在激光晶體輸出邊和聚焦透鏡之間延伸的筒，該筒有一個由聚焦透鏡焦距所決定的長度，一個連續(xù)光路，該光路通過容器、聚集透鏡、激光晶體保持機構(gòu)、筒、和聚焦透鏡延伸。
21．根據(jù)權(quán)利要求20所說的裝置，其特征在于，聚集透鏡是一個非球形透鏡。
22．根據(jù)權(quán)利要求20所說的裝置，其特征在于，聚焦透鏡是一個非球形透鏡。
23．根據(jù)權(quán)利要求20所說的裝置，其特征在于，還帶有一個配制用于固定在寫字頭內(nèi)的夾頭筒，該夾頭筒包括a．一個具有中心軸線穿過的延長體；b．一個通過用于接受筒的主體沿縱向伸展的鉆孔，該孔沿軸的徑向分布；并且c．一個用于在夾頭筒內(nèi)扭轉(zhuǎn)鎖定接受筒的機構(gòu)。
24．根據(jù)權(quán)利要求23所說的裝置，其特征在于，扭轉(zhuǎn)鎖定機構(gòu)包括一個夾頭筒上的夾頭和一個安裝其上的夾頭螺母。
25．根據(jù)權(quán)利要求23所說的裝置，其特征在于，容器、聚集透鏡、激光晶體保持機構(gòu)、筒、和聚焦透鏡是互相固定的，以避免它們之間的轉(zhuǎn)動或移動。
26．根據(jù)權(quán)利要求20所說的裝置，其特征在于，用于保持激光晶體的機構(gòu)包括a．一個熱傳導架，該架有一個熱膨脹和熱損耗系數(shù)；并且b．一個用于將激光晶體熱藕合到架上的機構(gòu)，該機構(gòu)有一個與架大致相同的熱膨脹和熱損耗系數(shù)。
27．一種將激光光束聚焦到記錄介質(zhì)上的方法，該方法包括a．提供一個光束激勵源；b．提供一個對應于激勵源的激光晶體，用于產(chǎn)生低發(fā)散的有一個偏振角的光束；c．提供一個用于傳導從激勵源到激光晶體光束的機構(gòu)，從傳導機構(gòu)發(fā)射出來的光束有一個偏振角；d．調(diào)整偏振角；并且e．將從晶體來的光束聚焦到記錄介質(zhì)表面上。
全文摘要
設(shè)計和構(gòu)造了一種用在成像裝置上的激勵激光晶體,用來使隨著一般從1%—100%的占空度范圍的點尺寸的變化減到最小,也就是,打印密度范圍從每百個像素到每個連續(xù)像素。
文檔編號H01S3/16GK1224182SQ9812456
公開日1999年7月28日 申請日期1998年11月6日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月7日
發(fā)明者J·G·索薩, J·福斯特, J·R·莫斯 申請人:壓縮技術(shù)公司