(57)【要約】  直接エングレービングする装置であって、波長が異なるレーザ光を放射する複数のレーザダイオードと、前記複数のレーザ源を単一のレーザビームに集めるマルチプレクサ（１１）と、前記単一のレーザビームを増幅して、増幅した単一のレーザビームを形成する希土類ドープト・ファイバ増幅器（１２）と、前記単一レーザビームを複数の増幅したレーザ源に分離するデマルチプレクサと、印刷刷版（５５）に画像形成するために、前記複数の増幅したレーザ源を照射する画像形成手段とを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接エングレービングする装置であって、
波長が異なるレーザ光を放射する複数のレーザダイオードと、
前記複数のレーザ源を単一のレーザビームに集めるマルチプレクサと、
前記単一のレーザビームを増幅して、増幅した単一のレーザビームを形成する希土類ドープト・ファイバ増幅器と、
前記単一レーザビームを複数の増幅したレーザ源に分離するデマルチプレクサと、
印刷刷版に画像形成するために、前記複数の増幅したレーザ源を照射する画像形成手段とを有する装置。
【請求項２】
前記希土類ドープト・ファイバ増幅器は、光伝搬経路の方向にカスケード接続された少なくとも２つの、単一希土類ドープト・ファイバ増幅器により構成される、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記希土類ドープト・ファイバ増幅器はイッテルビウムベースである、
請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記希土類ドープト・ファイバ増幅器はエルビウムベースである、
請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記希土類ドープト・ファイバ増幅器はネオジウムベースである、
請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記デマルチプレクサは回折格子デバイスに基づく、
請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記デマルチプレクサはプリズムに基づく、
請求項１に記載の装置。
【請求項８】
直接エングレービング方法であって、
波長が異なるレーザ光を放射する複数のレーザダイオードを設ける段階と、
前記レーザビームを単一レーザビームに多重化する段階と、
希土類ドープト・ファイバ増幅器を用いて前記単一のレーザビームを増幅して、増幅した単一のレーザビームを形成する段階と、
前記増幅した単一レーザビームを複数の増幅したレーザ源に分離する段階と、
印刷刷版上に前記複数の増幅したレーザ源で画像形成する段階とを有する、方法。
【請求項９】
前記希土類ドープト・ファイバ増幅器は、光伝搬経路の方向にカスケード接続された２つ以上の、単一希土類ドープト・ファイバ増幅器により構成される、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記希土類ドープト・ファイバ増幅器はイッテルビウムベースである、
請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記希土類ドープト・ファイバ増幅器はエルビウムベースである、
請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記希土類ドープト・ファイバ増幅器はネオジウムベースである、
請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記デマルチプレクサは回折格子デバイスである、
請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記デマルチプレクサはプリズムである、
請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
直接エングレービング方法であって、
複数のレーザビームを供給する段階と、
前記レーザビームを単一レーザビームに多重化する段階と、
増幅器を用いて前記単一のレーザビームを増幅して、増幅した単一のレーザビームを形成する段階と、
前記増幅した単一レーザビームを複数の増幅したレーザ源に分離する段階と、
基材上に前記複数の増幅したレーザ源で画像形成する段階とを有する、方法。
【請求項１６】
前記増幅器は希土類ドープト・ファイバ増幅器である、
請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、効率的に印刷ブロックを生産する、波長が異なる複数のレーザダイオードよりなる複数のレーザ源のドープ・ファイバ増幅（ＤＦＡ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の印刷技術では、印刷ブロックから印刷面（imaged surface）にインクを移すことにより、最終画像を被印刷物に印刷（convey）している。印刷ブロックは感光性材料よりなり、選択したエリアをレーザ源により露光することにより画像を形成する。パターン形成したマスク（フィルム）により露光してもよいが、ほとんどの場合、コンピュータ刷版（computer to plate; CtP）と呼ぶプロセスにより、露光用光ビームを直接制御することにより行われる。コンピュータ刷版システムでは、表面（刷版）上にレーザビームをスキャンし、コンピュータにより生成するデータに応じてレーザ強度を変調する。
【０００３】
直接レーザ画像化において用いられる刷版の一種は、ローラやシリンダに取り付けてインクを塗布できるように、ポリマーやラバーなどのフレキシブルな材料で作ったフレキソ印刷刷版として知られている。インクの転写は印刷プロセスにおいて刷版上の画像が被印刷物に接した時に行われる。直接レーザ画像化の設定では、フレクソ刷版は、上部層に感光剤があり、これが下部層の感光性樹脂のフォトレジストマスクとして機能する。最初のステップでは、上部層に所望のパターンを形成（除去）する。次にステップにおいて、フレクソ刷版を紫外光に露光する。マスクが除去されていない領域の下では、感光性樹脂は硬化するが、マスクが除去された領域の下では、感光性樹脂は硬化せず、その後の現像ステップにおいて洗い流される。機械的支持のため、これら２つの層はフレキシブルな樹脂でできた第３の基板層上にある。
【０００４】
紫外線露光ステップとその後の現像ステップとを無くした、高解像度フレクソ刷版の別の制作方法は、ポリマーへの直接エングレービングするものである。レーザアブレーションにより材料を選択的に除去することにより、刷版に画像形成する。必要な深さで３次元形状を形成するまで、刷版の表面にレーザを１回または複数回照射する。アブレーションの深さは、材料のレーザエネルギーの吸収性や吸収深度などの材料特性に依存する。材料に応じてアブレーションするためのレーザビームの最低必要エネルギー密度がある。この閾値より上では、刷版セッタの生産性はレーザパワーに依存する。
【０００５】
このようにレーザ源から高いパワーが必要になるが、これは画像の解像度を高くしようとすることとしばしば矛盾する。レーザにより適当な画像解像度を提供するには、レーザスポットを一定のスポットサイズにフォーカスできなければならない。しかし、回折効果のため、レーザスポットをフォーカスできるサイズには原理的な最小値があり、これはレーザ源の波長とレーザビームの収束角とに依存する。
【０００６】
理論的な限界により設定された最低角で収束するように一定のスポットサイズにフォーカスしたレーザスポットを、収束限界という。レーザビームがどのくらいこの理論限界より大きいかを示す数量的尺度は、いわゆるＭ2モデルにより得られる。Ｍ２モデルによるレーザビームの特徴は、Ｇ．Ｆ．マーシャル編集の「光及びレーザスキャニングハンドブック」において、トーマス・ジョンソンとマイケル・サンセットにより説明されている。基本的には、レーザ源とレーザビームをフォーカスするために用いる理想的なレンズとにより作られるスポットは、次式により得られる：
【０００７】
【数１】
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ここで、λはレーザ源の波長であり、ｆは画像化レンズの焦点距離であり、Ｄはレンズにおける入射ビーム径である。Ｍ２は、ビームの収束が回折限界を上回る倍数であると考えることができる。回折限界のビームの場合、Ｍ２＝１である。ＣＯ２レーザは、波長λ＝１０．６  λｍの波長の光を放射するものであるが、一般的なレーザシステムの一例であり、波長が長いために制限を受ける。一方、ハイパワーレーザダイオードは、通常１  λｍ未満の波長の光を放射するように設計されているが、高出力放射は発散が大きいマルチモードレーザキャビティでなければ実現できない。すなわち、Ｍ２は１よりかなり大きくなる。
【０００８】
これらの理由から、ファイバーレーザ技術の進展に伴い、イットリウム（Ｙｂ）をドープしたガラスファイバーに基づくファイバーレーザが、高いビーム品質を提供するハイパワーレーザアプリケーションの技術的選択肢として現れた：Ｍ２は１に近く、波長はλ≒１．１  μｍのオーダーである。数百ワットの放射が可能なファイバーレーザは、ＩＰＧフォトニクスなどの多くの会社から商業的に入手可能である。ファイバーレーザの概要は、マイケルＪ．Ｆ．ディゴネット編集「レアアースドープファイバーレーザ及びアンプ」第２版に記載されている。
【０００９】
一本のファイバーレーザで十分な出力パワーを得られるが、ＣｔＰシステムで使いやすいシングルレーザビームのパワーには、実際的な制限がある。従来、ＣｔＰでは、刷版を回転ドラムにクランプし、回転軸と平行な軸で、刷版上にレーザビームをスキャンしていた。生産性は単位時間当たりに処理できる刷版材料の総面積として表せる。それゆえ、刷版セッタの生産性を改善するために、レーザ源からの大きなパワーを利用するには、ドラムを高速で回転させる必要がある。同様に、「フラットベット」や「キャプスタン」として知られるリニアスキャニング法を用いると、刷版をリニアにレーザビームでスキャンするので、リニア速度を上げる必要がある。
【００１０】
しかし、機械的な制約があり、スキャニング速度を高くすると複雑性が増してくる。そのため、生産性を改善する一般的なアプローチは、連続的に配列した複数のファイバーレーザビームを用いて、各ビームを独立に変調して刷版に同時に画像形成することである。かかるアプローチは一般的に複数のレーザダイオード光源とともに用いられ、駆動電流を直接変調することにより各ダイオードを変調する。しかし、レーザダイオード・ファイバーレーザを直接電流変調できるのは中程度の周波数範囲であり、一般的には１００  ｋＨｚ未満であり、高速画像形成に必要な範囲より低い。
【００１１】
ファイバーレーザのこの短所を解消するため、標準的なアプローチでは、ビームの変調に音響光変調器（ＡＯＭ）を用いる。ビームが複数の場合、複数のＡＯＭを利用し、各ビームには別のＡＯＭを設ける。あるいは、ビームチャネルに対して、各ＲＦ周波数で振幅変調される、複数のＲＦ電圧周波数で駆動される音響光回折器（ＡＯＤ）を設ける。米国特許第６，８２２，６６９号（フィッシャーほか）は、このような複数のＡＯＭまたは複数のＲＦ電圧で駆動される単一のＡＯＭと接合した複数のファイバーレーザの構成が記載されている。
【００１２】
ＡＯＭにより高い変調レートを実現する手段を提供できるが、これには、余分なコンポーネントが必要となり複雑になり、画像形成ヘッドのコストが高くなるのに加え、大きな欠点がある。ＡＯＭは完全に透明ではないので、変調器を通る光は減衰してしまう。
【００１３】
ＡＯＭに付随するもう一つの不利益は、その信頼性に関する。ＡＯＭで光ビームを振幅変調すると、変調の立ち上がり時間は変調器を通るビーム径に比例する。ＡＯＭを高変調レートで動作させる場合、ＡＯＭに入射するレーザビーム径は小さくなければならず、標準的なアプローチでは、変調器の入力開口においてビームをフォーカスしている。こうすると、ビームの光パワー密度が大幅に高くなり、ＡＯＭを損傷してしまう可能性がある。パワー密度が少し過剰になっただけでＡＯＭ内の結晶を損傷し、レーザビームが大幅に光吸収され、デバイスが必然的に故障してしまう。また、ＡＯＭにはＲＦ電圧ドライバに関連して別の欠点がある。電気エネルギーから音響エネルギーへの変換が効率的ではないので、ＲＦドライバ内で散逸する電気エネルギーにより生じる熱をシステムから除去する必要があり、これには水冷が用いられることが多い。そのため、システムが複雑になり、ＣｔＰの信頼性を損なう。本発明の目的は、音響光デバイスを用いずに、ファイバーレーザ技術を利用してＣｔＰ用に複数のレーザビームを構成する方法を提供することである。
【００１４】
ファイバーレーザでは、レーザアクションをする利得媒体は、イッテルビウム（Ｙ３＋）、エルビウム（Ｅｒ３＋）、ネオジウム（Ｎｄ３＋）その他の希土類金属などのイオンをドープしたファイバであり、これをレーザダイオードでポンピングする。レーザアクションを起こすため、ファイバにある種の共振リフレクタを導入してキャビティを形成する。共振リフレクタはミラー、ファイバリング、ファイバオプティックカップラなどの文献に記載されている構成でよい。利得媒体に共振リフレクタを導入しない場合、ドープし、ポンピングしたファイバは、入射する低パワーレーザ光に対して光増幅器として機能する。この構成は一般的に「ドープト・ファイバ・増幅器」（ＤＦＡ）と呼ばれる。ＤＦＡ利得媒体の機能は、単一の低パワーレーザ光の増幅だけではない。レーザ光の入射波長がＤＦＡの光スペクトルの帯域幅内にあれば、同じＤＦＡにより複数のレーザ入力を同時に増幅できる。さらに、ＤＦＡを複数の段階でカスケードして、複数段階での増幅をすることもできる。
【００１５】
ＤＦＡは光ファイバ通信で多用され、特に、一般的なエルビウム（Ｅｒ３＋）ドープト・ファイバ（ＥＤＦＡ）を用いて複数チャネル（各チャネルは波長が異なるが、光ファイバを搬送される）の光信号を増幅する波長分割多重（ＷＤＭ）で多用される。
【００１６】
米国特許第６，２１２，３１０号（ワーツほか）は、複数のレーザ源を１つのファイバ導波路に結合する構成を記載している。その１つの導波路における増幅をドープト・ファイバ増幅手段により行う。
【００１７】
欧州特許第０８４６５６２号（タマキ）は、ドープト・ファイバ増幅手段を利用した画像記録装置を記載している。１つのレーザ源の増幅とともにＤＦＡを用いて、印刷ブロックのエングレービングのために、増幅したレーザ源を照射する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１８】
簡潔に言うと、本発明の一態様によると、直接エングレービングする装置は、波長が異なるレーザ光を放射する複数のレーザダイオードと、前記複数のレーザ源を単一のレーザビームに集めるマルチプレクサと、前記単一のレーザビームを増幅して、増幅した単一のレーザビームを形成する希土類ドープト・ファイバ増幅器と、前記単一レーザビームを複数の増幅したレーザ源に分離するデマルチプレクサと、印刷刷版に画像形成するために、前記複数の増幅したレーザ源を照射する画像形成手段とを有する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】複数のレーザ源からの波長が異なるレーザビームを結合し、単一のドープト・ファイバ増幅器で増幅し、ビームを波長成分に分離し、印刷刷版を露光する構成を示す図である。
【図２Ａ】回折格子に基づくマルチプレクサを示す図である。
【図２Ｂ】プリズムに基づくマルチプレクサを示す図である。
【図３Ａ】複数のレーザ源の広いスペクトル幅と、小さいセパレーションを示す図である。
【図３Ｂ】複数のレーザ源の広いスペクトル幅と、向上したセパレーションを示す図である。
【図３Ｃ】複数のレーザ源の狭いスペクトル幅と、大きいセパレーションを示す図である。
【図４Ａ】エルビウム利得とレーザビーム波長との関係を示すグラフである。
【図４Ｂ】イットリウム利得とレーザビーム波長との関係を示すグラフである。
【図５】ＣｔＰ実装用のイッテルビウムベースのＤＦＡ例を示す図である。
【図６】２つのＤＦＡを一列にカスケードして強い増幅作用を達成する構成を示す図である。
【発明の詳細な説明】
【００２０】
図１に示したように、波長が異なるレーザダイオード１０よりなる複数のレーザ源を有する印刷ブロックを作成する方法を説明する。レーザダイオードから出力される光を希土類ドープト・ファイバ増幅器（ＤＦＡ）１２に結合する。増幅段階からの出力を光デマルチプレクサ１３により、波長に応じて、異なるレーザビームにデマルチプレックスし、分離する。デマルチプレックスしたレーザビーム１４を印刷刷版１５に照射する。光デマルチプレクサの機能は、複数の光学波長よりなるビームをファイバから受け取り、波長成分に分離して異なるポートに出力することである。同様に、このデバイスは逆に波長の多重化もできる。複数のポートに入った異なる波長を合成してマルチ波長ビームにする。図１に示したのは、光マルチプレクサ１１がレーザ源１０からの光を合成してＤＦＡ１２に送る構成である。光は簡単なファイバカップラでＤＦＡに入力できる。しかし、これにより、用いるチャネル数に比例して、大きな光パワー損失が生じる。
【００２１】
図１を参照するに、各レーザ源の光ビームをＤＦＡで増幅した後、光デマルチプレクサ１３を用いて、その出力ポートをその波長により決める。
【００２２】
最も一般的には、光マルチプレクサは回折格子やプリズムなどの分散コンポーネントに基づくが、干渉計の原理に基づいて実現してもよい。図２Ａと図２Ｂはかかるデマルチプレクサの異なる２つの実施例を示す。図２Ａは回折格子デバイス２８に基づく多重化を示し、図２Ｂはプリズム２９に基づく。
【００２３】
図２Ａでは、レーザ光源２０からの光ビーム２２はレンズ２１を通り、分散格子デバイス２８上に入射する。分離（demultiplex）の結果得られる異なる波長成分を有する複数のレーザビーム２３は、レンズ２４により、異なる導波路２５に結合される。
【００２４】
図２Ｂでは、プリズム２９が分散コンポーネントとして機能し、光ビーム２３を複数の波長成分に分離する。波長成分は異なるポートに結合される。
【００２５】
言うまでもなく、逆向きに伝搬しているとして光ビームの経路を逆にたどれば、このデバイスはマルチプレクサとして動作し、異なるポート２５からの光を合成して単一のポート２３に出力する。光マルチプレクサは、オカモトカツナリ著「光導波路の基礎」（アカデミックプレス）で説明されている。
【００２６】
波長が異なるレーザ源１０はファイバ結合された半導体ダイオードレーザである。レーザダイオードのビームはＤＦＡで増幅され、光増幅は利得帯域幅と呼ばれる有限の光周波数範囲で起こるので、レーザ源の波長はＤＦＡの動作波長範囲内にないといけない。エルビウムイオンをドープした場合、増幅に使える範囲は１５３５ｎｍから１５６５ｎｍであり、１６１０ｎｍまで拡大できる。イッテルビウムイオンでドープする場合、利用可能波長は１０３０ｎｍから１１００ｎｍである。
【００２７】
入力レーザ源の間のスペクトルの重なりを回避することが重要である。個々のレーザ源の幅を、個々のレーザ源の間の波長セパレーションより狭くする必要がある。これを図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃに示した。図３Ａは、個々のレーザ源のスペクトル幅が広く、チャネル間のセパレーションが小さく、レーザチャネルは大きく重なっていることを示す。図３Ｂでは、レーザ源のスペクトル幅は広いが、セパレーションを大きくしたので、重なりが小さくなった。図３Ｃに示すようにスペクトルが狭くセパレーションが大きいと、チャネルの重なりは無視でき、異なるチャネルからのクロストーク無しに出口ポートに出力できる。
【００２８】
高ビーム品質で動作することが望ましく、即ちＭ２は１に近いので、ＤＦＡは単一モードファイバであることが好ましい。そのため、レーザ源は単一モードファイバ出力を有する単一モードレーザレーザであることが好ましい。増幅するので、レーザダイオードにハイパワーはいらないので、単一モード動作としても出力パワーの制約は生じない。また、レーザダイオードの大きな利点は、駆動電流を変調することにより、内部的に強度変調が可能であることである。単一モードレーザダイオードは高いレートにおける内部変調に適している。イッテルビウムＤＦＡやエルビウムＤＦＡに適した波長の単一モードレーザダイオードは、例えばルミックスＧｍｂＨ（http://www.lumics.com/）から入手できる。
【００２９】
波長分割デマルチプレクサチャネルはレーザ源の波長に応じて選択し、ポート数はレーザ源の数により決める。ＤＦＡはイッテルビウムドープト・ファイバ増幅器（ＹＤＦＡ）でもよく、これは図４Ｂに示したように、波長範囲１０５０−１１００での増幅に適している。吸収スペクトル（点線）は、ドープト・ファイバが光エネルギーを吸収する効率を表す。約９７０ｎｍでピークとなるので、ＤＦＡのポンピングに用いるダイオードレーザは、この波長付近で設計される。放射曲線は励起ＤＦＡによる放射の相対パワーを表す。ＤＦＡのポンピングに９７０ｎｍピークを用いる場合、１０５０ｎｍから１１００ｎｍまでの曲線部分を増幅に用いる。このようなＹＤＦＡは、例えばＩＰＧフォトニクス（ＹＡＲ−ＬＰ−ＳＦシリーズ、http://www.ipgphotonics.com/index.htm）から入手できる。
【００３０】
図４Ａに示した曲線から分かるように、エルビウムドープト・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は１５３５から１５６５までの長い波長範囲での動作に適しており、１６１０ｎｍまで拡張できる。かかる増幅器も例えばＩＰＧフォトニクスから容易に入手可能である（例えば、ＥＡＤシリーズ及びＥＡＲシリーズ、http/www.ipgphtonics.com/index.htm）。
【００３１】
図４Ａと図４Ｂから明らかなように、ＤＦＡの利得スペクトルはフラットではない。例えば、図４Ａでは、エルビウムＤＦＡの場合、１５２５ｎｍにおける利得４０は１５６５ｎｍにおける利得４１とは大きく違う。異なるチャネルの利得等化には様々な方式が知られており、強度変調や、ＤＦＡの入力におけるレーザダイオードビームの強度制限はその１つである。
【００３２】
好ましい構成では、提案の刷版の画像形成方法は、用いるファイバ増幅器の利用波長範囲では波長に対して、及び用いるスペクトル帯域幅に対して敏感ではない。一例として、イッテルビウムイオンベースのＤＦＡを用いる場合、増幅に利用しやすいスペクトル範囲は１０３０ｎｍから１１００ｎｍである。可能性のある一構成では、ＣｔＰは８ビームよりなり、チャネル間の波長スペーシングは５ｎｍであり、最初のチャネルの中心波長は１０７０ｎｍである。スペーシングは５ｎｍなので、次のチャネルの中心波長は１０７５ｎｍであり、以下同様であり、最後の８番目のチャネルの中心周波数は１１０５ｎｍである。これは図５に示されている。レーザ源１０は光マルチプレクサ１１に入力され、イッテルビウムベースのドープト・ファイバ増幅器５２に入力され、光デマルチプレクサ１３によりデマルチプレックスされ、印刷刷版５５に照射される。印刷刷版５５は、１０７０ｎｍから１１０５ｎｍまでの範囲において感度が等しくなければならない。
【００３３】
本発明の方法には、モジュラアプローチを用い、複数の増幅段をカスケード接続し、出力パワーを必要レベルまで増幅できる利点がある。図６は、２つの希土類ベースの増幅器をカスケード構成して増幅する方法を示す。レーザビームは第１段の希土類アンプ６２に入力され、次に第２段の希土類アンプ６６に進み、その後デマルチプレクサ１３に入る。この点、フィードバック光が必要ないので、増幅器を出る光の出力カップリングは潜在的にはレーザの出力カップリングよりよい。強力なレーザ源の数、及びそれに伴う音響光変調手段の数を増やさなくても、複数の強力なレーザビームによる画像形成が可能である。
【００３４】
ディスクリートの強力なレーザではなく増幅段を用いる他のメリットは、レーザダイオードの内部電流変調は簡単なので、強力なレーザ源よりもパワーが弱い個別のレーザダイオードの変調を制御する方が簡単であることである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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