专利名称：产生不变尺寸图像点的二极管激励系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种数字打印装置和方法，特别涉及一种使用数字控制激光输出的联机或脱机的平版印刷成像打印元件的系统。
在平版印刷中，打印元件上可打印的图像，为一个接受油墨(亲油的)和排斥油墨(憎油的)表面区域的图形。一旦作用到这些区域，油墨能够有效地以足够的逼真度以图形方式传输到记录介质。干式打印系统使用的打印元件，其排斥油墨部分对油墨是足够恐惧的就象允许其直接应用一样。同样应用到打印元件的油墨仅仅以图形方式传输到打印元件上。一般地，首先打印元件与一个叫胶印滚筒的合适中间表面相接触，该表面层依次将图像作用到纸或其他记录介质。在一般的进纸打印机系统中，记录介质固定在压印滚筒上，该滚筒使纸与胶印滚筒相接触。
在湿法平版印刷系统中，非图像区域是亲水的，并在喷墨之前，通过对平板一种湿润(或“喷水”)处理的初始处理，提供了必要的油墨排斥性。憎油喷水处理防止了油墨粘附到非图像区域，但是不影响图形区域的亲油特性。
如果打印机打印不止一种颜色，每种颜色就要求一个独立的打印元件。原始图像分解成一系列图形模式，或“分离”，每个均反映了相应的可打印颜色的作用。打印元件的位置是相同的，这样由不同元件打印的颜色成分将在打印拷贝上互相对准。每个打印元件通常安装(或结合)在一“平板”滚筒上，在印刷机上的与每种颜色相联系的一组滚筒一般称为一个打印位置。
为了克服笨重的照相显影技术及代表传统打印技术的平板安装和平板对齐操作，专业人员开发了电子选择以数字形式储存的图形图案，并将图案直接印刷到平板上。平板成像设备可以使用计算机控制，包括各种形式的激光。例如，美国专利文献No.5351617和No.5385092披露了消融记录系统，该系统使用低功率激光器以图形模式消除一层或多层平板印刷半成品，从而在不需要照相显影的情况下，制作了一个准备印刷油墨(ready-to-ink)的打印元件。依照那些系统，激光输出是从二极管导向到打印表面的并聚焦到该表面(或者，按要求，到易受激光消融的表层，一般在表面层的下面)。其他系统使用激光能量来引起从供给器到接受器的材料传输，到非消融的记录，或通过一光掩模或负片来完全曝光的逐点方式。
如在专利文献’617和’092中所述，激光输出能够远距离产生，并通过光纤机构和聚焦透镜装置带到记录介质上。重要的是，当将光束聚焦到记录介质上时，要保持满意的焦深(depth-of-focus)，也就是，在记录表面上准确聚焦所可容忍的偏差。适当的焦深对结构和成像装置的使用是重要的；工作焦深越小，精巧的机械调整和性能降级的弱点的需要就越大，性能降低是由于能伴随正常使用的调整移位而产生的。焦深通过保持输出光束的发散的最小化而达到最大的。
遗憾的是，从光学方面努力减少光束发散的同时，也减小了功率密度，因为透镜不能改变恰当的光束亮度；一个透镜只能改变光路。因此，光学修正在焦深和功率损耗之间存在着固有的弊病。1996年7月8日申请并授权的美国专利文献No.08/676470“二极管-激励激光系统和方法”，披露了一种方法，利用半导体或二极管激光器到光学激励激光晶体的发散输出，本身发射与功率密度相比光束发散度足够小的激光光束；激光晶体转换发散的进入光束为较高亮度的单模输出光束。
激光晶体的输出聚焦到记录介质的表面以完成成像功能。在消融类型的系统中，光束被聚焦到记录材料的“消融层”，该材料适于用激光光束挥发；此外，激光束的焦深也提供一个可容许的偏差程度。在传输类型的系统中，光束聚焦在传输层上。这里所用的词语“平板”或“元件”提到的任意类型的打印元件或表面，有记录图像的能力，图像是由对墨水和/或喷洒溶剂不同亲合力的区域所限定的；合适的配置包括传统的平的或弯曲的平面印刷板，该印刷板安装在打印机的平板滚筒上，但也可能包括无缝滚筒(如，平板滚筒的滚动表面)，一个环形带，或其他布置。
实际的成像设备要求的激光器，几乎立即对高频矩形波功率脉冲产生反应，这样，成像点，也就是由激光束在记录材料上产生的点，以清晰、不连续并且一般是恒定尺寸的圆形出现。点也应该是打印的，或记录间隔留空，以非常接近的间隔来达到典型的打印分辨率。虽然专利文献＇470披露了通过在一定程度上改变脉冲宽度来控制图像点尺寸的大小，但是，也发现点尺寸也可能随打印点时的密度而改变。词语“占空度”所提到的位于实际接受激光光束的图像区域的像素百分数(也就是，激光晶体活动的频率)。越大的占空度，相应的颜色也就更深，因为在数字打印系统中灰度密度或色调是通过改变像素密度来实现的。
如果点尺寸随占空度变化，将不可能建立一个色彩密度的不变标准，因为点尺寸也影响密度。例如，如果点在低占空度内较小，那么在低像素密度成像的区域打印的将比所期望的要轻。而且，因为文件一般带有变化密度的区域，在复杂图案中可能是混合的，问题就不能通过选择像素密度修正点尺寸变化简单地解决。
通过使用新颖的安装和调整方法，本发明几乎消除了跨越占空度范围的点尺寸变化(范围一般从1％到100％，也就是，从打印密度范围每百个像素到每个连续的像素)。应该强调的是，词语“成像”一般涉及到对打印平板亲合性质的永久改变；在优选实施例中，成像表示记录层的消融(在消融类型的平板中)或供给材料到纸张接受器的转运(在传输类型的平板中)。
虽然本发明的优选实施例涉及平版印刷元件激光成像，但也能广泛应用到包括各种不同类型的图文结构的各种激光记录系统中。
优选实施例利用，如一个激励源，至少一个发射红外线，以及最好是近红外线的激光部件，来描绘可消融的打印元件(如上所述，例如，在专利文献＇617和＇092，以及美国专利No.5339737和No.5379698中)；或传输类型打印元件(如所述的，例如，在美国文献号No.08/376766的，1995年1月23日申请并授权的“通过热非消融释放的平版印刷元件激光成像的方法和装置”)。激励激光器一般是固态机构(一般为半导体激光器并且一般基于镓铝砷化物或镓铝铟混合物)；这些显然是经济和便利的，也可能与各种记录介质共同使用。近红外光束的使用促进了有机和无机吸收混合及特别是半导体和导体类型等广泛的应用。
为了评价本发明的创新，重要的是认识通过激励晶体发射激光的机构。合适的晶体一般是板-板“热透镜作用”材料的整体制品；光学能量传送到其一个端面；导致此面和相对的面偏转成弓形(在输入激励光束的区域)，产生一个谐振腔，有利于激光输出自增强反射特性。虽然要求“热透镜作用”晶体来发出激光，过多的热透镜作用(与谐振行为无关的全部晶体的膨胀聚焦)导致了无效的操作及多输出模式。为了生成一个平滑的成像点，在输出的分散与衍射限制源的分散尽可能近的情况下，希望得到一个操作的单横模(最好是最低级别，基横模TEM00，也就是一个高斯光束轮廓)。
已经发现，点尺寸变化的一个源头，就是低劣的热的控制。因为由泵激励晶体发出的能量总是小于从激励源发出的能量，不可避免地产生了热量，并且如果不消除，这个热量就导致额外的聚焦。一般地，晶体通过粘接剂如氟硅酮粘接在热传导(通常为金属)架上。因为聚合物粘接剂和金属架的热膨胀和热损耗系数有很大不同，无论如何，热量从晶体传导出去是不佳的。而且，不同的膨胀速率能引起粘接剂和架之间的不良接触，更进一步将损害热量的排除。
另外，粘结剂一般只涂敷在晶体的外边缘。晶体表面通常靠在架的壁上。再次，因为热传导方面的不匹配，热量传递减少了。
因此，第一方面，本发明通过使用其热膨胀和热损耗系数基本与架匹配的材料，将激光晶体固定到架上，改善了传统装备布置。在一优选实施例中，激光晶体在一大的横向尺寸的凹口里，并且此空闲的面积里充满了具有适当热特性的焊料。另外，至少晶体的一个面是金属化的，这样可以提供与架接触部分的热适应性。
在第二方面，选择激光晶体的厚度--也就是，激光器谐振腔的深度--这样，使得所选择的占空度改变时点尺寸的变化减到最小。虽然发射激光的谐振行为的要求，基本上限制了可接受厚度的范围，仍然发现在该范围内有一个理想的厚度(或小的厚度范围)。与理想厚度的偏差导致了点尺寸和占空度之间的更显著的关系。
在第三方面，也已经发现晶体的掺杂级影响该关系。激光晶体一般掺杂如铷(Nd)的稀土元素，并且就是这个元素，当嵌入到晶体基底如YVO4、YLF或YAG时，实际上导致了在合适的激励下发射激光。再次，可接受的掺杂剂浓度范围是由有效的激光性能的要求所决定的，但是通常也能够确定一个理想的浓度(或浓度的小范围)。
本发明的第四方面考虑了晶体和与之相关的光学器件的外壳结构。晶体架一般可以是一个圆柱形外壳，在其内接受热匹配的聚焦元件。当连接后，这些部件保持晶体并承受热量消散；一个固定在聚焦元件上的透镜将激励光束导引到晶体表面。从激励激光器来的光束通过与一个直接与激光器相连的连接器，或更一般地，通过一个光缆，进入聚焦元件。由激励晶体发射的光束离开晶体架并通过一个筒，该筒与一个光学配置相接，该配置聚焦用于施加到记录结构上的low-NA光束。外壳结构的元件装配在一起，在运转在那里的部件之间建立一个适当的光学和机械关系。
在一个相关方面，本发明提供了一个提高从激励源发出的激光能量连接到光缆的方法，并因此用于刺激激光晶体。
外壳通常安装在写字头上，该写字头可以在均匀的间隔里保持多个这样的配置。控制器导致写字头和记录介质之间的相对移动，有效地扫描在表面上的激光，在临近平板上的所选点或面积的位置激发它们。控制器引导写字头，在每次穿过或沿着打印元件完成之后，距离由从头发出的光束数量和由所要求的分辨率(也就是，每单位长度的图像点的数量)决定。激光激励的模式由提供给控制器的图像信号和相对应的原始文件或被拷贝到平板上的图像所决定，来产生一个精确的原始图像的正或负图像。图像信号在计算机上以位图数据文件存储。这些文件可由光栅图像处理器(RIP)或其他合适机构所产生。例如，一个RIP能够接收页面描述语言(page-descripition language)的输入数据，该语言定义了要求传输到打印平板上的所有特征，或作为一个页描述语言和一个或多个图像数据文件的组合物。构造的位图限定了同屏幕频率和角度一样的颜色的色度。本发明的部件能够装在印刷机上，这时，图像板准备好可以立即准备好打印；或者在一个独立的平版制造机(或“平版安装机”)上，这时，图像版移走并手工转送到印刷机上。
在任何聚焦配置设计中的一个固有困难是光束的二维调整，因此，它撞击在平板表面上的点与位图所限定的x,y位置相适应。为了制造外壳和带有精密附件的写字头，该附件可自动进行正确的调整，在制造和装配上要求相当大的费用。替代的是已经采用的如
图1所示的配置。如这里所表示的，光缆10与一个SMA(或类似的)连接器包12相连，包12包括一个可自由转动的螺纹轴环14。聚焦装置16包括一个与盖14相配合的螺纹套筒18；一个第一管状外壳段20；及一个第二外壳段22。套筒18通过螺母24安装到段20上，并且不在段20的中心位置。换句话说，套筒18的中心轴线与段20、22的中心轴线有径向位移，段20、22限定了一个带有内壁31的单独连续孔30。段20和22之间可以互相自由转动，但是，可以由一对螺母26、28锁紧到一个所要求的扭力方向。段22在其终端有一对聚焦透镜32、34。
因为套筒18位于偏离轴线的位置，从电缆10来的光束不能通过孔30的中心；光束的轴线始终与孔30的中心轴线保持偏差，并且段20、22的转动移动了光或光束轴线的角度位置。此构造的原因如图2所示。假定一个正确安装的聚焦装置16有一个中心轴线，该轴线通过X、Y轴的起点。这样完美在实际上是既贵而又难以实现的。因此，假设聚焦装置16的中心轴线40与原始位置有位移，如图所示。由于安装时的偏心，光束将更偏，如图所示在点42处。然而，段20、22的相对转动将光束方便地带入到水平位置(也就是，与Y轴相交)，并且简单的时间调整一般能够补偿垂直位移的影响。例如，在一个筒状配置中，在这里，光束聚焦到转动打印元件的表面，引起沿Y轴的相对移动，有效的起点仅仅能够通过瞬间加快或延迟激光激励来移动；如果一个图像点将被写到原点上，激光控制器在发射激光之前，等待打印元件上的真正原点达到与光束偏离位置相接近。
虽然对很多应用适用，但上述设计依然存在一定的设计缺点。甚至一个完美对中射到孔30里的激光束可能发散而撞击到内壁31上，在聚焦平面上产生各种直径的虚反射。光学轴线的偏心恶化了这个问题，因为外部光束早一点撞击在壁31上，导致了附加的相互作用。确实，因为光束传播应该足够保证除了偏离轴线的散射外，有充足的能量穿过中心轴线，这样的反射很大程度上是不可避免的。还有更进一步的相互作用是光束回到孔30和离开段20的后部壁的内表面的反射所引起的。所有这些相互作用的不对称导致了阴影和虚反射，最后的结果是令人讨厌的，在聚焦平面上的假能量，在其他情况之间，引起在调整期间的不准确能量阅读。
一个可选的配置，美国专利文献流水号No.08/602881(1996年2月16日申请并授权的激光发射成像装置和其上所用的聚焦元件，在此参考了整个文献)利用光学器件对水平光束位移进行修正；也就是，聚焦透镜能将焦点集中在偏心轴上，因此，光束通路稍微有点偏心，并且通过透镜的转动获得水平位移量。当然，这种配置需要特殊的光学器件。
根据本发明的第六方面，外壳包括一个具有径向分布(也就是，偏心)孔的筒。光束聚焦光学部件安装到筒上，它不影响光束通路；也就是，光束通过聚焦光学元件停留在轴线上，因此可以使用传统的透镜。圆柱形筒在写字头内，由于筒孔的径向偏心，外壳/筒装置的转动引起水平光束位移。
本发明可以有效应用到不同于打印的环境中。事实上，任何要求高频的校正后的激光束应用能够从这里所述的各种方法中得到。这样的应用包括切割、钎焊、药物疗法等。
从下面本发明的详细描述中并结合附图，对上述论述将会更加明白，这里图1是现有技术聚焦装置的局部剖面正视图；图2是描述从真实位置修正光束位移示意图；图3表示本发明典型的作为仪器的基本部件；图4表示常规激光--晶体布置(现有技术)的占空度与点尺寸的变化；图5A是根据本发明涂层和金属化后的激光--晶体轴视图；图5B是图5A中晶体的端面正视图；图6是一个局部剖面图，及安装到图5A和5B所示晶体上用于轴承和聚焦光束的两件套的平面分解视图；图7是图6所示两件套与所有部件连接的局部剖面平面视图；图8是图6所示晶体和晶体外壳的端面视图；图9是整个外壳和调焦组件的分解平面视图；图10是图9所示组件与所有部件连接的局部剖面平面视图；图11是根据本发明得到的占空度与点尺寸变化的图形；图12是一个完成发明可选部件的分解视图；图13A和13B分别是图12所示透镜外壳的正视图和剖面图；图13C是外壳的另一个沿13C-13C线的剖面视图；图14A、14B和14C分别是图12所示晶体外壳的分解视图、端面视图和剖面视图；图15是透镜管的分解视图，表示如何连接到晶体外壳上；图16图12所示保持盒的端面视图17是图12所示装配部件的剖面视图；及图18图示在激励源(举例来说，光缆)和激光晶体之间输出功率偏振一致性的相关性。
首先参照图3，表示本发明可能应用的环境的基本部件。一个记录介质50，如一个平版印刷版或其他图版，在成像过程中附着在支架上。在所述实施例中，支架是滚筒52，其上环绕着记录介质50。如果需要，滚筒52可以正直地与普通平版印刷机设计合为一体，作为印刷机的平板滚筒。滚筒52由一个支架支撑并由标准电动机或其他常用机构驱动旋转。滚筒52的角度位置由一个与探测器55相连的轴状(光线)译码器所监控。本发明的光学部件，下面将要描述的，可以安装在用于在导向螺杆和操纵杆组合体上移动的写字头上，在其旋转时穿过记录介质50。写字头的轴向移动由步进电机的转动所产生，步进电机转动导向螺杆并在写字头每次经过滚筒52后引导写字头。
由一个或多个激励激光二极管60所产生的成像光束，撞击记录介质50以实现一次图形扫描。下面所讨论的光学部件将所有激光输出集中在记录介质50上，以一个小部件，产生高效的能量密度。当激光器60的输出狭缝69达到相对于记录介质50的合适点时，控制器65操纵一个激光驱动器67来产生一个成像脉冲；如在＇470申请中所讨论的，激光器60可以另外保持在无成像能量水平的基线上来将开关时间减到最小。驱动器最好包括一个能够产生最少40,000激光驱动脉冲/秒的脉冲电路，每个脉冲相对短，举例来说，在微秒的级别上。
控制器65从两个信源接收数据。相对于激光器输出的滚筒52的角度位置不断地由探测器55所监控，它提供表示位置的信号给控制器65。另外，图像数据源(如，计算机)70也给控制器65提供数据信号。图像数据定义了在其上写图像点的记录介质50上的点。因此，在记录介质50扫描期间，控制器65使激光器60和记录介质50的瞬间相对位置(由探测器55所报告的)与图像数据相关联来在合适的时间激励合适的激光驱动器。众所周知在扫描器和绘图仪领域，有要求能执行这个计划的驱动器和控制电路；在＇092专利和美国专利No.5174205中描述了合适的设计，这两个专利本申请均承认，并因此合并引用。
激光器60的输出激励激光晶体75，实际上晶体75发射光束到记录介质50上。一组透镜77、79聚集激光器60的输出到晶体75的端面85上。它从激光器60的狭缝69离开后光束发散。通常沿图3所示的短或“快”轴的发散(表示为“数值孔径”或NA)是基本形式；使用发散-缩减透镜77使散射减少。一个优选配置是一个完全的圆柱形透镜，基本上是一个适当直径的玻璃棒段；可是，其他光学布置如具有半球状截面的或修正快和满轴的透镜，也能具有优势。
调焦透镜79聚集从透镜77散射到激光晶体75的端面85上光束。透镜77和79之间的光路可以是直的，或可以通过一个光缆代替进行。透镜79可以是一个双非球面透镜(见＇881的说明书)。通常，端面85、87具有镜面涂层，除了从激励源所产生的外，该涂层限制了光束的进入，并捕捉输出光束。这样，当阻止虚光束进入时，这两个涂层促进了激光放大的内部反射特性。在一个实施例中，面85、87的每个面具有一个HR涂层，该涂层提供了1064nm光束(输出)大于99.8％的反射率和808nm光束95％的传输率，以及一个R涂层，该涂层提供了1064nm光束(输出)95％(±0.5％)的反射率和808nm光束大于95％的传输率。
晶体75高的校准和low-NA输出，最终由透镜90聚焦在记录介质50的表面上(或一个合适的内层上)，该透镜可以是一个平凸透镜(如图所示)或其他适当的光学装置。激光、激光晶体和光学部件通常装在一个单独的长外壳内。对应于晶体75发出的成像光束的记录介质50，如，通过消融成像层或通过从供给器到接收器材料的非消融传输。
激光晶体75的功能是从激光器60在没有过多能量损耗的情况下，提供一个low-NA激光输出；基本上，损耗的能量代表了增加焦深的代价。一般地，晶体75最好(虽然不是必须)是一个“热透镜作用(thermallensing)”材料的平板-平板整体制品；光能传输到端面85使得端面85、87偏转成弓形，产生一个有利于发射激光的谐振腔。为了产生一个平滑的成像点，随着其输出发散与限制衍射源尽可能近，需要获得一个操作的单横模(最好是最低级别，基模TEM00)。
一个通常的操作上述装置中激光晶体的行为在图4中作了描述。图表100表示2mm厚Nd:YVO4晶体掺杂有5％浓度的占空度与点尺寸的变化，而图表102表示1mm晶体的占空度与点尺寸的变化。在这两种情况下，点尺寸变化基本上是在低占空度部分，并逐渐超过其余部分。(对固定的点尺寸来说，)相对于所期望的这些变化，充分改变了打印色彩。
图5-10表示了实现本发明的典型的部件和图3所示可应用到装置中的方式。首先，如图5A和5B所示，激光晶体175仅仅部分涂有镜面涂层185、187；镜面涂层的宽度W基本上比激励源出来的光束大，无论如何，所有的光束能量用来产生激光。晶体175沿涂层185的边部金属化以形成一对金属薄膜柱195、200。柱195、200可以在晶体175内真空涂敷，并且可以包括300埃的铬涂层和2400埃的金涂层。
如图6所示，晶体175在晶体外壳筒225中，该筒包括一个具有一个凹口230的前面228，在凹口230里固定晶体175(下面还要论述)。筒225本身在透镜外壳235里，外壳也带有一个聚焦透镜240。透镜外壳235的前面部分包括一个圆柱通道245，该通道也带有一个聚焦透镜240。透镜外壳235的前端部分包括一个圆柱通道245，该通道部分终止于一个阻挡壁247，该阻挡壁有一个引导到第二个较小的圆柱通道250的中心开孔，该圆柱通道250部分终止于一个第二阻挡壁252。在阻挡壁252后面的更小一些的同心的圆柱段展宽到纵向孔255里。透镜外壳235的后段部分包括一个管状套筒260，该套筒有一个外部螺纹，它与标准的SMA接头相配合，激励光源引导入一终止于一SMA接头的光缆上，并且当这样的一个接头旋到套筒260上时，光纤通过孔255延伸接近一个将孔255与通道250相连的最窄小的圆柱段。
如图7所示，透镜240在通道250内并固定在阻挡壁252上，并且晶体175在凹口230内。筒225在透镜外壳235的通道245内，这样，筒225的前端面228与透镜外壳235的阻挡壁247相接触。(为清楚起见，在图7中，前端面228与阻挡壁247稍微有一点距离。)在这样的配置下，透镜240聚集进入的激励光束到晶体175的前端面上，该端面与阻挡壁147相对，这样柱195、200(见图5A、5B)与阻挡壁247具有良好的机械接触。外壳225、235最好用金属如OFHC铜制造。
现在参考图8，图8详细表示筒225的前端面228及晶体175安装在里面的方式。前端面228除了凹口230外基本上平的。在凹口230的开始是一个纵向中心孔280，该孔通过筒225延伸。凹口230终止于下面的孔280以形成一个支撑架285，并与孔280稍微有一点偏移量，这样，晶体175的边缘与支撑架285及凹口230的右边相接，在凹口230的上面和晶体175的左边存在着空闲的空间。
为了将晶体175固定到筒225上以提供基本上不中断热传导的方式，晶体安装在凹口230内，带有与支撑架285相邻的晶体175的两个角边和一个凹口230的垂直边，这样，晶体175基本上位于孔280入口的上方中央。凹口230内的空闲空间充填有与外壳225接近的热膨胀和热传导系数的焊料。“接近”意思是在10％之内，最好在5％之内；从绝对意义上来说，焊料的热膨胀系数应该是这样的，即在使用不超过晶体能够承受的剪切应力总量时所有使用的焊料的膨胀量。结果，从晶体175到筒225外部的连续热传导路径，热量是连续和高效地从晶体175散发的，避免了过热和膨胀聚焦，因此减小了点尺寸的变化。
特别地，与OFHC铜外壳的相配合，焊药最好是铟或合金或双金属基的，如铟/金。作为选择，也可以使用铅/锡合金。采用传统的浸粘(dye-bonding)技术来涂敷焊料，并且通过化学蚀刻方式进行焊料的表面清理。直到外壳225、235相配合，所有表面最好在惰性气体的环境中以避免氧化。
现在参考图9和图10，它表示一个根据本发明的完整聚焦和外壳装置300。装置300引导光束从光缆305到打印元件的成像表面(未画出，但安装在装置300的输出端那一边)。
如图所示，光缆305在SMA连接器部件310处终止，该部件310包括一个螺纹使之能旋到管状套筒260上。垫圈315可以确保把光缆305与聚集透镜240(为简化，未在图9中画出)分离一定的距离。随着晶体175固定在筒225、筒225装在透镜外壳235内，外壳235装在第一个圆柱段325内。透镜外壳通过一个螺母330安装到圆柱段325上，为了便于机械调整，可以位于偏离筒225的孔280中心的位置(如在专利文件＇881中所述)。圆柱段325同心地装在第二圆柱段335内，并基本上延伸到它的端部。段325、335通过一个空心套筒340和一个螺母345相连接，并且如果需要的话，整个组合体可以用空气或循环水冷却。
如专利文件＇881中所述的聚焦和校正透镜350，是装在一个保持盖355上，该盖固定在段335的端部。盖335包括一个窗口360，它使得透镜350暴露，透镜350的直径小于段325(如图10所示，当其全部在段335内时，它实际上包围着透镜350)。透镜350可以通过一个O形圈365固定在盖355内。
为了防止反射，段325、335的所有内表面最好是暗的(如Ebmol“C”黑)。
如前面提到的，因为晶体175的厚度决定了激光谐振腔的深度，当占空度改变时，此参数也影响点尺寸的变化；较厚一点的晶体遭受较大程度的热和膨胀的聚焦，引起较大的输出变化。举例来说，对于Nd:YVO4晶体，已经发现，0.75mm厚度是最佳的。
优化晶体的掺杂级也减少了点尺寸的变化。一般地，足够的激光性能所必须的最小掺杂级是理想的。在Nd:YVO4晶体中，低于1％的掺杂级不能提供充足的激光转化能量；但是已经发现从1％至1.12％的掺杂级易于使发射的激光有最小的点尺寸变化。
图11表示上述热匹配的装配组件的综合效应，使用1％掺杂、0.75mm厚Nd:YVO4带有两个不同类型镜面涂层的激光晶体。曲线400表示单遍涂层的结果在占空度的整个范围里，点尺寸的变化在一个微米范围内。(这里，为了目的，点尺寸范围平均在2％之内，或目标点尺寸认为基本上为一个不变的点尺寸。)曲线402揭示了，使用双遍涂层在占空度低于15％时增加了点尺寸的变化；在较高一些的占空度区间，点尺寸的变化也大约保持在一个微米范围内。
图12-17表示一个可选的外壳配置。如图12所示，一般地，配置包括一个透镜外壳500；一个晶体外壳502；一个聚焦筒504；和一个保持筒506，该保持筒终止于筒夹并通过筒夹螺母510安装在筒504上。
在图13A-13C中较详细表示了透镜外壳500的组件。外壳500的前端部分有一个轴环520，该轴环环绕着圆柱通道525，该通道可安装一个聚集透镜527(如一个非球面透镜)。通道525终止于阻挡壁529，该阻挡壁有一个同心中心孔，引导通道525到第二个稍小的圆柱通道，并扩展进入一个纵向孔532内。当安装到通道525内时，透镜527的外边缘通过一个弹性O形环537保持在阻挡壁529上，依次地，阻挡壁用盖540固定，盖压紧在轴环520上。
透镜外壳500的后端部分包括一个管状套筒534，该套筒有一个外螺纹(见图13B)或其他用来接受光缆接头的安装部件。当这样的接头固定到套筒534上时，光纤通过孔532延伸接近较小的把孔532与通道525隔开的圆柱通道。
外壳500包括一个用于接受不同调整和安装部件的辅助孔。特别地，第二个纵向孔545在孔532的径向布置，并通过外壳500的本体延伸。孔545为了接受螺杆547(见图12)，它带有一内螺纹。两个稍长的孔550a、550b(见图13C)通过用于接受一对与晶体外壳502相连的定位销的外壳500延伸(如下面所述)。最后，一个侧孔通过外壳500横向延伸，但它与中心轴线有一定距离，并在孔550a、532之间(与它们垂直)。参照图12，侧孔552接受一个卡紧轴环555和一个卡紧螺母557，前者有一个平滑的内壁，并且后者有一个内螺纹。环555和螺母557都有一个外斜面。随着定位销通过通道550a、550b的延伸，轴环555引入到孔552的顶部并且螺母557进入孔的底部。螺杆盖560通过轴环555和螺纹进入螺母557。当螺杆560拧紧后，轴环555和螺母557的斜面通过孔550a抵住定位销。在拧紧螺杆560之前，调整螺杆547在透镜外壳500和晶体外壳502之间建立一个预定的位移量。
现在参考图14A-14C，较详细描述晶体外壳502。晶体外壳502有一个前端表面570，该表面除了一个通道572之外基本上是平的，该通道带有一个更深一层的凹口574。与上面图8所述一样，凹口574带有一个支撑架并接受晶体576(并且，如果必要的话，一个预置晶体架578)。
外壳502还有一对相对配置的凹口580a、580b，每个凹口接受一个暗销582a、582b。这些作为上述的定位销，并且突出到面570上的销582a、582b段体由透镜外壳500的孔550a、550b所接受。最好如在图14C的剖面图所看到的，在凹口574的开始是一个中心纵向孔585，在展宽进入通道587之前，它有部分穿过外壳502，通道587延伸到外壳502的前端表面。
图15表示透镜筒504的部件，透镜筒504与晶体外壳502是紧密配合的。特别地，筒504后端终止于颈部590，颈部590扩展延伸形成肩部592。颈部590在晶体外壳502的通道587很完全合适地装配；随着颈部590被全部容纳，肩部592就与晶体外壳502的前端面594相邻接。
纵向孔600延伸完全穿过筒504，终止于轴环602，该轴环限制了筒504的前端面。一个聚焦透镜604，可以是一个普通的非球面透镜，它在孔600内，并且由一个弹性O形环606和一个盖608保持，盖608压紧在轴环602上。筒504的长度，特别是在孔600内的长度，由透镜604的焦距长度所定。
再来重新参考图12，透镜筒504的整个长度在一个宽长孔620内，该孔穿过保持筒506。筒506的前端分成弓形段以形成一个筒夹，该筒夹包括一组与筒夹螺母510相配合的外螺纹625。因此，随着筒504装在筒506内，拧紧螺纹625上的筒夹螺母510来将筒504通过压力固定到筒506上，以防止筒504转动或移动。
如图16所示，图16表示筒506的后端部，筒620相对于中心轴线稍微偏离一点。如图17所示，在装置的所有部件连接后，装置装在一个写字头内，并转动它直至光束达到与一个相对的平支架的合适的水平位置；装置然后被固定在写字头里(例如，当啮合时，通过写字头里的锁定机构，防止装置的移动)。这样，即使在激光束水平位置时，此装置的设计允许所有部件保持相互之间的固定，因为整个装置(胜于个别部件)是转动的。
在专利文献＇881中，论述了用于增大从激光器到光缆传输能量并最终到激光晶体的许多方法。已经发现，由于从光缆发射的光束偏振和激光晶体的自然偏振之间的不匹配，能量可能产生损失。这在图18中用图表表示了。当偏振平面是校准的，当在3600转动内发生两次时，能量输出是最大的。因此，最好避免不考虑能量输出而将光缆接头接合到透镜-和-晶体装置。代替的是，接头应该首先松散地安装，并在光纤转动时测量能量输出(使用合适的光束分析设备)；然后固定接头(例如，通过如图1所示的转动，或，如果使用一个锁住接头部件--如一个如图17所示的ST接头630，通过锁紧机械接合)因此，将明白，上述封装和设计方法基本上提高了激励-晶体激光性能。这里所采用的术语和表达式如说明书术语，并不是限定，且没有意图，在使用这些术语和表达式时，并不排除任何与这里所表示的和描述的或部分相同的特征，但是，需要承认的是在本发明权利要求书的范围之内，各种修改是可能的。
权利要求
1．一种用于激光一响应记录结构成像的装置，该装置包括a．一个光束激励源；b．一个激光晶体，对激励源响应，用于产生低发散光束；c．聚集从晶体到记录介质表面的光束的机构；d．用于操作激励源的机构，在记录结构上来产生一个图形方式的点，这些点有一个尺寸和应用密度，在应用密度范围内点尺寸基本保持常数。
2．根据权利要求1所述的装置，其特征在于，应用密度范围从1％到100％，并且点尺寸的变化不超过2％。
3．根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括用于承受激光晶体的机构，该机构包括a．一个热传导架，该架具有一定的热膨胀和热损耗系数；b．用于将激光晶体热耦合到架上的机构，耦合机构有一个大约与架相当的热膨胀和热损耗系数。
4．根据权利要求3所述的装置，其特征在于，激光晶体至少包括与架相接触的两边，耦合机构包括一个金属膜，该金属膜配置在至少一个与架相接触的边上。
5．根据权利要求4所述的装置，其特征在于，外壳材料是OFHC铜，并且薄膜由铬和金构成。
6．根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括一个用于从架传热的机构。
7．根据权利要求4所述的装置，其特征在于，激光晶体还包括两个不与架接触的边，耦合机构还包括将非接触边与机架热耦合的焊料。
8．根据权利要求7所述的装置，其特征在于，外壳材料是OFHC铜，并且焊料含有铟。
9．根据权利要求7所述的装置，其特征在于，外壳材料是OFHC铜，并且焊料是铟/锡合金。
10．根据权利要求7所述的装置，其特征在于，外壳材料是OFHC铜，并且焊料是铅/锡合金。
11．根据权利要求1所述的装置，其特征在于，激光晶体包括一种浓度范围为1％-1.12％的掺杂剂。
12．根据权利要求11所说的装置，其特征在于，掺杂剂是铷。
13．一种制造激励激光一晶体部件，使其在增加占空度时显示最小点尺寸变化的方法，该方法包括下列步骤a．提供一个激光晶体，该晶体响应激励源，用于产生输出光束。b．提供一个激光晶体的外壳，该外壳包括一种促进从晶体散发输出光束的机构；并且c．将晶体放置在外壳中，这样就提供一个从晶体到外壳基本一致的热通道，使晶体曝光给激励源，该激励源产生有一个点尺寸的输出光束，点尺寸在曝光频率范围内基本保持不变。
14．根据权利要求13所说的方法，其特征在于，激光晶体有一个在曝光频率范围内将点尺寸变化减到最小的厚度。
15．根据权利要求14所说的方法，其特征在于，激光晶体需要一个最小的厚度来产生输出光束，晶体厚度大约等于，但不小于此最小厚度。
16．根据权利要求15所说的方法，其特征在于，激光晶体为Nd:YVO4，并且厚度大约为0.75mm。
17．根据权利要求13所说的方法，其特征在于，激光晶体有一个在曝光频率范围内将点尺寸变化减到最小的掺杂级。
18．根据权利要求17所说的方法，其特征在于，激光晶体需要一个最小的厚度来产生输出光束，掺杂级大约等于，但不小于此最小层。
19．根据权利要求18所说的方法，其特征在于，激光晶体为Nd:YVO4，并且掺杂级范围从1％-1.12％。
20．一种瞄准和聚焦激光光束的装置，该装置包括a．一个连接到光束激励源的容器；b．一个对应于激励源的激光晶体，用于产生低发散度光束，晶体有一个输入边和一个输出边；c．一个保持激光晶体的机构；d．一个聚集从容器到激光晶体输入边光束的透镜；e．一个聚焦透镜，该透镜有一个聚集从晶体的输出边散发到记录介质的光束的焦距；并且f．一个在激光晶体输出边和聚焦透镜之间延伸的筒，该筒有一个由聚焦透镜焦距所决定的长度，一个连续光路，该光路通过容器、聚集透镜、激光晶体保持机构、筒、和聚焦透镜延伸。
21．根据权利要求20所说的装置，其特征在于，聚集透镜是一个非球形透镜。
22．根据权利要求20所说的装置，其特征在于，聚焦透镜是一个非球形透镜。
23．根据权利要求20所说的装置，其特征在于，还带有一个配制用于固定在写字头内的夹头筒，该夹头筒包括a．一个具有中心轴线穿过的延长体；b．一个通过用于接受筒的主体沿纵向伸展的钻孔，该孔沿轴的径向分布；并且c．一个用于在夹头筒内扭转锁定接受筒的机构。
24．根据权利要求23所说的装置，其特征在于，扭转锁定机构包括一个夹头筒上的夹头和一个安装其上的夹头螺母。
25．根据权利要求23所说的装置，其特征在于，容器、聚集透镜、激光晶体保持机构、筒、和聚焦透镜是互相固定的，以避免它们之间的转动或移动。
26．根据权利要求20所说的装置，其特征在于，用于保持激光晶体的机构包括a．一个热传导架，该架有一个热膨胀和热损耗系数；并且b．一个用于将激光晶体热藕合到架上的机构，该机构有一个与架大致相同的热膨胀和热损耗系数。
27．一种将激光光束聚焦到记录介质上的方法，该方法包括a．提供一个光束激励源；b．提供一个对应于激励源的激光晶体，用于产生低发散的有一个偏振角的光束；c．提供一个用于传导从激励源到激光晶体光束的机构，从传导机构发射出来的光束有一个偏振角；d．调整偏振角；并且e．将从晶体来的光束聚焦到记录介质表面上。
全文摘要
设计和构造了一种用在成像装置上的激励激光晶体,用来使随着一般从1%—100%的占空度范围的点尺寸的变化减到最小,也就是,打印密度范围从每百个像素到每个连续像素。
文档编号H01S3/16GK1224182SQ9812456
公开日1999年7月28日 申请日期1998年11月6日 优先权日1997年11月7日
发明者J·G·索萨, J·福斯特, J·R·莫斯 申请人:压缩技术公司