DE10134150A1

DE10134150A1 - Laser engraving method for printing plate manufacture uses high power laser pulses with pulse duration between single femtoseconds and single nanoseconds

Info

Publication number: DE10134150A1
Application number: DE10134150A
Authority: DE
Inventors: Peter Ressel
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Current assignee: Hell Gravure Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2001-07-13
Publication date: 2003-01-30

Abstract

The laser engraving method uses laser pulses with a pulse duration in the range between single femtoseconds and single nanoseconds, with initial expansion of the pulse form, subsequent amplification and final compression of the amplified pulse form, for increasing the laser power. The expansion and compression can be provided via respective diffraction gratings. An Independent claim for a laser engraving device for a printing plate is also included.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausbildung von Näpfchen in einer Druckform für den Tiefdruck, vorzugsweise in der Kupferoberfläche eines Druckformzylinders, mittels eines Lasers. The invention relates to a method and a device for forming cells in a printing form for gravure printing, preferably in a copper surface Printing form cylinder, by means of a laser.

Die mittlerweile übliche Art der Ausbildung von Näpfchen in einer Druckform für den Tiefdruck wird mit Hilfe eines elektromechanisch schwingend angetriebenen Gravierstichels durchgeführt, der eine Diamantspitze aufweist und, je nach zu gravierender Bildinformation, ein mehr oder weniger tiefes und entsprechend mehr oder weniger großflächiges, etwa pyramidenförmiges Näpfchen mit einem mehr oder weniger großen Schöpfvolumen für die Tinte als halbautotypischen Rasterpunkt in die Kupferoberfläche eines Druckformzylinders einbringt. Ein derartiger Gravierstichel kann mittlerweile mit einer Schwingungsfrequenz von etwa 8000 Hz angetrieben werden und somit eine beachtliche Graviergeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Gravierpräzision erreichen. Dabei hat die Verwendung eines Druckformzylinders mit einer Kupferoberfläche insbesondere auch den Vorteil einer großen Standzeit für die Erzielung einer hohen Auflage beispielsweise einer Zeitschrift mit dem Druckformzylinder, die das relativ aufwendige Tiefdruckverfahren erst rentabel macht. The now common way of training cells in a printing form for the Gravure printing is driven with the help of an electromechanically vibrating Engraving stylus carried out, which has a diamond tip and, depending on the to be engraved Image information, a more or less deep and accordingly more or less Large, approximately pyramid-shaped cup with a more or less large scooping volume for the ink as a semi-typical halftone dot in the Brings copper surface of a printing form cylinder. Such an engraving stylus can are now driven with an oscillation frequency of about 8000 Hz and thus a remarkable engraving speed with high engraving precision to reach. The use of a printing form cylinder with a Copper surface in particular also has the advantage of a long service life for achieving one high circulation, for example, a magazine with the printing form cylinder that the makes relatively complex gravure printing processes profitable.

Demgegenüber ist aber auch vorgeschlagen und versucht worden, eine Druckform für den Tiefdruck mit Hilfe eines Lasers zu gravieren. Lasergravurverfahren sind aus der EP-A- 1 072 350 und aus der DE-A- 198 40 926 bekannt. In contrast, however, it has also been proposed and tried to use a printing form for to engrave gravure using a laser. Laser engraving processes are from the EP-A-1 072 350 and known from DE-A-198 40 926.

Eine Lasergravur hat gegenüber einer üblichen Tiefdruckgravur mit einem Diamantstichel unter anderem die Vorteile, daß die Fläche und die Tiefe eines Näpfchens unabhängig voneinander variiert werden können und daß unterschiedliche Raster oder Rasterveränderungen vorgegeben werden können, insbesondere auch eine frequenzmodulierte Rasterung möglich ist. Außerdem ist mit einem Laser eine höhere Graviergeschwindigkeit möglich. A laser engraving has compared to a conventional gravure engraving with a Diamond pricks include the advantages that the area and depth of a well can be varied independently and that different grids or Grid changes can be specified, especially one frequency-modulated screening is possible. In addition, a laser is a higher one Engraving speed possible.

Beispielsweise im Flexodruck und auch bei der Bebilderung von Offset-Druckplatten werden Laser bereits geläufig eingesetzt. Bei der Tiefdruckgravur besteht jedoch ein wesentliches Problem darin, daß Laserlicht von einer hochglanzpolierten Kupferoberfläche zu einem großen Anteil reflektiert wird. Außerdem ist Kupfer ein guter Wärmeleiter, so daß die letztlich eingebrachte Laserenergie zu einem nicht unerheblichen Anteil im Druckformzylinder abfließt. Dabei kommt es außerdem in Randbereichen des zu gravierenden Näpfchens zu unliebsamen Materialaufschmelzungen. Durch den Ablationsdruck wird Schmelze aus dem Näpfchen herausgetrieben, und erstarrt ebenfalls am Näpfchenrand. Dies führt zu einer drastischen Limitierung der Gravurpräzision und der damit verbundenen Reproduzierbarkeit von Näpfchen. Dadurch wird die Druckeigenschaft der Druckformoberfläche stark beeinträchtigt. For example in flexographic printing and also in the imaging of offset printing plates lasers are already widely used. However, there is a gravure engraving essential problem in that laser light from a highly polished Copper surface is reflected to a large extent. Copper is also a good one Heat conductor, so that the laser energy ultimately introduced into a not inconsiderable Portion flows off in the printing form cylinder. It also occurs in the peripheral areas of the to serious cups to undesirable melting of materials. By the Ablation pressure drives the melt out of the well and solidifies also on the edge of the well. This leads to a drastic limitation of the Engraving precision and the associated reproducibility of cells. This will the printing property of the printing form surface is greatly impaired.

Es wurde auch bereits versucht, auf andere Oberflächenmaterialien als Kupfer für die Druckformoberfläche auszuweichen, z. B. auf Zink. Damit werden aber nicht die hohen Standzeiten eines Kupferzylinders erreicht. Auch würde dies eine Umstellung der Arbeiten zur Bereitstellung und Aufarbeitung von Druckformzylindern notwendig machen, so daß beispielsweise keine wahlweise Durchführung einer Stichelgravur oder einer Lasergravur bis zum letzten Moment in einem Graviersaal möglich wäre, sondern von vornherein eine Spezialisierung oder eine sehr teure Doppelbestückung notwendig wäre. Attempts have also been made to use surface materials other than copper for the Dodge printing form surface, e.g. B. on zinc. But that doesn't make the high Service life of a copper cylinder reached. This would also be a changeover to Make work necessary for the provision and refurbishment of printing form cylinders, so that, for example, no optional engraving or engraving Laser engraving would be possible until the very last moment in an engraving room, but from a specialization or a very expensive double assembly is necessary in advance would.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren oder eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß ein präziserer Energieeintrag in die Druckformoberfläche zur Ausbildung eines Näpfchens, vorzugsweise auch mit einem höheren Wirkungsgrad möglich ist. The invention has for its object a method or an apparatus improve the type mentioned in that a more precise Energy input into the printing form surface to form a well, preferably is also possible with a higher efficiency.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, daß sich dadurch auszeichnet, daß Laserpulse mit einer Pulsdauer in einem Größenordnungsbereich von einigen Femtosekunden bis zu einigen Nanosekunden verwendet werden, die in ihrer Strahlungsleistung dadurch erhöht werden, daß zunächst ihre Pulsform gestreckt wird, dann der gestreckte Puls verstärkt wird und danach die Pulsform des verstärkten Pulses komprimiert wird. This object is achieved according to the invention with a method that distinguishes that laser pulses with a pulse duration in an order of magnitude from a few femtoseconds to a few nanoseconds used in their radiation power can be increased by first stretching their pulse shape then the stretched pulse is amplified and then the pulse shape of the amplified Pulses is compressed.

Während es bei hohen Intensitäten (P > 10⁸ W/cm²) und langer Pulsdauer von Laserpulsen zu einer nennenswerten Ausbildung eines laserinduzierten Plasmas kommt und dadurch nur ein Teil der Pulsenergie direkt in die Druckform eingekoppelt werden kann (Plasmaabschirmung), findet bei den erfindungsgemäßen, ultrakurzen Pulsen mit Vorteil die Wechselwirkung direkt mit der Druckformoberfläche statt. Während der Pulsdauer spielen ferner thermische Diffusionseffekte auch bei gut wärmeleitendem Kupfer keine große Rolle mehr, so daß die eingebrachte Energie in der Druckformoberfläche aufgestaut werden kann. While at high intensities (P> 10 ⁸ W / cm ² ) and long pulse duration of laser pulses there is a noticeable formation of a laser-induced plasma and therefore only a part of the pulse energy can be coupled directly into the printing form (plasma shielding), takes place in the case of the invention , ultra-short pulses with the interaction directly with the printing form surface instead. During the pulse duration, thermal diffusion effects also no longer play a major role, even with good heat-conducting copper, so that the energy introduced can be accumulated in the printing form surface.

Außerdem können erfindungsgemäß sehr hohe Intensitäten bzw. Leistungen pro Puls, vorzugsweise im Gigawatt- oder sogar Terawatt- oder gar Petawattbereich, erzielt werden, bei denen die Elektronen der Druckformoberfläche auf extrem hohe Temperaturen aufgeheizt werden. Zusätzlich werden überthermische Elektronen mit Energien bis in den MeV-Bereich erzeugt. Durch eine Diffusion dieser heißen Elektronen findet eine tief-reichende Energiedeposition in der Druckformoberfläche statt, womit eine hohe Abtragrate pro Puls realisierbar ist. Dadurch können wohldefinierte Ablationsstrukturen erzeugt werden. Die erreichbare Präzision ist erfindungsgemäß nicht mehr durch thermische Prozesse und das Auftreten von Schmelze begrenzt. Durch die hohe Energiedichte wird das Material verdampft und anschließend durch den Ablationsdruck herausgeschleudert. Dies geschieht so schnell, daß es zu keiner Schmelzbildung am Näpfchenrand kommen kann. Mit den erfindungsgemäßen, ultrakurzen Laserpulsen mit extrem hoher Leistung können somit, im Gegensatz zu konventionellen Lasersystemen, Kupfer-Tiefdruckformen hergestellt werden, welche die hohen Anforderungen an die Näpfchengeometrie erfüllen. In addition, according to the invention, very high intensities or powers per pulse, preferably in the gigawatt or even terawatt or even petawatt range where the electrons of the printing form surface are extremely high Temperatures are heated. In addition, super thermal electrons with energies generated in the MeV range. By diffusion of these hot electrons takes place a deep-reaching energy deposition takes place in the printing form surface, with which one high ablation rate per pulse can be achieved. This allows well-defined Ablation structures are generated. The precision that can be achieved is no longer according to the invention limited by thermal processes and the occurrence of melt. Due to the high Energy density, the material is evaporated and then by the Ablation pressure thrown out. This happens so quickly that there is none Enamel may form on the edge of the well. With the ultra-short according to the invention Unlike conventional ones, laser pulses with extremely high power can therefore be used Laser systems, copper gravure forms are manufactured, which meet the high Meet the requirements for the cell geometry.

Die Pulsdauer eines erfindungsgemäßen Laserpulses kann bevorzugt im Intervall von etwa 2 Femtosekunden bis etwa 20 Nanosekunden liegen, vorzugsweise im Intervall von etwa 2 Femtosekunden bis etwa 100 Pikosekunden liegen. The pulse duration of a laser pulse according to the invention can preferably be in the interval of about 2 femtoseconds to about 20 nanoseconds, preferably in the interval from about 2 femtoseconds to about 100 picoseconds.

Die extrem hohe Leistung pro jeweiligem Puls wird mit vergleichsweise wenig Energiebedarf zunächst einmal durch eine extrem kurze Pulsdauer erreicht. Dazu ist eine Erzeugung eines ultrakurzen Pulses mit einer Pulsdauer bis hinein in den Femtosekundenbereich erforderlich. Derart kurze Pulse können auf unterschiedliche Weise erzeugt werden, zum Beispiel durch ein sogenanntes Synchron-Pumpen, das bei einem Farbstofflaser angewendet werden kann und bei dem schon wegen der kurzen Lebensdauer des oberen Laserniveaus der Pumplaser eine periodische und genau synchronisierte Folge von kurzen Pulsen liefert, oder durch den Diodenlaser, der bei geeigneter Modulation seines Injektionsstromes direkt sehr kurze Pulse bis hinab zu 10 Pikosekunden liefert. Ein typischer Laser zur Erzeugung ultrakurzer Pulse ist aber zum Beispiel der modengekoppelte Ti-Saphirlaser. Er hat eine Wellenlänge von 900 nm und eine Bandbreite von 100 THz. Es können mit ihm Pulse mit einer Pulsdauer von 6-8 Femtosekunden erzeugt werden. The extremely high power per pulse is comparatively little First of all, the energy requirement is achieved through an extremely short pulse duration. There is one Generation of an ultra-short pulse with a pulse duration right into the Femtosecond range required. Such short pulses can be done in different ways generated, for example by a so-called synchronous pumping, which at a dye laser can be used and because of the short Lifespan of the upper laser level of the pump laser is periodic and accurate synchronized sequence of short pulses, or by the diode laser, which at suitable modulation of its injection current directly very short pulses down to Delivers 10 picoseconds. A typical laser for generating ultra-short pulses is, however for example the mode-locked Ti sapphire laser. It has a wavelength of 900 nm and a bandwidth of 100 THz. It can be used for pulses with a pulse duration of 6-8 femtoseconds.

Eine noch recht kurze Pulsdauer von 2 Pikosekunden liefert zum Beispiel der Nd:YLF- Laser bei einer Wellenlänge von 1047 nm oder auch der GaAs-Laser mit 20 ps Pulsdauer bei einer Wellenlänge von 850 nm. Kürzere Pulsdauern liefern der Nd:Glas- Laser mit 60 fs Pulsdauer bei einer Wellenlänge von 1054 nm und der NaCl-OH^-- Laser mit 4 fs Pulsdauer bei einer Wellenlänge von 1600 nm. The Nd: YLF laser at a wavelength of 1047 nm or the GaAs laser with 20 ps pulse duration at a wavelength of 850 nm, for example, provides a quite short pulse duration of 2 picoseconds. The Nd: glass laser also delivers shorter pulse durations 60 fs pulse duration at a wavelength of 1054 nm and the NaCl-OH ^- - laser with 4 fs pulse duration at a wavelength of 1600 nm.

Grundsätzlich kann eine, gegebenenfalls weitere, Pulsdauerverkürzung mit einer Modenkopplung erreicht werden. Dabei unterscheidet man zwischen einer aktiven und einer passiven Modenkopplung. Eine aktive Modenkopplung kann mit einer Güteschaltung, also mit einem Modulator, insbesondere einem elektrooptischen, einem akustooptischen oder einem mechanisch rotierendem Güteschalter, wie auch als Q-Switch bekannt, durchgeführt werden. Dabei werden nur Photonen, die den Modulator im Zeitpunkt maximaler Transmission treffen, mit geringen Verlusten im Resonator hin und her reflektiert und durch das aktive Medium verstärkt. Es wird dann ein Pulszug emittiert. In principle, a, if necessary further, pulse duration shortening with a Mode lock can be achieved. A distinction is made between an active and a passive mode lock. An active mode lock can be used with a Q-switching, i.e. with a modulator, in particular an electro-optical one acousto-optical or a mechanically rotating Q-switch, as well as Q-Switch known to be performed. Thereby only photons that are the modulator hit at the time of maximum transmission with little loss in the resonator reflected and amplified by the active medium. Then it becomes a pulse train emitted.

Mit einer passiven Modenkopplung werden noch kürzere Pulsdauern erzielt. Dazu wird beispielsweise ein sättigbarer Absorber eingesetzt. Sich an der Laserschwelle befindende Moden werden solange unterdrückt, bis sie durch Phasenstörungen und Anschwingprozesse zufällig die richtige Phasenlage zu bereits gekoppelten Moden erlangen. Dann tragen sie zur Sättigung des Absorbers bei. Bei dieser Überlagerung der Moden ergibt sich ein kurzer Puls von beispielsweise nur 6 fs Dauer. With a passive mode coupling even shorter pulse durations are achieved. This will for example, a saturable absorber is used. Yourself at the laser threshold existing modes are suppressed until they are caused by phase disturbances and Start-up processes happen to have the correct phase position to modes that have already been coupled gain. Then they contribute to the saturation of the absorber. With this overlay the Modes result in a short pulse of, for example, only 6 fs duration.

Eine andere Methode der passiven Modenkopplung nutzt ein nicht lineares Element, wie zum Beispiel eine Kerr-Linse. Durch ein Kristallmaterial mit intensitätsabhängigem Brechungsindex tritt dabei eine Selbstphasenmodulation und eine Selbstfokussierung ein. Eine Modenkopplung erreicht man durch Modulation der Verstärkung, indem man die Überlappung zwischen Resonatormode mit Kerrlinsenwirkung und Pumpvolumen optimiert. Beispielsweise der Ti-Saphir-Laser liefert durch seinen Verstärkerkristall den nichtlinearen passiven Modenkoppler gleich mit. Another method of passive mode coupling uses a non-linear element, such as a Kerr lens. Through a crystal material with intensity-dependent Refractive index occurs a self-phase modulation and self-focusing on. A mode coupling is achieved by modulating the gain by: the overlap between resonator mode with Kerr lens effect and pump volume optimized. For example, the Ti sapphire laser delivers through its amplifier crystal with the nonlinear passive mode coupler.

Die Pulsdauer wird kann dadurch weiter verkürzt werden, daß eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion kompensiert wird. Dabei kann es aber zur Zerstörung des Verstärkers kommen. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, sich die sogenannte "chirped pulse amplification" zunutze zu machen, bei welcher ein kurzer Puls zunächst gestreckt wird, um die Spitzenleistung zu senken, und dann der gestreckte Puls verstärkt wird. Die Streckung, um die ursprüngliche Pulsform wiederzugewinnen, wird erst unmittelbar vor der Anwendung rückgängig gemacht. Zur Streckung können unterschiedliche Elemente verwendet werden, zum Beispiel Glasblöcke, Fasern, Prismen oder Gitter. Eine Kompression kann grundsätzlich mit gleichen oder ähnlichen Elementen geschehen. Bevorzugt werden Gitter eingesetzt. Weitere bevorzugte und vorteilhafte Merkmale können aus den Ansprüchen entnommen werden. The pulse duration can be shortened further in that a Group speed dispersion is compensated. But it can destroy the Amplifier come. According to the invention, the so-called "chirped" is therefore provided pulse amplification ", in which a short pulse initially is stretched to lower the peak power, and then the stretched pulse is amplified becomes. The stretch to regain the original pulse shape is only first undone immediately before use. Can stretch different elements are used, for example glass blocks, fibers, prisms or Grid. A compression can in principle with the same or similar elements happen. Grids are preferably used. More preferred and advantageous Features can be found in the claims.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zeichnet sich erfindungsgemäß in selbständiger Lösung der gestellten Aufgabe insbesondere dadurch aus, daß der Laser Laserpulse mit einer Pulsdauer in einem Größenordnungsbereich von einigen Pikosekunden bis einigen Nanosekunden auszusenden in der Lage ist und daß zur Erhöhung der Strahlungsleistung des einzelnen Pulses ein Strecker, ein Verstärker und ein Kompressor vorgesehen sind. A device according to the invention of the type mentioned at the outset stands out according to the invention in particular in independent solution of the task characterized in that the laser pulses with a pulse duration in one Order of magnitude from a few picoseconds to a few nanoseconds to be transmitted in the It is capable of increasing the radiation power of the individual pulse Stretchers, an amplifier and a compressor are provided.

Claims

1. A method for forming cells in a printing form for gravure printing, preferably in the copper surface of a printing form cylinder, with at least one laser, characterized in that laser pulses with a pulse duration in the order of magnitude of a few femtoseconds to a few nanoseconds are used in their Radiation power can be increased by first stretching their pulse shape, then amplifying the stretched pulse and then compressing the pulse shape of the amplified pulse.

2. The method according to claim 1, characterized in that the stretching of the Pulses happens by means of a dispersion with which a transit time difference between light components of different wavelengths.

3. The method according to claim 2, characterized in that the Compression is done by reversing the stretch.

4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the Stretching and / or compression is done with a diffraction grating.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the short pulse duration of the pulse by means of a mode lock is achieved.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that a Q-switch of the laser is used.

7. Device for forming cups in a printing form for gravure printing. preferably in the copper surface of a printing form cylinder, with at least one laser, preferably to carry out the method according to one or more of the preceding claims, characterized, that the laser pulses with a pulse duration in one Order of magnitude from a few picoseconds to a few nanoseconds to be transmitted in the Is and that to increase the radiation power of the individual pulse a stretcher, an amplifier and a compressor are provided.

8. The device according to claim 7, characterized in that the laser with a mode lock works.

9. The device according to claim 8, characterized in that the laser Q-switch (Q switch).

10. The device according to claim 7 or 8, characterized in that a A diode laser is provided, the injection current of which can be modulated.

11. The device according to claim 7 or 8, characterized in that a Pump laser is provided for synchronous pumping.

12. The apparatus according to claim 12, characterized in that the stretcher works dispersively.

13. The apparatus according to claim 13, characterized in that the Reversing the stretching function, the compressor has a wavelength-concentrating effect.

14. The apparatus according to claim 13 and 14, characterized in that the Stretcher and / or the compressor is essentially an optical one Diffraction gratings include.