[发明专利]用于激光加工滚筒表面的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及通过激光烧蚀在圆柱形滚筒的表面上形成三维微观结构阵列。

背景技术

通过脉冲激光器烧蚀将微观结构施加到圆柱形滚筒表面上的方法已经被众所周知多年。主要应用在于雕刻业和苯胺印刷业，在这里，激光被用来产生贮墨凹穴，从而滚筒能够直接或间接转移图像至平面纸或聚合物膜上。所采用的该技术伴随着各种各样激光器被用于直接在金属滚筒或覆有陶瓷、橡胶或聚合物层的滚筒中产生凹坑而得以良好发展。US5327167描述了一种用于在印刷滚筒的表面上烧蚀出不同密度的凹穴的设备。

所用的激光通常以直径在10-100微米范围的光斑聚焦到滚筒表面上，以便通过直接激光烧蚀或通过薄掩膜烧蚀和随后的化学蚀刻来产生穴坑。所用激光器的特性为它们具有单模光束或低模光束，所述光束被聚焦至圆形光斑，该光斑具有高斯能量分布并且具有所需直径，并且该激光器发射出充足的单位脉冲能量，足以用单个脉冲烧蚀出穴坑，该激光器以高重复频率工作，从而它们能高速产生穴坑以便在合理时间内加工滚筒的大表面面积。所形成的穴坑的直径范围从几十微米至几百微米，下限的设定依据贮墨能力，上限的设定依据印刷要求的分辨率。最小尺寸的穴坑通过单位脉冲能量适度的单模激光器的独立激光照射来产生，而通常为六边形的大穴坑通过制造许多彼此相邻的小坑来产生。大的圆形穴坑是由这样的激光器以单个激光脉冲产生的，该激光器能以具有较高单位脉冲能量的多个模式发射光束。

US6462307公开一种在非圆形单个激光照射中产生穴坑的工艺。在此情况下，主激光束被分为角度独立的多个子光束，所述子光束的功率被单独调节并且与在滚筒表面上的位置中的小变化重新组合，以在滚筒表面上形成非圆形的、非高斯能量分布。对该多光束轮廓调制技术的描述以及其它更标准的印刷滚筒机加工工艺的回顾在Hennig等人的论文“印版制造中的激光加工”中描述了(光子应用系统技术会议(Photonic Applications Systems Technologies Conference，PhAST，PTuA4，巴尔的摩，2007.05.08)。

这些聚焦光束技术均不能在带有光滑表面的滚筒表面上产生任意形状的三维结构。这尤其适用以下情况，其中要制造微透镜或者其它尺寸小于几十微米的光控结构。这样的结构要求使用掩膜投影法。

利用掩膜投影的脉冲激光器烧蚀技术是众所周知的。掩膜被来自脉冲激光器的光束照射，该光束经过光学元件被整形并且尽量变得均匀一致。投影透镜被用来在基材表面上形成尺寸缩小的掩膜图案图像。透镜产生这样尺寸的图像，其能使激光烧蚀的每个脉冲的能量密度超过基材烧蚀阈值。该材料以通常以每激光照射几分之一微米的速率被烧蚀，因此需要多次激光照射来产生所需深度的结构。相干性已减弱的高功率多模激光器常被用于该掩膜投影法，以避免图像上的干涉效应。

可以采用这些激光烧蚀掩膜投影技术来在基材中产生三维结构，但是对于那些要具有精确的希望形状的基材，须在每次激光照射后更换掩膜，以对应于微观结构的正确轮廓。移动掩膜是一个缓慢的过程，因此人们已经想出许多方式来避免移动掩膜，但同时还能产生所希望的立体结构。

已经披露许多现有技术例子。它们均使用具有静止掩膜的缩图掩膜投影系统，掩膜有由不同特征构成的线条，每个线条代表在所需微观结构中的不同深度处的不同轮廓。多个掩膜特征处于恒定的间距，并且基材在平行于这些特征的线条的方向上被移动，从而每次激光器发出一个辐射脉冲，基材就精确地移动一个或多个基材上的特征间距。由于要求保持基材运动与激光器发射精确同步，所以该技术可被称为激光脉冲同步化的基材运动(LPSSM)。

WO94/25259公开了用于在聚合物膜中利用LPSSM技术制造具有任意形状的相同通孔的阵列以形成用于医用器械的薄网的方法和设备。WO96/33839描述了一种基于LPSSM方法和设备的紫外准分子激光器，用于在平面基材表面上制造相同微观结构的二维阵列，所述微观结构具有任意的三维形状。