Výzkum vlivu laserových pulzů na označování pomerančových slupků

S přetrvávajícím zlepšováním životních standardů se zvyšuje veřejná pozornost k bezpečnosti potravin. V tomto kontextu se stala stopovatelnost ovoce, zejména zeleného ovoce, objektivním požadavkem. Momentálně je hlavním způsobem dosažení stopovatelnosti ovoce nalepení papírových čárových kódů na povrch ovoce. Nicméně některé papírové etikety se snadno oddělují, což může vést ke ztrátě klíčových informací, zatímco jiné jsou přilepené tak pevně, že je často těžké odstranit. Proto tento studie vybírá pomeranče jako výzkumný objekt a zamýšlí použít laserovou technologii pro přímé vyrysování dvourozměrných kódů na povrch ovoce. Porovnáním efektů označování ultra krátkými pulsy pikosekundového (ps) laseru a kratšími pulsy nanosekundového (ns) laseru má za cíl poskytnout technologii označování s jasnými a trvanlivými čárovými kódy pro stopovatelnost ovoce.

1 Experimentální nástroje a metody

1.1 Struktura a složení Značkovací stroj

Obrázek 1 Schéma zařízení pro laserové označování

1.2 Zdroje světla

Krátkopulsní nanosekundový laserový zdroj používá samotvořený Nd:YAG akustoopticky přepínaný laser, se zakládací frekvencí 3 KHz, šířkou pulsu 15 ns a výstupní vlnovou délkou 532 nm. Ultrakrátkopulsní pikosekundový laserový zdroj používá tyglitově strukturovaný MOPA režimem uzamčený laser Nd:YVO₄ (Penny - pico - 10, Ziyun Laser Technology Co., Ltd.), se výstupní vlnovou délkou 532 nm, maximálním výkonem 10 W, šířkou pulsu 5 ps a pracovní frekvencí 1 - 100 kHz.

1.3 Experimentální metody

Byly vybrány pomeranče zakoupené ve stejné sérii s podobnou hladkostí povrchu. Na jejich povrchy byly pomocí pikosekundových a nanosekundových laserových pulzů provedeny označky, přičemž každá metoda byla opakována 10krát. Poté bylo provedeno pozorování a analýza za použití polarizačního mikroskopu (OLYMPUS - BX51, Olympus Corporation) v zvětšení 100x pro porovnání a analýzu efektů označování obou laserů na pomerančové slupce.

2 Výsledky a analýza

2.1 Analýza experimentálních parametrů

Parametry jako je kvalita paprsku, šířka pulsu a energie laseru ovlivňují přesnost laserového označování, což má dále vliv na kvalitu a efekt označování. Šířka pulsu nanosekundového laseru a pikosekundového laseru byla upravena do optimálního stavu. Měřená šířka výstupního pulsu nanosekundového laseru pomocí laserové sondy osciloskopu byla 8,48 ns a u pikosekundového laseru 14,2 ps.

Mnoho experimentů ukázalo, že výkon laseru, rychlost označování a mezery mezi čarami jsou hlavními faktory ovlivňujícími kvalitu čárového kódu. Čím vyšší je frekvence laseru a čím kratší je doba pulsu, tím rychlejší je rychlost označování a menší mezery mezi čarami, což vede k lepšímu efektu označování.

2.2 Efekt označování a analýza

Po importu obrázku QR kódu do nanosekundové označovací mašiny prostřednictvím USB rozhraní byla pozice pomerančové slupky upravena pomocí jejího posuvného mechanismu a poté začalo označování. Výsledky byly pozorovány pod 100násobným polarizačním mikroskopem, jak je znázorněno na obrázku 2.

Obrázek 2 Výsledky nanosekundového označování

Grafická reprezentace QR kódu byla importována do počítačového softwaru pikosekundového laseru. Po zapnutí vodního chlazení a nastavení ohniskové roviny bylo provedeno označování na povrchu pomerančové slupky. Výsledky byly pozorovány pod 100násobným polarizačním mikroskopem, jak je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3 Výsledky pikosekundového označování

Při pozorování značek na důlkách pomerančů pod polarizačním mikroskopem bylo zjištěno, že jak pikosekundové, tak nanosekundové lasery mohou způsobit jasná morfologická změna na povrchu pomerančového důlku a tisknout relativně jasná označení. Nicméně pikosekundový laser tiskne čáry s lepší přímkostí a hladkými a ostrými obrysy na povrchu pomerančového důlku a způsobuje menší poškození epidermu. Naopak čáry tisknuté nanosekundovým laserem na povrchu pomerančového důlku jsou méně pravidelné a obrysy značek jsou rozostřenější.

Nejvíce přímo ovlivňujícím parametrem účinku označování je vrcholová výkon, který je nepřímo úměrný šířce laserového pulsu. Proto se s úbytkem šířky pulsu zvyšuje vrcholový výkon. Ve srovnání s nanosekundovým pulzním laserem má laserový paprsek vygenerovaný pikosekundovým laserem menší šířku pulsu, vyšší energii a vyšší přesnost. Fotochemický efekt ablace na povrchu pomeranče je zřetelný, což způsobuje uhličení na okrajích QR kódu, aniž by byly patrné drobné trhliny nebo povrchové úlomky, takže jsou hranice jasnější.

3 Závěry a diskuse

Pro dosažení jasných, trvanlivých dvourozměrných kódů pro sledování ovocí bez ovlivnění jeho spotřeby byl proveden srovnávací experiment, který zkoumal možnosti použití laserové technologie pro označování na povrchu ovoce. Jako výzkumný objekt byly vybrány pomeranče a na jejich slupky byly pomocí nanosekundových a pikosekundových laserů tisknuty QR kódy, přičemž byly pozorovány změny na povrchu slupku. Výsledky experimentu ukazují, že ve srovnání s nanosekundovým pulzním laserem má pikosekundový pulzní laser vyšší přesnost tisku, hlubší označovací hloubku a jasnější obrysy označení.