Mit dem stetigen Anstieg des Lebensstandards nimmt die öffentliche Aufmerksamkeit für Lebensmittelsicherheit zu. In diesem Kontext ist die Rückverfolgbarkeit von Früchten, insbesondere von grünen Früchten, zu einer objektiven Anforderung geworden. Derzeit besteht die Hauptmethode zur Rückverfolgbarkeit von Früchten darin, Papier-Barcodesticker auf deren Oberfläche zu kleben. Einige Papierschilder neigen jedoch dazu, abzufallen, was zum Verlust wichtiger Informationen führt, während andere so fest haften, dass sie oft schwer zu entfernen sind. Daher wählt diese Studie Orangen als Forschungsgegenstand aus und plant, Laser-Technologie zu verwenden, um zweidimensionale Barcodes direkt auf die Fruchtoberfläche einzugravieren. Durch den Vergleich der Markierungseffekte von ultrakurzen Piko-Sekunden-(ps)-Laserpulsen und kurzen Nano-Sekunden-(ns)-Laserpulsen soll eine Markierungstechnologie mit klaren und nachhaltigen Barcodes für die Rückverfolgbarkeit von Früchten bereitgestellt werden.
Die Markiermaschine besteht aus einem Laser, einem optischen System, einem numerischen Steuerungsverarbeitungssystem und einem Computersystem zur Steuerung. Die genaue Struktur ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1 Schema des Lasermarkiergeräts
Das Arbeitsprinzip von Markiermaschine ist wie folgt: Es nutzt den Photothermieeffekt des Laserstrahls, um das Oberflächenmaterial des Materials zu verdampfen und das darunter liegende Material freizulegen oder einen Teil des Materials mittels Lichtenergie zu verbrennen, um die eingravierten Muster und Zeichen anzuzeigen. Um unterschiedliche Bearbeitungsanforderungen zu erfüllen, muss der vom Laser ausgegebene Strahl durch das optische System übertragen und verarbeitet werden. Das optische System im Markiergerät besteht hauptsächlich aus einem Fokus- und Feldlinsensystem. Die verwendeten Laser sind ein halbleiterseitengepumpter Nanosekunden-Nd:YAG-Laser und ein Pikosekundenlaser.
Die Markiersoftware ist die CS Mark Serie Markiersoftware, entwickelt von Beijing Century Sunny Technology Co., Ltd. Es handelt sich um eine speziell für Markieranwendungen entworfene Software. Lasermarkierung , integriert leistungsstarke Grafikbearbeitung und verschiedene Markierungsfunktionen. Wenn es gemeinsam mit der Steuerkarte und dem Scangalvanometer verwendet wird, kann es den Anforderungen verschiedener hochpräzisen und hochgeschwindigen Laserverarbeitungen gerecht werden.
Die Kurzpuls-Nanosekunden-Laserquelle verwendet einen selbst hergestellten Nd:YAG-Akustooptik Q-geschalteten Laser mit einer Arbeitsfrequenz von 3 KHz, einer Pulsbreite von 15 ns und einer Ausgabewellenlänge von 532 nm. Die Ultrakurzpuls-Pikosekunden-Laserquelle verwendet einen Nd:YVO₄-stabstrukturierten MOPA-modusgesperrten Laser (Penny-pico-10, Ziyun Laser Technology Co., Ltd.), mit einer Ausgabewellenlänge von 532 nm, einer maximalen Leistung von 10 W, einer Pulsbreite von 5 ps und einer Arbeitsfrequenz von 1 - 100 kHz.
Orangen, die im gleichen Batch gekauft wurden und eine ähnliche Oberflächenbeschaffenheit aufwiesen, wurden ausgewählt. Picosekundenlaserpulse und Nanosekundenlaserpulse wurden verwendet, um jeweils auf ihren Oberflächen zu markieren, und jede Methode wurde 10-mal wiederholt. Anschließend wurde ein Polarisationsschrankmikroskop (OLYMPUS - BX51, Olympus Corporation) bei einer Vergrößerung von 100-fach zur Beobachtung und Analyse verwendet, um die Markierungseffekte der beiden Laser auf den Orangenschalen zu vergleichen und zu analysieren.
Parameter wie Strahlqualität, Pulsdauer und Energie des Lasers beeinflussen die Genauigkeit der Lasermarkierung, was wiederum die Qualität und den Effekt der Markierung beeinflusst. Die Pulsdauern des Nanosekundenlasers und des Picosekundenlasers wurden auf den optimalen Zustand eingestellt. Die Ausgangspulsdauer des Nanosekundenlasers, gemessen mit dem Laser-Oszilloskop, betrug 8,48 ns, und die des Picosekundenlasers betrug 14,2 ps.
Numerous Experimente haben gezeigt, dass Laserleistung, Markierungsgeschwindigkeit und Linienabstand die Hauptfaktoren sind, die die Barcode-Qualität beeinflussen. Je höher die Laserfrequenz und je kürzer die Pulsdauer, desto schneller ist die Markierungsgeschwindigkeit und desto kleiner der Linienabstand, was zu einem besseren Markierungsergebnis führt.
Nachdem das QR-Code-Bild über die USB-Schnittstelle in die Nanosekunden-Markiermaschine importiert wurde, wurde die Position der Orangenschale mit ihrer Translationsstufe angepasst und dann begann die Markierung. Die Ergebnisse wurden unter einem 100-fach vergrößernden Polarisationsmikroskop beobachtet, wie in Abbildung 2 gezeigt.
Abbildung 2 Nanosekunden-Markierungsergebnisse
Das QR-Code-Grafik wurde in die Computersoftware des Pikosekunden-Lasers importiert. Nachdem das Wasserkühlungssystem eingeschaltet und die Brennebene justiert wurde, wurde eine Markierung auf der Oberfläche der Orangenschale durchgeführt. Die Ergebnisse wurden unter einem 100-fach vergrößernden Polarisationsmikroskop beobachtet, wie in Abbildung 3 gezeigt.
Abbildung 3 Pikosekunden-Markierungsergebnisse
Durch die Beobachtung der Markierungen auf den Orangenschalen unter dem Polarisationsmikroskop wurde festgestellt, dass sowohl Piko- als auch Nanosekundenlaser offensichtliche morphologische Veränderungen an der Oberfläche der Orangenschale verursachen und relativ klare Markierungen drucken können. Der Piko-Laser druckt jedoch Linien mit besserer Geradlinigkeit und glatten, klaren Konturen auf der Orangenschalenoberfläche und verursacht weniger Schaden am Epidermisgewebe. Im Gegensatz dazu sind die von dem Nano-Laser auf der Orangenschalenoberfläche gedruckten Linien weniger regelmäßig, und die Konturen der Markierungen sind unschärfer.
Der direkteste Parameter, der die Markierungseffekt beeinflusst, ist die Spitzenleistung, die umgekehrt proportional zur Laserpulsbreite ist. Daher nimmt die Spitzenleistung mit abnehmender Pulsbreite zu. Im Vergleich zum Nanosekunden-Puls-Laser hat der von einem Pikosekunden-Laser ausgegebene Laserstrahl eine kleinere Pulsbreite, höhere Energie und höhere Präzision. Der photochemische Ablationseffekt an der Orangenschale ist offensichtlich, wodurch eine Verkohlung am Rand des QR-Codes verursacht wird, ohne offensichtliche kleine Risse oder Oberflächenverunreinigungen, so dass die Grenzen klarer sind.
Um klare, beständige zweidimensionale Barcodes für die Rückverfolgbarkeit von Früchten zu erstellen, ohne die Essbarkeit zu beeinträchtigen, wurde ein Vergleichsexperiment durchgeführt, um die Machbarkeit der Lasertechnologie zum Markieren von Fruchtflächen zu untersuchen. Orangen wurden als Forschungsgegenstand ausgewählt, und Nanosekundenlaser sowie Pikosekundenlaser wurden verwendet, um QR-Codes auf die Schalen der Orangen zu drucken, wobei die Veränderungen an der Orangenschale beobachtet wurden. Die Experimentsergebnisse zeigen, dass im Vergleich zum Nanosekunden-Impuls-Laser der Pikosekunden-Impuls-Laser eine höhere Druckgenauigkeit, eine tiefere Markierungstiefe und klarere Markierungskonturen aufweist.
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