Investigación sobre el efecto de marcado de pulsos láser en cáscaras de naranja

Con la mejora continua de los estándares de vida, la atención del público hacia la seguridad alimentaria ha ido en aumento. En este contexto, la trazabilidad de las frutas, especialmente de las frutas verdes, se ha convertido en un requisito objetivo. Actualmente, pegar etiquetas de código de barras de papel en la superficie de las frutas es el método principal para lograr la trazabilidad de las frutas. Sin embargo, algunas etiquetas de papel tienden a caerse, lo que provoca la pérdida de información clave, mientras que otras están tan firmemente adheridas que a menudo son difíciles de quitar. Por lo tanto, este estudio selecciona naranjas como objeto de investigación y tiene la intención de utilizar tecnología láser para grabar directamente códigos de barras bidimensionales en la superficie de la fruta. Al comparar los efectos de marcado de pulsos láser de ultra-corta duración picosegundo (ps) y pulsos láser de corta duración nanosegundo (ns), se busca proporcionar una tecnología de marcado con códigos de barras claros y duraderos para la trazabilidad de frutas.

1 Instrumentos y Métodos Experimentales

1.1 Estructura y Composición de la Máquina de marcado

Figura 1 Diagrama esquemático del dispositivo de marcado láser

1.2 Fuentes de Luz

La fuente láser de nanosegundos de pulso corto utiliza un láser Nd:YAG acústico-óptico Q-conmutado de fabricación propia, con una frecuencia de operación de 3 KHz, un ancho de pulso de 15 ns y una longitud de onda de salida de 532 nm. La fuente láser de pulsos ultracortos de picosegundos utiliza un láser MOPA de bloque estructurado Nd:YVO₄ (Penny-pico-10, Ziyun Laser Technology Co., Ltd.), con una longitud de onda de salida de 532 nm, una potencia máxima de 10 W, un ancho de pulso de 5 ps y una frecuencia de operación de 1-100 kHz.

1.3 Métodos Experimentales

Se seleccionaron naranjas compradas en el mismo lote con una similitud en la suavidad de la superficie. Se utilizaron pulsos láser de picosegundos y nanosegundos para marcar sus superficies respectivamente, y cada método se repitió 10 veces. Luego, se utilizó un microscopio polarizador (OLYMPUS - BX51, Olympus Corporation) para observación y análisis a una ampliación de 100X para comparar y analizar los efectos de marcado de ambos láseres en las cáscaras de las naranjas.

2 Resultados y Análisis

2.1 Análisis de Parámetros Experimentales

Parámetros como la calidad del haz, el ancho de pulso y la energía del láser afectarán la precisión del marcado láser, lo que a su vez afecta la calidad y el efecto del marcado. Los anchos de pulso del láser de nanosegundo y del láser de picosegundo se ajustaron al estado óptimo. El ancho de pulso de salida del láser de nanosegundo medido por el osciloscopio de sonda láser fue de 8,48 ns, y el del láser de picosegundo fue de 14,2 ps.

Numerosos experimentos han demostrado que la potencia del láser, la velocidad de marcado y el espaciado entre líneas son los principales factores que afectan a la calidad del código de barras. Cuanto mayor sea la frecuencia del láser y más corto sea el tiempo de pulso, mayor será la velocidad de marcado y menor el espaciado entre líneas, lo que resulta en un mejor efecto de marcado.

2.2 Efecto de Marcado y Análisis

Después de importar la imagen del código QR en la máquina de marcado nanosegundo a través de la interfaz USB, se ajustó la posición de la cáscara de naranja utilizando su mesa de traslación, y luego comenzó el marcado. Los resultados se observaron bajo un microscopio polarizador de 100X, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2 Resultados de marcado nanosegundo

El gráfico del código QR se importó al software de la computadora del láser de picosegundo. Después de encender el enfriamiento por agua y ajustar el plano focal, se realizó el marcado en la superficie de la cáscara de naranja. Los resultados se observaron bajo un microscopio polarizador de 100X, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3 Resultados de marcado picosegundo

Mediante la observación de las marcas en las cáscaras de naranja bajo el microscopio polarizador, se encontró que tanto los láseres de picosegundo como los de nanosegundo pueden causar cambios morfológicos obvios en la superficie de la cáscara de naranja e imprimir marcas relativamente claras. Sin embargo, el láser de picosegundo imprime líneas con mejor rectitud y contornos suaves y claros en la superficie de la cáscara de naranja, y causa menos daño al epidermis. En contraste, las líneas impresas por el láser de nanosegundo en la superficie de la cáscara de naranja son menos regulares, y los contornos de las marcas son más borrosos.

El parámetro que afecta de manera más directa al efecto de marcado es la potencia pico, que es inversamente proporcional a la anchura del pulso láser. Por lo tanto, a medida que disminuye la anchura del pulso, la potencia pico aumenta. En comparación con el láser de pulsos nanosegundos, el haz láser emitido por el láser de picosegundos tiene una anchura de pulso más estrecha, mayor energía y mayor precisión. El efecto de ablación fotoquímica en la superficie de la cáscara de naranja es evidente, causando carbonización en los bordes del código QR, sin pequeñas grietas ni residuos superficiales obvios, por lo que los límites son más claros.

3 Conclusiones y Discusiones

Para lograr códigos de barras bidimensionales claros y duraderos para la trazabilidad de frutas sin afectar su comestibilidad, se realizó un experimento comparativo para estudiar la viabilidad de la tecnología láser para marcar en las superficies de las frutas. Se seleccionaron naranjas como objeto de investigación, y se utilizaron láseres de nanosegundo y láseres de picosegundo para imprimir códigos QR en las cáscaras de las naranjas respectivamente, observándose los cambios en la superficie de la cáscara. Los resultados del experimento muestran que, en comparación con el láser de pulsos de nanosegundo, el láser de pulsos de picosegundo tiene una mayor precisión de impresión, una mayor profundidad de marcado y contornos de marcado más claros.