Recherche sur l'effet de marquage des impulsions laser sur les pelures d'orange

Avec l'amélioration continue du niveau de vie, l'attention portée à la sécurité alimentaire a augmenté. Dans ce contexte, la traçabilité des fruits, en particulier des fruits verts, est devenue une exigence objective. Actuellement, coller des étiquettes à code-barres en papier sur la surface des fruits est le moyen principal pour assurer la traçabilité des fruits. Cependant, certaines étiquettes en papier ont tendance à se détacher, entraînant la perte d'informations clés, tandis que d'autres sont si fermement attachées qu'elles sont souvent difficiles à retirer. Par conséquent, cette étude choisit les oranges comme objet de recherche et prévoit d'utiliser la technologie laser pour graver directement des codes-barres bidimensionnels sur la surface des fruits. En comparant les effets de marquage des impulsions laser ultra-courtes picoseconde (ps) et des impulsions laser courtes nanoseconde (ns), elle vise à fournir une technologie de marquage avec des codes-barres clairs et durables pour la traçabilité des fruits.

1 Instruments et méthodes expérimentales

1.1 Structure et composition du Machine de marquage

Figure 1 Diagramme schématique de l'appareil de marquage au laser

1.2 Sources Lumineuses

La source laser à nanosecondes à impulsions courtes utilise un laser à commutation acousto-optique Nd:YAG fabriqué en interne, avec une fréquence de fonctionnement de 3 KHz, une largeur d'impulsion de 15 ns et une longueur d'onde de sortie de 532 nm. La source laser à picosecondes à impulsions ultra-courtes utilise un laser verrouillé en mode MOPA à structure de barre Nd:YVO₄ (Penny-pico-10, Ziyun Laser Technology Co., Ltd.), avec une longueur d'onde de sortie de 532 nm, une puissance maximale de 10 W, une largeur d'impulsion de 5 ps et une fréquence de fonctionnement de 1 à 100 kHz.

1.3 Méthodes Expérimentales

On a sélectionné des oranges achetées dans le même lot avec une similarité de lisseité de surface. Des impulsions laser en picoseconde et en nanoseconde ont été utilisées pour marquer leurs surfaces respectivement, et chaque méthode a été répétée 10 fois. Ensuite, un microscope polarisant (OLYMPUS - BX51, Olympus Corporation) a été utilisé pour l'observation et l'analyse à une grossissement de 100X afin de comparer et d'analyser les effets de marquage des deux lasers sur les peaux d'oranges.

2 Résultats et Analyse

2.1 Analyse des Paramètres Expérimentaux

Les paramètres tels que la qualité du faisceau, la largeur d'impulsion et l'énergie du laser influencent la précision du marquage laser, ce qui affecte à son tour la qualité et l'effet du marquage. Les largeurs d'impulsion du laser nanoseconde et du laser picoseconde ont été ajustées à leur état optimal. La largeur d'impulsion du laser nanoseconde mesurée par oscilloscope de sonde laser était de 8,48 ns, et celle du laser picoseconde était de 14,2 ps.

De nombreuses expériences ont montré que la puissance du laser, la vitesse de marquage et l'espacement des lignes sont les principaux facteurs affectant la qualité du code-barres. Plus la fréquence du laser est élevée et plus le temps de pulsation est court, plus la vitesse de marquage est rapide et plus l'espacement des lignes est petit, ce qui donne un meilleur effet de marquage.

2.2 Effet de marquage et analyse

Après avoir importé l'image du code QR dans la machine de marquage nanoseconde via l'interface USB, la position de l'écorce d'orange a été ajustée à l'aide de sa table de translation, puis le marquage a commencé. Les résultats ont été observés sous un microscope polarisant à 100X, comme le montre la Figure 2.

Figure 2 Résultats du marquage nanoseconde

Le graphique du code QR a été importé dans le logiciel informatique du laser en picoseconde. Après avoir activé le refroidissement à eau et ajusté le plan focal, le marquage a été effectué sur la surface de l'écorce d'orange. Les résultats ont été observés sous un microscope polarisant à 100X, comme le montre la Figure 3.

Figure 3 Résultats du marquage en picoseconde

En observant les marques sur les pelures d'orange sous le microscope polarisant, il a été constaté que les lasers en pulsations picoseconde et nanoseconde peuvent tous deux provoquer des changements morphologiques évidents à la surface de la peau d'orange et imprimer des marques relativement claires. Cependant, le laser en pulsations picoseconde imprime des lignes avec une meilleure rectitude, des contours lisses et nets à la surface de la peau d'orange, et cause moins de dommages à l'épiderme. En revanche, les lignes imprimées par le laser en pulsations nanoseconde sur la surface de la peau d'orange sont moins régulières, et les contours des marques sont plus flous.

Le paramètre ayant le plus d'effet direct sur le résultat du marquage est la puissance de crête, qui est inversement proportionnelle à la largeur de l'impulsion laser. Par conséquent, lorsque la largeur de l'impulsion diminue, la puissance de crête augmente. En comparaison avec le laser à impulsions nanosecondes, le faisceau laser émis par le laser à impulsions picosecondes a une largeur d'impulsion plus étroite, une énergie plus élevée et une précision accrue. L'effet d'ablation photochimique sur la surface de l'écorce d'orange est évident, provoquant une carbonisation aux bords du code QR, sans petites fissures ni débris de surface apparents, ce qui rend les contours plus clairs.

3 Conclusions et discussions

Pour obtenir des codes-barres bidimensionnels clairs et durables pour la traçabilité des fruits sans affecter leur comestibilité, une expérience comparative a été menée pour étudier la faisabilité de la technologie laser pour marquer les surfaces des fruits. Les oranges ont été choisies comme objet d'étude, et des lasers nanosecondes et picosecondes ont été utilisés pour imprimer des codes QR sur les pelures d'oranges respectivement, en observant les changements sur la surface de la pelure. Les résultats expérimentaux montrent que, comparé au laser à impulsions nanosecondes, le laser à impulsions picosecondes offre une plus grande précision d'impression, une profondeur de marquage plus importante et des contours de marquage plus nets.