Con il miglioramento continuo del tenore di vita, l'attenzione del pubblico alla sicurezza alimentare è aumentata. In questo contesto, la tracciabilità dei frutti, specialmente dei frutti verdi, è diventata un requisito oggettivo. Attualmente, incollare etichette a codice a barre su carta sulla superficie dei frutti è il principale modo per raggiungere la tracciabilità dei frutti. Tuttavia, alcune etichette in carta sono inclini a cadere, causando la perdita di informazioni chiave, mentre altre sono attaccate così saldamente che spesso è difficile rimuoverle. Pertanto, questo studio seleziona gli aranci come oggetto di ricerca e intende utilizzare la tecnologia laser per inciderne direttamente i codici a barre bidimensionali sulla superficie del frutto. Confrontando gli effetti di marcatura dei raggi laser a ultracorto impulso picosecondo (ps) e degli impulsi laser a corto impulso nanosecondo (ns), si mira a fornire una tecnologia di marcatura con codici a barre chiari e duraturi per la tracciabilità dei frutti.
La macchina da marchiatura è composto da un laser, un sistema ottico, un sistema di controllo numerico e un sistema di controllo al computer. La struttura specifica è mostrata nella Figura 1.
Figura 1 Diagramma schemático del dispositivo di marchio a laser
Il principio di funzionamento del macchina da marchiatura è la seguente: utilizza l'effetto fototermico del fascio laser per evaporare il materiale superficiale, esponendo il materiale sottostante, o brucia parte del materiale tramite energia luminosa per mostrare i disegni incisi e i caratteri. Per soddisfare diverse esigenze di lavorazione, il laser emesso dal laser deve essere trasmesso e processato dal sistema ottico. Il sistema ottico nella macchina per il marchio è principalmente composto da un sistema di lenti a fuoco e campo. I laser sono un laser Nd:YAG nanosecondo a pompa semiconduttrice laterale e un laser ad attimo picosecondo.
Il software di marchio è il software di marchio CS Mark sviluppato dalla Beijing Century Sunny Technology Co., Ltd. È un software di applicazione di marchio progettato appositamente per marcatura Laser , integrando potenti funzioni di modifica grafica e varie funzioni di marcatura. Quando utilizzato in combinazione con la scheda di controllo e il galvanometro di scansione, è in grado di soddisfare i requisiti di vari processi laser ad alta precisione ed alta velocità.
La sorgente laser a nanosecondi a brevi impulsi utilizza un laser Nd:YAG a commutazione ottica acustica realizzato internamente, con una frequenza operativa di 3 KHz, una larghezza di impulso di 15 ns e una lunghezza d'onda di uscita di 532 nm. La sorgente laser a picosecondi ad ultra - brevi impulsi utilizza un laser a struttura a bastone Nd:YVO₄ a blocco modalità MOPA (Penny - pico - 10, Ziyun Laser Technology Co., Ltd.), con una lunghezza d'onda di uscita di 532 nm, una potenza massima di 10 W, una larghezza di impulso di 5 ps e una frequenza operativa di 1 - 100 kHz.
Sono state selezionate arance acquistate nello stesso lotto con una similarità di lisciozza superficiale. Sono stati utilizzati impulsi laser a picosecondo e impulsi laser a nanosecondo per effettuare la marcatura rispettivamente sulle loro superfici, e ogni metodo è stato ripetuto 10 volte. Successivamente, è stata utilizzata una microscopio polarizzante (OLYMPUS - BX51, Olympus Corporation) per l'osservazione e l'analisi a ingrandimento 100X per confrontare e analizzare gli effetti di marcatura dei due laser sulla buccia delle arance.
Parametri come la qualità del fascio, la larghezza dell'impulso ed energia del laser influenzeranno la precisione della marcatura laser, il che a sua volta influisce sulla qualità ed effetto della marcatura. Le ampiezze d'impulso del laser a nanosecondo e del laser a picosecondo sono state regolate allo stato ottimale. La larghezza d'impulso del laser a nanosecondo misurata dall'oscilloscopio del laser probe era di 8,48 ns, mentre quella del laser a picosecondo era di 14,2 ps.
Numerosi esperimenti hanno dimostrato che la potenza del laser, la velocità di marcatura e lo spaziatura delle linee sono i principali fattori che influiscono sulla qualità del codice a barre. Più alta è la frequenza del laser e più breve è il tempo di impulso, più veloce è la velocità di marcatura e più piccolo è lo spazio tra le linee, ottenendo così un miglior effetto di marcatura.
Dopo aver importato l'immagine del codice QR nella macchina di marcatura ad nanosecondi tramite l'interfaccia USB, la posizione della buccia di arancia è stata ajustata utilizzando il suo banco di traslazione, dopodiché è iniziata la marcatura. I risultati sono stati osservati sotto un microscopio polarizzante da 100X, come mostrato in Figura 2.
Figura 2 Risultati della marcatura ad nanosecondi
Il grafico del codice QR è stato importato nel software del computer del laser a picosecondi. Dopo aver attivato il raffreddamento ad acqua e aver regolato il piano focale, è stata effettuata la marcatura sulla superficie della buccia di arancia. I risultati sono stati osservati sotto un microscopio polarizzante da 100X, come mostrato in Figura 3.
Figura 3 Risultati della marcatura a picosecondi
Osservando i segni sulle bucce di arancia al microscopio polarizzante, si è scoperto che sia i laser ad impulsi picosecondo che quelli a nanosecondo possono causare cambiamenti morfologici evidenti sulla superficie della buccia e stampare segni relativamente chiari. Tuttavia, il laser ad impulsi picosecondo stampa linee con una maggiore precisione e con contorni lisci e chiari sulla superficie della buccia, causando meno danni all'epidermide. Al contrario, le linee stampate dal laser a nanosecondo sulla superficie della buccia sono meno regolari e i contorni dei segni sono più sfocati.
Il parametro più diretto che influisce sull'effetto di marcatura è la potenza di picco, che è inversamente proporzionale all'ampiezza dell'impulso laser. Pertanto, man mano che l'ampiezza dell'impulso diminuisce, la potenza di picco aumenta. In confronto con il laser a impulsi nanosecondi, il fascio laser emesso dal laser a impulsi picosecondi ha un'ampiezza di impulso più stretta, un'energia maggiore e una precisione superiore. L'effetto di ablazione fotochimica sulla superficie della scorza arancione è evidente, causando carbonizzazione ai bordi del codice QR, senza crepe o detriti superficiali evidenti, quindi i confini sono più chiari.
Per ottenere codici a barre bidimensionali chiari e duraturi per la tracciabilità dei frutti senza influire sulla loro commestibilità, è stato condotto un esperimento comparativo per studiare la fattibilità della tecnologia laser per la marcatura delle superfici fruttifere. Sono stati selezionati gli aranci come oggetto di ricerca, e sono stati utilizzati laser nanosecondi e laser picosecondi per stampare codici QR sulle bucce degli aranci rispettivamente, osservando le modifiche sulla superficie della buccia. I risultati sperimentali mostrano che, confrontandolo con il laser a impulsi nanosecondi, il laser a impulsi picosecondi ha una precisione di stampa superiore, una maggiore profondità di marcatura e contorni di marcatura più chiari.
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