生活水準の継続的な向上に伴い、食品安全に対する一般市民の関心が高まっています。この文脈において、特に緑色果実を含む果物のトレーサビリティは、客観的な要求となっています。現在、果物表面に紙製のバーコードラベルを貼ることが、主な果物トレーサビリティの手段です。しかし、一部の紙ラベルは剥がれやすいことがあり、重要な情報が失われることがあります。一方で、他のラベルは非常に強く接着されており、取り除くのが困難である場合があります。したがって、本研究ではオレンジを対象とし、レーザー技術を使用して果物表面に直接二次元バーコードを刻印することを目指しています。超短パルスピコ秒（ps）レーザーパルスと短パルスナノ秒（ns）レーザーパルスの刻印効果を比較し、果物トレーサビリティ用の明瞭で耐久性のあるバーコードを提供する技術を確立することを目的としています。
その マーキングマシン レーザー、光学システム、数値制御加工システム、およびコンピュータ制御システムで構成されています。具体的な構造は図1に示されています。
図1 レーザーマーキング装置の概略図
の動作原理は マーキングマシン 以下の通りです：レーザー光束の光熱効果を利用して材料の表面材を蒸発させ、下層の材料を露出させるか、または光エネルギーによって材料の一部を燃焼させて刻まれたパターンや文字を表示します。異なる加工ニーズに対応するために、レーザーから出力されたレーザーは光学システムによって伝達および処理される必要があります。マーキング機内の光学システムは主に集光フィールドレンズシステムで構成されています。使用されるレーザーは半導体側面励起ナノ秒Nd:YAGレーザーとピコ秒レーザーです。
マーキングソフトウェアは、北京センチュリー・サニー・テクノロジー株式会社が開発したCS Markシリーズのマーキングソフトウェアです。これは専用に設計されたマーキング応用ソフトウェアです。 レーザーマーキング 強力なグラフィック編集機能とさまざまなマーク付け機能を統合しています。制御カードとスキャン用ガルバノメーターと組み合わせて使用することで、さまざまな高精度かつ高速なレーザー加工の要件を満たすことができます。
ナノ秒短パルスレーザー光源には、自社製のNd:YAG音響光学Qスイッチレーザーが使用されており、動作周波数は3 KHz、パルス幅は15 ns、出力波長は532 nmです。ピコ秒超短パルスレーザー光源には、Nd:YVO₄棒構造のMOPAモードロックレーザー（Penny-pico-10、Ziyun Laser Technology Co., Ltd.）が使用されており、出力波長は532 nm、最大出力は10 W、パルス幅は5 ps、動作周波数は1〜100 kHzです。
同じバッチで購入され、表面のなめらかさが類似しているオレンジを選定しました。ピコ秒レーザーパルスとナノ秒レーザーパルスを使用してそれぞれその表面にマークを施し、各方法を10回繰り返しました。その後、偏光顕微鏡（OLYMPUS - BX51、オリンパス株式会社）を使用して100倍の倍率で観察・分析を行い、2つのレーザーによるオレンジの皮のマーク効果を比較・分析しました。
レーザーのビーム品質、パルス幅、エネルギーなどのパラメータはレーザーマーキングの精度に影響し、それがマーキングの品質や効果に影響を与えます。ナノ秒レーザーとピコ秒レーザーのパルス幅は最適状態に調整されました。レーザープローブ・オシロスコープで測定されたナノ秒レーザーの出力パルス幅は8.48 ns、ピコ秒レーザーのそれは14.2 psでした。
多くの実験により、レーザー出力、マーキング速度、ライン間隔がバーコードの品質に影響を与える主な要因であることが示されています。レーザー周波数が高いほど、パルス時間が短いほど、マーキング速度は速くなり、ライン間隔は小さくなり、より良いマーキング効果が得られます。
USBインターフェースを通じてQRコード画像をナノ秒マーキング機に取り込み、その移動ステージを使用してオレンジの皮の位置を調整した後、マーキングを開始しました。結果は100倍の偏光顕微鏡で観察され、図2に示されています。
図2 ナノ秒マーキング結果
QRコードグラフィックをピコ秒レーザーのコンピュータソフトウェアに取り込み、水冷をオンにして焦点面を調整した後、オレンジの皮の表面にマーキングを行いました。結果は100倍の偏光顕微鏡で観察され、図3に示されています。
図3 ピコ秒マーキング結果
オレンジの皮に存在するマークを偏光顕微鏡で観察した結果、ピコ秒レーザーとナノ秒レーザーの両方がオレンジの皮表面に明显的な形態変化を引き起こし、比較的はっきりとしたマークを印刷できることがわかりました。しかし、ピコ秒レーザーはオレンジの皮表面に直線性が良く、滑らかで鮮明な輪郭の線を印刷でき、表皮への損傷が少ないです。対照的に、ナノ秒レーザーがオレンジの皮表面に印刷する線は規則性が低く、マークの輪郭がよりぼやけています。
マーキング効果に最も直接的に影響を与えるパラメータはピークパワーであり、これはレーザーのパルス幅と逆比例します。したがって、パルス幅が狭くなるほど、ピークパワーは増加します。ナノ秒パルスレーザーと比較すると、ピコ秒レーザーによって出力されるレーザービームは、より狭いパルス幅、高いエネルギー、そして高い精度を持っています。オレンジの皮表面における光化学的アブレーション効果は顕著で、QRコードの縁に炭化が生じますが、明らかな小さなひび割れや表面の粉屑がないため、境界はより明瞭です。
果物のトレーサビリティを確保するために、食用性に影響を与えることなく明瞭で耐久性のある二次元バーコードを実現するため、果物表面へのレーザー刻印技術の実現可能性について比較実験が行われました。オレンジが研究対象として選ばれ、ナノ秒レーザーとピコ秒レーザーがそれぞれ使用されてオレンジの皮にQRコードが印刷され、そのオレンジの皮表面の変化が観察されました。実験結果は、ナノ秒パルスレーザーと比較して、ピコ秒パルスレーザーの方が印刷精度が高く、刻印の深さが深く、刻印の輪郭がより明瞭であることを示しています。
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