Onderzoek naar de markeffect van laserpulsen op sinaasappelschillen

Met de continue verbetering van de levensstandaard neemt de aandacht van het publiek voor voedselveiligheid toe. In deze context is de herkomsttracerbaarheid van fruit, met name groentenfruit, geworden tot een objectieve eis. Momenteel is het plakken van papieren streepjescodelabels op het oppervlak van fruit de hoofdmanier om fruittracerbaarheid te realiseren. Sommige papieren labels vallen echter gemakkelijk af, waardoor essentiële informatie verloren gaat, terwijl andere zo stevig vastzitten dat ze vaak moeilijk te verwijderen zijn. Daarom kiest dit onderzoek sinaasappels als onderzoeksobject en wil laser technologie gebruiken om rechtstreeks tweedimensionale streepjescodes op het oppervlak van het fruit in te graveerden. Door de markeffecten van ultra-korte puls picoseconde (ps) lasers en korte puls nanoseconde (ns) lasers te vergelijken, heeft het tot doel een markeertechnologie te bieden met duidelijke en duurzame streepjescodes voor fruittracerbaarheid.

1 Experimentele instrumenten en methoden

1.1 Structuur en samenstelling van de Markeringmachine

Figuur 1 Schematische weergave van het lasermarkeringstoestel

1.2 Lichtbronnen

De kortpuls nanoseconde lasersource maakt gebruik van een zelfgemaakte Nd:YAG geluidsoptisch Q-gecommuteerde laser, met een werkfrequentie van 3 KHz, een pulsduur van 15 ns en een uitkomstgolflengte van 532 nm. De ultrakortpuls picoseconde lasersource maakt gebruik van een Nd:YVO₄ staafstructuur MOPA modus-gesloten laser (Penny-pico-10, Ziyun Laser Technology Co., Ltd.), met een uitkomstgolflengte van 532 nm, een maximale vermogen van 10 W, een pulsduur van 5 ps en een werkfrequentie van 1 - 100 kHz.

1.3 Experimentele methoden

Oranges uit dezelfde partij met een soortgelijke oppervlakgladheid werden geselecteerd. Picoseconde laserpulsen en nanoseconde laserpulsen werden gebruikt om respectievelijk hun oppervlakken te markeren, en elke methode werd 10 keer herhaald. Vervolgens werd er met een polariserende microscoop (OLYMPUS - BX51, Olympus Corporation) op 100x vergroting geobserveerd en geanalyseerd om de markeringseffecten van de twee lasers op de sinaasappelschillen te vergelijken en te analyseren.

2 Resultaten en Analyse

2.1 Analyse van Experimentele Parameters

Parameters zoals straalkwaliteit, pulsbreedte en energie van de laser zullen invloed hebben op de nauwkeurigheid van lasermarkering, wat op zijn beurt de kwaliteit en het effect van de markering beïnvloedt. De pulsbreedtes van de nanoseconde laser en de picoseconde laser werden aangepast tot de optimale staat. De uitkomstpulsbreedte van de nanoseconde laser gemeten door de laserprobescope was 8,48 ns en die van de picoseconde laser was 14,2 ps.

Veel experimenten hebben aangetoond dat laserkracht, markeersnelheid en lijnafstand de belangrijkste factoren zijn die invloed hebben op de kwaliteit van barcodes. Hoe hoger de laserfrequentie en hoe korter de pulstijd, des te sneller is de markeersnelheid en des te kleiner de lijnafstand, wat resulteert in een betere markeeruitkomst.

2.2 Markeereffect en analyse

Na het importeren van de QR-code afbeelding in de nanoseconden markeermachine via de USB-interface, werd de positie van de sinaasappelschil aangepast met behulp van haar translatietafel, waarna het markeerproces begon. De resultaten werden geobserveerd onder een 100x polariserende microscoop, zoals weergegeven in Figuur 2.

Figuur 2 Nanoseconde markeerresultaten

De QR-code grafiek werd geïmporteerd in de computersoftware van de picoseconde laser. Na het aanzetten van de waterkoeling en het aanpassen van het brandvlak, werd er gemarkeerd op de oppervlakte van de sinaasappelschil. De resultaten werden geobserveerd onder een 100x polariserende microscoop, zoals weergegeven in Figuur 3.

Figuur 3 Picoseconde markeerresultaten

Door de observatie van de merktekenen op de sinaasappelschillen onder de polarisatiemicroscoop is gevonden dat zowel picosecond lasers als nanosecond lasers duidelijke morfologische veranderingen op het oppervlak van de sinaasappelschil kunnen veroorzaken en relatief duidelijke merktekens kunnen afdrukken. De picosecond laser drukt echter lijnen af met betere rechtheid en gladde, duidelijke omtrekken op het oppervlak van de sinaasappelschil, en veroorzaakt minder schade aan de epidermis. In tegenstelling daarmee zijn de door de nanosecond laser op de sinaasappelschil gedrukte lijnen minder regelmatig, en zijn de omtrekken van de merktekens meer vervagen.

De meest directe parameter die invloed heeft op het markeer-effect is de piekkracht, die omgekeerd evenredig is met de laser pulsbreedte. Daarom neemt de piekkracht toe naarmate de pulsbreedte afneemt. In vergelijking met de nanoseconde-puls laser heeft de door de picosecond-laser uitkomende laserstraal een smallere pulsbreedte, hogere energie en hogere precisie. Het fotochemische ablatie-effect op de schiloppervlakte is duidelijk, wat carbonisatie veroorzaakt aan de randen van de QR-code, zonder duidelijke kleine barsten of oppervlakteafval, zodat de grenzen duidelijker zijn.

3 Conclusies en Discussies

Om duidelijke, duurzame tweedimensionale barcodes voor de traceerbaarheid van fruit te realiseren zonder invloed op de eetbaarheid, is een vergelijkend experiment uitgevoerd om de haalbaarheid van laser technologie voor merken op fruitoppervlakken te bestuderen. Oranjeën werden geselecteerd als onderzoeksobject, en nanoseconde lasers en picoseconde lasers werden gebruikt om QR-codes af te drukken op de schillen van de oranjeën, waarbij de veranderingen op het oppervlak van de schil werden geobserveerd. De experimentele resultaten tonen aan dat, in vergelijking met de nanoseconde-pulslaser, de picoseconde-pulslaser een hogere druk nauwkeurigheid heeft, een diepere merktepthas en duidelijkere contouren van de aanduidingen.