Badania nad efektem oznaczania impulsów laserowych na skórkach pomarańczy

Wraz z ciągłym poprawianiem się standardów życia, rośnie świadomość publiczna na temat bezpieczeństwa żywności. W tym kontekście, śledzenie pochodzenia owoców, zwłaszcza owoców zielonych, stało się obiektywnym wymaganiem. Obecnie, naklejanie papierowych etykiet kodu kreskowego na powierzchnię owoców jest głównym sposobem osiągnięcia śledzenia owoców. Jednak niektóre etykiety papierowe są podatne na odpadanie, co prowadzi do utraty kluczowych informacji, podczas gdy inne są tak mocno przyczepione, że często są trudne do usunięcia. Dlatego ten artykuł wybiera pomarańcze jako obiekt badań i zamierza wykorzystać technologię laserową do bezpośredniego wyrabiania kodów dwuwymiarowych na powierzchni owocu. Poprzez porównanie efektów oznakowywania impulsów laserowych ultra-krótkich pikosekundowych (ps) i krótkich nanosekundowych (ns), ma na celu dostarczenie technologii oznakowania z jasnymi i trwały kodami kreskowymi dla śledzenia owoców.

1. Instrumenty i metody eksperymentalne

1.1 Struktura i skład Maszyna do oznaczania

Rysunek 1 Schematyczny diagram urządzenia do oznaczania laserowego

1.2 Źródła światła

Krótkopulsowe źródło nanosekundowego lasera wykorzystuje samodzielnie wykonany Nd:YAG laser akustooptyczny z przekaźnikiem Q, z częstotliwością pracy 3 KHz, szerokością impulsu 15 ns i długością fali wyjściowej 532 nm. Ultrakrókopulsowe źródło pikosekundowego lasera wykorzystuje strukturalny laser MOPA Nd:YVO₄ (Penny-pico-10, Ziyun Laser Technology Co., Ltd.), z długością fali wyjściowej 532 nm, maksymalną mocą 10 W, szerokością impulsu 5 ps i częstotliwością pracy od 1 do 100 kHz.

1.3 Metody eksperymentalne

Wybrano pomarańcze zakupione w tej samej partii o podobnej gładkości powierzchni. Użyto impulsów laserowych pikosekundowych i nanosekundowych do oznaczania ich powierzchni odpowiednio, a każda metoda została powtórzona 10 razy. Następnie, za pomocą polaryzacyjnego mikroskopu (OLYMPUS - BX51, Olympus Corporation) przeprowadzono obserwację i analizę w powiększeniu 100X, aby porównać i przeanalizować efekty oznakowywania dwóch laserów na skórkach pomarańczy.

2 Wyniki i Analiza

2.1 Analiza Parametrów Eksperymentalnych

Parametry takie jak jakość promienia, szerokość impulsu i energia lasera mogą wpływać na dokładność oznakowania laserowego, co z kolei wpływa na jakość i efekt oznakowania. Szerokości impulsów laserów nanosekundowych i pikosekundowych zostały dostosowane do optymalnego stanu. Pomiar szerokości impulsu wyjściowego laserem nanosekundowym przy użyciu oscyloskopu sondy laserowej wyniósł 8,48 ns, a dla lasera pikosekundowego wynosiła ona 14,2 ps.

Wiele eksperymentów wykazało, że moc lasera, prędkość oznaczania i odstęp między liniami są głównymi czynnikami wpływającymi na jakość kodu kreskowego. Im wyższa częstotliwość lasera i krótszy czas impulsu, tym szybsza prędkość oznaczania i mniejszy odstęp między liniami, co prowadzi do lepszego efektu oznaczenia.

2.2 Efekt oznaczania i analiza

Po zaimportowaniu obrazu kodu QR do maszyny do oznaczania nanosekundowej przez interfejs USB, pozycja skórki pomarańczy została dostosowana za pomocą jej stołu przesuwnego, a następnie rozpoczęto oznaczanie. Wyniki zostały zaobserwowane pod mikroskopem polaryzacyjnym 100X, jak pokazano na Rysunku 2.

Rysunek 2 Wyniki oznaczania nanosekundowego

Grafika kodu QR została zaimportowana do oprogramowania komputerowego lasera pikosekundowego. Po włączeniu chłodzenia wodnego i dostosowaniu płaszczyzny fokussującej, przeprowadzono oznaczanie na powierzchni skórki pomarańczy. Wyniki zostały zaobserwowane pod mikroskopem polaryzacyjnym 100X, jak pokazano na Rysunku 3.

Rysunek 3 Wyniki oznaczania pikosekundowego

Przez obserwację znaczników na skórze pomarańczy pod mikroskopem polaryzacyjnym stwierdzono, że zarówno lasery pikosekundowe, jak i nanosekundowe mogą powodować wyraźne zmiany morfologiczne na powierzchni skórki pomarańczy oraz drukować stosunkowo klarowne znaczniki. Jednak laser pikosekundowy wypisuje linie o lepszej prostoliniowości oraz gładkich i klarownych konturach na powierzchni skórki pomarańczy, powodując mniejsze uszkodzenia epidermisu. W przeciwieństwie do tego, linie wypisywane przez laser nanosekundowy na powierzchni skórki pomarańczy są mniej regularne, a kontury znaczników są bardziej rozmyte.

Najbardziej bezpośredni parametr wpływający na efekt znakowania to moc szczytowa, która jest odwrotnie proporcjonalna do szerokości impulsu lasera. Zatem, w miarę jak szerokość impulsu maleje, moc szczytowa wzrasta. W porównaniu z laserem o impulsach nanosekundowych, promień lasera emitowany przez laser pikosekundowy ma węższą szerokość impulsu, większą energię i wyższą precyzję. Efekt fotochemicznego ablacji na powierzchni skórki pomarańczy jest widoczny, powodując węglowanie na krawędziach kodu QR, bez oczywistych małych szczelin lub gruzu na powierzchni, co sprawia, że granice są bardziej wyraźne.

3 Wnioski i dyskusje

Aby osiągnąć wyraźne, trwałe kodowanie dwuwymiarowe do śledzenia pochodzenia owoców bez wpływu na ich spożywalność, przeprowadzono eksperyment porównawczy w celu badania możliwości zastosowania technologii laserowej do oznakowywania powierzchni owoców. Pomarańcze zostały wybrane jako obiekt badań, a lasery nanosekundowe i pikosekundowe zostały użyte do drukowania kodów QR na skórkach pomarańczy, a następnie zaobserwowano zmiany na ich powierzchni. Wyniki eksperymentu pokazują, że w porównaniu z laserem o impulsie nanosekundowym, laser o impulsie pikosekundowym oferuje większą dokładność druku, głębsze znaczenie oznaczeń oraz bardziej wyraźne kontury oznaczeń.