Pesquisa sobre o Efeito de Marcação de Pulsos Laser em Cascas de Laranja

Com o contínuo aprimoramento dos padrões de vida, a atenção do público à segurança alimentar tem aumentado. Nesse contexto, a rastreabilidade de frutas, especialmente frutas verdes, tornou-se uma exigência objetiva. Atualmente, colar etiquetas de código de barras de papel na superfície das frutas é o principal método para alcançar a rastreabilidade das frutas. No entanto, algumas etiquetas de papel têm tendência a cair, resultando na perda de informações-chave, enquanto outras são tão firmemente fixadas que muitas vezes são difíceis de remover. Portanto, este estudo seleciona laranjas como objeto de pesquisa e pretende usar tecnologia a laser para gravar diretamente códigos de barras bidimensionais na superfície da fruta. Ao comparar os efeitos de marcação de pulsos a laser de ultra-curto-pulsos picossegundo (ps) e pulsos a laser de curto-pulso nanossegundo (ns), busca-se fornecer uma tecnologia de marcação com códigos de barras claros e duráveis para rastreabilidade de frutas.

1 Instrumentos e Métodos Experimentais

1.1 Estrutura e Composição do Máquina de marcação

Figura 1 Diagrama esquemático do dispositivo de marcação a laser

1.2 Fontes de Luz

A fonte de laser de nanossegundos de pulso curto utiliza um laser Nd:YAG acústico-óptico Q-switched de fabricação própria, com uma frequência de operação de 3 KHz, largura de pulso de 15 ns e comprimento de onda de saída de 532 nm. A fonte de laser de picossegundos de ultra-curto pulso utiliza um laser MOPA mode-locked de estrutura de haste Nd:YVO₄ (Penny-pico-10, Ziyun Laser Technology Co., Ltd.), com comprimento de onda de saída de 532 nm, potência máxima de 10 W, largura de pulso de 5 ps e frequência de operação de 1-100 kHz.

1.3 Métodos Experimentais

Foram selecionadas laranjas compradas no mesmo lote com uma suavidade de superfície semelhante. Os pulsos de laser de picossegundos e os pulsos de laser de nanosegundos foram usados para marcar suas superfícies, respectivamente, e cada método foi repetido 10 vezes. Em seguida, um microscópio polarizador (OLYMPUS - BX51, Olympus Corporation) foi usado para observação e análise em ampliação de 100X para comparar e analisar os efeitos de marcação dos dois lasers nas cascas de laranja.

2 Resultados e análise

2.1 Análise dos parâmetros experimentais

Parâmetros como a qualidade do feixe, largura do pulso e energia do laser afetarão a precisão da marcação a laser, o que por sua vez afeta a qualidade e o efeito da marcação. As larguras de pulso do laser de nanossegundos e do laser de picossegundos foram ajustadas ao estado ideal. A largura de pulso de saída do laser de nanossegundos medida pelo osciloscópio de sonda laser foi de 8,48 ns, e a do laser de picossegundos foi de 14,2 ps.

Vários experimentos mostraram que a potência do laser, a velocidade de marcação e o espaçamento entre linhas são os principais fatores que afetam a qualidade do código de barras. Quanto maior a frequência do laser e mais curto o tempo de pulso, maior será a velocidade de marcação e menor o espaçamento entre as linhas, resultando em um melhor efeito de marcação.

2.2 Efeito de Marcação e Análise

Após importar a imagem do QR code para a máquina de marcação nanossegundo através da interface USB, a posição da casca de laranja foi ajustada usando sua mesa de translação, e então a marcação começou. Os resultados foram observados sob um microscópio polarizador de 100X, como mostrado na Figura 2.

Figura 2 Resultados de marcação nanossegundo

O gráfico do QR code foi importado para o software do computador do laser de picossegundo. Após ligar o resfriamento a água e ajustar o plano focal, a marcação foi realizada na superfície da casca de laranja. Os resultados foram observados sob um microscópio polarizador de 100X, como mostrado na Figura 3.

Figura 3 Resultados de marcação picossegundo

Através da observação das marcas nas cascas de laranja sob o microscópio polarizador, foi constatado que tanto os lasers de picossegundo quanto os lasers de nanossegundo podem causar mudanças morfológicas evidentes na superfície da casca de laranja e imprimir marcas relativamente claras. No entanto, o laser de picossegundo imprime linhas com melhor retidão e contornos suaves e claros na superfície da casca de laranja, causando menos dano ao epiderme. Em contraste, as linhas impressas pelo laser de nanossegundo na superfície da casca de laranja são menos regulares e os contornos das marcas são mais embaçados.

O parâmetro mais direto que afeta o efeito de marcação é a potência de pico, que é inversamente proporcional à largura do pulso laser. Portanto, à medida que a largura do pulso diminui, a potência de pico aumenta. Em comparação com o laser de pulso nanossegundo, o feixe laser emitido pelo laser de picossegundo tem uma largura de pulso mais estreita, maior energia e maior precisão. O efeito de ablação fotoquímica na superfície da casca de laranja é evidente, causando carbonização nas bordas do código QR, sem rachaduras pequenas ou resíduos na superfície, de modo que as bordas são mais claras.

3 Conclusões e Discussões

Para alcançar códigos de barras bidimensionais claros e duradouros para a rastreabilidade de frutas sem afetar sua comestibilidade, foi realizado um experimento comparativo para estudar a viabilidade da tecnologia a laser para marcação nas superfícies das frutas. Laranjas foram selecionadas como objeto de pesquisa, e lasers de nanossegundo e lasers de picossegundo foram usados para imprimir códigos QR nas cascas das laranjas, respectivamente, e as mudanças na superfície da casca foram observadas. Os resultados experimentais mostram que, em comparação com o laser de pulso de nanossegundo, o laser de pulso de picossegundo possui maior precisão de impressão, maior profundidade de marcação e contornos de marcação mais nítidos.