Исследование влияния лазерных импульсов на апельсиновую кожуру

С повышением уровня жизни внимание общественности к безопасности пищевых продуктов растет. В этой связи трассируемость фруктов, особенно экологически чистых фруктов, становится объективным требованием. На данный момент наклеивание бумажных штрих-кодов на поверхность фруктов является основным способом обеспечения трассируемости фруктов. Однако некоторые бумажные ярлыки склонны отваливаться, что приводит к потере ключевой информации, в то время как другие прикреплены слишком крепко и часто трудно снимаются. Поэтому в данном исследовании апельсины выбраны в качестве объекта исследования, и предполагается использовать лазерную технологию для нанесения двумерных штрих-кодов прямо на поверхность фрукта. Сравнивая эффекты маркировки ультракороткими импульсами пикосекундного (ps) лазера и короткими импульсами наносекундного (ns) лазера, цель состоит в том, чтобы предоставить технологию маркировки с четкими и долговечными штрих-кодами для трассировки фруктов.

1 Экспериментальные приборы и методы

1.1 Структура и состав Маркировочная машина

Рисунок 1 Схема устройства лазерной маркировки

1.2 Источники света

Короткопульсный наносекундный лазерный источник использует自制 Nd:YAG акусто-оптический Q-переключаемый лазер, с рабочей частотой 3 КГц, шириной импульса 15 нс и длиной волны выхода 532 нм. Ультракороткопульсный пикосекундный лазерный источник использует стержневой MOPA-затворенный лазер Nd:YVO₄ (Penny-pico-10, Ziyun Laser Technology Co., Ltd.), с длиной волны выхода 532 нм, максимальной мощностью 10 Вт, шириной импульса 5 пс и рабочей частотой 1-100 кГц.

1.3 Методы эксперимента

Были отобраны апельсины, купленные в той же партии с похожей гладкостью поверхности. Для маркировки их поверхностей использовались импульсы пикосекундного и наносекундного лазеров соответственно, причем каждый метод повторялся 10 раз. Затем для наблюдения и анализа применялся поляризационный микроскоп (OLYMPUS - BX51, Olympus Corporation) при увеличении 100X для сравнительного анализа эффекта маркировки двух типов лазеров на кожуре апельсинов.

2 Результаты и Анализ

2.1 Анализ Экспериментальных Параметров

Параметры, такие как качество луча, ширина импульса и энергия лазера, влияют на точность лазерной маркировки, что, в свою очередь, влияет на качество и эффект маркировки. Ширина импульса наносекундного и пикосекундного лазера была отрегулирована до оптимального состояния. Измеренная лазерным зондом осциллографа ширина выходного импульса наносекундного лазера составила 8,48 нс, а пикосекундного лазера — 14,2 пс.

Множество экспериментов показали, что мощность лазера, скорость маркировки и расстояние между линиями являются основными факторами, влияющими на качество штрих-кода. Чем выше частота лазера и чем короче время импульса, тем быстрее происходит маркировка и тем меньше расстояние между линиями, что приводит к лучшему эффекту маркировки.

2.2 Эффект маркировки и анализ

После импорта изображения QR-кода в наносекундную маркировочную машину через USB-интерфейс, позиция апельсиновой кожуры была отрегулирована с помощью её перемещаемой платформы, после чего началась маркировка. Результаты были наблюдены под 100-кратным поляризационным микроскопом, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 Результаты наносекундной маркировки

Графическое изображение QR-кода было импортировано в компьютерное программное обеспечение пикосекундного лазера. После включения водяного охлаждения и регулировки фокальной плоскости была произведена маркировка поверхности апельсиновой кожуры. Результаты были наблюдены под 100-кратным поляризационным микроскопом, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 Результаты пикосекундной маркировки

При наблюдении за отметками на апельсиновой кожуре под поляризационным микроскопом было установлено, что как пикосекундные лазеры, так и наносекундные лазеры вызывают заметные морфологические изменения на поверхности апельсиновой кожуры и печатают относительно четкие отметки. Однако пикосекундный лазер создает линии с лучшей прямолинейностью и гладкими, четкими контурами на поверхности апельсиновой кожуры, при этом нанося меньший ущерб эпидермису. В противоположность этому, линии, напечатанные наносекундным лазером на поверхности апельсиновой кожуры, менее регулярны, а контуры отметок более размыты.

Наиболее непосредственный параметр, влияющий на качество маркировки, — это пиковая мощность, которая обратно пропорциональна ширине лазерного импульса. Таким образом, при уменьшении ширины импульса пиковая мощность увеличивается. В сравнении с наносекундным лазером выходящий из пикосекундного лазера луч имеет меньшую ширину импульса, большую энергию и более высокую точность. Фотохимический абляционный эффект на поверхности апельсиновой кожуры заметен, вызывая углеродизацию по краям QR-кода, без явных мелких трещин или поверхностных частиц, поэтому границы более четкие.

3 Заключения и обсуждения

Для достижения четких, долговечных двумерных штрих-кодов для трассировки фруктов без влияния на съедобность была проведена сравнительная экспериментальная работа по изучению возможности использования лазерной технологии для маркировки на поверхности фруктов. Апельсины были выбраны в качестве объекта исследования, и для печати QR-кодов на кожуре апельсинов использовались наносекундные и пикосекундные лазеры соответственно, при этом наблюдались изменения на поверхности кожуры апельсина. Результаты эксперимента показывают, что по сравнению с наносекундным импульсным лазером пикосекундный импульсный лазер обладает более высокой точностью печати, большей глубиной маркировки и более четкими контурами маркировки.