Дослідження ефекту маркування лазерними імпульсами на шкірці апельсинів

З урахуванням постійного підвищення рівня життя, увага громадян до безпеки їжі зростає. У цьому контексті, відстежуваність фруктів, особливо зелених фруктів, стала об'єктивним вимогами. На даний момент, приклеювання паперових штрих-кодів на поверхню фруктів є головним способом досягнення відстежуваності фруктів. Проте, деякі паперові мітки часто відпадають, що призводить до втрати ключової інформації, тоді як інші приклеюються так міцно, що їх часто важко видалити. Тому цей дослід вибрав апельсини як об'єкт дослідження і має за мету використати лазерну технологію для прямих гравірок двомірних штрих-кодів на поверхні фруктів. Порівнюючи ефекти маркування надкороткими пікosecond (ps) лазерними імпульсами та короткими нанosecond (ns) лазерними імпульсами, він ставить метою забезпечити технологію маркування з чіткими та тривалими штрих-кодами для відстежуваності фруктів.

1 Експериментальні прилади та методи

1.1 Структура та склад Маркувальна машина

Рисунок 1 Схема пристрою лазерної маркування

1.2 Джерела світла

Короткопульсний наносекундний лазерний джерело використовує самостійно створений Nd:YAG акустооптичний Q-перемикальний лазер, з частотою роботи 3 КГц, ширині пульсу 15 нс та вихідною хвилею 532 нм. Ультракоротнопульсове пікосекундне лазерне джерело використовує Nd:YVO₄ прутковий MOPA mode-locked лазер (Penny-pico-10, Ziyun Laser Technology Co., Ltd.), з вихідною хвилою 532 нм, максимальною потужністю 10 Вт, ширині пульсу 5 пс та частотою роботи 1-100 кГц.

1.3 Експериментальні методи

Було вибрано апельсини, придбані у тій самій партії з подібною рівністю поверхні. На їхньому поверхні було проведено маркування використовуючи пікосекундні лазерні імпульси та наносекундні лазерні імпульси відповідно, і кожен метод був повторений 10 разів. Потім, поляризаційний мікроскоп (OLYMPUS - BX51, Olympus Corporation) був використаний для спостереження та аналізу на розширенні 100X, щоб порівняти та проаналізувати ефекти маркування двох лазерів на шкірці апельсинів.

2 Результати та аналіз

2.1 Аналіз експериментальних параметрів

Параметри, такі як якість променя, ширина імпульсу та енергія лазера, впливають на точність лазерного маркування, що, у свою чергу, впливає на якість та ефект маркування. Ширина імпульсу наносекундного лазера та пікосекундного лазера була встановлена в оптимальний стан. Виміряна ширина вихідного імпульсу наносекундного лазера за допомогою лазерного зонда осцилографа становила 8.48 нс, а для пікосекундного лазера - 14.2 пс.

Багато експериментів показали, що лазерна потужність, швидкість маркування та інтервал між рядками є головними факторами, які впливають на якість штрих-коду. Чим вища частота лазера та коротшій час імпульсу, тим швидше відбувається маркування та менший інтервал між рядками, що призводить до кращого ефекту маркування.

2.2 Ефект маркування та аналіз

Після імпортування зображення QR-коду у наносекундний апарат через USB-інтерфейс, позиція шкірки апельсина була відрегульована за допомогою його переміщувального механізму, після чого почалося маркування. Результати було спостережено під 100-кратним поляризаційним мікроскопом, як показано на рисунку 2.

Рисунок 2 Результати наносекундного маркування

Графічне зображення QR-коду було імпортовано у програмне забезпечення комп'ютера піко секундного лазера. Після увімкнення водяного охолодження та регулювання фокусної площини, було проведено маркування поверхні шкірки апельсина. Результати було спостережено під 100-кратним поляризаційним мікроскопом, як показано на рисунку 3.

Рисунок 3 Результати піко секундного маркування

За допомогою спостереження за рисами на шкірці апельсинів під поляризаційним мікроскопом було виявлено, що як пікoseкондні лазери, так і наносекундні лазери можуть призводити до зазначних морфологічних змін на поверхні шкірки апельсина та друкувати досить чіткі риски. Проте пікoseкондний лазер друкує лінії з кращою прямащістю, гладкими та чіткими контурами на поверхні шкірки апельсина, причому завдає меншого шкоди епідерму. На противагу, лінії, які друкуються наносекундним лазером на поверхні шкірки апельсина, менш регулярні, а контури рисок більш розмиті.

Найбільш безпосереднім параметром, що впливає на ефект маркування, є піковий потужність, яка обернено пропорційна ширині лазерного імпульсу. Отже, зменшення ширики імпульсу призводить до збільшення пікової потужності. У порівнянні з наносекундним лазером, вихідний лазерний промінь пікoseкундного лазера має меншу ширину імпульсу, більшу енергію та більшу точність. Фотохімічний абляційний ефект на поверхні апельсинової шкірки є значним, що призводить до карбонізації на краях QR-коду, без видимих малих тріщин або поверхневих частинок, тому межі є чіткими.

3 Висновки та обговорення

Щоб досягти чіткого, тривалого двовимірного штрих-коду для відстеження фруктів без впливу на їхній природний склад, було проведено порівняльний експеримент для дослідження можливості використання лазерної технології для маркування поверхні фруктів. Апельсини були вибрані як об'єкт дослідження, і для друку QR-кодів на шкурці апельсинів використовувалися наносекундні та пікосекундні лазери, після чого спостерігались зміни на поверхні шкурки апельсинів. Результати експерименту показують, що у порівнянні з наносекундним пульсовим лазером, пікосекундний пульсовий лазер має вищу точність друку, більшу глибину маркування та чіткіші контури.