激光脈沖在橘子表皮打標(biāo)的效果研究

周博　王寧

摘要：為滿足水果追溯條碼清晰、耐久的要求，選取橘子為試驗對象，對比納秒激光和皮秒激光在其表面打印二維碼的效果。試驗結(jié)果表明：與納秒激光相比，皮秒激光在橘子表皮上打印的線條平直度佳，輪廓清晰，對表皮的損傷更小。

關(guān)鍵詞：打標(biāo);激光脈沖;試驗;納秒;皮秒

中圖分類號：S237 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1674-1161（2021）02-0046-02

隨著生活質(zhì)量的不斷提高，公眾對食品安全的重視程度不斷提升。在此情況下，對水果尤其是綠色水果進(jìn)行追溯成為一種客觀要求。當(dāng)前，在水果表面粘貼紙質(zhì)條形碼標(biāo)簽是實現(xiàn)水果追溯的主要方式。但是，有些紙質(zhì)標(biāo)簽易脫落，造成關(guān)鍵信息丟失，或者有些標(biāo)簽粘貼強度大，常難以去除。為此，選取橘子為研究對象，擬利用激光技術(shù)將二維條碼直接刻在水果表面，對比超短脈沖皮秒（ps）激光脈沖和短脈沖納秒（ns）激光脈沖的打標(biāo)效果，為水果追溯提供條碼清晰、耐久的打標(biāo)技術(shù)。

1 試驗儀器與方法

1.1 打標(biāo)機的結(jié)構(gòu)與組成

打標(biāo)機由激光器、光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)控加工系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

打標(biāo)機的工作原理是：利用激光束的光熱作用使材料的表層物質(zhì)蒸發(fā)而露出深層物質(zhì)，或是通過光能燒掉部分物質(zhì)而顯出刻蝕的圖案和文字。為滿足不同的加工需要，激光器輸出的激光需經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)傳輸和處理。打標(biāo)機中的光學(xué)系統(tǒng)主要由聚焦和場鏡系統(tǒng)組成。激光器為半導(dǎo)體側(cè)泵納秒Nd：YAG激光器和皮秒激光器。

打標(biāo)軟件采用北京世紀(jì)桑尼科技有限公司的CSMark系列打標(biāo)軟件，其為激光打標(biāo)專門設(shè)計的打標(biāo)應(yīng)用軟件，集強大的圖形編輯和多種標(biāo)刻功能于一體，與控制卡和掃描振鏡配合使用，可滿足各種高精度、高速激光加工的要求。

1.2 光源

短脈沖納秒激光光源采用Nd：YAG聲光調(diào)Q激光器（自制），工作頻率3 kHz，脈沖寬度15 ns，輸出波長532 nm。超短脈沖皮秒激光光源采用Nd：YVO4棒狀結(jié)構(gòu)MOPA鎖模激光器（Penny-pico-10，紫玉激光科技有限公司），輸出波長532 nm，最大功率10 W，脈沖寬度5 ps，工作頻率1～100 kHz。

1.3 試驗方法

選取同批次購入、表面光滑度相似的橘子，分別采用皮秒激光脈沖和納秒激光脈沖激光在其表面打標(biāo)，每種方法重復(fù)10次。此后，選用偏光顯微鏡（OLYMPUS-BX51，奧林巴斯公司）在100X下進(jìn)行觀察分析，對比分析2種激光在橘子皮表面的打標(biāo)效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗參數(shù)分析

激光器的光束質(zhì)量和脈沖的寬度、能量等參數(shù)都會影響激光打標(biāo)的精度，進(jìn)而影響打標(biāo)的質(zhì)量和效果。將納秒激光和皮秒激光的脈沖寬度調(diào)整到最佳狀態(tài)，激光探頭示波器測得納秒輸出脈沖寬度為8.48 ns，皮秒輸出脈沖寬度為14.2 ps。

諸多試驗表明，激光功率、標(biāo)刻速度和線間距是影響條碼質(zhì)量的主要因素。激光頻率越高、脈沖時間越短，標(biāo)刻速度就越快，同時線間距也更小，能獲得更佳的打標(biāo)效果。

2.2 打標(biāo)效果與分析

將二維碼圖片通過USB接口導(dǎo)入納秒打標(biāo)機后，利用其平移臺調(diào)整橘子皮的位置后開始打標(biāo)，在100X偏光顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖2所示。

在皮秒激光器自帶的計算機軟件上導(dǎo)入二維碼圖形，開啟水冷和調(diào)整焦面后在橘子皮表面打標(biāo)，在100X偏光顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖3所示。

通過偏光顯微鏡觀察橘子皮上的標(biāo)記發(fā)現(xiàn)：激光皮秒激光和納秒激光都能使橘子皮表面發(fā)生明顯的形態(tài)改變，打印較為清晰的印記，但皮秒激光在橘子表皮上打印的線條平直度佳、輪廓清晰圓滑，并且對表皮損傷更小;而納秒激光在橘子表皮上打印的線條整齊度較差，且印記邊緣的輪廓較為模糊。

影響打標(biāo)效果的最直接參數(shù)是峰值功率，其與激光脈沖寬度成反比，所以脈沖寬度減小，峰值功率變大。與納秒脈沖激光相比，皮秒激光器輸出的激光束脈寬更窄，能量和精度也更高，在橘子皮表面產(chǎn)生的光化學(xué)燒蝕作用明顯，使二維碼的邊緣出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，沒有明顯的細(xì)小裂痕或表面碎屑，因此邊界更為清晰明顯。

3 結(jié)論與討論

為實現(xiàn)水果追溯中二維條碼清晰、耐久和不影響食用，采用對比試驗研究激光技術(shù)在水果表面打標(biāo)的可行性。選用橘子為研究對象，以納秒激光和皮秒激光分別在橘子表皮打印二維碼，并觀察橘子皮表面的變化。試驗結(jié)果表明：與納秒脈沖激光相比，皮秒脈沖激光的打印精度高、標(biāo)刻深度較深，標(biāo)記輪廓也更為清晰。

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Study on the Effect of Laser Pulse Marking on Orange Epidermis

ZHOU Bo1， WANG Ning2

（1. Shenyang Ligong University， Shenyang 110159， China; 2. Shenyang Institute of Technology， Fushun Liaoning 133122， China）

Abstract： In order to meet the requirement of clear and durable fruit traceable bar code， orange was selected as the test object， and the effect of nanosecond laser and picosecond laser printing QR code on its surface was compared. Test results showed that： Compared with nanosecond laser， picosecond laser has better straightness， clear outline and less damage to the epidermis.

Key words： marking; laser pulse; test; nanosecond pulse; picosecond