激光脉冲在橘子表皮打标的效果研究

周博　王宁

摘要：為满足水果追溯条码清晰、耐久的要求，选取橘子为试验对象，对比纳秒激光和皮秒激光在其表面打印二维码的效果。试验结果表明：与纳秒激光相比，皮秒激光在橘子表皮上打印的线条平直度佳，轮廓清晰，对表皮的损伤更小。

关键词：打标;激光脉冲;试验;纳秒;皮秒

中图分类号：S237    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2021）02-0046-02

随着生活质量的不断提高，公众对食品安全的重视程度不断提升。在此情况下，对水果尤其是绿色水果进行追溯成为一种客观要求。当前，在水果表面粘贴纸质条形码标签是实现水果追溯的主要方式。但是，有些纸质标签易脱落，造成关键信息丢失，或者有些标签粘贴强度大，常难以去除。为此，选取橘子为研究对象，拟利用激光技术将二维条码直接刻在水果表面，对比超短脉冲皮秒（ps）激光脉冲和短脉冲纳秒（ns）激光脉冲的打标效果，为水果追溯提供条码清晰、耐久的打标技术。

1 试验仪器与方法

1.1 打标机的结构与组成

打标机由激光器、光学系统、数控加工系统和计算机控制系统组成，具体结构如图1所示。

打标机的工作原理是：利用激光束的光热作用使材料的表层物质蒸发而露出深层物质，或是通过光能烧掉部分物质而显出刻蚀的图案和文字。为满足不同的加工需要，激光器输出的激光需经光学系统传输和处理。打标机中的光学系统主要由聚焦和场镜系统组成。激光器为半导体侧泵纳秒Nd：YAG激光器和皮秒激光器。

打标软件采用北京世纪桑尼科技有限公司的CSMark系列打标软件，其为激光打标专门设计的打标应用软件，集强大的图形编辑和多种标刻功能于一体，与控制卡和扫描振镜配合使用，可满足各种高精度、高速激光加工的要求。

1.2 光源

短脉冲纳秒激光光源采用Nd：YAG声光调Q激光器（自制），工作频率3 kHz，脉冲宽度15 ns，输出波长532 nm。超短脉冲皮秒激光光源采用Nd：YVO4棒状结构MOPA锁模激光器（Penny-pico-10，紫玉激光科技有限公司），输出波长532 nm，最大功率10 W，脉冲宽度5 ps，工作频率1～100 kHz。

1.3 试验方法

选取同批次购入、表面光滑度相似的橘子，分别采用皮秒激光脉冲和纳秒激光脉冲激光在其表面打标，每种方法重复10次。此后，选用偏光显微镜（OLYMPUS-BX51，奥林巴斯公司）在100X下进行观察分析，对比分析2种激光在橘子皮表面的打标效果。

2 结果与分析

2.1 试验参数分析

激光器的光束质量和脉冲的宽度、能量等参数都会影响激光打标的精度，进而影响打标的质量和效果。将纳秒激光和皮秒激光的脉冲宽度调整到最佳状态，激光探头示波器测得纳秒输出脉冲宽度为8.48 ns，皮秒输出脉冲宽度为14.2 ps。

诸多试验表明，激光功率、标刻速度和线间距是影响条码质量的主要因素。激光频率越高、脉冲时间越短，标刻速度就越快，同时线间距也更小，能获得更佳的打标效果。

2.2 打标效果与分析

将二维码图片通过USB接口导入纳秒打标机后，利用其平移台调整橘子皮的位置后开始打标，在100X偏光显微镜下观察，结果如图2所示。

在皮秒激光器自带的计算机软件上导入二维码图形，开启水冷和调整焦面后在橘子皮表面打标，在100X偏光显微镜下观察，结果如图3所示。

通过偏光显微镜观察橘子皮上的标记发现：激光皮秒激光和纳秒激光都能使橘子皮表面发生明显的形态改变，打印较为清晰的印记，但皮秒激光在橘子表皮上打印的线条平直度佳、轮廓清晰圆滑，并且对表皮损伤更小;而纳秒激光在橘子表皮上打印的线条整齐度较差，且印记边缘的轮廓较为模糊。

影响打标效果的最直接参数是峰值功率，其与激光脉冲宽度成反比，所以脉冲宽度减小，峰值功率变大。与纳秒脉冲激光相比，皮秒激光器输出的激光束脉宽更窄，能量和精度也更高，在橘子皮表面产生的光化学烧蚀作用明显，使二维码的边缘出现碳化现象，没有明显的细小裂痕或表面碎屑，因此边界更为清晰明显。

3 结论与讨论

为实现水果追溯中二维条码清晰、耐久和不影响食用，采用对比试验研究激光技术在水果表面打标的可行性。选用橘子为研究对象，以纳秒激光和皮秒激光分别在橘子表皮打印二维码，并观察橘子皮表面的变化。试验结果表明：与纳秒脉冲激光相比，皮秒脉冲激光的打印精度高、标刻深度较深，标记轮廓也更为清晰。

参考文献

[1] 苏鑫，姚吉，王禹凝，等.皮秒光纤-固体混合放大紫外激光器[J].光学精密工程，2020，28（10）：2 122-2 128.

[2] 冯国旭，黄来玉，秘国江，等.紧凑型高峰值功率高光束质量百皮秒激光器技术[J].激光与红外，2019，49（12）：1 421-1 424.

[3] 董彬，刘磊，唐晓军，等.100 W高功率Nd∶YAG皮秒板条激光放大器[J].中国激光，2019，46（11）：31-36.

[4] 刘钊，熊俊，安红海，等.纳秒/皮秒双束激光联合驱动双层靶的γ辐射特性[J].中国激光，2019，46（8）：51-56.

[5] 何会军，蒋建旺，程梦尧，等.皮秒激光泵浦的亚10 fs钛宝石激光器[J].光子学报，2018，47（9）：13-18.

[6] 高小强. 全固态皮秒脉冲串同步泵浦宽谱段受激拉曼散射效应研究[D].北京：北京工业大学，2018.

[7] 郭志华，罗春娅，李丹，等.双波长皮秒脉冲与可调谐脉宽产生的实验研究[J].激光技术，2016，40（1）：109-112.

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