Light: Science & Applications | 火焰动力学和温度超快平面光谱成像方法研究

研究背景

    高速成像技术已经广泛应用于激光光谱诊断研究领域，可以提供高时间分辨的光谱信息，例如高频PAH-PLIF成像，激光诱导炽光成像等。高速成像技术成像速率最大能达到百万帧/秒，但在捕捉关键组分动力学细节信息方面仍然不能满足需求，如碳烟产生及演化过程。基于此，研究开发了超快单脉冲成像方法，既可以避免多个连续脉冲引起的热效应而改变碳烟颗粒光学性质，又可以获得完整的火焰与激光相互作用图像，这对于研究碳烟的生成机理具有重要意义。

导读

   超高速压缩摄影系统（CUP）是一种新型摄影系统，可以对图像高速捕捉，速度可达到每秒1000亿帧，该技术可应用于光的反射与折射、光子的运动方式以及一些隐身技术的研究。近期，加州理工学院Lihong V. Wang教授团队联合平面成像和超高速压缩摄影技术，开发了激光片光CUP（LS-CUP）技术，以煤油层流扩散火焰为测量对象，实现了Gfps频率的PAH-PLIF成像、单色LII成像、双色LII成像和颗粒散射光成像，对单脉冲激光与火焰中被测基团的相互作用进行了表征。相关成果以“Single-pulse real-time billion-frames-per-second planar imaging of ultrafast nanoparticle-laser dynamics and temperature in flames”为题在Light: Science & Applications期刊上发表。该论文第一作者为Yogeshwar Nath Mishra，通讯作者为Lihong V. Wang。

创新研究

火焰LS-CUP系统

    论文提出了激光片压缩超快摄影（LS-CUP）系统，采用单纳秒激光脉冲实现了煤烟前体多环芳烃（PAHs）的激光诱导白炽度、弹性光散射和荧光的测量。

    LS-CUP系统如图1c所示，采用双波长输出的脉冲激光器（532 nm和1064 nm），其通量高达0.25 J cm⁻²，重复频率为4 Hz，脉冲持续时间为15 ns。1064nm激光用于激发LII信号，能量低于LII阈值的532nm激光用于激发PAH分子。经过一系列透镜后，激光被整形为厚度～0.4 mm、高度～10 mm的片光。燃烧器安装在手动平移台上，以便对火焰的两个不同高度位置进行成像（图1a中的h1和h2）。h1是同时存在PAHs和碳烟的起始区域，而h2主要包含碳烟。

图1 LS-CUP，用于激光诱导火焰信号的时间分辨2D成像: （a）研究火焰的照片。对高度h1和h2处的调查区域进行了标记。（b）来自火焰的四个光学信号的图示：LIF激光诱导荧光（青色虚线）、弹性散射（绿色实线）、LII激光诱导白炽度（黄色虚线）和光度（橙色点划线）。前三个是由激光激发的。（c）LS-CUP系统示意图。BS：分束器、CyL柱面透镜、DMD数字微镜装置、HWP半波片、IIP中间像平面、IL成像透镜组件、M反射镜、Pol偏振器、RL中继透镜、SF光谱滤波器、SL立体透镜。（d）探测火焰中心垂直平面的激光片俯视图。图源：Light:Science & Applications（2023）https://doi.org/10.1038/s41377-023-01095-5  (Fig.1）

    成像透镜组件将火焰动力学投影到由非偏振分束器分离的两个中间像平面（IIP）。一个传统的CCD摄像机被放置在一个IIP上，以记录火焰信号的时间未遮挡视图。另一个中间动态场景被中继到数字微镜设备（DMD），通过将DMD的每个单独像素转到+12°（“ON”）或-12°（“OFF”），形成由互补图案遮蔽的两个光束路径。这两个空间编码的场景由立体镜头收集，然后由条纹相机获取。在入口完全打开的情况下，条纹相机可以接收2D x-y空间信息。基于LS-CUP的双通道操作，可以通过在前成像光学器件（图1c中的SF1）或在两个编码光束路径（图1c的SF2和SF3）中插入滤波器来选择不同的火焰信号，可以实现两种物质（即散射和LII、双色LII等）的同时成像。

PAH-LIF信号衰减的实时测量

    通过LS-CUP成像系统对350-450nm范围内的PAH单脉冲激发荧光进行了时间分辨的成像，此光谱探测范围对应3-4个环的PAH，系统成像频率1.25Gfps。结果如图2所示，可由此计算出PAH的荧光寿命并揭示PAH与碳烟颗粒之间的相互作用规律。

图2  1.25Gfps的PAH-LIF LS-CUP成像（a）h1高度处的PAH-LIF时间重构信号;（b）不同时间的PAH-LIF信号；（c）归一化空间积分LIF强度与时间的关系及其指数拟合；（d）PAH-LIF寿命分布的2D图；（e）使用LS-CUP顺序测量的时间积分PAH-LIF、碳烟LII和碳烟颗粒的弹性光散射的组合视图。图源：Light: Science & Applications（2023）https://doi.org/10.1038/s41377-023-01095-5 (Fig.2）

单色、双色LII和碳烟初级粒径的实时测量

    随着碳烟的演变过程，在碳烟开始的气固相转变之后，初级颗粒的生长是特别有趣的。碳烟颗粒的大小可以通过能量和质量平衡的方法从LII信号中推断出来。LII信号的激发波长为1064nm，激发能量密度为0.25J/cm²，单色LII信号获取结果如图3所示，双色LII信号获取结果如图4所示。激光加热碳烟颗粒的LII强度在初始时间(即0ns和16ns)最高，h2比h1具有更高的LII信号强度。火焰两侧的碳烟呈对称分布，温度范围2000-4000K，且靠近根部区域的碳烟温度较低。碳烟温度的时间分辨结果来看，碳烟初始温度为3500K，在143.2ns时衰减到3000K，这与数值模拟结果吻合较好。

图3 碳烟颗粒单色激光诱导炽光（LII）的1.25Gfps LS-CUP成像和通过时间分辨LII确定的初级碳烟颗粒尺寸分布。（a）和（b）在高度h2处重建的单色LII信号的时空分布特性；（c）和（d）在高度h1处重建的单色LII信号的时空分布特性；（a）和（c）为完整图像序列的三维表示；（b）和（d）为瞬时图像；（b）和（d）中的比例尺为2 mm；（e）和（f）分别表示高度h2和h1处x-y平面中的烟灰粒径分布。图源：Light: Science & Applications（2023）https://doi.org/10.1038/s41377-023-01095-5 (Fig.3）

图4 碳烟颗粒的双色LII的1.25-Gfps LS-CUP成像和碳烟温度测量结果。（a）–（d）重建了高度h1处双色LII信号的时空分布：（a）以460 nm为中心的短波长波段；（b）一个以666nm为中心的长波长通道。总共有200帧的激光加热后碳烟温度的时空分布的（c）时空分布结果；（d）瞬时结果；（d）中的比例尺为2mm；（e）加热碳烟颗粒相对于时间的空间平均温度及其指数拟合；（f）在高度h1处x-y平面中的碳烟颗粒尺寸分布，它是使用（c）中所示的碳烟颗粒的重建温度衰减来计算的；（g）使用单色LII信号的时间分布（红色实线）和双色LII信号的时间分布。图源：Light: Science & Applications（2023）https://doi.org/10.1038/s41377-023-01095-5 (Fig.4）

碳烟颗粒弹性光散射的实时观测

    LII和ELS的组合用于确定碳烟团聚体尺寸。ELS的寿命与LII和LIF信号相比要短得多，可以在火焰根部附近观察到较低的散射信号，而在根部上方观察到较强的信号。随着高度的增加，碳烟团聚体尺寸也会增加。

图5 碳烟颗粒的弹性光散射（ELS）的12.5-Gfps LS-CUP成像。高度h1处ELS信号的重构时空动力学：（a）3D表示；（b）选定的快照。比例尺以b:2mm为单位。共有200个框架。（c）沿y方向的平均散射强度和平均碳烟粒径的六次方，表明由于初级粒径不同，在火焰的不同高度存在瑞利和非瑞利散射状态。插图：ELS的拟合均方根误差相对于幂指数的散点图。（d）基于散射和LII图像在时间0处的强度之间的比率的相对碳烟团聚体尺寸。（e）一个簇中单体的相对平均数量。图源：Light: Science & Applications（2023）https://doi.org/10.1038/s41377-023-01095-5 (Fig.5）

应用与展望

    文章证明了LS-CUP可以实现世界上最快的单脉冲实时燃烧2D成像，其成像速度达到前所未有的12.5 Gfps，序列深度达到200帧。LS-CUP具有执行主动（激光诱导现象）和被动成像（火焰光度和物质化学发光）的能力。我们首次使用双色高温计方案对激光加热烟尘颗粒的温度动力学进行了Gfps实时观测。当与使用两个通道的同步LII成像相结合时，烟灰颗粒的ELS成像可以产生碳烟团聚体尺寸信息。LS-CUP可以探测燃烧中的多种物质并实时超快成像，未来该技术将帮助我们进一步了解环状PAHS的起源，了解碳烟的形成过程，从而减少发动机中的碳烟排放。