超快激光相机实时拍摄燃烧图像

一台超高速单次激光相机已经对碳氢化合物如何燃烧进行了迄今为止最详细的成像。 除了为燃烧过程中发生的过程提供新的思路外，这项技术——由美国物理学家和工程师团队开发 美国加州理工学院 在美国， 哥德堡大学 在瑞典和 弗里德里希-亚历山大大学埃尔兰根-纽伦堡 研究人员表示，在德国 - 可能有助于解开现代物理学中的基本奥秘，例如热等离子体、声致发光和核聚变。 该技术还可用于生物医学成像和实时观察光如何在材料中传播。

碳氢化合物燃烧时产生的多环芳烃 (PAH) 分子和烟尘颗粒的寿命极短（纳秒级），燃烧反应通常非常快且是一次性的——也就是说，它们不会重复。 因此，研究燃烧需要超快成像来捕捉这些过程。

研究人员由 约格什瓦尔·纳特·米什拉, 创造了一种激光相机，它可以通过以每秒 12.5 亿张图像的创纪录速度制作视频来做到这一点。 这至少比当前限制在每秒一百万帧 (fps) 的高速技术快一千倍。 新设备的工作原理是使用一种称为单次激光片压缩超快摄影（LS-CUP）的技术在二维层中拍摄材料。

该方法基于将单个纳秒持续时间的激光脉冲发射到样品上，这与之前使用多个脉冲以达到百万帧每秒的技术形成鲜明对比。 当激光为系统增加能量和热量时，这些脉冲可以改变煤烟的物理和光学特性。

“该技术使我们能够从燃烧过程中发生的快速动力学中提取关键参数，例如 PAH 分子的荧光寿命（对环境有害）、烟灰纳米颗粒尺寸、烟灰簇尺寸和颗粒温度，”Mishra 解释说。 “我们首次以 2 亿帧/秒的速度拍摄了 PAH 的单次二维图像，并从激光散射图像中获得了这些碳氢化合物的大小图。”

结合两种成像方式

在这项研究中，该团队结合了两种成像方式：激光片 (LS) 成像和压缩超快摄影 (CUP)。 “激光片基本上与 2D 样品的 3D 平面相交，”Mishra 解释道。 “因此，它提供了探测平面中发生的动力学的空间和时间剖面，例如，湍流和不同化学物质之间的相互作用。 为了执行单次成像，我们在标准条纹相机图像上应用压缩传感算法，”他说 物理世界.

Mishra 补充说，相机可以实时拍摄 PAH 和煤烟等化学物质，拍摄时间为纳秒到亚纳秒。 “以十亿帧/秒的速度，可以看到烟灰是如何从 PAH 演变而来的。 另一个优势是我们可以同时记录两个物种，因为相机有两个高速通道——这对定量成像非常有用。”

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据研究人员称，他们在 灯光：科学与应用, 新相机可以与现有的平面成像方法结合用于燃烧研究。 他们说，除了此类研究，LS-CUP 还可用于实时观察氢气燃烧、等离子体辅助燃烧和金属粉末燃烧。

至于未来的工作，Mishra 说他和他的同事现在将寻求通过使用当前方案实施双通道荧光各向异性，使用飞秒脉冲对 PAH 分子大小进行实时超快成像。 “我们还在研究高激光能量密度对烟灰氧化和石墨化的影响——这些过程对于制造用于许多技术应用的碳基纳米材料可能是必不可少的，”Mishra 说。

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-camera-images-combustion-in-real-time/