Одноимпульсная планарная визуализация в режиме реального времени с частотой миллиард кадров в секунду сверхбыстрой динамики лазера наночастиц и температуры в пламени
Сажа, образующаяся в результате несгоревшего углеводородного пламени, является вторым по величине фактором глобального потепления, а также наносит вред здоровью человека. Исследователи разработали современные высокоскоростные методы визуализации для изучения турбулентного пламени, однако они ограничены скоростью визуализации миллионов кадров в секунду. Поэтому физики стремятся получить полную картину взаимодействия пламенного лазера с помощью одноимпульсной визуализации. Они использовали Однозарядный лазерный лист, который впервые включал сверхбыструю съемку на миллиард кадров в секунду для наблюдения за динамикой лазерного пламени.
LS-CUP для двумерной визуализации сигналов лазерного пламени с временным разрешением.
(а) Фотография исследуемого пламени. Области исследования на высотах h1 и h2 отмечены метками.
(b) Иллюстрации четырех оптических сигналов от пламени: флуоресценция, индуцированная лазером LIF (голубая пунктирная линия), упругое рассеяние (сплошная зеленая линия), индуцированный лазером LII накал (желтая пунктирная линия) и светимость (оранжевая пунктирная линия). Первые три возбуждаются лазерным излучением.
(c) Схема системы LS-CUP. BS: светоделитель, цилиндрическая линза CyL, цифровое микрозеркальное устройство DMD, полуволновая пластина HWP, плоскость промежуточного изображения IIP, блок визуализирующих линз IL, зеркало M, поляризатор Pol, релейная линза RL, спектральный фильтр SF, стереоскопическая линза SL.
(d) Вид сверху на лазерный лист, зондирующий центральную вертикальную плоскость пламени.
Кредит:Свет: наука и приложения (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01095-5
Сажа, образующаяся в результате несгоревшего углеводородного пламени, является вторым по величине фактором глобального потепления, а также наносит вред здоровью человека. Исследователи разработали современные высокоскоростные методы визуализации для изучения турбулентного пламени, однако они ограничены скоростью визуализации миллионов кадров в секунду. Поэтому физики стремятся получить полную картину взаимодействия пламенного лазера с помощью одноимпульсной визуализации.
В новом отчете, опубликованном в журнале Light: Science & Applications, Йогешвар Нат Мишра и исследовательская группа из Лаборатории оптических изображений Калифорнийского технологического института, Лаборатории реактивного движения НАСА, факультета физики и Института инженерной термодинамики в США и Германии использовали Однозарядный лазерный лист, который впервые включал сверхбыструю съемку на миллиард кадров в секунду для наблюдения за динамикой лазерного пламени.
Команда отметила индуцированный лазером накал, упругое рассеяние света и флуоресценцию предшественников сажи, таких как полициклические ароматические углеводороды, в режиме реального времени с помощью одного наносекундного лазерного импульса. Результаты исследований предоставляют убедительные экспериментальные доказательства в поддержку механизмов образования и роста сажи в пламени. Мишра и его команда объединили различные методы для исследования короткоживущих видов в турбулентных средах, чтобы разгадать тайны горячей плазмы , ядерного синтеза и сонолюминесценции.
Динамика в реальном времени лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF) молекул ПАУ на высоте ℎ1 керосинового пламени, полученная с помощью сверхбыстрой фотографии со сжатием лазерного листа (LS-CUP) со скоростью 1,25 Гбит / с с использованием короткопроходного спектрального фильтра 450 нм. Интервал между соседними кадрами равен 0,8 нс, всего 150 кадров. ЛИФ возбуждается одиночным импульсом с длиной волны 532 нм и плотностью энергии 0,01 Дж/ см2 .
Авторы и права: Свет: наука и приложения (2023 г.). DOI: 10.1038/s41377-023-01095-5
Воздействие полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) на окружающую среду и здоровье человека
Современные углеводороды, включая керосин, бензин и дизельное топливо, производят вредные выбросы, такие как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые способствуют ухудшению здоровья. Выбросы сажи оказывают большое влияние на качество жизни человека из-за своего наноразмера, который может легко проникать в легкие или кровоток, вызывая нарушения здоровья. Хотя ПАУ образуют предшественники частиц сажи, которые способствуют токсической канцерогенности, их роль также значительна в материаловедении из-за их использования в качестве углеродных наноматериалов.
Высокая энергоэффективность, низкая стоимость и быстрое производство плазмонных наночастиц привели к применению с превосходными оптическими свойствами. Между прочим, около 70% межзвездного пространства состоит из углеродистых частиц, и образование сажи из газообразных ПАУ остается загадкой как для науки о горении, так и для астрономии. В 2014 году физики впервые сообщили о методе сжатой сверхбыстрой фотографии (CUP) для однокадрового двумерного изображения со скоростью изображения 70 триллионов кадров в секунду.
Динамика упругого рассеяния света на высоте ℎ1 керосинового пламени в реальном времени, полученная с помощью LS-CUP со скоростью 12,5 Гбит/с с использованием ультраузкополосного спектрального фильтра с центром на 532 нм. Интервал между соседними кадрами составляет 0,08 нс, всего 200 кадров. Это вызвано одиночным импульсом 532 нм с плотностью энергии 0,24 Дж см -2 .
Авторы и права: Свет: наука и приложения (2023 г.). DOI: 10.1038/s41377-023-01095-5
В этой работе исследователи использовали технологию сверхбыстрой фотосъемки со сжатием лазерного листа (LS-CUP) в качестве экспериментальной основы для наблюдения за лазерно-индуцированной флуоресценцией полициклических ароматических углеводородов для определения размеров первичных частиц, для картирования температуры сажи и применения светорассеяния. Инженеры и физики объединили планарную визуализацию и сжатую сверхбыструю фотографию (CUP) для наблюдения за взаимодействием пламени и лазера в режиме реального времени. Они объединили планарную визуализацию лазерного листа, чтобы изучить всесторонний экспериментальный результат, где многоканальные возможности сети позволили команде исследовать свойства пламени в режиме реального времени и исследовать многомерные изображения.
Сверхбыстрая фотография со сжатием лазерного листа (LS-CUP) со скоростью 1,25 Гбит / с, визуализация лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) молекул ПАУ.
Авторы и права: Свет: наука и приложения (2023 г.). DOI: 10.1038/s41377-023-01095-5
Технология сверхбыстрой фотосъемки со сжатием лазерного листа (LS-CUP)
В ходе экспериментов команда исследовала ламинарное, симметричное и относительно стабильное керосиновое пламя. Они выбрали керосин в качестве топлива из-за его широкого промышленного и бытового применения и охарактеризовали пламя с помощью четырех оптических сигналов и включили камеры с синхронизацией по времени для сбора определенного интересующего сигнала.
Основываясь на лазерном изображении, ученые сделали оптический разрез 2D-плоскости объемного пламени, извлекли 2D-карту интересующих видов и затем собрали ее на камеру, которая была закрыта экранами для уменьшения турбулентности. Блок визуализирующих линз проецировал динамику пламени на две промежуточные плоскости изображения, разделенные неполяризующим светоделителем. Ученые выбрали разные сигналы пламени с помощью двойной работы технологии LS-CUP для одновременного отображения двух видов.
1,25-Gfps LS-CUP визуализация одноцветного индуцированного лазером накала (LII) частиц сажи и первичного распределения частиц сажи по размерам, определенного с помощью LII с временным разрешением.
Авторы и права: Свет: наука и приложения (2023 г.). DOI: 10.1038/s41377-023-01095-5
Наблюдение в реальном времени затухания флуоресценции полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), индуцированного лазером.
Исследовательская группа искала новые экспериментальные данные, чтобы лучше понять химию роста полициклических ароматических углеводородов; молекулярные предшественники сажи. Физики ранее изучали пространственно-разрешенную усредненную двумерную светоиндуцированную флуоресценцию ПАУ в пламени и получали измерения с временным разрешением.
Тем не менее, отчеты об однократном высокоскоростном пространственно-временном изображении полициклических ароматических углеводородов еще не были изучены, что Мишра и его коллеги выполнили, возбуждая лазерно-индуцированную флуоресценцию одним импульсом 532 нм. Исследователи изучили комбинированное представление яркости пламени с полициклическими ароматическими углеводородами, индуцированной светом флуоресценцией, накалом, индуцированным сажевым лазером, и упругим рассеянием света, извлеченными из интегрированных по времени изображений с помощью трех последовательных измерений.
Команда изучила одноцветный лазерный накал с временным разрешением (LII) после изучения эволюции сажи и определила размер частиц сажи из сигналов LII с помощью балансировки энергии и массы. Кроме того, они получили двухцветный лазерный накал с временным разрешением, а также динамику температуры сажи с двумя оптическими полосовыми фильтрами, которые они одновременно записали с помощью двух каналов с помощью сверхбыстрой фотографии со сжатием лазерного щита. Прилагаемые температурные карты показали различные температуры по всему пламени, которые были самыми высокими на краях пламени и самыми низкими в центре и в нижней части пламени. Исследователи дополнительно наблюдали упругое рассеяние света частицами сажи в режиме реального времени.
1,25-Gfps LS-CUP визуализация двухцветного LII частиц сажи и динамики температуры сажи. (а–г) Реконструированная пространственно-временная динамика двухцветных сигналов ЛИИ на высоте h1: коротковолновый канал с центром на 460 нм и (б) длинноволновый канал с центром на 666 нм. Всего 200 кадров. Пространственно-временная динамика температуры сажи после лазерного нагрева: (в) 3D-представление; (d) выбранные снимки. Масштабная линейка в (d): 2 мм. (e) Пространственно осредненная температура нагретых частиц сажи в зависимости от времени и ее экспоненциальная аппроксимация. (f) Распределение частиц сажи по размерам в плоскости xy на высоте h1. Он рассчитывается с использованием реконструированного температурного распада частиц сажи, показанного на (c). (g) Распределение частиц сажи по размерам в направлении x в вертикальных точках от y1 до y8, обозначенных короткими линиями на (f), с использованием как одноцветной динамики ЛИИ (красные сплошные линии), так и двухцветной динамики ЛИИ (черная пунктирная линия).
Кредит:Свет: наука и приложения (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01095-5
Перспективы нового изобретения
Йогешвар Нат Мишра и его коллеги достигли самой быстрой в мире одноимпульсной двухмерной визуализации горения в режиме реального времени с беспрецедентной скоростью визуализации 12,5 Гбит/с и глубиной последовательности до 200 кадров с помощью сверхбыстрой фотосъемки со сжатием лазерного листа (LS-CUP). ). Скорость изображения превышала существующую высокую скорость в режиме Mfps, и команда использовала новое изобретение для изучения вариантов активного и пассивного изображения. Работа открывает новые пути для сверхбыстрой визуализации молекул полициклических ароматических углеводородов в режиме реального времени с помощью фемтосекундных импульсов, чтобы получить новые детали их происхождения.
Эти идеи прольют свет на разработку наноматериалов на основе углерода и позволят материаловедам и физикам понять основы горения по отношению к реактивному движению. Более широкие исследовательские приложения включают использование LS-CUP для изучения сонолюминесценции ; загадочное явление в физике конденсированного состояния, когда постепенное нарастание звука в жидкости может привести к образованию пузырьков с температурой плазмы выше 10 000 К, которые испускают световые вспышки за десятки пикосекунд.
Используя метод LS-CUP, команда планирует исследовать сверхбыстрое измерение температуры сонолюминесцентных пузырьков, которые имеют широкий спектр применений в физике конденсированных сред и в качестве терапевтических стратегий в науках о жизни.
