Light｜基于光片的单脉冲Gfps成像技术研究纳米粒子与激光相互作用超快过程

LS-CUP 成像系统示意图：火焰中的纳米粒子（例如烟灰、多环芳烃分子）与纳秒激光片相互作用。

燃烧碳氢化合物燃料会产生纳米级的烟尘颗粒和多环芳烃 (PAH)，这是一种对环境有害的排放物。 碳制成的颗粒占全部星际空间的 70%，来自火焰的黑碳颗粒是一种十分重要的纳米材料，可用于电子设备和可持续能源应用。

烟尘和多环芳烃的寿命在湍流火焰中非常短（亚纳秒-数百纳秒）。 因此，需要超快成像的方法来研究其在空间 (2D/3D) 和时间上的燃烧过程。

当前最先进的平面成像系统速度仅限于每秒几百万帧。为了提取火焰种类的二维图，还需要多个连续的激光脉冲，这会额外的热问题。 此外，传统的泵浦探针超快成像方法只能捕获一些可重复的过程，这是因为为了提取时空动力学的完整图像同一过程，其捕获的多张图像实际上是在不同的时间实例拍摄的。因此，燃烧科学领域的研究一直受限于此系统的的局限性。

美国加州理工学院，瑞典哥德堡大学和德国埃尔兰根弗里德里希亚历山大大学合作开发了世界上最快的平面成像相机：激光片压缩超快摄影（LS-CUP）。

新的超快摄影系统LS-CUP能够以每秒 125 亿帧 (Gfps) 的成像速度拍摄整个激光火焰动力学过程，这比当前最先进的技术至少高出三个数量级。 LS-CUP 仅使用一个激光脉冲，就可以对多环芳烃的激光诱导荧光、弹性光散射和烟尘颗粒的激光诱导白炽进行宽视场实时成像。相关研究成果已发表于Light: Science & Applications 。

本工作的研究人员Yogeshwar Nath Mishra 表示，激光光片成像是表征二维 (2D) 流动和燃烧过程的有效技术之一，因为其是时间和空间上同时分辨的。使用 LS-CUP可以在超过 MHz 成像范围的实时单个激光脉冲中进行研究，包括对快速化学反应的动态成像，从而还原不可重复的火焰激光相互作用的真实情况。新方法可以方便地与现有的平面成像方法结合，实现了目前最快的宽场测量。此外，应用 LS-CUP 还能够实时观察氢气燃烧、等离子体辅助燃烧和金属粉末燃烧等热点问题。

单个纳秒激光脉冲激发火焰的动力学过程和温度计算；平均温度演化和拟合，激光激发后温度快速冷却过程。

新的LS-CUP方法只需要一个激光脉冲，并且成像范围大，从而在煤烟颗粒的整个生命周期内观察各种激光诱导信号。本研究从LS-CUP提供的快速动力学过程中提取了关键参数，例如 PAH 分子的荧光寿命、煤烟纳米颗粒尺寸和团簇尺寸、颗粒温度等。

总的来说，LS-CUP 能够从全新且独特的角度研究速度极快的现象。新技术的应用范围远远超出了燃烧领域的研究，其在物理、化学、生物和医学、能源和环境方面的应用也极为广泛。