超快纳米粒子激光动力学的单脉冲实时十亿帧/秒平面成像

未燃烧的碳氢化合物火焰产生的烟尘是全球变暖的第二大因素，同时也损害了人类健康。研究人员已经开发出最先进的高速成像技术来研究湍流火焰，但它们仅限于每秒百万帧的成像速率。因此，物理学家热衷于通过单脉冲成像获得火焰-激光相互作用的完整图像。

在发表在《光：科学与应用》上的一份新报告中，Yogeshwar Nath Mishra和加州理工学院光学成像实验室，NASA喷气推进实验室，物理系以及美国和德国工程热力学研究所的研究小组首次使用了单发激光片，包括每秒十亿帧的超快摄影。 观察激光火焰的动力学。

研究小组注意到激光诱导的白炽灯，弹性光散射和烟灰前体(如多环芳烃)的荧光，实时，具有一个纳秒的激光脉冲。研究结果为支持火焰中烟尘的产生和生长机制提供了强有力的实验证据。Mishra和团队结合了各种技术，在湍流环境中探测短命物种，以解开热等离子体，核聚变和声致发光的奥秘。

多环芳烃(PAH)对环境和健康的影响

包括煤油、汽油和柴油在内的现代碳氢化合物会产生有害排放物，如多环芳烃(PAHs)，这些排放物会导致不良的健康影响。烟尘排放对人类生活质量有很大影响，因为它的纳米级尺寸很容易穿透肺部或血液，导致健康缺陷。虽然多环芳烃形成烟尘颗粒的前体，导致毒性致癌性，但由于它们用作碳纳米材料，它们在材料科学中的作用也很重要。

等离子体纳米颗粒的高能效、低成本和快速生产导致了具有优异光学性能的应用。顺便说一下，大约70%的星际空间由碳质粒子组成，气态多环芳烃的烟尘形成在燃烧科学和天文学中仍然是一个谜。2014年，物理学家首次报道了一种用于单次2D成像的压缩超快摄影(CUP)方法，成像速度为每秒70万亿帧。

在这项工作中，研究人员使用激光片压缩超快摄影(LS-CUP)技术作为实验框架来观察多环芳烃的激光诱导荧光以确定初级粒径，用于烟尘温度映射和光散射应用。工程师和物理学家协同平面成像和压缩超快摄影(CUP)，以实时查看火焰-激光相互作用。他们结合了激光片时间平面成像来探索全面的实验结果，其中网络的多通道功能使团队能够实时研究火焰的质量并探索高维成像。

激光片压缩超快摄影 (LS-CUP) 技术

在实验过程中，研究小组检查了层流，对称且相对稳定的煤油火焰。他们选择煤油作为燃料，因为它具有广泛的工业和家庭应用，并通过使用四个光学信号来表征火焰，并包括时间门控相机来收集感兴趣的特定信号。

基于激光片成像，科学家们光学切片了体积火焰的2D平面，在那里他们提取了感兴趣物种的2D地图，然后将其收集在相机上，然后用屏幕覆盖以减少湍流。成像透镜组件将火焰动力学投射到由非偏振分束器隔开的两个中间像平面。科学家们通过LS-CUP技术的双重操作选择了不同的火焰信号，以同时对两个物种进行成像。

实时观察多环芳烃(PAHs)激光诱导的荧光衰减

研究小组寻求新的实验见解，以更好地了解多环芳烃的生长化学;烟灰的分子前体。物理学家以前曾研究过火焰中多环芳烃的空间分辨、平均二维光诱导荧光，并获得时间分辨测量结果。

然而，关于多环芳烃的单次高速时空成像的报告尚未被探索，Mishra及其同事通过激发激光诱导荧光和单个532nm脉冲进行。研究人员研究了火焰光度与多环芳烃、光诱导荧光、烟灰激光诱导白炽灯和弹性光散射的组合视图，这些光谱是通过三次连续测量从时间积分图像中提取的。

该团队在检查了烟尘的演变后研究了时间分辨的单色激光诱导白炽灯(LII)，并通过能量和质量平衡从LII信号推断出烟尘颗粒的大小。他们进一步获得了时间分辨的双色激光诱导白炽灯以及带有两个光学带通滤光片的烟尘温度动力学，他们通过激光屏蔽压缩超快摄影同时用两个通道记录。随附的温度图显示了整个火焰的不同温度，火焰边缘最高，火焰中心和底部最低。研究人员还实时观察了烟尘颗粒的弹性光散射。

新发明的展望

Yogeshwar Nath Mishra及其同事通过激光片压缩超快摄影(LS-CUP)实现了世界上最快的单脉冲实时2D燃烧成像，成像速度达到了前所未有的12.5 Gfps，序列深度高达200帧。成像速度超过了Mfps体系中现有的高速速率，该团队使用这项新发明来探索主动和被动成像选项。这项工作为通过飞秒脉冲对多环芳烃分子进行实时超快成像开辟了新的途径，以获得其起源的新细节。

这些见解将阐明碳基纳米材料的发展，并使材料科学家和物理学家能够了解与喷气推进相关的燃烧基本原理。更广泛的研究应用包括使用LS-CUP检查声致发光;凝聚态物理学中的一种神秘现象，其中声音在流体中的逐渐积聚会产生等离子体温度大于 10，000 K 的气泡，这些气泡在皮秒的紧张时间内发出闪光。

通过使用LS-CUP方法，该团队设想探索声致发光气泡的超快速温度传感，这些气泡在凝聚态物理学中具有广泛的应用范围，并作为生命科学中的治疗策略。

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