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

在《光》杂志发表的一份新报告中?？蒲в胗τ弥?，Yogeshwar Nath Mishra和美国加州理工学院光学成像实验室、美国宇航局喷气推进实验室、物理系以及美国和德国的工程热力学研究所的一个研究小组，首次使用每秒十亿帧的单次激光片组成的超高速摄影来观察激光火焰的动态。

该小组注意到激光诱导的炽热、弹性光散射和烟尘前体（如多环芳烃）的荧光，实时使用单一纳秒激光脉冲。研究成果为支持火焰中烟尘的形成和增长机制提供了强有力的实验证据。Mishra和团队结合各种技术来探测湍流环境中的短寿命物种，以揭开热等离子体、核聚变和声发光的神秘面纱。

多环芳烃（PAH）的环境和健康影响

现代碳氢化合物，包括煤油、汽油和柴油，会产生有害的排放物，如多环芳烃（PAHs），对健康造成不良影响。烟尘排放对人类的生活质量有很大的影响，因为它的纳米级大小很容易渗透到肺部或血液中，导致健康缺陷。虽然多环芳烃形成烟尘颗粒的前体，导致有毒的致癌性，但由于其作为碳纳米材料的使用，其在材料科学中的作用也很重要。

质子纳米粒子的高能源效率、低成本和快速生产导致了具有优良光学特性的应用。顺便说一句，大约70%的星际空间是由碳质颗粒组成的，而由气态多环芳烃形成的烟尘在燃烧科学和天文学中一直是个谜。2014年，物理学家首次报道了一种用于单次二维成像的压缩超快摄影（CUP）方法，其成像速度为每秒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，观察多环芳烃的激光诱导荧光，以确定初级粒子的尺寸，用于烟尘温度测绘和光散射应用。工程师和物理学家们将平面成像和压缩超快摄影（CUP）协同起来，实时查看火焰-激光的相互作用。他们将激光片时间平面成像结合起来，探索全面的实验结果，其中网络的多通道能力使团队能够实时调查火焰的质量并探索高维成像。

激光片式压缩超高速摄影（LS-CUP）技术

在实验中，该小组检查了层状、对称和相对稳定的煤油火焰。他们选择煤油作为燃料，因为它有广泛的工业和家庭应用，并通过使用四个光学信号来描述火焰的特征，并包括时间门控相机来收集感兴趣的特定信号。

在激光片成像的基础上，科学家们对体积火焰的二维平面进行了光学切片，在那里他们提取了感兴趣的物种的二维图，并在此后的照相机上收集，照相机被屏幕覆盖以减少湍流。成像镜头组件将火焰动态投射到由非偏振分光器分隔的两个中间图像平面?？蒲Ъ颐峭ü齃S-CUP技术的双重操作选择不同的火焰信号，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情况

该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；烟尘的分子前体。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，并获得了时间分辨测量结果。

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及其同事通过用一个532纳米的脉冲激发激光诱导荧光来进行研究。研究人员研究了通过三个连续的测量从时间整合的图像中提取的多环芳烃、光诱导荧光、烟尘-激光诱导炽热和弹性光散射的火焰亮度的综合观点。

研究小组在检查了烟尘的演变后研究了时间分辨的单色激光诱导炽热（LII），并通过能量和质量平衡从LII信号中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，以及使用两个光学带通滤波器的烟尘温度动态，他们通过激光屏蔽压缩的超高速摄影同时记录了这两个通道。随之而来的温度图显示了整个火焰的不同温度，在火焰边缘的温度最高，在火焰中心和底部的温度最低。研究人员还实时观察了烟尘颗粒的弹性光散射。

对新发明的展望

Yogeshwar Nath Mishra及其同事实现了世界上最快的单脉冲、实时、二维燃烧成像，成像速度达到了前所未有的12.5Gfps，通过激光片式压缩超高速摄影（LS-CUP），序列深度达到了200帧。该成像速度超过了现有的Mfps系统的高速率，该团队利用这项新发明来探索主动和被动的成像方案。这项工作为通过飞秒脉冲对多环芳烃分子进行实时超高速成像开辟了新的途径，以获得关于其起源的新细节。

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有关的燃烧的基本原理。更广泛的研究应用包括使用LS-CUP来检查声发光；这是凝聚态物理学中的一个神秘现象，声音在流体中的逐渐积累可以产生等离子体温度大于10000K的气泡，在几十皮秒内发出光的闪光。

通过使用LS-CUP方法，该团队设想探索超快温度感应的声发光气泡，它在整个凝聚态物理学中具有广泛的应用范围，并作为生命科学的治疗策略。

更多信息：

Yogeshwar Nath Mishra et al, Single-pulse real-time billion-frames-per-second planar imaging of ultrafast nanoparticle-laser dynamics and temperature in flames, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01095-5

Liang Gao et al, Single-shot compressed ultrafast photography at one hundred billion frames per second, Nature (2014). DOI: 10.1038/nature14005

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