普林斯頓儀器作為科研儀器的領(lǐng)軍者，生產(chǎn)的各種高性能相機(jī)和光譜儀，在量子研究、生物拉曼、活體成像、X射線探測(cè)、太陽(yáng)能電池以及燃燒等許多應(yīng)用領(lǐng)域已成為不可分割的組成部分。現(xiàn)在，由小編帶領(lǐng)大家探索科學(xué)研究的六大熱門應(yīng)用領(lǐng)域中的燃燒領(lǐng)域。

1、為什么研究燃燒?

人類文明發(fā)展的每一步都與燃燒利用息息相關(guān)，人類的文明史，就是燃燒的利用史。知道燃料的燃燒方式及原理，了解燃燒進(jìn)程，排放的污染物等，對(duì)于燃燒類的工程活動(dòng)至關(guān)重要，如汽車、航天、農(nóng)業(yè)、清潔燃料研究、爆炸、污染物排放等領(lǐng)域。

平面激光誘導(dǎo)熒光(Planar Laser-Induced Fluorescence, PLIF)是現(xiàn)在應(yīng)用于燃燒場(chǎng)、電離場(chǎng)研究的重要手段。利用PLIF，通過調(diào)節(jié)激發(fā)波長(zhǎng)可以精確選擇特定基團(tuán)，通過高靈敏度ICCD成像可以獲得基團(tuán)空間濃度分布信息。

2、什么是PLIF

? 燃燒過程中，火焰光很強(qiáng)，激光脈沖打在火焰上，可以產(chǎn)生比火焰光更強(qiáng)的熒光信號(hào)，但是時(shí)間很短暫(ns);

? 通過分析這些熒光的特性和變化來(lái)判斷燃燒的狀態(tài);

? 為了消除背景火焰光，拍攝到熒光信號(hào)，需要很短的曝光時(shí)間，一般是納秒(ns)級(jí)別;

? ICCD相機(jī)可以設(shè)置納秒(ns)級(jí)別的門控，實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨的測(cè)量;

? 在PLIF實(shí)驗(yàn)中，還要保證激光器和相機(jī)快門的同步，使熒光信號(hào)落到相機(jī)曝光時(shí)間區(qū)域內(nèi)，才能拍到有效信號(hào)，排除背景光。

3、適合燃燒領(lǐng)域的產(chǎn)品

PI-MAX4 ICCD 1024i

a) 高幀頻，20fps以上，具有DIF雙曝光模式，可用來(lái)做PIV流體應(yīng)用;

b) 支持1Mhz的重復(fù)頻率，最短曝光時(shí)間500ps;市面上的產(chǎn)品最高觸發(fā)頻率大都在500khz，最短曝光時(shí)間為幾個(gè)納秒。

emICCD

相對(duì)于ICCD，EMICCD具有高動(dòng)態(tài)范圍，高靈敏度等特點(diǎn)，在信號(hào)較弱，不能連續(xù)激發(fā)的single shot實(shí)驗(yàn)中可優(yōu)先考慮EMICCD。

emICCD具有雙增益，極佳的靈敏度，可以實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)。左側(cè)圖是ICCD拍攝的弱信號(hào)圖片，信噪比一般。右圖是emICCD啟用單光子計(jì)數(shù)模式(0與1)，400圖像累加生成一張完整的圖像，可以看到，信噪比相對(duì)于傳統(tǒng)的ICCD有很大提升。

上圖是一個(gè)內(nèi)燃機(jī)燃燒廢氣的LIF實(shí)驗(yàn)，emICCD的熒光信號(hào)強(qiáng)度隨著曝光時(shí)間增長(zhǎng)線性增加，線性度和動(dòng)態(tài)范圍都很高，ICCD線性度和動(dòng)態(tài)范圍則表現(xiàn)一般。

Light Field 軟件

LightField軟件對(duì)PIMAX4系列的ICCD相機(jī)進(jìn)行了專門的優(yōu)化，可視化操作，所見即所得，界面上可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)門控和延遲，極大降低客戶操作的復(fù)雜性。

測(cè)量火焰中OH的熒光時(shí)域壽命，屬于時(shí)間分辨的應(yīng)用，熒光壽命短暫，燃燒物受到激光激發(fā)后，熒光信號(hào)先增強(qiáng)，然后衰減，如藍(lán)色的曲線所示。要繪制出這條曲線，要設(shè)定好很短的曝光時(shí)間，逐漸增加延遲時(shí)間，通過多張圖像獲取多個(gè)采樣點(diǎn)，工作流程比較繁瑣。LF6 軟件對(duì)時(shí)間分辨類的應(yīng)用進(jìn)行了專門的優(yōu)化，全部自動(dòng)生成，對(duì)客戶來(lái)說(shuō)非常方便。

IsoPlane光譜儀

市面上真正的消相差高靈敏的光譜儀，探測(cè)弱信號(hào)具有很大優(yōu)勢(shì)。

4、應(yīng)用案例分享

Time-resolved spontaneous Raman scattering spectroscopy in combustion

High speed kinetics data acquired by PI-MAX4 emICCD

- Dr. Jun Kojima, NASA Glen

這是來(lái)自NASA的一個(gè)應(yīng)用案例，燃燒中的時(shí)間分辨自發(fā)拉曼散射光譜。

光譜信號(hào)弱，選用傳統(tǒng)的ICCD，線性度和動(dòng)態(tài)范圍不佳。選用EMCCD或CCD相機(jī)，圖像的動(dòng)態(tài)范圍可以接受，但是門控時(shí)間不夠短，曝光時(shí)間最小也是微秒級(jí)別的，無(wú)法有效降低火焰背景噪聲，有效信號(hào)很難探測(cè)，選用emICCD相機(jī)可以很好的解決上述問題。

激光器以10kHz頻率照射火焰，熒光信號(hào)通過光纖收集并傳輸?shù)絜mICCD，相機(jī)用動(dòng)力學(xué)光譜模式快速采集光譜，獲取了信噪比良好的光譜圖像數(shù)據(jù)。同時(shí)，因?yàn)樾盘?hào)較弱，需要一個(gè)高靈敏度、低相差的光譜儀，否則信號(hào)也很難探測(cè)，這里選用的就是PI的消相差光譜儀IsoPlane。

審核編輯 黃宇