Impulsy obrazowania obszaru w czasie rzeczywistym wynoszą miliard klatek na sekundę z ultraszybką dynamiką lasera nanocząsteczkowego

Sadza z niespalonych pożarów węgla jest drugą co do wielkości przyczyną globalnego ocieplenia i zagrożeniem dla zdrowia ludzkiego. Naukowcy opracowali wyrafinowane techniki szybkiego obrazowania do badania turbulentnych płomieni, ale techniki te są ograniczone do szybkości przechwytywania milionów klatek na sekundę. Dlatego fizycy pracują nad uzyskaniem pełnego obrazu interakcji płomienia z laserem za pomocą obrazowania pojedynczego impulsu.

W nowym raporcie opublikowanym w czasopiśmie Light: Science & Applications Yogeshwar Nath Mishra i zespół z Laboratorium Obrazowania Optycznego Caltech, Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA, Wydziału Fizyki i Instytutu Inżynierii Termodynamicznej w Stanach Zjednoczonych i Niemczech wykorzystali obraz laserowy , w tym metagraf, wiązki laserowej. miliardów klatek na sekundę, aby po raz pierwszy zaobserwować dynamikę.

Zespół udokumentował luminescencję, elastyczne rozpraszanie światła i fluorescencję prekursorów sadzy, takich jak wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne w materiałoznawstwie, gdy były one wykorzystywane jako nanomateriały węglowe.

Energooszczędne, tanie i szybkie wytwarzanie nanocząstek plazmonowych prowadzi do zastosowań o doskonałych właściwościach optycznych. Nawiasem mówiąc, około 70% przestrzeni międzygwiezdnej składa się z cząstek węgla, a powstawanie sadzy z gazowych WWA pozostaje tajemnicą dla nauki o spalaniu i astronomii. W 2014 roku fizycy po raz pierwszy donieśli o technice kompresji superszybkiego obrazowania (CUP) do przechwytywania jednoklatkowych obrazów 2D z szybkością 70 bilionów klatek na sekundę.

W tej pracy naukowcy wykorzystali ultraszybkie obrazowanie z kompresją laserową (LS-CUP) jako ramy eksperymentalne do obserwacji fluorescencji laserowej wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych w celu mapowania ciepła. stężenie sadzy i określić wielkość cząstek elementarnych do rozpraszania światła. Inżynierowie i fizycy łączą obrazowanie planarne ze skompresowanym ultraszybkim obrazowaniem (CUP), aby obserwować interakcje między laserem a płomieniem w czasie rzeczywistym. Wykorzystali obrazowanie płyt laserowych, aby zbadać wyniki eksperymentów z syntezą jądrową, w których zdolność sieci wielokanałowej umożliwiła zespołowi badanie właściwości płomienia w czasie rzeczywistym i badanie wielowymiarowych obrazów. .

Technologia superszybkiej kompresji obrazu laserowego (LS-CUP).

Podczas testu zespół badał laminarny, symetryczny i stabilny płomień nafty. Wybrali naftę jako paliwo ze względu na szeroki zakres zastosowań przemysłowych i domowych , a także jej właściwości spalania przy użyciu czterech sygnałów optycznych, w tym kamery poklatkowej do rejestrowania sygnałów. konkretny interes.

Na podstawie obrazu płyty laserowej naukowcy przecięli optycznie płaszczyznę 2D przez objętość płomienia, z której stworzyli dwuwymiarową mapę interesujących gatunków, która została następnie zebrana w aparacie pokrytym ekranem w celu zmniejszenia turbulencji. Seria soczewek obrazujących wizualizuje dynamikę płomienia w dwóch pośrednich płaszczyznach obrazu oddzielonych niespolaryzowanym rozdzielaczem wiązki. Korzystając z podwójnej manipulacji techniką LS-CUP, naukowcy wybrali różne gałęzie ognia, aby zwizualizować oba gatunki jednocześnie.

Obserwacja w czasie rzeczywistym zaniku fluorescencji laserowej wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA).

Zespół poszukuje nowych eksperymentalnych spostrzeżeń, aby lepiej zrozumieć chemię wzrostu wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych; molekularny prekursor sadzy. Fizycy wcześniej badali rozdzielczą przestrzennie, dwuwymiarową średnią fluorescencję WWA w płomieniu i uzyskali pomiary rozdzielcze w czasie.

Jednak szybkie obrazowanie pojedynczego PAH, które Mishra i współpracownicy zgłosili za pomocą fluorescencji indukowanej laserem przy użyciu impulsów 532 nm, pozostaje do zbadania. Naukowcy przetestowali zintegrowany widok fotometrii płomienia przy użyciu wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, fluorescencji indukowanej światłem, luminescencji lasera sadzy i elastycznego rozpraszania światła z trzech zintegrowanych obrazów. kolejne razy.

Po zbadaniu ewolucji sadzy zespół zbadał czasowo-rozdzielczą monochromatyczną luminescencję laserową (LII) i wyodrębnił rozmiar cząstek sadzy z sygnału LII za pomocą bilansów energetycznych. objętość i głośność. Uzyskali również dwukolorową ekspozycję indukowaną laserem i dynamikę temperatury dymu przez dwa optyczne filtry transmisyjne i zarejestrowali oba kanały jednocześnie przy użyciu ultraszybkiego obrazowania kompresyjnego z osłoną wiązki. laser. Załączona tabela temperatur pokazuje różne temperatury w całym płomieniu, z najwyższą na krawędzi płomienia i najniższą w środku i na dole płomienia. Ponadto naukowcy obserwowali w czasie rzeczywistym elastyczne rozpraszanie światła przez cząstki sadzy.

Czekam na nowe odkrycia

Yogeshwar Nath Mishra i jego współpracownicy osiągnęli najszybsze na świecie obrazowanie 2D w czasie rzeczywistym do rejestracji pojedynczego impulsu 2D przy użyciu technologii Laser Plate Compression Superfast Imaging (LS-CUP). -CUP) Ponieważ szybkość obrazu przekracza wysoką szybkość występującą w trybie Mfps, zespół wykorzystał ten nowy wynalazek do zbadania aktywnych i pasywnych opcji obrazowania. Ta praca otwiera nową drogę do ultraszybkiego obrazowania cząsteczek WWA w czasie rzeczywistym za pomocą impulsów femtosekundowych w celu uzyskania nowych szczegółów na temat ich pochodzenia.

Badanie rzuca światło na rozwój nanomateriałów węglowych, umożliwiając materiałoznawcom i fizykom zrozumienie podstaw spalania związanego z silnikami odrzutowymi. Rozległe zastosowania badawcze obejmują wykorzystanie LS-CUP w luminescencji ultradźwiękowej ; tajemnicze zjawisko w fizyce materii skondensowanej, w którym ciecz wydaje dźwięk i tworzą się bąbelki w temperaturze plazmy przekraczającej 10 000 K.

Korzystając z metody LS-CUP, zespół zamierza zbadać ultraszybką detekcję temperatury ultradźwiękowych pęcherzyków luminescencyjnych, która ma szerokie zastosowanie jako strategia terapeutyczna w fizyce materii skondensowanej. i nauk o życiu.