普林斯頓儀器作為科研儀器的領(lǐng)軍者，生產(chǎn)的各種高性能相機和光譜儀，在量子研究、生物拉曼、活體成像、X射線探測、太陽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?，F(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，對于燃燒類的工程活動至關(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、電離場研究的重要手段。利用PLIF，通過調(diào)節(jié)激發(fā)波長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，激光脈沖打在火焰上，可以產(chǎn)生比火焰光更強的熒光信號，但是時間很短暫(ns);

? 通過分析這些熒光的特性和變化來判斷燃燒的狀態(tài);

? 為了消除背景火焰光，拍攝到熒光信號，需要很短的曝光時間，一般是納秒(ns)級別;

? ICCD相機可以設(shè)置納秒(ns)級別的門控，實現(xiàn)時間分辨的測量;

? 在PLIF實驗中，還要保證激光器和相機快門的同步，使熒光信號落到相機曝光時間區(qū)域內(nèi)，才能拍到有效信號，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，可用來做PIV流體應(yīng)用;

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

emICCD

相對于ICCD，EMICCD具有高動態(tài)范圍，高靈敏度等特點，在信號較弱，不能連續(xù)激發(fā)的single shot實驗中可優(yōu)先考慮EMICCD。

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

上圖是一個內(nèi)燃機燃燒廢氣的LIF實驗，emICCD的熒光信號強度隨著曝光時間增長線性增加，線性度和動態(tài)范圍都很高，ICCD線性度和動態(tài)范圍則表現(xiàn)一般。

Light Field 軟件

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

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

IsoPlane光譜儀

市面上真正的消相差高靈敏的光譜儀，探測弱信號具有很大優(yōu)勢。

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

這是來自NASA的一個應(yīng)用案例，燃燒中的時間分辨自發(fā)拉曼散射光譜。

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

激光器以10kHz頻率照射火焰，熒光信號通過光纖收集并傳輸?shù)絜mICCD，相機用動力學(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，因為信號較弱，需要一個高靈敏度、低相差的光譜儀，否則信號也很難探測，這里選用的就是PI的消相差光譜儀IsoPlane。

審核編輯 黃宇