平面激光誘導(dǎo)熒光PLIF以及PLIF技術(shù)在燃燒診斷中的優(yōu)勢(shì)

更新時(shí)間：2023-12-12

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1. 為什么研究燃燒？

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

2. 什么是PLIF以及PLIF技術(shù)在燃燒診斷中的優(yōu)勢(shì)？

每種分子內(nèi)部都具有其特定能級(jí)結(jié)構(gòu)，宏觀(guān)表現(xiàn)為特定的吸收或者發(fā)射光譜特征。當(dāng)激光與物質(zhì)相互作用時(shí)，這種特定的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致只有當(dāng)激光的波長(zhǎng)與其相匹配時(shí)，激光才會(huì)被強(qiáng)烈的吸收，隨后，也有一定的幾率將吸收的能量以熒光的形式釋放。激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)就是利用該特性，通過(guò)特定波長(zhǎng)的激光與物質(zhì)相互作用，并探測(cè)作用后所產(chǎn)生的熒光，從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的檢測(cè)以及物質(zhì)信息的提取。早期的應(yīng)用受硬件條件限制，激光通常被聚焦成一點(diǎn)，利用光電倍增管實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)量。隨著技術(shù)的進(jìn)步以及設(shè)備的發(fā)展更新，為了獲取更多的信息，目前激光通?？梢员粔嚎s成片狀，這樣與待測(cè)組分作用產(chǎn)生的熒光就表現(xiàn)為二維分布特性，進(jìn)一步利用高靈敏度的相機(jī)，就可以一次性獲取片光有效作用區(qū)域的全部熒光，得到組分二維分布的信息。

PLIF（Planar Laser Induced Fluorescence，平面激光誘導(dǎo)熒光）技術(shù)是一種高靈敏的激光流動(dòng)顯示技術(shù)，利用物質(zhì)對(duì)電磁波的共振選擇吸收特性，它可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境特定組分空間分布特征的提取，從而實(shí)現(xiàn)該組分在流場(chǎng)中的二維分布測(cè)量。PLIF技術(shù)具有較高的時(shí)間分辨和空間分辨特性，能夠在納秒時(shí)間尺度對(duì)示蹤組分（原子、分子或自由基團(tuán)，如O、CO、OH、CH等）進(jìn)行微米空間分辨的二維成像。對(duì)于沒(méi)有示蹤組分的環(huán)境，可以通過(guò)添加適當(dāng)?shù)臒晒馕镔|(zhì)（如NO、丙酮和羅丹明等）實(shí)現(xiàn)二維顯示。同時(shí)，基于分子輻射光譜理論以及結(jié)合其它測(cè)試手段，PLIF技術(shù)還可用于溫度、濃度、速度等參數(shù)的測(cè)量。因此，該技術(shù)在流體力學(xué)、燃燒學(xué)、等離子體研究等諸多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。

在燃燒場(chǎng)，利用PLIF，通過(guò)調(diào)節(jié)激發(fā)波長(zhǎng)可以精確選擇特定基團(tuán)，通過(guò)激光器，高分辨的光譜儀和高靈敏度的ICCD/iSCMOS可以獲得基團(tuán)空間濃度分布信息及燃燒過(guò)程中的散射光譜。燃燒過(guò)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(guò)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/iSCMOS可以設(shè)置納秒（ns）級(jí)別的門(mén)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(mén)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；

PLIF 圖像OH LIF, CO LIF, reaction rate (RR), temperature (T),and mixturefraction (f)

最重要的信息通常是樣品在燃燒過(guò)程中的濃度及其時(shí)空演變的確定。然而，在PLIF研究中可以確定等離子體內(nèi)溫度和壓力的重要信息，并且當(dāng)與粒子成像測(cè)速儀（PIV）相結(jié)合時(shí)，還可以確定速度和流體動(dòng)力學(xué)。在等離子體中，特別是在燃燒研究中研究的典型類(lèi)型包括OH、CH、NO、NH、CN、CO和O2自由基，以及原子和離子物種內(nèi)的激發(fā)。這些物質(zhì)通常是等離子體固有的，但在流體動(dòng)力學(xué)研究中，具有良好熒光特性的示蹤劑材料被添加到主流體材料中。

PLIF成像的另一個(gè)例子是在脈沖激光沉積（PLD）中。PLD用于通過(guò)產(chǎn)生等離子體在真空或背景氣體環(huán)境中蒸發(fā)耐火材料（金屬或陶瓷）。等離子體物質(zhì)凝結(jié)在薄膜生長(zhǎng)的基底上。作為優(yōu)化薄膜生長(zhǎng)和性能過(guò)程的一部分，研究人員對(duì)過(guò)程中不同物種的進(jìn)化特別感興趣，并將這些特性與薄膜的性能（如薄膜化學(xué)計(jì)量）聯(lián)系起來(lái)。上圖顯示了不同延遲時(shí)間下膨脹等離子體的LIF圖像。

PLIF還有一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域是燃燒研究。流體動(dòng)力學(xué)研究通常結(jié)合PLIF和PIV測(cè)量來(lái)表征火焰或羽流內(nèi)的傳輸特性、湍流、溫度、壓力以及濃度。該技術(shù)的一些特定變體被稱(chēng)為OH-PLIF、CH-PLIF，雙光子CO-PLIF和TR-PLIF。

3. 系統(tǒng)介紹

PLIF設(shè)置的基本示意圖如上圖所示。所使用的激發(fā)激光器通常是脈沖式的并且可調(diào)諧的，其波長(zhǎng)可以與樣品內(nèi)的光學(xué)躍遷的吸收很好地匹配。Quantel的Q-Scan調(diào)Q Nd:YAG泵浦染料激光器就很適合這種應(yīng)用。

PLIF中成功測(cè)量的關(guān)鍵是能夠在高幀率（>10Hz）下以高靈敏度和幾百納秒（ns）的短時(shí)間窗口測(cè)量圖像。新型增強(qiáng)型sCMOS（ICMOS）相機(jī)是進(jìn)行此類(lèi)測(cè)量的理想產(chǎn)品，它提供了比傳統(tǒng)ICCD更快的幀率、同步觸發(fā)和門(mén)控功能，以及所需的高靈敏度。更快的幀率能夠與更高重復(fù)頻率的激光器匹配。與此功能相結(jié)合的是增強(qiáng)sCMOS相機(jī)能夠按照許多PIV測(cè)量的要求，以高時(shí)間分辨率拍攝雙圖像。

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