未燃燒的碳氫化合物火焰產生的煙塵是全球變暖的第二大因素，同時也損害了人類健康。研究人員已經開發出最先進的高速成像技術來研究湍流火焰，但它們僅限於每秒百萬幀的成像速率。因此，物理學家熱衷於通過單脈衝成像獲得火焰-雷射相互作用的完整圖像。
在發表在《光：科學與應用》上的一份新報告中，Yogeshwar Nath Mishra和加州理工學院光學成像實驗室，NASA噴氣推進實驗室，物理系以及美國和德國工程熱力學研究所的研究小組首次使用了單發雷射片，包括每秒十億幀的超快攝影。 觀察雷射火焰的動力學。
研究小組注意到雷射誘導的白熾燈，彈性光散射和菸灰前體（如多環芳烴）的螢光，實時，具有一個納秒的雷射脈衝。研究結果為支持火焰中煙塵的產生和生長機制提供了強有力的實驗證據。Mishra和團隊結合了各種技術，在湍流環境中探測短命物種，以解開熱等離子體，核聚變和聲致發光的奧秘。
多環芳烴（PAH）對環境和健康的影響
包括煤油、汽油和柴油在內的現代碳氫化合物會產生有害排放物，如多環芳烴（PAHs），這些排放物會導致不良的健康影響。煙塵排放對人類生活質量有很大影響，因為它的納米級尺寸很容易穿透肺部或血液，導致健康缺陷。雖然多環芳烴形成煙塵顆粒的前體，導致毒性致癌性，但由於它們用作碳納米材料，它們在材料科學中的作用也很重要。
等離子體納米顆粒的高能效、低成本和快速生產導致了具有優異光學性能的應用。順便說一下，大約70%的星際空間由碳質粒子組成，氣態多環芳烴的煙塵形成在燃燒科學和天文學中仍然是一個謎。2014年，物理學家首次報導了一種用於單次2D成像的壓縮超快攝影（CUP）方法，成像速度為每秒70萬億幀。
在這項工作中，研究人員使用雷射片壓縮超快攝影（LS-CUP）技術作為實驗框架來觀察多環芳烴的雷射誘導螢光以確定初級粒徑，用於煙塵溫度映射和光散射應用。工程師和物理學家協同平面成像和壓縮超快攝影（CUP），以實時查看火焰-雷射相互作用。他們結合了雷射片時間平面成像來探索全面的實驗結果，其中網絡的多通道功能使團隊能夠實時研究火焰的質量並探索高維成像。
1.25-Gfps的雷射片壓縮超快攝影（LS-CUP），多環芳烴分子的雷射誘導螢光（LIF）成像。
雷射片壓縮超快攝影 （LS-CUP） 技術
在實驗過程中，研究小組檢查了層流，對稱且相對穩定的煤油火焰。他們選擇煤油作為燃料，因為它具有廣泛的工業和家庭應用，並通過使用四個光學信號來表徵火焰，並包括時間門控相機來收集感興趣的特定信號。
基於雷射片成像，科學家們光學切片了體積火焰的2D平面，在那裡他們提取了感興趣物種的2D地圖，然後將其收集在相機上，然後用屏幕覆蓋以減少湍流。成像透鏡組件將火焰動力學投射到由非偏振分束器隔開的兩個中間像平面。科學家們通過LS-CUP技術的雙重操作選擇了不同的火焰信號，以同時對兩個物種進行成像。
1.25-Gfps LS-CUP 煙塵顆粒單色雷射誘導白熾燈 （LII） 和由時間分辨 LII 確定的初級煙塵粒徑分布。
實時觀察多環芳烴（PAHs）雷射誘導的螢光衰減
研究小組尋求新的實驗見解，以更好地了解多環芳烴的生長化學;菸灰的分子前體。物理學家以前曾研究過火焰中多環芳烴的空間分辨、平均二維光誘導螢光，並獲得時間分辨測量結果。
然而，關於多環芳烴的單次高速時空成像的報告尚未被探索，Mishra及其同事通過激發雷射誘導螢光和單個532nm脈衝進行。研究人員研究了火焰光度與多環芳烴、光誘導螢光、菸灰雷射誘導白熾燈和彈性光散射的組合視圖，這些光譜是通過三次連續測量從時間積分圖像中提取的。
該團隊在檢查了煙塵的演變後研究了時間分辨的單色雷射誘導白熾燈（LII），並通過能量和質量平衡從LII信號推斷出煙塵顆粒的大小。他們進一步獲得了時間分辨的雙色雷射誘導白熾燈以及帶有兩個光學帶通濾光片的煙塵溫度動力學，他們通過雷射屏蔽壓縮超快攝影同時用兩個通道記錄。隨附的溫度圖顯示了整個火焰的不同溫度，火焰邊緣最高，火焰中心和底部最低。研究人員還實時觀察了煙塵顆粒的彈性光散射。
煙塵顆粒雙色LII的1.25-Gfps LS-CUP成像和煙塵溫度動力學。（公元-日）重建高度h1處雙色LII信號的時空動力學：以460 nm為中心的短波長通道和（b）以666 nm為中心的長波長通道。總共有200幀。雷射加熱後煙塵溫度的時空動態：（c）三維表示;（d） 選定的快照。（d） 比例尺（d）：3 毫米。 （e） 加熱煙塵顆粒隨時間變化的空間平均溫度及其指數擬合。（f） 高度h2處x-y平面上的煙塵粒度分布。它是使用（c）中所示的煙塵顆粒的重建溫度衰減來計算的。（g） 沿x方向的菸灰粒度分布，在垂直位置y1至y1，用（f）中的短線表示，使用單色LII動力學（紅色實線）和雙色LII動力學（黑色虛線）。
新發明的展望
Yogeshwar Nath Mishra及其同事通過雷射片壓縮超快攝影（LS-CUP）實現了世界上最快的單脈衝實時2D燃燒成像，成像速度達到了前所未有的12.5 Gfps，序列深度高達200幀。成像速度超過了Mfps體系中現有的高速速率，該團隊使用這項新發明來探索主動和被動成像選項。這項工作為通過飛秒脈衝對多環芳烴分子進行實時超快成像開闢了新的途徑，以獲得其起源的新細節。
這些見解將闡明碳基納米材料的發展，並使材料科學家和物理學家能夠了解與噴氣推進相關的燃燒基本原理。更廣泛的研究應用包括使用LS-CUP檢查聲致發光;凝聚態物理學中的一種神秘現象，其中聲音在流體中的逐漸積聚會產生等離子體溫度大於 10，000 K 的氣泡，這些氣泡在皮秒的緊張時間內發出閃光。
通過使用LS-CUP方法，該團隊設想探索聲致發光氣泡的超快速溫度傳感，這些氣泡在凝聚態物理學中具有廣泛的應用範圍，並作為生命科學中的治療策略。