世界上最快的单次二维成像技术可拍摄火焰中的超快动态

蜡烛火焰和飞机发动机产生的烟尘颗粒由多环芳烃 (PAH) 作为其前体，这两种物质都对人类和环境有害。这些碳基颗粒在太空中也很常见，占星际物质的 10-12%，在电子设备和可持续能源中具有重要应用价值。然而，烟尘和 PAH 的指纹信号在火焰中的寿命非常短——仅持续几十亿分之一到几百万分之一秒。这种短暂的存在需要非常快的相机来捕捉它们在空间和时间上的行为。

目前可用的成像系统每秒只能捕捉几百万帧，而且通常需要多个激光脉冲，从而导致不必要的加热问题。传统方法也存在局限性，因为它们只能通过连续记录多个图像来捕捉可重复的事件，以拼接成完整的运动画面。这些限制使得燃烧科学的研究人员迫切地期待着一种新的工具来克服这些挑战。

在《光：科学与应用》杂志发表的一篇新论文中，加州理工学院的 Yogeshwar Nath Mishra 博士、Peng Wang 博士、Murthy S. Gudipati 博士和 Lihong V. Wang 教授与埃尔朗根弗里德里希亚历山大大学的 Florian J. Bauer 博士合作，介绍了飞秒激光片压缩超快摄影技术 (fsLS-CUP)。这项革命性的技术是世界上最快的单次平面成像相机，以前所未有的 2500 亿帧每秒 (Gfps) 的速度捕捉飞秒激光火焰动态的整个影片，比现有成像系统快 20,000 倍。

仅使用单个飞秒激光脉冲，fsLS-CUP 就可以同时、宽场、实时成像 PAH 的激光诱导荧光 (LIF)、烟尘颗粒的激光诱导加热 (LIH) 以及激光与烟尘相互作用的弹性光散射 (ELS)。

Yogeshwar Nath Mishra 博士解释说：“科学家们已经利用超快激光脉冲实时捕捉快速化学反应和激光与材料的相互作用。利用飞秒激光和条纹相机，我们开发了一种新的二维成像方法 fsLS-CUP，可以捕捉自然界中一些极快的现象。

“最终，它不仅提高了我们对火焰中碳氢化合物和纳米颗粒形成和生长的理解，而且在多个领域都具有潜力，使其成为超快成像技术的重要里程碑。我们的研究包括对多环芳烃的最快观察，是对 NASA 探索生命起源和宇宙演化的使命的补充。除了燃烧研究之外，这项技术在物理、化学、生物、医学、能源和环境科学方面也有广泛的应用。”

王鹏博士强调，他们的工作标志着超快成像和科学的重大进步，有可能解开对自然科学和技术至关重要的快速现象。该团队继续突破成像性能的界限，包括速度、空间分辨率和图像重建保真度。

他们已成功应用实时成像技术来观察燃烧过程中烟灰和多环芳烃的激光诱导信号。王教授相信，持续的创新和合作将推动该领域的进一步发现和理解。总体而言，fsLS-CUP 为研究平面配置中的瞬态现象开辟了新的可能性。

Florian Bauer 博士强调，fsLS-CUP 技术利用压缩感知，仅使用一个飞秒激光脉冲即可一次性获取数据。该方法提供了广阔的视野，并解决了空间和时间细节问题，使其适用于观察 PAH 和碳纳米颗粒中各种飞秒激光诱导信号。它已成功提取关键细节，例如 PAH 分子荧光寿命的二维分布。该技术还证实，飞秒激光脉冲可以在烟尘颗粒中诱导白炽化。

多环芳烃天体化学专家 Murthy S. Gudipati 博士表示：“多环芳烃是星际空间中的坚固分子。了解多环芳烃和碳烟的形成也扩展了我们对它们在天体物理条件下存在的认识。

“我们的研究与高温环境中 PAH 的形成有关，例如富含碳的渐近巨星分支恒星。这些演化的恒星拥有炎热的大气层和强劲的恒星风，为 PAH 的形成创造了理想的条件。此外，超新星爆炸产生的高温膨胀喷出物为 PAH 提供了另一种可能在高温下形成的环境。”