普林斯顿仪器为燃烧领域的研究提供一臂之力

普林斯顿仪器作为科研仪器的领军者，生产的各种高性能相机和光谱仪，在量子研究、生物拉曼、活体成像、X射线探测、太阳能电池以及燃烧等许多应用领域已成为不可分割的组成部分。现在，由小编带领大家探索科学研究的六大热门应用领域中的燃烧领域。

1、为什么研究燃烧?

人类文明发展的每一步都与燃烧利用息息相关，人类的文明史，就是燃烧的利用史。知道燃料的燃烧方式及原理，了解燃烧进程，排放的污染物等，对于燃烧类的工程活动至关重要，如汽车、航天、农业、清洁燃料研究、爆炸、污染物排放等领域。

平面激光诱导荧光(Planar Laser-Induced Fluorescence, PLIF)是现在应用于燃烧场、电离场研究的重要手段。利用PLIF，通过调节激发波长可以精确选择特定基团，通过高灵敏度ICCD成像可以获得基团空间浓度分布信息。

2、什么是PLIF

• 燃烧过程中，火焰光很强，激光脉冲打在火焰上，可以产生比火焰光更强的荧光信号，但是时间很短暂(ns);

• 通过分析这些荧光的特性和变化来判断燃烧的状态;

• 为了消除背景火焰光，拍摄到荧光信号，需要很短的曝光时间，一般是纳秒(ns)级别;

• ICCD相机可以设置纳秒(ns)级别的门控，实现时间分辨的测量;

• 在PLIF实验中，还要保证激光器和相机快门的同步，使荧光信号落到相机曝光时间区域内，才能拍到有效信号，排除背景光。

3、适合燃烧领域的产品

PI-MAX4 ICCD 1024i

a) 高帧频，20fps以上，具有DIF双曝光模式，可用来做PIV流体应用;

b) 支持1Mhz的重复频率，最短曝光时间500ps;市面上的产品最高触发频率大都在500khz，最短曝光时间为几个纳秒。

emICCD

相对于ICCD，EMICCD具有高动态范围，高灵敏度等特点，在信号较弱，不能连续激发的single shot实验中可优先考虑EMICCD。

emICCD具有双增益，极佳的灵敏度，可以实现单光子探测。左侧图是ICCD拍摄的弱信号图片，信噪比一般。右图是emICCD启用单光子计数模式(0与1)，400图像累加生成一张完整的图像，可以看到，信噪比相对于传统的ICCD有很大提升。

上图是一个内燃机燃烧废气的LIF实验，emICCD的荧光信号强度随着曝光时间增长线性增加，线性度和动态范围都很高，ICCD线性度和动态范围则表现一般。

Light Field 软件

LightField软件对PIMAX4系列的ICCD相机进行了专门的优化，可视化操作，所见即所得，界面上可以实时调节门控和延迟，极大降低客户操作的复杂性。

测量火焰中OH的荧光时域寿命，属于时间分辨的应用，荧光寿命短暂，燃烧物受到激光激发后，荧光信号先增强，然后衰减，如蓝色的曲线所示。要绘制出这条曲线，要设定好很短的曝光时间，逐渐增加延迟时间，通过多张图像获取多个采样点，工作流程比较繁琐。LF6 软件对时间分辨类的应用进行了专门的优化，全部自动生成，对客户来说非常方便。

IsoPlane光谱仪

市面上真正的消相差高灵敏的光谱仪，探测弱信号具有很大优势。

4、应用案例分享

Time-resolved spontaneous Raman scattering spectroscopy in combustion

High speed kinetics data acquired by PI-MAX4 emICCD

- Dr. Jun Kojima, NASA Glen

这是来自NASA的一个应用案例，燃烧中的时间分辨自发拉曼散射光谱。

光谱信号弱，选用传统的ICCD，线性度和动态范围不佳。选用EMCCD或CCD相机，图像的动态范围可以接受，但是门控时间不够短，曝光时间最小也是微秒级别的，无法有效降低火焰背景噪声，有效信号很难探测，选用emICCD相机可以很好的解决上述问题。

激光器以10kHz频率照射火焰，荧光信号通过光纤收集并传输到emICCD，相机用动力学光谱模式快速采集光谱，获取了信噪比良好的光谱图像数据。同时，因为信号较弱，需要一个高灵敏度、低相差的光谱仪，否则信号也很难探测，这里选用的就是PI的消相差光谱仪IsoPlane。

审核编辑 黄宇