5.64 Мб 
Лазерно-индуцированная флуоресценция
Лазерно-индуцированная флуоресценция, а также планарная лазерно-индуцированная флуоресценция, представляет собой высокочувствительный метод лазерной визуализации, применяемый для измерения концентрации компонентов, доли смеси и температуры в процессах механики жидкости, распылах и системах горения. Метод LIF-визуализации является молекулярно-специфическим способом наблюдения, обеспечивающим высокое пространственное и временное разрешение. Если исследуемая среда не содержит собственных LIF-активных компонентов, например N2N_2, CH4CH_4 или воды, применяется засев потока флуоресцентными маркерами, то есть трассерами. Такой подход используется для визуализации скалярных полей потока и известен как Tracer-LIF.
Лазерно-индуцированная флуоресценция, или LIF, относится к числу наиболее информативных оптических методов диагностики газовых и жидкостных сред. Благодаря высокой чувствительности и избирательности данный метод широко применяется при исследовании течений, процессов смешения, тепловых потоков, распылов и горения. Особое значение имеет планарная лазерно-индуцированная флуоресценция, обозначаемая как PLIF или LIF Imaging, при которой лазерное излучение формируется в виде светового листа и позволяет получать двумерные распределения исследуемого параметра в выбранной плоскости.
PLIF является эффективным инструментом для регистрации концентрационных и температурных полей с высоким пространственным и временным разрешением. Метод позволяет визуализировать как собственные флуоресцирующие компоненты среды, так и специально введенные флуоресцентные трассеры.
Принцип лазерно-индуцированной флуоресценции
Принцип LIF основан на двух последовательных процессах: поглощении лазерного фотона и последующем излучении флуоресцентного фотона из возбужденного состояния молекулы или атома. Для эффективного поглощения длина волны лазерного излучения λL\lambda_L должна соответствовать разрешенному энергетическому переходу LIF-активной молекулы или атома.
После возбуждения только часть молекул испускает флуоресцентное излучение. Эта доля характеризуется величиной ΦLIF\Phi_{LIF}. Остальная часть возбужденных молекул релаксирует без испускания света, например за счет безызлучательных процессов. Флуоресцентное излучение, как правило, имеет большую длину волны по сравнению с возбуждающим лазерным излучением, то есть является красносмещенным.
Для выделения полезного сигнала используется оптический фильтр, который пропускает флуоресцентный свет на длине волны λLIF\lambda_{LIF} и подавляет паразитное излучение. Только часть всех испущенных LIF-фотонов, обозначаемая как η\eta, регистрируется оптической системой и преобразуется в сигнал камеры SFS_F.
Физическая основа метода
Молекула, находящаяся в основном энергетическом состоянии, поглощает фотон лазерного излучения при совпадении энергии фотона с энергией разрешенного перехода. После перехода в возбужденное состояние молекула может вернуться в более низкое энергетическое состояние несколькими путями. Одним из таких путей является флуоресценция, сопровождающаяся испусканием фотона.
Интенсивность регистрируемого флуоресцентного сигнала зависит от концентрации LIF-активных молекул, интенсивности лазерного излучения, вероятности поглощения, квантового выхода флуоресценции, эффективности оптической системы и чувствительности камеры. Поэтому для получения количественных данных по концентрации или температуре необходима предварительная калибровка измерительной системы.
Высокоскоростная OH-LIF-визуализация
Одним из важных направлений применения LIF является высокоскоростная визуализация радикала OH в процессах горения. OH-LIF позволяет исследовать структуру пламени, положение реакционной зоны, динамику фронта горения и локальные нестационарные явления. Высокоскоростная регистрация особенно важна при изучении турбулентного горения, пульсаций пламени, воспламенения и процессов стабилизации пламени.
Благодаря высокой селективности метода возможно выделение сигнала именно от радикала OH даже в сложной химически активной среде, где одновременно присутствует большое количество различных молекул и промежуточных продуктов реакции.
Схема установки для LIF-визуализации
Типичная установка для LIF-визуализации включает лазерный источник, оптическую систему формирования светового листа или освещенного объема, исследуемую область потока, спектральный фильтр и цифровую камеру с временным затвором. Лазерный пучок формируется в световой лист или объем и пересекает интересующую область жидкости или газа, например пламя, распыл или тепловой поток.
Молекулы, находящиеся в области действия лазерного излучения, поглощают фотоны и переходят в возбужденное состояние. Возникающее флуоресцентное излучение регистрируется под определенным углом к лазерному листу и проецируется через селективный фильтр на матрицу цифровой камеры. Такой фильтр пропускает флуоресцентный сигнал и подавляет рассеянное лазерное излучение, а также другие фоновые компоненты.
Для импульсных ультрафиолетовых LIF-приложений обычно используется усилитель изображения. Он позволяет усилить слабый флуоресцентный сигнал и осуществлять регистрацию с короткими временными окнами. Это особенно важно при исследовании быстропротекающих процессов, где требуется высокая временная точность.
Преобразование LIF-изображений в количественные поля концентрации или температуры выполняется на основе калибровочных измерений. Калибровка позволяет учесть неоднородность лазерного листа, характеристики оптики, чувствительность камеры, свойства исследуемой среды и особенности флуоресцентного отклика.
Применение трассерной LIF-визуализации
Если исследуемая среда не содержит собственных LIF-активных компонентов, применяют флуоресцентные маркеры. Такой подход называется Tracer-LIF. В поток вводятся специальные вещества-трассеры, способные поглощать лазерное излучение и испускать флуоресценцию. По распределению флуоресцентного сигнала можно судить о распределении концентрации, температуре или других скалярных характеристиках потока.
Tracer-LIF широко используется при исследовании процессов смешения, испарения, тепломассопереноса и течений в микроканалах. Метод позволяет получать пространственно разрешенные изображения скалярных полей и анализировать динамику процессов в реальном времени или с высокой частотой кадров.
Преимущества метода LIF
Лазерно-индуцированная флуоресценция обладает высокой селективностью. С помощью выбора соответствующей длины волны лазера можно избирательно возбуждать определенные молекулы, заставляя их испускать свет даже в сложных средах, например в условиях горения, где одновременно присутствуют сотни различных химических компонентов.
Для малых, обычно двухатомных молекул возможно детектирование отдельных квантовых состояний. Это позволяет определять температуру газа даже в неравновесных условиях, когда традиционные методы диагностики могут давать недостаточно точные результаты.
Еще одним важным преимуществом является спектральный сдвиг флуоресцентного излучения относительно возбуждающего лазерного света. Благодаря этому нежелательные помехи, вызванные рассеянным светом или ми-рассеянием, могут быть эффективно подавлены с помощью оптических фильтров.
LIF-визуализация особенно привлекательна благодаря высокой эффективности резонансного поглощения по сравнению с нерезонансными методами, такими как рэлеевское и рамановское рассеяние. За счет высокой чувствительности LIF позволяет обнаруживать радикалы пламени и другие компоненты на уровне ppm и даже ниже ppm. Таким образом, чувствительность и селективность являются двумя основными преимуществами метода лазерно-индуцированной флуоресценции.
Лазерно-индуцированная флуоресценция является высокочувствительным и селективным методом оптической диагностики, предназначенным для визуализации и количественного анализа концентрационных, температурных и скалярных полей в жидкостях, газах, распылах и системах горения. Планарная реализация метода, PLIF, позволяет получать двумерные изображения исследуемых областей с высоким пространственным и временным разрешением.
Метод основан на резонансном поглощении лазерного излучения LIF-активными молекулами и регистрации последующего флуоресцентного излучения. Использование спектральной фильтрации, усилителей изображения и калибровочных процедур позволяет получать информативные данные даже в сложных условиях, включая турбулентные потоки и горение.
Благодаря высокой чувствительности, молекулярной селективности и возможности подавления фоновых помех LIF занимает важное место среди современных методов лазерной диагностики быстропротекающих физико-химических процессов.
