5.64 Мб 
Методы лазерного рассеяния в комплексах высокоскоростной видеосъемки
Методы лазерного рассеяния света широко применяются для визуализации и количественного анализа газовых и дисперсных потоков. К числу наиболее распространённых подходов относятся ми-рассеяние, рэлеевское рассеяние и спонтанное рамановское рассеяние. Эти методы основаны на различных механизмах взаимодействия электромагнитного излучения с частицами или молекулами и отличаются чувствительностью, спектральными характеристиками, селективностью и областью применения. Ми-рассеяние используется преимущественно для диагностики частиц и измерения скоростей потоков, рэлеевское рассеяние — для исследования газовой плотности и температуры, а рамановское рассеяние — для одновременного определения концентраций основных компонентов газовой смеси и температуры.
Оптические методы диагностики на основе рассеяния света являются важным инструментом экспериментального исследования потоков, процессов смешения, тепломассопереноса, распылов и высокотемпературных газовых сред. При взаимодействии лазерного излучения с веществом часть падающего света рассеивается. Характер рассеяния определяется размерами рассеивающих частиц, длиной волны падающего излучения, молекулярными свойствами среды и спектральными особенностями процесса.
В зависимости от физического механизма различают упругое и неупругое рассеяние. Ми- и рэлеевское рассеяние относятся к упругим процессам, при которых длина волны рассеянного света практически совпадает с длиной волны падающего излучения. Рамановское рассеяние является неупругим процессом и сопровождается спектральным сдвигом относительно лазерной линии, что позволяет получать информацию о составе исследуемой среды.
Рассеяние Ми
Ми-рассеяние представляет собой упругое рассеяние света частицами, диаметр которых сопоставим с длиной волны падающего излучения или превышает её. Такой механизм характерен для капель, аэрозольных частиц, частиц сажи и других дисперсных включений в газовых и жидкостных потоках.
Интенсивность сигнала ми-рассеяния пропорциональна квадрату диаметра частицы. Вследствие этого данный вид рассеяния значительно интенсивнее рэлеевского рассеяния и может выступать источником помех при регистрации более слабых сигналов. Особенно важной особенностью ми-рассеяния является выраженная угловая зависимость интенсивности рассеянного света. Эта зависимость особенно заметна для малых частиц и должна учитываться при планировании и проведении экспериментов по визуализации на основе ми-рассеяния.
Ми-рассеяние часто используется для измерения скоростей потоков методом цифровой трассерной визуализации частиц, известным как Particle Image Velocimetry, или PIV. В этом случае в поток вводятся трассерные частицы, которые рассеивают свет лазерного листа. Последовательная регистрация изображений частиц позволяет определить их смещения во времени и восстановить поле скоростей потока.
Рэлеевское рассеяние
Рэлеевское рассеяние является упругим рассеянием света на частицах, размеры которых значительно меньше длины волны падающего излучения. Для газовой фазы такими рассеивающими объектами являются молекулы, поэтому данный метод хорошо подходит для лазерной визуализации газов.
Классическим примером рэлеевского рассеяния является рассеяние солнечного света молекулами атмосферы, которое обусловливает голубой цвет неба. Это связано с тем, что эффективность рэлеевского рассеяния обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны. Следовательно, коротковолновое излучение рассеивается значительно эффективнее длинноволнового.
Для однокомпонентного газа с известным сечением рассеяния рэлеевский сигнал прямо пропорционален плотности газа. Поскольку рассеянный свет имеет практически ту же длину волны, что и падающее излучение, рэлеевское рассеяние не является видоселективным методом. Для измерения плотности газовой смеси требуется либо постоянный состав газа, либо известные мольные доли всех основных компонентов.
В некоторых случаях интенсивность рэлеевского рассеяния для одного компонента существенно выше, чем для другого. Это позволяет использовать метод для визуализации процессов смешения, например смешения топлива с воздухом. Если состав газа и давление известны, рэлеевская визуализация позволяет измерять двумерные температурные поля. Такой подход известен как рэлеевская термометрия.
Рэлеевское рассеяние значительно слабее ми-рассеяния, однако более чем на два порядка интенсивнее спонтанного рамановского рассеяния. При этом излучение накалённых частиц сажи и ми-рассеяние могут полностью маскировать рэлеевский сигнал, что необходимо учитывать при проведении измерений в дисперсных или высокотемпературных средах.
Индуцированное дипольное излучение
Физическая природа рэлеевского рассеяния связана с возникновением индуцированного дипольного момента в молекуле под действием электромагнитного поля падающего света. Переменное электрическое поле лазерного излучения поляризует молекулу, в результате чего она начинает излучать как осциллирующий диполь. Поскольку процесс является упругим, частота излучения практически совпадает с частотой падающего света.
Интенсивность индуцированного дипольного излучения зависит от поляризуемости молекулы, плотности газа, длины волны излучения и геометрии регистрации. Именно этот механизм лежит в основе использования рэлеевского рассеяния для диагностики плотности и температуры газовой среды.
Рамановское рассеяние
Спонтанное рамановское рассеяние является неупругим аналогом рэлеевского рассеяния. В отличие от упругого рассеяния, рамановский сигнал имеет спектральный сдвиг относительно лазерной линии. Этот сдвиг определяется внутренней структурой молекул и является характерным для раман-активных веществ.
Благодаря спектральной селективности рамановское рассеяние позволяет одновременно измерять концентрации основных компонентов газовой смеси. С помощью данного метода могут быть зарегистрированы такие важные газофазные компоненты, как O2O_2, N2N_2, углеводородные топлива, CO2CO_2, H2H_2 и H2OH_2O. Одновременно с концентрациями возможно определение температуры газа.
Основным недостатком спонтанного рамановского рассеяния в газовой фазе является крайне низкая интенсивность сигнала. Его уровень примерно на шесть порядков ниже интенсивности ми-рассеяния. Поэтому при одномерной рамановской визуализации вдоль линейного фокуса обычно используется усреднение по нескольким лазерным импульсам, а также применяются лазеры высокой мощности.
Как и рэлеевский сигнал, рамановский сигнал линейно масштабируется с плотностью соответствующих молекулярных компонентов. Важным преимуществом является отсутствие влияния тушения столкновениями, характерного для процессов лазерно-индуцированной флуоресценции. Это делает рамановское рассеяние надёжным методом количественного анализа состава газовых смесей, несмотря на низкую интенсивность регистрируемого сигнала.
Одномерная рамановская визуализация
В конфигурации одномерной рамановской визуализации лазерное излучение фокусируется вдоль линии в исследуемой области. Рассеянный свет собирается оптической системой и направляется на спектрально-селективный детектор или камеру. Такой подход позволяет получать распределения концентраций и температуры вдоль выбранной линии.
Для повышения отношения сигнал/шум применяются мощные лазерные источники, оптимизированная система сбора света и накопление сигнала по нескольким импульсам. Несмотря на экспериментальную сложность, одномерная рамановская визуализация является ценным инструментом для исследования газофазных процессов, особенно там, где требуется одновременное определение нескольких компонентов смеси.
Сравнение методов рассеяния
Ми-, рэлеевское и рамановское рассеяние различаются по области применимости и информативности. Ми-рассеяние обеспечивает сильный сигнал и эффективно используется для визуализации частиц, капель и измерения скоростей потоков. Однако высокая интенсивность ми-сигнала может создавать помехи при регистрации более слабых процессов рассеяния.
Рэлеевское рассеяние применяется для диагностики газовой плотности и температуры, но требует известного состава газовой смеси или его постоянства. Метод не является видоселективным, поскольку длина волны рассеянного света практически совпадает с длиной волны возбуждающего излучения.
Рамановское рассеяние, напротив, обладает высокой спектральной информативностью и позволяет одновременно измерять концентрации различных молекулярных компонентов. Его главным ограничением является слабость сигнала, что требует применения мощных лазеров, эффективной оптики и методов накопления данных.
Методы лазерного рассеяния света являются фундаментальной основой современной оптической диагностики потоков. Ми-рассеяние эффективно используется для исследования дисперсных сред и измерения скоростей методом PIV. Рэлеевское рассеяние позволяет определять плотность и температуру газов при известном составе среды. Спонтанное рамановское рассеяние обеспечивает возможность одновременного измерения концентраций основных компонентов газовой смеси и температуры.
Выбор конкретного метода определяется физическими свойствами исследуемой среды, требуемыми параметрами измерения, уровнем сигнала и допустимыми источниками помех. Совместное использование этих подходов позволяет получать комплексную информацию о структуре, составе, температуре и динамике газовых и дисперсных потоков.
