流场显示的利器——激光诱导荧光技术
严浩
中国科学院力学研究所
关键词：流场显示、激光诱导荧光
流体力学是力学的一个分支，主要研究在各种力的作用下，流体本身的静止状态和运动状态以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动规律[1]。我们周围无处不在的空气，就是流体力学中重要的研究对象。从自行车头盔、仿生飞行器到超音速飞机，可以说只要是在地球的大气层内飞行或是快速的移动物体，就一定会涉及到流体力学的问题。计算流体力学（CFD）技术是研究流体力学现象以及设计气动外形的重要工具，但是在燃烧过程这样具有化学反应以及高超声速飞行这样偏离理想气体模型的领域，依然需要通过大量实验来研究各类问题。
测量数据是实验的重要环节。光学诊断技术利用流场的某些光学性质来测量流场（可以理解为某一时刻被研究流体的状态）的参数。这项技术具有它特殊的优势，那就是它基本不对流场的力学性质产生干扰，而且响应速度非常快。借助激光这样能量密度高，单色性好的光源，能够大大提测量的高信噪比，有针对性的获得流场信息。激光诱导荧光（LIF）技术继承了上述优点，另外，它能够获得流场信息的空间分布，是实现流场显示的重要手段。
激光诱导荧光顾名思义，是研究人员使用激光，将流场中的粒子激发至高能的量子态，然后探测粒子释放出的荧光光子的测量方法。所谓荧光是指一种光致发光的冷发光现象。如图一所示，当荧光粒子被合适的光线照射时，有一定的概率会吸收光子然后跃迁至激发态，然后立即退激发至较低的能级并发光子。荧光物质吸收与发射的光子的能量与荧光粒子跃迁能级间的能量差吻和，因此每种荧光物质吸收和发射的光子的波长范围是较为确定的。在常温下，因为这些分子处于较低的能级，通常情况下荧光光子的波长要大于入射光子的波长，称为斯托克斯位移(Stokes shift)。对于荧光现象，一旦停止光线的照射，荧光过程也会在1微秒以内结束。我们身边最常见的例子就是使用紫外线照射纸币，使防伪区域发出人眼可见的荧光，以及记号笔的成分将周围的蓝光和紫外线转换成人眼敏感的黄色、绿色的光。
图一：荧光产生原理
在诸多应用中（如图二），我们常会使用平面的激光光束照射流场，诱导例如OH自由基的荧光，然后通过相机记录该平面上的荧光分布，从而获得2维的流场信息[2]。OH自由基是烷烃燃料燃烧过程中的重要中间产物，广泛分布在火焰的反应区和高温燃烧产物中。图三展示的是对火焰中OH自由基化学发光（即燃烧过程本身发光）的拍摄和OH自由基平面激光诱导荧光的拍摄图像。火焰的化学发光1区域是立体的，通过单一镜头拍摄到的是视线上全部发光的总和，而使用激光诱导荧光技术可以清楚地获得OH自由基在火焰内部的分布，实现精确的流场显示。气相环境下，常用的荧光组分有OH、CH、CH2O等燃烧中间产物，主要燃烧污染物NO分子，燃料煤油分子等等。根据实际应用场景，荧光组分也可以是其他分子、金属原子以及等离子体中的离子。
图二：平面激光诱导荧光设置。
图三：OH*化学发光摄影（左）与OH平面激光诱导荧光（右）对比
激光诱导荧光的信号强度与激光参数，荧光组分的浓度有很大关系，与此同时，还明显受到温度、压强、其他猝灭组分等因素的影响。因此，需要几经周折才能通过这项技术计算出组分的浓度。也由于这个原因，通过激光诱导荧光还能推算出流场的温度和速度的分布。商用染料激光器可以分辨出NO分子、OH自由基的转动能级，通过比较同种组分的两个不同能级的荧光效率即可推算出流场温度[3]。在高超声速流动中，高速运动的荧光分子的谱线会发生明显的多普勒频移1，能够用于推算出平行于激光方向的速度分量[4]。另一方面，通过大功率紫外激光将较大分子解离成常用荧光分子，实现流场标记，让这些分子飞行一小段时间后再使用激光诱导荧光进行拍摄可以获得标记线移动的距离，从而计算出流场垂直于激光方向上的速度分量[5]。
由于激光诱导荧光所使用的光源主要在紫外波段，目前常用的激光器以商用染料激光器2为主（封面图片为NO激光诱导荧光使用的染料激光器），与红外半导体激光相比需要极大的空间与维护成本。但是，为了更透彻的研究湍流火焰，例如弄清湍流与火焰作用机理，以及燃烧室的特性等等，科学家们联合使用了多台激光器对多种组分的荧光进行同步监测。图四展示了利用双组分激光诱导荧光测量出的OH自由基与CH2O分子的分布。不仅如此，激光诱导荧光还可以结合粒子图像测速法（PIV）等技术[6,7]，以研究湍流对火焰锋面的影响。
图四：OH（红） CH2O（绿）平面激光诱导荧光图像
注释：
1火焰的化学发光：火焰本身发出的光。燃气通过一系列化学反应产生激发态的分子、自由基。这些粒子跃迁回基态的过程中会产生化学发光。天然气灶的蓝色火焰主要是由CH自由基的化学发光产生的，波长约为430nm。该火焰中还有OH自由基产生的307nm的紫外辐射。
2多普勒频移：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 （蓝移 blue shift）。多普勒频移，当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低 （红移 red shift）[8]。
3染料激光器：激光器可按工作介质进行分类。种类包括红宝石激光器，氦氖激光器、准分子激光器等等。染料激光器的工作介质是有机荧光染料溶液。这些荧光染料在蓝光、紫外线照射下会发出明亮鲜艳的荧光。
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参考文献：
[1] 百度百科 流体力学
[2] Hanson, R.K., Seitzman, J.M., and Paul, P.H. Planar Laser-Fluorescence Imaging of Combustion Gases. Appl. Phys. B 50, 441-454 (1990)
[3] Wollenhaupt, M., Rosenhauer, M., M¨uller, et al. NO laser-induced fluorescence studies for the application of single-shot two-line thermometry to HEG. 21st International Symposium on Shock Waves, Great Keppel Island, Australia, July 20-25, 8360 (1997)
[4] Palmer, J. L. and Hanson,R.K. Single-Shot Velocimetry Using Planar Laser-Induced Fluorescence Imaging Of Nitric Oxide. 29th Joint Propulsion Conference and Exhibit. June 28-30, 1993 / Monterev, CA
[5] Wehrmeyer, J.A., Ribarov, L.A., Oguss, D.A., et al. Flame Flow Tagging Velocimetry with 193-nm H2O Photodissociation. Appl. Opt. 38, 6912–6917 (1999)
[6] Li, Z. S., Li, B., Sun, Z. W., et al. Turbulence and combus-tion interaction: High resolution local flame front struc-ture visualization using simultaneous single-shot PLIF imaging of CH, OH, and CH2O in a piloted premixed jet flame. Combustion and Flame, 2010, 157(6):1087–1096.
[7] Watson, K. A.，Lyons, K. M. Scalar and velocity field measurements in a lifted CH4–Air diffusion flame. Combustion and Flame, 1999, 117(1/2):257–271.
[8] 百度百科 多普勒频移
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