PLIF作为等离子体和燃烧诊断工具

激光诱导荧光(LIF)是诊断等离子体组成和特征的一种长期存在的技术[1-4]。当一个物种被激光源激发时，它的特征荧光可以确定其存在和浓度。通常情况下，激光激发波长被选择为与该物种的光学吸收跃迁相匹配，并且窄带滤波器用于选择仅与该物种相关的特征波长区域中的荧光，同时拒绝背景。平面激光诱导荧光(PLIF)是基本技术的一种变体，它将激发照明限制在等离子体内一个定义良好的薄片(或薄平面)，从而能够获得关于物种浓度的空间信息。PLIF信号通常由2D CCD成像传感器捕获。本应用说明概述了用于PLIF的一些设置示例，所涉及的设备类型，并强调了它可以提供的一些信息。

简介

PLIF是一种广泛用于描述等离子体羽流中分子物种演化的技术。利用物种的特征荧光发射，可以绘制出进化物种随时间的空间分布[3,5]。ICCD相机经常被使用，因为它们提供了精确的时间门控和与脉冲激励源(通常是激光)的同步。研究的等离子体类型包括由脉冲激光或脉冲放电产生的短寿命瞬态等离子体、燃料燃烧、磁约束等离子体(MCF)和射频等离子体(rf)。

图1:PLIF测量装置示意图

PLIF设置的基本原理图如图1所示。所使用的激发激光器通常是脉冲和可调谐的波长，可以很好地匹配到感兴趣的物种内光学跃迁的吸收。调q Nd:YAG泵浦染料激光器就是这种激光源的一个例子。PLIF技术的核心是在样本等离子体中访问感兴趣的平面。有不同的方案来实现这一目标，例如

• 利用圆柱透镜等光学器件产生激光激发光薄片，
• 利用几个线性孔(或缝)来确定一束准直光束的光照
• 使用窄带可调谐激光在某些平面内选择性地激发物种，利用吸收波长的偏移，由于多普勒效应在不断膨胀的等离子体羽流内

第一种方法是最常见的方法。

在平面中产生的荧光被成像(垂直于平面)到具有成像光学的2D CCD相机上。窄带通滤波器通常放置在这条光路中，以选择那些特定的波长，识别感兴趣的物种，同时拒绝来自其他物种的荧光和激光散射的背景。

可以推断的最重要的信息通常是确定羽流中物种的浓度及其时空演变。然而，在PLIF研究中可以确定等离子体内的温度和压力的重要信息，当与粒子成像测速(PIV)相结合时，也可以确定物种的速度和流场动力学。等离子体中研究的典型物种类型，特别是在燃烧研究中，包括OH, CH, NO, NH, CN, CO和O2自由基以及原子和离子物种中的激发。这些物质通常是等离子体固有的，但在流动动力学研究中，具有良好荧光特性的示踪材料被添加到主要流动材料中。后者的例子是酮的使用(丙酮和3-戊酮)。

使用PLIF成像的一个例子是脉冲激光沉积(PLD)[5]。PLD是一种强大的技术，用于蒸发耐火材料(金属或陶瓷)在真空或背景气体气氛中通过创造等离子体。等离子体在发生薄膜生长的基底上凝结。作为优化薄膜生长和性能的过程的一部分，研究人员对羽流中不同物种的进化特别感兴趣，并将这些特征与薄膜的性质(如薄膜化学计量学)相关联。图2显示了不同时间延迟下等离子体羽流扩张的LIF图像。

PLIF的一个主要应用领域是燃烧研究。流动动力学研究通常结合PLIF和PIV测量来表征火焰或羽流内的传输特性、湍流、温度、压力以及物种的浓度。该技术的一些特定变体被称为OH-PLIF, CH-PLIF，双光子CO-PLIF, TR-PLIF和CW-PLIF。

实验考虑和设置

图3显示了激光产生等离子体(LPP)上PLIF测量的一个例子(在Martin等人的工作之后)。[5])。这说明了脉冲激光在PLD沉积中使用的瞬态等离子体羽流的产生。该原理图显示了准分子激光入射的激光脉冲(λ=248 nm，脉冲长度约30 ns，通量约2 Jcm-2)入射到旋转目标上，产生不断膨胀的等离子体羽流。QUB组[5]研究的典型目标材料包括金属，如Ti, Mg和Al，以及用于超导薄膜的陶瓷材料，如YBaCuO。由Nd:YAG泵浦染料激光器(Lambda Physik Scanmate 2C)的准直光束产生的光片照亮了羽流的一个薄片。(激光特征为脉冲长度约5 ns，带宽FWHM约0.15 cm-1。)准直光束通过一个孔径，该孔径定义了厚度约为1毫米的薄片。由镜子和透镜组成的成像光学器件将荧光捕捉到ICCD相机上。窄带滤波器被插入到这条光路中，以拒绝背景发射和散射。

图3:用于LPP等离子体羽流PLIF测量的原理图设置。来自可调谐染料激光的光片在羽流的一层内激发物种，产生荧光(FL)，随后在2D ICCD相机上成像。在这种设置中，染料激光通过等离子体的吸收剖面也由直列线性光电二极管阵列测量(在[5]之后)。

染料激光器提供多种波长，并且是可调的。这使得激发波长的选择与所研究的物种的共振吸收跃迁相匹配。在给定波长下对激光进行微调，可以在不断膨胀的羽流中观察到多普勒效应。作为一个例子，染料激光器被调谐以访问MgI的跃迁(3¹P1 - 3¹S0)分布在285.2127 nm处，MgII (3²P1/2 - 3²S1/2)在280.2704 nm处形成，研究了低温镁LPP中的基态和中性。PLIF成像用于确定等离子体羽流中MgI中性粒子的数量密度分布;概要文件如图4所示(在[5]之后)。在这种情况下，去调谐激光(通常~300 mÅ)允许优先激发多普勒移物种横向。从吸收线形状的共振展宽估计了数密度。

图4:激光产生的镁等离子体中MgI中性种的数量密度等高线图。这些剖面是从经过羽流的飞机的PLIF图像中得到的，并对~300 mÅ的激励进行了去调谐。数密度以1x1014 cm-3为单位(见[5]的图2)。

在原理图中同样明显的是通过羽流平移照明平面的能力，从而能够建立一个3D数据集，显示基于激光脉冲范围内的时间序列的三维物种分布。

燃烧研究中使用的PLIF设置的示意图如图5所示(在Shimura et. al.[6]之后)。在这个小组的工作中，CH-PLIF和OH-PLIF同时进行。他们的工作研究了湍流预混合火焰中的局部火焰结构。与PLIF联合，他们通过样品在同一平面上进行了同时立体PIV测量，与使用CMOS相机的PLIF测量一样。OH和CH自由基分布的测量提供了火焰的结构信息。OH在燃烧的燃料中显示高浓度，允许OH- plif区分燃烧的燃料和未燃烧的混合物。相反，CH自由基是火焰前沿和反应区的特征。来自不同激光源的激发片通过火焰使用薄片成型光学形成，如图所示(薄片尺寸通常为宽200米，高30毫米)。这些光片都是重合的。

图5:在燃烧研究中同时进行CH-PLIF、OH-PLIF和立体PIV的实验设置示意图(参见Shimura et. al.[6]的图1)。PLIF测量是在ICCD相机上进行的，而PIV的测量是在CMOS相机上进行的。不同波长的激发光束通过一系列二向色镜和薄片光学器件形成平面，并与试样重合。

ICCD摄像机用于捕捉PLIF数据。对于CH-PLIF，利用准分子XeCl激光器泵浦的390.30nm染料激光输出激发390.30nm的吸收跃迁带。用ICCD (DH734-25U-03)与紫外成像透镜垂直于光片观察样品。对于OH-PLIF，波长为282.93 nm的激发由Nd-YAG泵浦染料激光器提供，ICCD摄像机从相反一侧观察光片。滤镜被放置在摄像头前，以阻挡PIV和任何其他背景中使用的示踪剂的火焰发射和散射光。这些滤光片用于CH- PLIF荧光在420 - 440 nm区域的检测，OH-PLIF荧光在306 - 320 nm区域的检测。

图6显示了燃烧研究中从PLIF测量中捕获的典型数据。这些数据来自桑迪亚国家实验室[7]的一个小组，他们使用CO-PLIF和OH-PLIF来探测湍流喷射火焰的详细结构。在这种情况下，使用双光子OH-PLIF和单光子OH-PLIF在二维上研究了:

Co + oh→co2 + h

CO-PLIF和OH-PLIF在部分混合甲烷-空气喷射火焰中的瞬时测量和反应速率如图所示。对该物种的激发由两个波长为230 nm的CO和285 nm的OH可调谐紫外激光器提供。来自火焰内被照亮平面的荧光被两个ICCD摄像机成像。使用了增强器的门控(在本例中为400ns)，以协助拒绝火焰排放以及摄像机前的窄带滤波器。

结论

图6:使用OH-PLIF和CO_PLIF成像来研究火焰[7]内湍流结构的示例。

介绍了PLIF技术诊断等离子体的概述，并举例说明了PLD和燃烧研究。参考了基本技术的许多具体变化，如CO-PLIF, CH-PLIF和双光子PLIF。成功测量所需的主要组件包括可调谐脉冲激光器，光片形成光学，增强CCD和/或快速帧率CMOS相机，以及同步单元。在一些高端相机中，同步单元是相机的一个组成部分。

PLIF成功测量的关键是能够测量高帧率(>10 Hz)的高灵敏度图像，并在几百纳秒的短时间窗口内进行测量。新型增强型sCMOS (ICMOS)相机是此类测量的理想工具，具有比传统iccd更快的帧速率、同步和门控功能以及所需的高灵敏度。这使得更快的帧速率能够匹配更高的重复频率激发激光器。与此功能相关的是强化sCMOS摄像机能够拍摄许多PIV测量所需的高时间分辨率的双图像。PIV是一种经常与PLIF结合使用的技术，用于进化分子物种的流动动力学研究，例如燃烧过程。

确认

由JH Frank博士和RJ Sigurdsson博士等不同小组提供的信息和图像。，以及耶鲁大学的MG Long教授和SA Kaiser博士，均获衷心致谢。

参考文献

1. Seitzman, JM和Hanson RK(1993)气体中的平面荧光成像:燃烧流动的实验方法。学术出版社，伦敦，第405-466页。ISBN 0-12-683920-4
2. Hanson, RK(1987)燃烧诊断:平面流场成像…，第二十一次国际燃烧研讨会，燃烧研究所，匹兹堡，宾夕法尼亚州，第1677-1691页。
3. Eckbreth A C，燃烧温度和物种的激光诊断，算盘出版社，肯特。
4. Kychakoff G, Howe R, Hanson R, Drake M, Pitz R, Lapp M, Penney C.(1984)平面激光诱导荧光的湍流火焰前沿可视化，科学，vol. 224, No. 4647, pp. 382-284
5. Martin GW, Doyle LA, Al-Khateeb A, Weaver I, Riley D, Lamb MJ, Morrow T, Lewis CLS(1998)低温激光烧蚀镁等离子体羽流中的三维数密度映射。应用表面科学，127-129,pp 710-715
6. Masayasu Shimura, Takashi Ueda, kyung - min Choi, Mamoru Tanahashi, Toshio Miyauchi(2011)甲烷-空气湍流预混火焰中同时双平面CH PLIF，单平面OH PLIF和双平面立体PIV测量。燃烧学报33,pp775-782
7. Frank JH, Kaiser SA，和Long MB(2002)湍流甲烷/空气喷射火焰中的反应速率，混合物馏分和温度成像。Proc,燃烧。Inst.， 29, pp 2687-2694