來自隆德大學(xué)（Lund University）的研究團(tuán)隊使用雙光子激光誘導(dǎo)熒光影像技術(shù)記錄X射線的吸收進(jìn)行觀察和量化原子的噴霧過程。高對比度的熒光照片可以提供非常驚喜的噴霧結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息和最大程度的減少了自多個光源散射所造成的模糊。而且X射線影像則可以對液相是如何分布的進(jìn)行定量。汽車交通工具，輪船和飛機(jī)的引擎中液態(tài)燃油的噴霧是很難使用常規(guī)的光照來進(jìn)行可視化的觀察的，這是因為成百上千的小液滴使得光在各個方向上進(jìn)行散射。

實驗裝置的示意圖

圖解：一個X射線相機(jī)來探測傳播的X射線，而此時CMOS相機(jī)同時記錄自雙光子激發(fā)源產(chǎn)生的熒光

噴霧過程中液體的量可以通過探測X射線穿過通過液體的量來進(jìn)行測量。然而，這一辦法的測量只能通過大量的同步加速器來產(chǎn)生X射線，而這些同步加速器在世界范圍內(nèi)只有少數(shù)的裝置能夠滿足。研究人員通過發(fā)展一個桌面型的激光-等離子體加速器來產(chǎn)生X射線來定制產(chǎn)生高分辨率，時間分辨率的X射線影像來克服這一障礙。

影像的結(jié)果及其對比

在激光-等離子體加速器中，X射線的產(chǎn)生是通過聚焦的強(qiáng)烈的飛秒激光脈沖進(jìn)入到氣體或者預(yù)制等離子體中實現(xiàn)的。研究人員同時使用這些飛秒激光脈沖來實現(xiàn)雙光子熒光影像。

來自隆德大學(xué)的研究人員發(fā)展了一個影像技術(shù)，可以提供前所未有的原子霧化的影像，原子霧化主要是指液體燃料燃燒之前的一個霧化過程。圖片（自左邊開始）分別為 Kristoffer Svendsen博士生，博士后研究人員Diego Guénot，燃油燃燒研究小組的負(fù)責(zé)人Edouard Berrocal，原子物理研究小組的負(fù)責(zé)人Olle Lund以及博士生Jonas Bjrklund Svensson。

盡管他們的體積比同步加速器要小，新的激光加速器產(chǎn)生的X射線剛好處于液體和吸收的能量范圍，可以使用飛秒脈沖進(jìn)行傳輸，并優(yōu)雅的將噴霧的動態(tài)圖像捕捉下來，研究人員 Olle Lundh 說到，同時，X射線通量足夠高以至于可以在大面積的區(qū)域產(chǎn)生較好的信號。

研究人員使用一個800 mJ的激光脈沖，脈沖持續(xù)時間38 fs 來產(chǎn)生一個X射線光束，可以得到汽車加油嘴產(chǎn)生的水射流所投射的影像。高對比度的熒光影像的結(jié)果可以提供噴霧結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息，且由于散射所造成的模糊非常少，同時結(jié)合液體的質(zhì)量可以從X射線影像中進(jìn)行提取。

相對大的區(qū)域的雙光子影像需要更高的能量，更短的激光脈沖，研究人員Edouard Berrocal說到，我們使用一個強(qiáng)烈的飛秒激光脈沖來產(chǎn)生X射線這一事實意味著我們可以同時實現(xiàn)X射線和雙光子熒光影像，依據(jù)Berrocal的結(jié)果，同時使用這兩種影像形態(tài)在較大的視場范圍內(nèi)進(jìn)行影像觀察在以前從來沒有實現(xiàn)過。

為了測試這一技術(shù)的有效性，研究人員利用產(chǎn)生的X射線和在X射線相機(jī)前放置噴霧進(jìn)行測試。當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)噴霧可以清晰采用這一方法觀察到的時候，研究人員修改了實驗裝置并增加了2個雙光子影像組件。使用這一組合的技術(shù)可以獲得汽車燃油噴射器所產(chǎn)生的水射流噴霧的圖像，且測量結(jié)果高度敏感，同時這一靈敏度是通過巨大的同步輻射X射線源所不能比擬的。

這一影像技術(shù)將使得研究噴霧會變得更加簡單，不管是對科學(xué)研究還是工業(yè)應(yīng)用開發(fā)均非常有用，這是因為他們將會使得實驗得以實施，不僅可以在為數(shù)不多的同步加速器的設(shè)施中進(jìn)行實施，也可以 通過全世界范圍內(nèi)的種類繁多的激光-等離子體加速器實驗室中實現(xiàn)，研究人員Diego Guénot說到。

研究人員計劃將這一技術(shù)拓展到獲得噴霧過程中的3D影像中，并研究他們是如何隨著時間而演變的。他們同時打算將這一技術(shù)應(yīng)用到更富挑戰(zhàn)性的噴霧中，諸如生物柴油或乙醇直噴中，以及用于燃?xì)廨啓C(jī)葉片的噴霧系統(tǒng)中。在不久的將來，新的辦法將會應(yīng)用于表征噴霧和幫助科學(xué)家更好的理解液體霧化的物理本質(zhì)。

這一研究成果發(fā)表在期刊《Optica》上。

文章來源：Simultaneous laser-driven x-ray and two-photon fluorescence imaging of atomizing sprays，D. Guénot, K. Svendsen, J. Bjrklund Svensson, H. Ekerfelt, A. Persson, O. Lundh, and E. Berrocal，Optica Vol. 7, Issue 2, pp. 131-134 (2020)