來自隆德大學（Lund University）的研究團隊使用雙光子激光誘導熒光影像技術記錄X射線的吸收進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構的詳細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行定量。汽車交通工具，輪船和飛機的引擎中液態(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行散射。

實驗裝置的示意圖

圖解：一個X射線相機來探測傳播的X射線，而此時CMOS相機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)生是通過聚焦的強烈的飛秒激光脈沖進入到氣體或者預制等離子體中實現(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。

來自隆德大學的研究人員發(fā)展了一個影像技術，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責人Edouard Berrocal，原子物理研究小組的負責人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果可以提供噴霧結構的詳細信息，且由于散射所造成的模糊非常少，同時結合液體的質(zhì)量可以從X射線影像中進行提取。

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的結果，同時使用這兩種影像形態(tài)在較大的視場范圍內(nèi)進行影像觀察在以前從來沒有實現(xiàn)過。

為了測試這一技術的有效性，研究人員利用產(chǎn)生的X射線和在X射線相機前放置噴霧進行測試。當他們發(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。

這一影像技術將使得研究噴霧會變得更加簡單，不管是對科學研究還是工業(yè)應用開發(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施中進行實施，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應用到更富挑戰(zhàn)性的噴霧中，諸如生物柴油或乙醇直噴中，以及用于燃氣輪機葉片的噴霧系統(tǒng)中。在不久的將來，新的辦法將會應用于表征噴霧和幫助科學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)