激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种光学测量技术，因此是非接触的，不是非侵入性的[1]。为了研究激光诱导击穿对气体流的影响，进行了LIBS和粒子图像测速（PIV）相结合的测量。在所考虑的层流气流中，诱导速度场扰动的范围约为0.7 cm，量级可达0.9 m s-1。进一步的结果表明，将LIBS与其他测量技术或高速LIBS测量相结合，可以有效地提高测量精度，激光诱导击穿光谱（LIBS），这是一种新兴的流体诊断工具。
LIBS主要用于确定局部元素组成。近年来，它在测温方面的潜力也得到了探索。虽然LIBS是一种光学非接触技术，但它不是非侵入性的。激光诱导击穿产生声波，声波在所研究的流场中传播，影响速度分布。此外，在等离子体形成过程中，原子/离子和电子之间的分离导致了复合过程之前的短期膨胀[2]。
采用粒子图像测速法（PIV）来研究LIBS测量对流场的影响。此外，为了最大限度地减少测量误差，开发了LIBS与其他诊断方法以及高重复率LIBS相结合的方法。在第一个实验中，为了量化诱导等离子体对流场的绝对影响，LIBS激光器的光脉冲和PIV激光器的第一光脉冲同时发射。在第二个实验中，通过施加不同的延迟，第一个PIV激光脉冲在前一个LIBS激光脉冲之后开始，从而可以研究诱导等离子体对流场的影响持续时间。
如上图所示，为了量化激光诱导等离子体对流场的影响，采用直径为4.2 cm的喷嘴喷射气流作为测试流。喷嘴出口中心气流的平均速度为0.12 m s−1，由质量流量控制器控制。LIBS激光脉冲（1064 nm, 50 mJ）是由Montfort Laser所提供的激光器，LIBS激光束通过79 mm非球面会聚透镜聚焦，假设为高斯光束，然后用光纤耦合光谱仪对等离子体光发射进行了分析，在PIV激光脉冲间隔时间为500µs，重复频率为10 Hz的条件下进行PIV测量。由二氧化钛制成的示踪颗粒，平均尺寸为0.4µm，被播种到气流中。使用5.5 Mpx CMOS相机（Andor）观察颗粒。
除了诱导等离子体对射流的潜在影响外，LIBS测量还会通过重组过程的发光干扰PIV测量，导致PIV原始图像出现饱和斑，如上图(a)所示，气流的平均速度场如图(b)所示。在这里，正向y方向流动的加速是由顶部的种子流吸力引起的，导致最大速度约为0.45 m s-1。激光诱导的LIBS击穿对层流场有显著影响。在LIBS测点，明显可见径向扩展区，最大平均速度为1.2 m s-1，比在同一位置不使用LIBS脉冲时测量的平均参考速度0.3 m s-1高4倍。因此，感应速度约为0.9 m s-1。
在第二次测量中，改变LIBS和第一个PIV激光脉冲之间的延迟∆t，以确定表征LIBS击穿诱导流的时间范围的衰减时间。图 (c)和图(d)分别描绘了∆t = 50µs和∆t = 60µs延时时的平均速度场。因此，即使在60µs后，对流场的影响仍然很大。此外，还可以看到诱导激波在平均流场中的径向传播。由于激波以声速传播，因此可以通过计算激波在后续测量开始之前的传播距离来单独估计每个装置对流场的影响。
LIBS是一种新兴的流体诊断工具，例如流体种类的测定或密度/温度的测量。虽然LIBS是一种光学测量技术，但它对测量对象有影响，本文以层流为例对其进行量化。同时进行的LIBS和PIV测量表明，在诱导击穿的位置，平均速度增加了0.9 m s-1。通过击穿过程扩展引起的可测量的速度场散度来估计受影响的流动程度。流场受LIBS焦点周围0.7 cm半径范围内的影响。
此外，诱导流的衰减时间约为500µs，可以将对流场的影响降低到10%的相对速度偏差以下。对于对流场的影响可以忽略不计，所测层流的等待时间估计约为21 ms，对应于48 Hz的重复率。在高速LIBS应用中，应保持约2 kHz的最大重复频率，以获得先前击穿对流量的可忽略不计的影响。对于LIBS和PIV联合测量，建议先用两个分离的PIV激光脉冲启动测量周期，然后再发射LIBS激光脉冲，以避免LIBS诱导流对PIV测量的影响。
1. Körber M, Fellinger J, Fritsche M, Giese A, Kostourou K, Kopf D, et al. Ophthalmic surgeries on post mortem porcine eyes with picosecond ultrashort laser pulses. Frontiers in Medicine 2024; 11:1345976.
2. Vanselow C, Stöbener D, Kiefer J, Fischer A. Revealing the impact of laser-induced breakdown on a gas flow. Measurement Science and Technology 2019; 31(2):027001.
LIBS以及相关仪器
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上文实实验中所使用的Montfort纳秒激光器是激光诱导击穿实验中的优秀选择。这款小巧紧凑的激光器在可实现50mj输出的同时，重量小于2kg，并适合野外现场工作，可支持24V电压。
Montfort M-NANO-Nd:YAG采用半导体泵浦技术，无需水冷及庞大的控制系统，非常适合应用于LIBS。而除了标准定制的1064nm and 532nm款式之外，激光器其他参数可以根据客户需要定制，从输出能量到工作频率均可按照实验需求进行个性化配置。
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实验中同样也使用有一款前照式sCOMS相机，Andor的Zyla系列相机拥有高达82%QE和100fps，420/550万像素，在同性能产品中拥有高性价比。除了流体动力学领域之外，Zyla系列sCMOS相机也适用于动态X射线成像，细胞生物学，量子光学等多个热门研究i领域。
