Schnellste Laserkamera der Welt filmt Verbrennung in Echtzeit

Durch die Beleuchtung einer Probe­nober­fläche mit kurzen Laser­impulsen ist es möglich, Sequenzen von verschiedenen chemischen und physikalischen Reaktionen zu filmen. Ein Forscherteam aus Schweden, den USA und Deutschland hat jetzt die weltweit schnellste Single-Shot-Laserkamera entwickelt: Mit einer Rekord­geschwin­dig­keit von 12,5 Milliarden Bildern pro Sekunde ist sie über tausend Mal schneller ist als die bislang modernsten Geräte zur Verbrennungs­diagnostik. Das Verfahren hat nach Ansicht der Wissen­schaftler eine große Bedeutung insbesondere für die Untersuchung der sehr schnellen Verbrennung von Kohlen­wasser­stoffen.

„Je mehr Bilder aufgenommen werden, desto genauer können wir den Verlauf der Ereignisse verfolgen. Bei der Verbrennung von Kohlen­wasser­stoff-Kraft­stoffen entstehen nanogroße Rußpartikel und umwelt­ge­fährdende poly­zyklische aromatische Kohlen­wasser­stoffe“, erläutert Yogeshwar Nath Mishra von der Universität Göteborg. Rußpartikel und aromatische Kohlen­wasser­stoffe sind während einer Verbrennung extrem kurzlebig mit einer Lebensdauer von wenigen Nanosekunden. Die Untersuchung der Verbrennung erfordert daher ultra­schnelle Methoden.

„Früher gab es Probleme, wenn die Kamera auf einige Millionen Bilder pro Sekunde beschränkt war. Um zwei­dimen­sionale Bilder verschiedener Verbrennungs­arten zu erzeugen, waren wiederholte Laserpulse erforderlich, was sich auf die Verbrennungs­temperatur auswirkt, wenn der Laser Energie zuführt“, sagt Mishra.

Die von dem Team entwickelte Laserkamera nimmt ein voll­ständiges Bild mit einem einzigen Laserpuls auf. Die Bildge­schwin­dig­keit von bis zu 12,5 Milliarden Bildern pro Sekunde lässt sich leicht anpassen, um alle Arten von laser­indu­zierten Signalen während der gesamten Lebensdauer der Teilchen zu beobachten. Die möglichen Anwendungen gehen nach Ansicht der Wissen­schaftler weit über die Verbrennungsforschung hinaus. Das Verfahren lasse sich in Physik, Chemie, Biologie und Medizin sowie in der Energie- und Umwelt­forschung ein­setzen.

Schwedischer Forschungsrat / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Y. N. Mishra et al.: Single-pulse real-time Billion-frames-per-second planar imaging of ultrafast nanoparticle-laser dynamics and temperature in flames, Light: Sci. & Appl. 12, 47 (2023); DOI: 10.1038/s41377-023-01095-5
• Laser Spectroscopy, Dept. Physik, Universität Göteborg, Schweden