Fluorescența indusă de laser

Fluorescența indusă cu laser este o metodă de diagnostic cu laser utilizat în principal pentru caracterizarea fluidelor de curgere. De asemenea, este utilizat în chimia analitică pentru determinarea urmelor. Principalul avantaj constă în faptul că este o metodă neintruzivă, ceea ce înseamnă că este adesea utilizată pentru cercetarea arderii pentru măsurarea câmpurilor de temperatură într-o flacără sau în picături de combustibil.

În plus față de un volum mic de măsurare (câteva ), această tehnică are o rezoluție temporală semnificativă și o coerență spațială excelentă. Cu toate acestea, rămâne extrem de tehnic și costisitor de implementat. ${\ displaystyle \ mu m ^ {3}}$

Principiul fizic

Fluorescența indusă de laser constă în emisia spontană de fotoni de către moleculele unui trasor, în urma absorbției radiațiilor laser reglate la o tranziție a speciei care este sondată. Principiul Franck-Condon care ilustrează schimbarea lungimii de undă a intensităților de absorbție și fluorescență face posibilă, în practică, separarea radiației de excitare de radiația reemisă.

Semănat

Un trasor fluorescent este utilizat pentru a absorbi lumina laser și a o reemite într-un colector. În cazul câmpurilor de măsurare a temperaturii, cea mai comună utilizare este aceea a unui colorant organic având particularitatea de a avea o intensitate a fluorescenței dependentă de temperatură , cum ar fi rodamina B .

Achiziționarea semnalului

La ieșirea din colector, un filtru optic elimină lungimea de undă emisă de laser. Intensitatea fluorescentă dependentă de lungimea de undă rezultată este dată de relația:

${\ displaystyle I_ {f} (\ lambda) = K_ {opt} (\ lambda) \ cdot K_ {spec} (\ lambda) \ cdot V \ cdot I_ {0} \ cdot C \ cdot \ mathrm {e} ^ {\ frac {\ beta (\ lambda)} {T}}}$

Cu:

${\ displaystyle K_ {opt} ~ (\ lambda)}$ , o constantă optică,
${\ displaystyle K_ {spec} ~ (\ lambda)}$ , o constantă dependentă de proprietățile spectroscopice ale trasorului fluorescent din solvent,
$V$ , volumul de detectare,
${\ displaystyle I_ {0}}$ , intensitatea laserului,
$VS$ , concentrația moleculară a trasorului,
$T$ , temperatura,
termenul cuprinzând dependența de temperatură a intensității fluorescenței la lungimea de undă . ${\ displaystyle \ beta ~ (\ lambda)}$ $\ lambda$

Strategia de măsurare se bazează pe detectarea fluorescenței pe două benzi spectrale distincte. Această metodă face posibilă depășirea dependenței semnalului de volumul de măsurare și de concentrația trasorului. Într-adevăr, acești doi termeni variază în funcție de parametrii inerenți măsurării.

Un splitter de fascicul oferă acces la două benzi spectrale. Integrarea pe întreaga bandă (între cele două capete 1 și 2) permite calcularea intensității fluorescenței : ${\ displaystyle I_ {f}}$

Pentru banda spectrală i,

${\ displaystyle I_ {fi} = \ int _ {\ lambda i_ {1}} ^ {\ lambda i_ {2}} I_ {f} (\ lambda) d \ lambda}$

${\ displaystyle I_ {fi} = \ int _ {\ lambda i_ {1}} ^ {\ lambda i_ {2}} K_ {opt} (\ lambda) \ cdot K_ {spec} (\ lambda) \ cdot V \ cdot I_ {0} \ cdot C \ cdot \ mathrm {e} ^ {\ frac {\ beta (\ lambda)} {T}} d \ lambda}$

${\ displaystyle I_ {fi} = K_ {opt (i)} \ cdot K_ {spec (i)} \ cdot V \ cdot I_ {0} \ cdot C \ cdot \ mathrm {e} ^ {{\ frac {a_ {i}} {T ^ {2}}} + {\ frac {b_ {i}} {T}}}}$

Pentru banda spectrală j,

${\ displaystyle I_ {fj} = \ int _ {\ lambda j_ {1}} ^ {\ lambda j_ {2}} I_ {f} (\ lambda) d \ lambda}$

${\ displaystyle I_ {fj} = \ int _ {\ lambda j_ {1}} ^ {\ lambda j_ {2}} K_ {opt} (\ lambda) \ cdot K_ {spec} (\ lambda) \ cdot V \ cdot I_ {0} \ cdot C \ cdot \ mathrm {e} ^ {\ frac {\ beta (\ lambda)} {T}} d \ lambda}$

${\ displaystyle I_ {fj} = K_ {opt (j)} \ cdot K_ {spec (j)} \ cdot V \ cdot I_ {0} \ cdot C \ cdot \ mathrm {e} ^ {{\ frac {a_ {j}} {T ^ {2}}} + {\ frac {b_ {j}} {T}}}}$

Raportul intensităților fluorescente ale celor două benzi spectrale este dat de:

${\ displaystyle R_ {f} = {\ frac {I_ {fi}} {I_ {fj}}} = {\ frac {K_ {opt (i)}} {K_ {opt (j)}}} \ cdot { \ frac {K_ {spec (i)}} {K_ {spec (j)}}} \ cdot \ mathrm {e} ^ {{\ frac {a_ {i} -a_ {j}} {T ^ {2} }} + {\ frac {b_ {i} -b_ {j}} {T}}}}$

Cu:

${\ displaystyle K_ {opt}}$ și , constantele optice și spectroscopice legate de benzile spectrale, ${\ displaystyle K_ {spec}}$
$la$ și , coeficienții de sensibilitate la temperatură pentru fiecare bandă spectrală. $b$

Este interesant de observat că acest raport este complet independent de volumele de excitație și detectare. De asemenea, este posibil să folosiți un termen în exponențialul en în loc de termenul en . Alegerea face posibilă rafinarea dependenței de temperatură în calculul intensităților fluorescente. ${\ frac {1} {T}}$ ${\ displaystyle {\ frac {1} {T ^ {2}}}}$

Note și referințe

C. Lacour, Stabilitatea flăcărilor laminare parțial premixate , teza Institutului Național de Științe Aplicate din Rouen,2006
P. Lavieille, F. Lemoine, G. Lavergne, M. Lebouché, „ Evaporarea și arderea măsurătorilor temperaturii picăturilor utilizând fluorescența indusă cu laser în două culori ”, Experimente în fluide , vol. 31,2001, p. 45-55
F. Lemoine, Metrologie fluidă și termică - Tehnica laser , Școala Națională de Electricitate și Mecanică, 2008-2009