應用分享|超連續譜激光器如何助力分析和預測天氣？

我們(men) 的日常經驗表明，當寒流在下降時暖流在上升。這種*的物理現象簡單的描述了熱對流過程的原理，這樣的過程不僅(jin) 出現在自然界中也同樣出現在技術應用裏。在自然界裏，地球大氣內(nei) 部的溫差會(hui) 引起的湍流對流，其特征是無特征且混沌的空氣運動，這使得預測連續幾天的天氣變得困難。

近年來，出現了很多顯著大規模和長時間對流模式存在的報道[1]，[2]。這些所謂的上層結構主宰著未來的熱量和質量轉移，並可能導致氣流的很大波動。這些上層結構是否有助於(yu) 特殊天氣情況？這仍然知之甚少。

在德國伊爾默瑙理工大學熱力學和流體(ti) 力學研究所，科學家們(men) 正在研究熱驅動流。該小組通過使用數值模擬和實驗方法研究了，在這些流動中演化出的大量模式和旋渦的大小和動力學參量。

The Rayleigh-Bénard cell（瑞利-伯納德裝置）經常被用於(yu) 實驗。該模型實驗讓科學家通過分別加熱和冷卻頂部和底部的板層，在邊界條件下引發熱對流。如果兩(liang) 塊板之間出現高溫差，則在裝置內(nei) 部會(hui) 形成湍流，這樣在時間和空間則表現出與(yu) 地球大氣流動相似的特性。

除了數值模擬，該小組還進行了實驗以獲取有關(guan) 上層結構的起源和動力學的詳細信息。為(wei) 了確定它們(men) 對熱量和質量傳(chuan) 遞的影響，同時測量速度和溫度分布。為(wei) 此，該小組使用熱致變色液晶（TLC）作為(wei) 示蹤劑顆粒。

當TLC被白光照亮時，溫度分布可以通過其顏色確定。當使用粒子圖像測速法（PIV）時，速度分布可以通過確定TLC在流體(ti) 中的運動來評估。

除了新的評估方法外，例如 基於(yu) 神經網絡[3]，超連續譜激光器的重大技術進步也促進湍流對流的實驗研究，因為(wei) 這些光源提供了很強且空間相幹的白光激光束，從(cong) 而能夠以非常高的空間分辨率同時測量溫度和速度[4]。

該小組建立了一個(ge) 由裝滿水的小圓柱狀Rayleigh-Bénard cell組成的基於(yu) 超連續譜激光SUPERK LASER的RAYLEIGH-BÉNARD對流實驗裝置實驗（請參見如下圖），用於(yu) 研究白光激光器對速度場和溫度場的即時測量。超連續譜激光器（SuperK EXTREME EXR-20，NKT Photonics）與(yu) 光學短通濾光片（SuperK SPLIT，NKT Photonics）耦合後，通過產(chan) 生500 nm的薄光層，對懸浮的TLC進行白光照明。

實驗裝置由具有懸浮熱致變色液晶（TLC）的Rayleigh-Bénard cell組成，可由超連續譜激光器產(chan) 生的薄光層照亮。一台色敏相機用於(yu) 檢測從(cong) TLC散射的光。

在下麵的畫麵中，您將看到白光激光器（SuperK EXTREME，NKT Photonics）如何從(cong) 左側(ce) 照亮懸浮在Rayleigh-Bénard cell內(nei) 水中的熱致變色液晶（R20C20W型TLC，LCR Hallcrest）。

TLC既充當示蹤劑顆粒又充當溫度傳(chuan) 感器。不但可通過應用“粒子圖像測速”（PIV）確定了粒子位移，還通過評估其反射色可獲取TLC的溫度。

需要注意的是，配色方案與(yu) 直覺相反：冷的紅色羽流下降，而熱的藍色羽流上升。

參考文獻

[1]  S. Emran, J. Schumacher, Large-scale mean patterns in turbulent convection, J. Fluid Mech. 776 (2015) 96–108.

[2]  Pandey, J.D. Scheel, J. Schumacher, Turbulent superstructures in Rayleigh-Bénard convection, Nat. Commun. 9 (2018) 2118.

[3]  Moller, C. Resagk, C. Cierpka, On the application of neural networks for temperature field measurements using thermochromic liquid crystals. Exp Fluids 61, 111 (2020).

[4]  König, S. Moller, N. Granzow, C. Cierpka, On the application of a supercontinuum white light laser for simultaneous measurements of temperature and velocity fields using thermochromic liquid crystals, Exp Therm Fluid Sci 109:109914 (2019).