水中雷射誘導氣泡和衝擊波的 X 射線閃光成像

研究人員透過強聚焦雷射在高壓水中產生微小氣泡。 在這些條件下，氣泡以超音速膨脹並推動由高度壓縮的水球殼組成的衝擊波。 由哥廷根大學領導的研究小組與德國電子同步加速器 (DESY) 和歐洲 X 射線自由電子雷射 (European XFEL) 一起使用了一種涉及全息閃光成像和奈米聚焦 X 射線雷射脈衝的創新技術。 該研究發表於自然通訊。

團隊最初創建透過將紅外線雷射脈衝聚焦在水中以產生空化，半徑為千分之幾毫米，這是一種在液體中形成充滿蒸汽的小空腔（即氣泡）的現象。 研究人員透過同步但仔細控制的延遲 X 射線脈衝觀察了膨脹的氣泡。

「相較之下折射和散射使圖像變得模糊，而 X 射線成像不僅可以解析氣泡的形狀，還可以解析氣泡和衝擊波內部的密度分佈。 「這使我們能夠生成微小氣泡的X 射線全像圖，並記錄包含數千個事件的大型數據流，然後我們通過專門設計的'解碼算法'對其進行分析，以獲得氣體的密度。在氣泡及其周圍的衝擊波中。在產生效果的播種雷射脈衝和測量效果的 X 射線脈衝之間，團隊可以錄製該過程的影片。

他的實驗結果已經挑戰了當前的科學理解，並將幫助其他科學家開發更好的模型。 哥廷根大學X 射線物理學教授 Tim Salditt 教授解釋：「儘管水是地球上最重要的液體，但關於這種神秘且難以捉摸的物質，仍有很多東西需要了解。

這項研究技術為其他應用中的相關過程提供了見解：「例如，在泵浦或螺旋槳的流體中，空化可能是一種不良影響，但它可以用於材料的雷射加工或修改”，哥廷根大學物理學院多年研究空化現象的專家 Robert Mettin 博士解釋。

「在雷射手術中，透過雷射脈衝在組織中故意產生衝擊波和壓縮氣體的微小氣泡，」薩爾迪特補充道。 “未來，可以使用我們開發的方法，在微觀水平和高時間分辨率下詳細‘拍攝’這些過程。”