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Light Adv. Manuf. | 校正液滴表面动态影响的实时自适应光学系统

撰稿：刘子维

流体流动对许多技术工艺的效率和质量有重要影响，特别是在电子制造和涂层应用中，液膜和液滴的动力学至关重要。薄膜流动用于生产具有特定要求的表面或屏障，如均匀的厚度和受控的颗粒沉积。然而，由于液体分布不均或薄膜流动中的波动，最终的薄膜厚度往往不稳定，可能导致波纹和液珠等缺陷，进而影响涂层质量。
为了更好地控制这些现象，需要更精确的模型来预测液滴和薄膜流动的行为。然而，多相流的模拟和测量非常复杂，尤其是准确描述液气边界的行为。微米尺度下的流体测量也很困难，特别是在液气边界波动时，光学测量会受到折射率变化的影响，导致图像失真和测量误差。
成像技术通常用于流体测量，但在多相流中，液气边界的波动会增加动态像差，影响准确性。这类问题在涂层、清洁过程和燃料电池的水管理中都很常见。虽然使用透明表面可以改善光学测量，但这往往会改变流动特性，因此在某些情况下并不实用。当前，如何精确测量多相流仍然是一个重大挑战。
在本文中，德累斯顿工业大学Clemens Bisling等人研究者开发了一种基于自适应光学的新方法，可以实时校正动态畸变，从而减少测量不确定性。
案例研究表明，该系统成功校正了由随时间变化的水-空气界面处光的折射引起的流场测量误差。自适应光学系统由具有快速稳定时间的可变形镜、波前传感器和低延迟电子控制单元组成。利用双螺旋点扩展函数和高速摄像机实现三维显微镜。从长远来看，该系统可以为更深入地了解水滴分离机制铺平道路，可能有助于提高燃料电池的效率都有帮助。

该成果以Adaptive-optical 3D microscopy for microfluidic multiphase flows为题发表在Light: Advanced Manufacturing。

首先，介绍了光学装置和闭环控制的概念。与LCoS SLM（仅针对一个偏振方向）相比，定制的相位掩模将光效率提高了2.5倍，使得测量帧速率达到800Hz。接着，推导了一个数学模型，该模型描述了Hartmann-Shack传感器如何根据相边界和镜面形状进行测量。模型显示，要估计相边界的斜率，仅需要光学放大倍数及气态和液态介质的折射率。
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图1：简化自适应光学成像装置
随后，将波前传感器的测量数据分解为水-空气表面的波动和平坦部分，并使用正交泽尔尼克多项式来表征液滴运动。结果表明，动态像差主要由相边界的倾斜运动引起，原因是水波的尺寸相对于波前传感器的视场较大。这一发现表明，将来可以通过使用快速转向镜代替可变形镜，简化设备并降低成本。
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图2：50 µl 液滴的哈特曼图
接着，使用固定的荧光粒子，对气体扩散层（GDL）基板上50 µl液滴的自适应光学校正效果进行了验证。结果显示，在第一特征频率下，波动界面导致的不确定性降低了58.5%。
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图3：用于表征自适应光学校正性能的实验装置草图
最后，讨论了动态像差对流量测量的影响，发现水-空气界面的折射变化会导致流量振荡幅度的低估。自适应光学系统成功减少了这种低估，实现了对第一特征模式流量的准确测量。由于第一特征频率对液滴分离至关重要，精确测量这一频率是提升液滴运动模型精度的关键。
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图4：对GDL 和其上方约1 毫米处的第一特征频率的流场进行相位平均测量
总结与展望
本文介绍了一种基于自适应光学的解决方案，旨在减少多相流中由于液气界面波动引起的动态像差，从而降低光流测量中的不确定性。目前没有其他用于通过波动界面进行流量测量的校正技术，因此该技术具有发现新流体力学理解的巨大潜力，在未来的工作中，可将自适应光学校正应用于其他测量对象，如气泡或薄膜流。此外，还可校正范围将扩大，以便可以测量相边界的轴向位移。

论文信息

Clemens Bilsing, Erik Nützenadel, Sebastian Burgmann, Jürgen Czarske, Lars Büttner. Adaptive-optical 3D microscopy for microfluidic multiphase flows[J]. Light: Advanced Manufacturing 5, 37(2024). doi: 10.37188/lam.2024.037
https://doi.org/10.37188/lam.2024.037

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