水中激光诱导气泡和冲击波的X射线闪光成像

每个人都熟悉在波光粼粼的水中轻轻升起的小气泡。但是在欧洲X射线自由电子激光器(European XFEL)的材料成像和动力学(MID)仪器上进行的一项实验中，由强聚焦激光器产生的气泡要小十倍，所含水蒸气的压力要高约十万倍。在这些条件下，气泡以超音速膨胀，并将由高度压缩的水的球形外壳组成的冲击波推到自己前面。现在，哥廷根大学领导的研究小组与德国电子同步加速器(DESY)和欧洲XFEL一起，创造了这样一个事件，然后，利用他们开发的全息闪光成像和纳米聚焦X射线激光脉冲的创新技术，捕获了数据和图像。这项研究发表在《自然通讯》上。

在欧洲XFEL的材料成像和动力学(MID)仪器上进行的实验中产生的气泡和高压冲击波的全息 "电影”

一个红外激光脉冲(显示为暗红色的振荡波)被紧密地聚焦在纯水中，在那里形成了等离子体(绿色云);冲击波和气泡(两个半球)随之产生。用麦克风记录的声信号用来确定沉积的能量，发散的x射线束(紫色锥)用来成像由探测器捕获的全息图。照片:马库斯Osterhoff

该研究小组首先通过在水中聚焦红外激光脉冲来创造 "空化"(一种在液体中形成充满蒸汽的小空腔，即气泡的现象)，从而创造出半径为千分之几毫米的小气泡。研究人员用同步但仔细控制的延迟X射线脉冲观察膨胀的气泡。"哥廷根大学的博士生、该出版物的主要作者Malte Vassholz解释说："与可见光相比，折射和散射模糊了图像，X射线成像不仅能分辨出形状，还能分辨出气泡和冲击波内部的密度曲线。Vassholz接着说："这使我们能够生成微小气泡的X射线全息图，并记录下有成千上万个事件的大型数据流，然后我们通过专门设计的'解码算法'进行分析，以获得气泡中的气体密度和它周围的冲击波。" 由于在产生效应的播种激光脉冲和测量它的X射线脉冲之间有很好的时间延迟控制，该团队随后可以记录这一过程的'电影'。

这项实验的结果已经挑战了当前的科学理解，并将帮助其他科学家开发更好的模型。哥廷根大学X射线物理学教授蒂姆-萨尔迪特解释说："尽管水是地球上最重要的液体，但对这种神秘而难以捉摸的物质仍有许多东西需要了解。由于欧洲XFEL产生的X射线激光辐射的独特特性，以及我们新的单次全息方法，我们现在可以观察到在极端条件下蒸汽和液体水的真实情况。" 负责MID仪器的主要科学家Anders Madsen补充说："特别是，当必须穿透几毫米的水时，具有高光子能量的强X射线脉冲的可用性为MID的成像技术提供了独特的可能性。"

该研究技术为其他应用相关的过程提供了见解。哥廷根大学物理系研究空化现象多年的专家罗伯特-梅廷博士解释说："例如，在泵或螺旋桨的流体中，空化可能是一种不受欢迎的效果，但它可以被利用于材料的激光加工或改变化学反应，"。"在激光手术中，通过激光脉冲，有意在组织中产生冲击波和压缩气体的微小气泡，"萨尔迪特补充说。"未来，这种过程可以被详细地'拍摄'下来，使用我们已经开发的方法，在微观层面和高时间分辨率上。