CN103063640A - 一种激光诱导荧光燃烧场参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光诱导荧光燃烧场参数测量装置，包括光源系统和探测系统，其中光源系统包括激光器（5）和沿激光传输方向依次布置的光纤耦合透镜（1）、整形光纤束（2），球面透镜（3）和柱面透镜（4），所述整形光纤束（2）入射端面的光纤排布截面与激光器（5）光束截面相匹配，整形光纤束（2）的出射端面排布为线状，且柱面透镜（4）的柱面中心线与整形光纤束（2）出射端面的光纤排布线相平行。本发明实现了光束传播方向的一段区域内光强均匀的片状光束，满足了平面激光诱导技术实现燃烧流场二维参数测量的需求，同时满足了强震动、强噪声冲击环境下的燃烧流场参数的测量，提高了系统的环境适应性。

Description

一种激光诱导荧光燃烧场参数测量装置

技术领域

本发明属于光学测量领域，特别是一种燃烧流场参数测量的激光诊断装置。

背景技术

激光诱导荧光技术是流场诊断中一种较为先进的测量技术，其基本原理为：处于基态的分子通过共振吸收相应能量的光子后，跃迁至激发态，然后在向下跃迁的同时辐射荧光。

荧光信号的强度可由公式（1）表示：

I_LIF=cnI_LΦ    （1)

其中，c表示比例系数，n为所探测粒子在基态特定能级上的粒子数，I_L表示激励激光的强度，φ表示荧光的量子效率。

由上式可知，荧光信号强度与被测组分的分子数密度成正比，因此通过测量荧光信号强度及其分布即可获得被测组分的密度分布。该技术具有很高的探测灵敏度，自诞生之日起，就一直是激光燃烧诊断领域的研究热点之一。

但是当应用激光诱导荧光技术开展实际燃烧场参数测量，主要面临着两个问题：

其一，难以适应环境较为恶劣的发动机试验台现场应用。精密的光学诊断系统一般需要相对洁净、安静的实验环境，但一般真实的发动机试验现场环境相对比较恶劣，存在着很强的噪音（冲击波）、振动、热等因素的干扰。尤其是发动机燃烧室附近，各种干扰更是强烈，这无疑会给复杂精密的光学诊断系统带来极大的挑战。因此，要使光学诊断系统逐渐从实验室走向发动机试验台现场，必须对现有的光学诊断系统进行改造，以提高诊断系统的可靠性、环境适应性。

其二，难以适应燃烧场的二维参数定量测量的需求。在平面激光诱导荧光测量中，由ICCD相机拍摄得到的的荧光图像包含了激励激光的二维分布信息，要想获得实际的荧光强度分布，需要消除激励激光光强分布的影响。由于在实验中实时准确获得激励激光的二维光强分布较为困难，所以实验中往往难以消除光强分布不均的激励激光对荧光强度分布的影响。如果事先通过光束匀滑，将激励激光整形为强度分布均匀的片状光束，无疑能够在有效简化实验系统的同时提高测试精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光诱导荧光燃烧场参数测量装置，克服现有测量装置中激励激光二维光强分布不均匀而导致的燃烧场二维参数测量精度不高的问题，满足强震动、强噪音冲击下燃烧场二维参数测量的需求。

本发明的技术解决方案如下：

一种激光诱导荧光燃烧场参数测量装置，包括光源系统和探测系统，其中光源系统包括激光器和沿激光传输方向依次布置的光纤耦合透镜、整形光纤束，球面透镜和柱面透镜，整形光纤束入射端面的光纤排布截面与激光器光束截面相匹配，整形光纤束的出射端面排布为线状，且柱面透镜的柱面中心线与整形光纤束出射端面的光纤排布线相平行；

探测系统包括沿探测光路依次设置的信号收集透镜、探测光纤束、耦合透镜和成像装置，信号收集透镜设置在光源系统光束出射端一段距离处，信号收集透镜的光轴垂直于柱面透镜的中心线与光源系统出射光束形成的平面。

上述燃烧场参数测量装置中，探测系统还包括在探测光路上设置的滤光片，滤光片设置在光源系统出射光束和信号收集透镜之间或者信号收集透镜和探测光纤束入射端之间。

上述燃烧场参数测量装置中，探测系统还包括在探测光路上设置的滤光片，滤光片设置在耦合透镜和成像装置之间或者耦合透镜与探测光纤束出射端之间。

上述燃烧场参数测量装置中，整形光纤束入射端面的光纤排布截面形状为正六边形、矩形、正方形、圆形或椭圆形。

上述燃烧场参数测量装置中，球面透镜有效通光口径与透镜焦点形成的张角大于或等于整形光纤束的光纤输出光束发散角，耦合透镜有效通光口径与透镜焦点形成的张角大于或等于探测光纤束的光纤输出光束发散角。

上述燃烧场参数测量装置中，整形光纤束和探测光纤束的光纤为石英光纤或红外光纤。

上述燃烧场参数测量装置中，整形光纤束和探测光纤束的光纤为多模光纤。

上述燃烧场参数测量装置中，成像装置为ICCD相机。

上述燃烧场参数测量装置中，滤光片为只对荧光信号波段高透射的窄带滤光片。

上述燃烧场参数测量装置中，探测光纤束的输入端和输出端光纤均为近似圆形排布。

本发明具有以下的有益效果：

1、本发明在光源系统和探测系统中均采用光纤束实现了光束的传输，满足了强震动、强噪声冲击环境下的燃烧流场参数的测量，提高了系统的环境适应性，同时利用光纤束的可弯曲特性，方便了实验中光学系统的合理布局及与其他设备的对接。

2、本发明通过特殊结构排布的光纤束并结合柱面透镜整形，实现了光束传播方向的一段区域内光强均匀的片状光束，满足了平面激光诱导技术实现燃烧流场二维参数测量的需求。

3、本发明的光源系统能够消除光场相干的影响，产生的匀滑光束不存在干涉、衍射条纹，满足了光强均匀性要求。

4、本发明的的光源系统对输入光束的特性和参数要求较低，适用于多种形式的光源。

附图说明

图1为本发明激光诱导荧光燃烧场参数测量装置的原理示意图；

图2为本发明光源系统的主视图；

图3为本发明光源系统的俯视图；

图4为本发明光源系统中整形光纤束入射端面的光纤排布示意图；

图5为本发明光源系统中整形光纤束出射端面的光纤排布示意图；

图6为本发明匀滑整形效果照片；

附图标记如下：1-光纤耦合透镜，2-整形光纤束，3-球面透镜，4-柱面透镜，5-激光器，6-片状光束，7-信号收集透镜，8-探测光纤束，9-耦合透镜，10-成像装置，11-滤光片。

具体实施方式

如图1所示，本发明的激光诱导荧光燃烧场参数测量装置，包括光源系统和探测系统。光源系统包括激光器5和沿激光传输方向依次布置的光纤耦合透镜1、整形光纤束2、球面透镜3和柱面透镜4，其中整形光纤束2、球面透镜3和柱面透镜4主要用于将激光输出的面光斑整形为激光诱导荧光燃烧场二维参数测量用的均匀面状光束6，从而满足燃烧场二维参数测量的需求。探测系统包括沿探测光路依次设置的信号收集透镜7，探测光纤束8，耦合透镜9和成像装置10。

激光器5发出的激励激光经光纤耦合透镜1后进入到整形光纤束2中，经过光纤传输后由球面透镜3和柱面透镜4组成的整形装置对光束进行整形，并作用到探测区域，产生的荧光信号由信号收集透镜7收集，探测区域与探测光纤束8输入端相对于收集透镜满足成像关系，并耦合进光纤，荧光信号由光纤传输，再经过耦合透镜9后由成像装置10接收。

光源系统和探测系统中均采用了光纤束实现了光束的定向传输，可使光学诊断系统中的“探头”变得很小，并与激光器、探测装置等实现“软”连接，简化诊断系统的调试与维护，并易于与诊断对象实现对接，同时还可以大幅度提高诊断系统的可靠性和环境适应性，满足了强振动、强噪声实验环境下的测量。

作为一种优选方式，在探测系统中还设置了滤光片11，滤光片11可以设置在光路中信号收集透镜7的前、后或者是耦合透镜9的前、后四个位置中任意一个地方，滤光片11选用为只对荧光信号波段高透射的窄带滤光片，滤光片11可以过滤掉激光、燃烧火焰辐射光，从而降低了测量信号的背景噪声，实现了微弱光信号的测量。

如图2和图3所示的光源系统，激光器5输出光束经光纤耦合透镜1聚焦后入射至整形光纤束2，经整形光纤束2传输后依次入射至球面透镜3和柱面透镜4，进行整形。整形光纤束2入射端面的光纤排布截面与激光器5光束截面相匹配，整形光纤束2的出射端面排布为线状，且整形光纤束2出射端面光纤的排布线与柱面透镜4的柱面中心线相平行。其中柱面中心线是特指柱面透镜的圆柱面被横截为若干个圆或半圆时，若干个圆或半圆曲率中心的连线。由于柱面透镜4只对柱面中心线方向的光束进行缩束（见图3），而对柱面中心线垂直方向的光束无影响（见图2），这样在出射光轴方向上就形成一个均匀片状光束6，且片状光束6所在的平面与整形光纤束2出射端面的光纤排布线相平行。信号收集透镜7设置在光源系统光束出射端一段距离处，其光轴垂直于柱面透镜4的柱面中心线与光源系统出射光束形成的平面，也就是垂直于球面透镜3的出射光轴。

如图4和图5所示，整形光纤束2入射端面的光纤排布截面与被整形面光源相匹配，可以是正六边形、矩形、正方形、圆形或椭圆形。光纤束的两端安装有光纤接头，光纤排布截面的形状依靠光纤接头上孔的形状和光纤排布位置而定。光束匀滑由单根光纤匀滑和光纤束匀滑共同完成，就单根多模光纤而言，激光在光纤内传输时，不同角度入射的激光会经过不同次数的反射，传输到输出口叠加混合后获得均匀光束。光纤束由多根光纤组成，能够将原始的面光束分割成多个点光源，经过光纤传输后，每根光纤的出射光束在空间上相互重合，进一步实现光束匀滑。光纤束的出射端面排布为线状，且柱面透镜4的柱面中心线与光纤束出射端面的光纤排布线相平行，见图2。这种匀滑整形装置能够消除光场相干的影响，匀滑后的光束不存在干涉、衍射条纹，此外匀滑整形装置可使得光束传播方向的一段区域内均可产生均匀的片状光束6。

作为一种优选方式，球面透镜3有效通光口径与透镜焦点形成的张角大于或等于整形光纤束2的光纤输出光束发散角；耦合透镜9有效通光口径与透镜焦点形成的张角大于或等于探测光纤束8的光纤输出光束发散角，这样光纤束接收的入射光为聚焦后的光斑，匀滑的效果会更好。图6为采用光束质量分析仪（LBA）进行了测量结果，可见该装置可以获得较好的匀滑效果。

下面给出具体实施例：利用激光诱导荧光技术探测燃烧场中的OH二维分布，实验系统如图1所示。YAG泵浦的可调谐染料激光经倍频后作为激励激光，波长282nm，能量约5mJ。激励激光经光纤耦合透镜1后进入整形光纤束2，整形光纤束2为石英光纤束，包含61根光纤，每根光纤的芯径200微米，长度2米。整形光纤束2输入端采用近圆形排布，输出端采用线性排布。激光束经光纤输出后由球面透镜3准直，然后由柱面透镜4压缩，在探测区域形成均匀的片状光束6。通过调谐激光波长，使火焰中的OH共振吸收激光并产生波长为310nm附近的荧光。所产生的二维荧光图像由信号收集透镜7收集，以成像方式耦合到探测光纤束8中。探测光纤束8由225根光纤组成，并以15×15方形排布，用于传输荧光图像，长度2米。滤光片11为UG5型或WG305型窄带滤光片，成像装置10采用ICCD相机。

利用该激光诱导荧光装置可以获得火焰中OH的二维荧光图像，并获得相应OH的密度及火焰温度二维分布信息。

Claims (9)

1.一种激光诱导荧光燃烧场参数测量装置，包括光源系统和探测系统，其特征在于：

所述的光源系统包括激光器（5）和沿激光传输方向依次布置的光纤耦合透镜（1）、整形光纤束（2），球面透镜（3）和柱面透镜（4），所述整形光纤束（2）入射端面的光纤排布截面与激光器（5）光束截面相匹配，整形光纤束（2）的出射端面排布为线状，且柱面透镜（4）的柱面中心线与整形光纤束（2）出射端面的光纤排布线相平行；

所述的探测系统包括沿探测光路依次设置的信号收集透镜（7）、探测光纤束（8）、耦合透镜（9）和成像装置（10），所述信号收集透镜（7）设置在光源系统光束出射端一段距离处，所述信号收集透镜（7）的光轴垂直于球面透镜（3）的出射光轴。

2.根据权利要求1所述的激光诱导荧光燃烧场参数测量装置，其特征在于：所述的整形光纤束（2）入射端面的光纤排布截面形状为正六边形、矩形、正方形、圆形或椭圆形。

3.根据权利要求1或2所述的激光诱导荧光燃烧场参数测量装置，其特征在于：所述球面透镜（3）有效通光口径与透镜焦点形成的张角大于或等于整形光纤束（2）的光纤输出光束发散角，所述的耦合透镜（9）有效通光口径与透镜焦点形成的张角大于或等于探测光纤束（8）的光纤输出光束发散角。

4.根据权利要求3所述的激光诱导荧光燃烧场参数测量装置，其特征在于：所述的探测系统还包括在探测光路上设置的滤光片（11），所述的滤光片（11）设置在光源系统出射光束和信号收集透镜（7）之间或者信号收集透镜（7）和探测光纤束（8）入射端之间或者耦合透镜（9）和成像装置（10）之间或者耦合透镜（9）与探测光纤束（8）出射端之间。

5.根据权利要求4所述的激光诱导荧光燃烧场参数测量装置，其特征在于：所述的滤光片（11）为只对荧光信号波段高透射的窄带滤光片。

6.根据权利要求4所述的激光诱导荧光燃烧场参数测量装置，其特征在于：所述整形光纤束（2）和探测光纤束（8）的光纤为石英光纤或红外光纤。

7.根据权利要求6所述的激光诱导荧光燃烧场参数测量装置，其特征在于：所述整形光纤束（2）和探测光纤束（8）的光纤为多模光纤。

8.根据权利要求7所述的激光诱导荧光燃烧场参数测量装置，其特征在于：所述的成像装置（10）为ICCD相机。

9.根据权利要求4所述的激光诱导荧光燃烧场参数测量装置，其特征在于：所述的探测光纤束（8）的输入端和输出端光纤均为近似圆形排布。

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