CN103926200B - 一种cars和tdlas共线的测温装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种CARS和TDLAS共线的测温装置，包括CARS单元、TDLAS单元、输入双色镜、空间滤波片和输出双色镜。本发明采用输入双色镜与输出双色镜对TDLAS技术激光ωLD和CARS技术斯托克斯光ωs进行合束与分光，采用光束整形镜和空间滤波片对CARS技术的泵浦光ωp和斯托克斯光ωs进行合束与分光，实现了两套测量单元发射端与接收端的共用，降低了测量系统的复杂度，并避免了功率较强的ωp与ωs激光对TDLAS技术的滤波片与探测器的损坏。为温度场参数分析提供了不同时间分辨率、不同测量精度的参数，同时有利于两套测量系统之间的数据相互比对验证。
Description
技术领域
本发明涉及一种流场参数激光综合诊断系统，特别是涉及利用CARS技术与TDLAS技术联合诊断系统。
背景技术
CARS(CoherentAnti-StokesRamanScattering)技术，即相干反斯托克斯拉曼散射技术。它是一种三阶非线性激光光谱技术，即将泵浦光ωp和斯托克斯光ωs以相位匹配角的方式聚焦至探测区域，经与探测介质相互作用并以四波混频方式产生反斯托克斯光(即CARS信号)，通过测量CARS信号的强度及谱线形状来反演探测介质的温度、浓度等参数信息，CARS技术是一个单点测量技术。
图1给出了USED(Unstable-resonatorSpatiallyEnhancedDetection)CARS技术的测量光路及装置原理图。泵浦光ωp和斯托克斯光ωs以一定夹角入射至中心带孔的光束整形镜(3)，ωs激光从光束整形镜(3)中心孔穿过，ωp激光被光束整形镜(3)反射后由高斯光束变成环形光束以满足USEDCARS技术的相位匹配要求。ωs激光在ωp激光的环心与ωp平行传播至入射透镜(4)并聚焦于待测温度场(14)，产生的CARS信号和入射激光经收集透镜(5)形成平行光束到达分束片(13)，大部分ωs激光和ωp激光被反射并由吸收池吸收。CARS信号透过分束片(13)并经CARS滤光片(7)滤掉残余的ωs激光和ωp激光，然后由耦合透镜(8)聚焦进入CARS探测器(9)。
TDLAS(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)技术，即可调谐二极管激光吸收光谱技术。它是基于二极管激光器的窄线宽和波长快速调谐特性，实现对探测组分的单条或多条吸收线的扫描测量，通过分析吸收谱线的物理参数可实现探测组分的温度、组分浓度、速度等的测量，TDLAS技术测量结果是激光传播路径上的积分值。
图2给出了TDLAS技术的测量光路及装置原理图。二极管激光器发出的激光ωLD通过光纤准直器(1)准直后穿过待测温度场(14)，经TDLAS滤光片(11)滤除杂散光后由TDLAS探测器(12)接收。
CARS技术的优点是探测精度高，缺点是单点测量、测量重复频率低(约1Hz～20Hz)。TDLAS技术的优点是测量重复频率高(约kHz)，缺点是路径积分测量。目前，为了获得更为全面的探测介质参数信息，通常希望采用CARS技术与TDLAS技术联合探测方法。例如，在燃烧流场温度测量方面，一方面利用CARS技术测量流场中某些关键点的温度信息；另一方面采用TDLAS技术的高测量重复频率特性，实时监测流场的温度变化情况。但是，由于CARS技术与TDLAS技术各自光路特点的限制，两种技术的探测位置并不重合，进而限制了两种技术测量数据的比对及测量结果的分析。
发明内容
本发明就是要提供一种CARS技术与TDLAS技术共线测温装置，解决二者在联合温度测量时探测区域不一致的问题，使TDLAS技术激光穿过CARS技术的探测点，同时降低测量系统的复杂度，使二者共用发射端与接收端。
本发明创造的技术方案如下：
一种CARS和TDLAS共线的测温装置，包括CARS单元、TDLAS单元、输入双色镜、空间滤波片和输出双色镜；
所述的CARS单元包括沿主光路依次共轴设置的光束整形镜、入射透镜、收集透镜、CARS滤光片、CARS探测器，所述的光束整形镜的中心设置有小孔，并倾斜设置在主光路上，待测量温度场设置在入射透镜和收集透镜之间；
TDLAS单元包括光纤准直器、TDLAS滤光片和TDLAS探测器；
所述的输入双色镜倾斜设置在光束整形镜前的光路上，所述光纤准直器设置在输入双色镜之前，所述TDLAS的ωLD激光光束与主光路共轴，所述CARS的ωs激光由输入双色镜的反射面引入，并从光束整形镜中心孔穿过，所述CARS的ωp激光由光束整形镜的反射面引入；
所述的空间滤波片为中心镀有反射膜的介质板,所述的空间滤波片倾斜设置在收集透镜和CARS滤光片之间的主光路上，所述经过待测量温度场的ωLD光与ωs光被空间滤波片反射，ωp光和CARS信号光透过空间滤波片后，再经滤光片滤掉ωp光后，由耦合透镜耦合进CARS探测器；
所述的输出双色镜、TDLAS滤光片和TDLAS探测器依次设置在空间滤波片的反射光路上，所述的输出双色镜倾斜设置在反射光路上；所述的ωs光被输出双色镜反射后由吸收池吸收，ωLD透过输出双色镜并经TDLAS滤光片滤除杂散光后由TDLAS探测器接收。
上述CARS和TDLAS共线的测温装置中，空间滤波片的中心镀有银膜。
上述CARS和TDLAS共线的测温装置中，银膜的形状为直径φ8mm的圆形。
上述CARS和TDLAS共线的测温装置中，输入双色镜、光束整形镜、空间滤波片和输出双色镜与光路间的夹角均为45°。
上述CARS和TDLAS共线的测温装置中，光束整形镜的中心孔为φ5mm。
上述CARS和TDLAS共线的测温装置中，CARS单元的重复频率1Hz～20Hz，所述的TDLAS单元的重复频率为kHz级。
上述CARS和TDLAS共线的测温装置中，ωLD光为波长1397.8nm的连续激光，ωs光为波长607nm的脉冲激光，ωp光为波长532nm的脉冲激光。
上述CARS和TDLAS共线的测温装置中，TDLAS滤光片为带通滤光片，中心波长1400nm，带宽10nm。
上述CARS和TDLAS共线的测温装置中，CARS滤光片为短波通滤光片，在小于490nm光波段透过率大于80％，在大于520nm波段的透过率小于1％。
上述CARS和TDLAS共线的测温装置中，待测量温度场为燃烧流场。
本发明具有的有益效果如下：
1、本发明采用CARS技术与TDLAS技术激光共线传输，实现了相同区域温度参数的测量，为温度场参数分析提供了不同时间分辨率、不同测量精度的参数，同时有利于两套测量系统之间的数据相互比对验证。
2、本发明在原光路上增加输入双色镜、空间滤波片和输出双色镜，实现了两套测量单元发射端与接收端的共用，降低了测量系统的复杂度，同时避免了功率较强的ωp与ωs激光对装置中滤波片与探测器的损坏。
附图说明
附图1现有技术中USEDCARS温度测量的光路及装置原理图；
附图2现有技术中TDLAS温度测量的光路及装置原理图；
附图3本发明CARS与TDLAS共线温度测量光路及装置原理图；
附图标记如下：
1-光纤准直器，2-输入双色镜，3-光束整形镜，4-入射透镜，5-收集透镜，6-空间滤波片，7-CARS滤光片，8-耦合透镜，9-CARS探测器，10-输出双色镜，11-TDLAS滤光片，12-TDLAS探测器，13-分束片，14-待测温度场，15-主光路。
具体实施方式
本发明装置主要采用两个双色镜——输入双色镜2与输出双色镜10对TDLAS技术激光ωLD和CARS技术斯托克斯光ωs进行合束与分光，采用光束整形镜3和空间滤波片6对CARS技术的泵浦光ωp和斯托克斯光ωs进行合束与分光。
如图3所示，本发明装置主要由光纤准直器1、输入双色镜2、光束整形镜3、入射透镜4、收集透镜5、空间滤波片6、CARS滤光片7、耦合透镜8、CARS探测器9、输出双色镜10、TDLAS滤光片11、TDLAS探测器12等器件组成。其中，标号器件1至9沿主光路15即ωLD激光方向依次排列；输入双色镜2、光束整形镜3、空间滤波片6与ωLD激光成一定夹角放置，通常为45°。入射透镜4和收集透镜5为一对共焦的透镜，垂直于ωLD激光方向放置；标号器件10至12沿被空间滤波片6反射的激光方向依次排列，输出双色镜10与光轴方向呈一定夹角放置，TDLAS滤光片11和TDLAS探测器12垂直于光轴方向放置。
装置的具体工作过程为：ωLD由光纤准直器(1)发出，经输入双色镜2与ωs共线传播至中心带孔的光束整形镜3。ωLD与ωs激光从孔中心穿过，泵浦光ωp被光束整形镜3反射后由高斯光束变成环形光束。ωLD与ωs激光在泵浦光ωp的环心与ωp平行传播至入射透镜4并聚焦于待测温度场14，产生的CARS信号和入射激光经收集透镜5形成平行光束到达空间滤波片6。
ωLD与ωs激光被空间滤波片6反射，ωp激光和CARS信号透过空间滤波片6，被空间滤波片6反射的ωLD与ωs激光经输出双色镜10后，ωs激光被双色镜反射并由吸收池吸收，ωLD透过输出双色镜10并经TDLAS滤光片11滤除杂散光后由TDLAS探测器12接收。透过空间滤波片6的ωp激光和CARS信号经CARS滤光片7滤掉残余的ωs激光和ωp激光，然后由耦合透镜8聚焦进入CARS探测器9。
所述的ωLD是指由TDLAS技术激光器所发出的激光，通常为连续激光。
所述的ωs与ωp是指用于产生CARS信号的斯托克斯光与泵浦光，通常为脉冲激光。
所述的输入双色镜2与输出双色镜10是指在一定角度下对ωLD波长的激光全透、对ωs波长的激光全反。
所述的光束整形镜3是指中心带孔的ωp波长全反镜，中心孔的形状通常为圆形或椭圆形，其主要作用是ωLD与ωs从中心孔穿过，ωp被光束整形镜反射后由高斯光束变成环形光束。
所述的入射透镜4与收集透镜5是指一对共焦的透镜组。
所述的空间滤波片6是指中心镀有反射膜的平行光板，反射膜的形状通常为圆形或椭圆形，其主要作用是位于光束中心的ωLD与ωs被反射膜全反，而环形光束ωp与CARS信号能够从介质膜的边缘穿过空间滤波片。
所述的CARS滤波片7主要作用是让波长较短的CARS信号通过，波长较长的ωs与ωp激光被滤除。
所述的CARS探测器9主要用于CARS信号的频谱分析。
所述的TDLAS滤波片11是指ωLD波长的激光能够透过，其它波长的光被滤除。
所述的TDLAS探测器12是指对ωLD波长的激光进行响应并探测，测量结果用于TDLAS技术信号的分析。
典型的实施例
在燃烧流场温度测量中，利用TDLAS技术对流场的路径积分温度进行监测，同时需要利用CARS技术对TDLAS技术路径积分上某些关键点的温度进行测量。典型的测量参数为：ωLD由DFB型二极管激光器发出的1397.8nm激光(连续激光，功率约10mW)；ωp与ωs分别由Nd:YAG激光器和染料激光器发出的532nm(脉冲激光，脉宽约7ns，能量约160mJ，重频10Hz)与607nm(脉冲激光，脉宽约7ns，能量约35mJ，重频10Hz)的激光，产生的CARS信号波长为473nm。
主要器件的具体参数如下：
双色镜2、10：在45°入射角下对1397.8nm激光全透，对607nm激光全反。
光束整形镜3：中心孔为圆形，φ5mm。
入射透镜4与收集透镜5：焦距f＝100mm。
空间滤波片6：与入射激光成45°放置，中心反射膜为圆形银膜，φ8mm。
CARS滤光片7：为短波通滤光片，在小于490nm光波段透过率大于80％，在大于520nm波段的透过率小于1％。
TDLAS滤光片11：为带通滤光片，中心波长1400nm，带宽10nm。
根据图3，具体测量过程为：
1.ωLD与ωs激光经输入双色镜2共线传播至光束整形镜3。
2.在光束整形镜(3)处，ωLD与ωs激光从孔中心穿过，ωp被光束整形镜反射后由高斯光束变成环形光束。ωLD与ωs激光在ωp激光的环心与ωp激光平行到达入射透镜4并聚焦于待测温度场14。
3.产生的CARS信号和入射激光通过出射透镜5形成平行光束到达空间滤波片6，ωLD与ωs激光被空间滤波片6反射，ωp激光和CARS信号透过空间滤波片6。
4.被空间滤波片6反射的ωLD与ωs激光经输出双色镜10后，ωs激光被双色镜10反射并由吸收池吸收，ωLD透过双色镜10并经滤光片11滤除杂散光后由探测器12接收。
5.透过空间滤波片6的ωp激光和CARS信号经CARS滤光片7滤掉残余的ωs激光和ωp激光，然后由耦合透镜8聚焦进入CARS探测器9。
Claims (10)
1.一种CARS和TDLAS共线的测温装置，其特征在于：包括CARS单元、TDLAS单元、输入双色镜(2)、空间滤波片(6)和输出双色镜(10)；
所述的CARS单元包括沿主光路(15)依次共轴设置的光束整形镜(3)、入射透镜(4)、收集透镜(5)、CARS滤光片(7)、CARS探测器(9)，所述的光束整形镜(3)的中心设置有小孔，并倾斜设置在主光路(15)上；待测量温度场(14)设置在入射透镜(4)和收集透镜(5)之间；
所述的TDLAS单元包括光纤准直器(1)、TDLAS滤光片(11)和TDLAS探测器(12)；
所述的输入双色镜(2)倾斜设置在光束整形镜(3)前的光路上，所述光纤准直器(1)设置在输入双色镜(2)之前，所述TDLAS的ωLD激光光束与主光路(15)共轴，所述CARS的ωs激光由输入双色镜(2)的反射面引入，并从光束整形镜(3)中心孔穿过，所述CARS的ωp激光由光束整形镜(3)的反射面引入；
所述的空间滤波片(6)为中心镀有反射膜的介质板,所述的空间滤波片(6)倾斜设置在收集透镜(5)和CARS滤光片(7)之间的主光路上，经过待测量温度场(14)的ωLD光与ωs光被空间滤波片(6)反射，ωp光和CARS信号光透过空间滤波片(6)后，再经滤光片(7)滤掉ωp光后，由耦合透镜(8)耦合进CARS探测器(9)；
所述的输出双色镜(10)、TDLAS滤光片(11)和TDLAS探测器(12)依次设置在空间滤波片(6)的反射光路上，所述的输出双色镜(10)倾斜设置在反射光路上；所述的ωs光被输出双色镜(10)反射后由吸收池吸收，ωLD透过输出双色镜(10)并经TDLAS滤光片(11)滤除杂散光后由TDLAS探测器(12)接收。
2.根据权利要求1所述的CARS和TDLAS共线的测温装置，其特征在于：所述的空间滤波片(6)的中心镀有银膜。
3.根据权利要求2所述的CARS和TDLAS共线的测温装置，其特征在于：所述银膜的形状为直径φ8mm的圆形。
4.根据权利要求1所述的CARS和TDLAS共线的测温装置，其特征在于：所述输入双色镜(2)、光束整形镜(3)、空间滤波片(6)和输出双色镜(10)与光路间的夹角均为45°。
5.根据权利要求1所述的CARS和TDLAS共线的测温装置，其特征在于：所述光束整形镜(3)的中心孔为φ5mm。
6.根据权利要求1所述的CARS和TDLAS共线的测温装置，其特征在于：所述CARS单元的重复频率1Hz～20Hz，所述的TDLAS单元的重复频率为kHz级。
7.根据权利要求1所述的CARS和TDLAS共线的测温装置，其特征在于：所述的ωLD光为波长1397.8nm的连续激光，所述的ωs光为波长607nm的脉冲激光，ωp光为波长532nm的脉冲激光。
8.根据权利要求1所述的CARS和TDLAS共线的测温装置，其特征在于：所述TDLAS滤光片(11)为带通滤光片，中心波长1400nm，带宽10nm。
9.根据权利要求1所述的CARS和TDLAS共线的测温装置，其特征在于：所述CARS滤光片(7)为短波通滤光片，在小于490nm光波段透过率大于80％，在大于520nm波段的透过率小于1％。
10.根据权利要求1所述的CARS和TDLAS共线的测温装置，其特征在于：所述的待测量温度场为燃烧流场。
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