CN104819937A - 一种用于喷雾场测量的时间选通装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于喷雾场测量的时间选通装置及方法，涉及喷雾场雾化过程的测量装置及方法，是为了实现在喷雾场测量过程中的时间选通。本发明的飞秒激光器输出的超短激光脉冲首先经光学分束片分为泵浦光与探测光两路，泵浦光经过延迟线后聚焦至克尔介质，探测光经斩波后先入射至喷雾场，由喷雾场出射的探测光通过一偏振片起偏后也聚焦至克尔介质的同一位置，克尔介质后加入光阑以阻挡透射出的泵浦光，光阑后放置一与起偏器偏振方向正交的检偏器。本发明用于实现对喷雾场出射的弹道光子、蛇形光子及散射光子等的时间选通。
Description
技术领域
本发明涉及喷雾场雾化过程的测量装置及方法。
背景技术
由于发动机雾化过程是在密闭气缸内的快速、间歇的动态过程。受到缸内压力、温度、气流的影响，整个喷雾雾化过程分为初次雾化、二次雾化及进一步的分裂雾化。现代发动机喷射压力成倍提高、喷射时间相当短(<4ms)，燃料喷雾速度大于气缸内环境音速，由此产生的激波等现象使得燃料喷雾雾化过程更为复杂，这使得通常的测试技术均无法对燃料的雾化情况进行准确地测量。
图1和图2表示一个激光脉冲经过散射介质后的情形。从图中可以看到，入射激光脉冲在时间上被分解成三部分，分别对应于入射激光在散射介质中的三种不同传播方式。一种是空间上沿着入射光方向直接穿透介质，时间上也是最先穿透散射介质，称为弹道光子(ballisticphotons)。弹道光子带有介质内部结构最丰富的信息，比如它的强度变化反映了光传播方向上吸收的积分效应，它的相位变化反映了其在散射介质中经历的光程；另外一种散射方向大致与入射光同向，被称为蛇行光子(snake photons)，它透过散射介质的时间要晚一些，相对于弹道光子有一定延时，但也携带有关于散射介质较为丰富的信息，反映了沿着光入射方向上的散射介质的一些散射特性；最后透过散射介质的那部分激光脉冲，同时也是最大部分的激光脉冲，经过了在散射介质中的多次散射，其散射角度比较大，经过的距离也比较长，因此带有散射介质作为一个整体的、宏观的散射特性，被称为散射光子(diffuse photons)。要对散射介质内部细节成像，弹道光子是最优的选择。但一般而言，由于越往散射介质深处，单次散射发生的几率就越小，所以这种光子就比较弱，并且其所能探测的深度有限。提高该方法的成像效率，就要把其他的光子都去掉。最可行的方法就是在时域上引入光学快门，使得只有弹道光子和蛇形光子通过，而把散射光子挡住。这种快门技术的关键是利用参考光脉冲实现时间上的严格同步，进而控制光学快门的开与关，即所谓的时间选通。
发明内容
本发明是为了实现在喷雾场测量过程中的时间选通，从而提供一种用于喷雾场测量的时间选通装置及方法。
一种用于喷雾场测量的时间选通装置，它包括分束片2、斩波器3、起偏器7、一号透镜8、光学延迟部件13、二号透镜16、光阑10、检偏器11、探测器12、锁相放大器17和计算机19；
超短激光脉冲经分束片2分为泵浦光和探测光，所述泵浦光经光学延迟部件13延迟后入射至二号透镜16，经二号透镜16聚焦至克尔介质9；
所述探测光经斩波器3斩波后入射至喷雾场20，经喷雾场20出射的探测光入射至起偏器7，经所述起偏器7起偏后入射至一号透镜8，经所述一号透镜8聚焦至克尔介质9，且与二号透镜16聚焦位置相同；
光阑10位于克尔介质9后，用于阻挡透射出的泵浦光；检偏器11位于光阑10后，且与起偏器7的偏振方向正交；经光阑10透射的光入射至检偏器11；
探测器12用于探测经检偏器11出射激光的光强，所述探测器12的电信号输出端与锁相放大器17的光强信号输入端连接；所述锁相放大器17与计算机进行数据交互；斩波器3的控制信号输入端与锁相放大器17的控制信号输出端连接。
基于上述的一种用于喷雾场测量的时间选通方法，该方法具体为：
超短激光脉冲首先经光学分束片分为泵浦光与探测光两路；泵浦光经过延迟线后聚焦至克尔介质；探测光经斩波后先入射至喷雾场，由喷雾场出射的探测光通过一偏振片起偏后也聚焦至克尔介质的同一位置；克尔介质后加入光阑以阻挡透射出的泵浦光；光阑后放置一与起偏器偏振方向正交的检偏器；
在无泵浦光作用或泵浦光与探测光非同步到达克尔介质的情况下，由于检偏器与起偏器偏振方向严格正交，探测器接收不到由喷雾场出射的探测光信号，此时对应于克尔门的关闭状态；
当调节延迟线使得泵浦光与探测光同时到达光学克尔介质时，在泵浦光作用下克尔介质发生光致双折射，这时会导致通过克尔介质的探测光偏振特性发生克尔效应，探测器将接收到探测光的信号，此时对应克尔门的开启状态；
进而实现喷雾场测量的时间选通。
本发明在测试装置中，利用光学克尔门技术来消除喷雾场对测试光的散射对喷雾场测试产生的影响，利用该效应实现对喷雾场出射的弹道光子、蛇形光子及散射光子等的时间选通。
附图说明
图1是背景技术中散射介质对激光脉冲的作用示意图；
图2是背景技术中通过散射介质后的激光脉冲时域分布示意图；
图3是本发明装置的结构示意图；
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，一种用于喷雾场测量的时间选通装置，其特征是：它包括分束片2、斩波器3、起偏器7、一号透镜8、光学延迟部件13、二号透镜16、光阑10、检偏器11、探测器12、锁相放大器17和计算机19；
超短激光脉冲经分束片2分为泵浦光和探测光，所述泵浦光经光学延迟部件13延迟后入射至二号透镜16，经二号透镜16聚焦至克尔介质9；
所述探测光经斩波器3斩波后入射至喷雾场20，经喷雾场20出射的探测光入射至起偏器7，经所述起偏器7起偏后入射至一号透镜8，经所述一号透镜8聚焦至克尔介质9，且与二号透镜16聚焦位置相同；
光阑10位于克尔介质9后，用于阻挡透射出的泵浦光；检偏器11位于光阑10后，且与起偏器7的偏振方向正交；经光阑10透射的光入射至检偏器11；
探测器12用于探测经检偏器11出射激光的光强，所述探测器12的电信号输出端与锁相放大器17的光强信号输入端连接；所述锁相放大器17与计算机进行数据交互。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种用于喷雾场测量的时间选通装置的区别在于，它还包括电动平移台18，所述电动平移台18的控制信号输入端与计算机19的控制信号输出端连接，所述电动平移台18用于对光学延迟部件13进行调整。
具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的一种用于喷雾场测量的时间选通装置的区别在于，它还包括一号反射镜4、二号反射镜5和三号反射镜6，所述经分束片2分出的探测光先后经一号反射镜4、二号反射镜5和三号反射镜6反射后入射至喷雾场20。
具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的一种用于喷雾场测量的时间选通装置的区别在于，它还包括四号反射镜14和五号反射镜15，所述经光学延迟部件13延迟后的泵浦光先后经四号反射镜14和五号反射镜15反射后入射二号透镜16。
具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一、二或四所述的一种用于喷雾场测量的时间选通装置的区别在于，它包括激光器1，所述激光器1用于产生超短激光脉冲，并发射至分束片2。
具体实施方式六、基于具体实施方式一所述的一种用于喷雾场测量的时间选通方法，该方法具体为：
超短激光脉冲首先经光学分束片分为泵浦光与探测光两路；泵浦光经过延迟线后聚焦至克尔介质；探测光经斩波后先入射至喷雾场，由喷雾场出射的探测光通过偏振片起偏后也聚焦至克尔介质的同一位置；克尔介质后加入光阑以阻挡透射出的泵浦光；光阑后放置与起偏器偏振方向正交的检偏器；
在无泵浦光作用或泵浦光与探测光非同步到达克尔介质的情况下，由于检偏器与起偏器偏振方向正交，探测器接收不到由喷雾场出射的探测光信号，此时对应于克尔门的关闭状态；
当调节延迟线使得泵浦光与探测光同时到达光学克尔介质时，在泵浦光作用下克尔介质发生光致双折射，会导致通过克尔介质的探测光偏振特性发生克尔效应，探测器将接收到探测光的信号，此时对应克尔门的开启状态；
可见，克尔效应的存在对探测光产生了类似时间快门的效果。在飞秒激光脉冲作用下，该光学快门的开关速度主要取决于克尔介质的响应时间，通常在几十飞秒到几个皮秒量级。因此可以利用该效应实现对喷雾场出射的弹道光子、蛇形光子及散射光子等的时间选通。
Claims (9)
1.一种用于喷雾场测量的时间选通装置，其特征是：它包括分束片(2)、斩波器(3)、起偏器(7)、一号透镜(8)、光学延迟部件(13)、二号透镜(16)、光阑(10)、检偏器(11)、探测器(12)、锁相放大器(17)和计算机(19)；
超短激光脉冲经分束片(2)分为泵浦光和探测光，所述泵浦光经光学延迟部件(13)延迟后入射至二号透镜(16)，经二号透镜(16)聚焦至克尔介质(9)；
所述探测光经斩波器(3)斩波后入射至喷雾场(20)，经喷雾场(20)出射的探测光入射至起偏器(7)，经所述起偏器(7)起偏后入射至一号透镜(8)，经所述一号透镜(8)聚焦至克尔介质(9)，且与二号透镜(16)聚焦位置相同；
光阑(10)位于克尔介质(9)后，用于阻挡透射出的泵浦光；检偏器(11)位于光阑(10)后，且与起偏器(7)的偏振方向正交；经光阑(10)透射的光入射至检偏器(11)；
探测器(12)用于探测经检偏器(11)出射激光的光强，所述探测器(12)的电信号输出端与锁相放大器(17)的光强信号输入端连接；所述锁相放大器(17)与计算机进行数据交互；斩波器(3)的控制信号输入端与锁相放大器(17)的控制信号输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于喷雾场测量的时间选通装置，其特征在于它还包括电动平移台(18)，所述电动平移台(18)的控制信号输入端与计算机(19)的控制信号输出端连接，所述电动平移台(18)用于对光学延迟部件(13)进行调整。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于喷雾场测量的时间选通装置，其特征在于它还包括一号反射镜(4)、二号反射镜(5)和三号反射镜(6)，所述经分束片(2)分出的探测光先后经一号反射镜(4)、二号反射镜(5)和三号反射镜(6)反射后入射至喷雾场(20)。
4.根据权利要求3所述的一种用于喷雾场测量的时间选通装置，其特征在于它还包括四号反射镜(14)和五号反射镜(15)，所述经光学延迟部件(13)延迟后的泵浦光先后经四号反射镜(14)和五号反射镜(15)反射后入射二号透镜(16)。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种用于喷雾场测量的时间选通装置，其特征在于它包括激光器(1)，所述激光器(1)用于产生超短激光脉冲，并发射至分束片(2)。
6.基于权利要求1所述的一种用于喷雾场测量的时间选通方法，其特征是：该方法具体为：
超短激光脉冲首先经光学分束片分为泵浦光与探测光两路；泵浦光经过延迟线后聚焦至克尔介质；探测光经斩波后先入射至喷雾场，由喷雾场出射的探测光通过偏振片起偏后也聚焦至克尔介质的同一位置；克尔介质后加入光阑以阻挡透射出的泵浦光；光阑后放置与起偏器偏振方向正交的检偏器；
在无泵浦光作用或泵浦光与探测光非同步到达克尔介质的情况下，由于检偏器与起偏器偏振方向正交，探测器接收不到由喷雾场出射的探测光信号，此时对应于克尔门的关闭状态；
当调节延迟线使得泵浦光与探测光同时到达光学克尔介质时，在泵浦光作用下克尔介质发生光致双折射，会导致通过克尔介质的探测光偏振特性发生克尔效应，探测器将接收到探测光的信号，此时对应克尔门的开启状态；
实现喷雾场测量的时间选通。
7.根据权利要求6所述的一种用于喷雾场测量的时间选通方法，其特征在于克尔门的开关速度取决于克尔介质的响应时间。
8.根据权利要求6所述的一种用于喷雾场测量的时间选通方法，其特征在于克尔门的开关速度在几十飞秒到几个皮秒量级。
9.根据权利要求6所述的一种用于喷雾场测量的时间选通方法，其特征在于喷雾场测量的时间选通面向喷雾场出射的弹道光子、蛇形光子和散射光子。
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| CN201510226474.2A CN104819937A (zh) | 2015-05-06 | 2015-05-06 | 一种用于喷雾场测量的时间选通装置及方法 |
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