CN105136329B - 一种基于双焦透镜的cars光谱测温实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于双焦透镜的CARS光谱测温实验装置，它属于火焰温度监测领域。本发明为了解决光在普通透镜中传播只能监控一个位置的温度的问题。本发明具体包括：飞秒激光器、第一分束片、第一反射镜到第十五反射镜、第二分束片、光学参量放大器、第一时间延迟装置、第二时间延时装置、第三分束片、第四分束片、第一双焦透镜、火焰发生装置、第一光阑、凹面镜、第一透镜、第二光阑、第二透镜、第三透镜、第一光纤耦合器件、第二光纤耦合器件、第一光纤、第二光纤、第一光谱仪、第二光谱仪、第一CCD阵列探测器、第二CCD阵列探测器、计算机。本发明适用于火焰的温度监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种探测火焰温度的测温装置，具体涉及一种基于双焦透镜的CARS光谱测温实验装置。
背景技术
随着超短脉冲激光技术的发展，几十个飞秒的光学脉冲激光在非线性光学中得到了广泛应用，使得研究物质分子的宏观温度信息的飞秒相干反斯托克斯拉曼光谱技术成为可能。利用可调谐飞秒激光器系统搭建上述的CARS光谱探测系统，可以用来测绘高温火焰的温度分布，从而促使人们加深对燃烧的认识，对于充分燃烧、改进发动机等等有重要意义。
相干反斯托克斯拉曼光谱(Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy，简称CARS)是飞秒科学研究中一种重要的非线性光谱技术，利用飞秒激光脉冲作为泵浦光和斯托克斯光共同作用激发分子的拉曼振动模并通过时间延迟探测光探测被激发的分子拉曼振动模的时间演化，实验中探测得到的飞秒CARS信号不但能够反映物质微观的分子超快动力学过程，而且可以反映分子的宏观温度信息，因此飞秒CARS是开展气体燃烧测温的一种重要手段。
CARS光谱是测量火焰温度的一种重要方法，与传统测温方式相比具有更高的信噪比。常用的CARS装置在对火焰进行测量时，采用普通透镜，只能在一个位置产生一个CARS信号，从而只能监控一个位置的温度信息，采用双焦透镜，可以实现两个位置温度的监测。
发明内容
本发明为了解决现有的CARS光谱法测量火焰温度存在信噪比低以及光在普通透镜中传播只能监控一个位置的温度的问题。进而提出一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置。
一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置包括：
飞秒激光器1，第一分束片2，第一反射镜3，第二反射镜4，第三反射镜5，第二分束片6，第四反射镜7，光学参量放大器8，第一时间延迟装置9，第二时间延时装置10，第三分束片11，第五反射镜12，第六反射镜13，第四分束片14，第七反射镜15，第一双焦透镜16，火焰发生装置17，第一光阑18，凹面镜19，第一透镜20，第二光阑21，第八反射镜22，第九反射镜23，第十反射镜24，第十一反射镜25，第十二反射镜26，第十三反射镜27，第十四反射镜28，第十五反射镜29，第二透镜30，第三透镜31，第一光纤耦合器件32，第二光纤耦合器件33，第一光纤34，第二光纤35，第一光谱仪36，第二光谱仪37，第一CCD阵列探测器38，第二CCD阵列探测器39，计算机40；
飞秒激光器1出射的激光，经过第一分束片2分成两束，分别为A和B；
其中一束A经过第一反射镜3反射到达光学参量放大器8，进入第一时间延迟装置9，再经过第四反射镜7反射到达第一双焦透镜16；
另一束B经过第二反射镜4和第三反射镜5反射到达第二分束片6，被分成两束，分别为C和D，其中一束C经过第二时间延时装置10，到达第三分束片11被分成两束，分别为E和F，其中一束E反射到达第一双焦透镜16，另一束F经过第五反射镜12反射到达第一双焦透镜16；另一束D经过第七反射镜15反射到第四分束片14分成两束，分别为G和H，其中一束G经过第六反射镜13反射到达第一双焦透镜16，另一束H直接反射到达第一双焦透镜16；
五束光束受到第一双焦透镜16的聚焦作用，经火焰发生装置17分别聚焦在第一光阑18和第二光阑21上，同时在第一光阑18和第二光阑21位置产生两个CARS信号；其中一束在第一光阑18上产生CARS信号光束经过凹面镜19转化为平行光，分别经过第十二反射镜26、第十三反射镜27、第十四反射镜28和第十五反射镜29反射到达第二透镜30，聚焦到第一光纤耦合器件32中，通过第一光纤34接入到第一光谱仪36，再经过第一CCD阵列探测器38；另一束在第二光阑21上产生CARS信号光束经过第一透镜20转化为平行光，分别经过第八反射镜22、第九反射镜23、第十反射镜24和第十一反射镜25反射到达第三透镜31，聚焦到第二光纤耦合器件33中，通过第二光纤35接入到第二光谱仪37，再经过第二CCD阵列探测器39；最终由计算机40进行处理和测量；
其中第一时间延迟装置9、第二时间延时装置10、第一CCD阵列探测器38和第二CCD阵列探测器39电连计算机40。
本发明包括以下有益效果：
1、本发明所述装置来观测高温火焰，信噪比高，能清楚地测绘出高温火焰的温度分布，从而促使人们加深对燃烧的认识，对于充分燃烧、改进发动机等等有重要意义。相比现有测量火焰温度的方法，采用本发明所述装置来观测高温火焰的信噪比提高。
2、本发明所述装置测温范围大，温度范围为300K～2400K，测量精度高，测量误差最大不超过3％，由激光器工作频率，可使火焰单点测温速率可达到1KHz甚至5KHz。
3、本发明所述装置由于采用了双焦透镜，解决了光在普通透镜中传播只能监控一个位置的温度的问题，采用双焦透镜，可以实现两个位置温度的监测。
附图说明
图1为一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置的结构示意图；
图1中1为飞秒激光器即LASER、2为第一分束片、3为第一反射镜、4为第二反射镜、5为第三反射镜、6为第二分束片、7为第四反射镜、8为光学参量放大器即OPA、9为第一时间延迟装置、10为第二时间延时装置、11为第三分束片、12为第五反射镜、13为第四分束片、14为第六反射镜、15为第七反射镜、16为第一双焦透镜、17为火焰发生装置、18为第一光阑、19为凹面镜、20为第一透镜、21为第二光阑、22为第八反射镜、23为第九反射镜、24为第十反射镜、25为第十一反射镜、26为第十二反射镜、27为第十三反射镜、28为第十四反射镜、29为第十五反射镜、30为第二透镜、31为第三透镜、32为第一光纤耦合器件、33为第二光纤耦合器件、34为第一光纤、35为第二光纤、36为第一光谱仪即Spectrometer、37为第二光谱仪即Spectrometer、38为第一CCD阵列探测器、39为第二CCD阵列探测器、40为计算机。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合图1和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式一、本实施方式所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置包括飞秒激光器1，第一分束片2，第一反射镜3，第二反射镜4，第三反射镜5，第二分束片6，第四反射镜7，光学参量放大器8，第一时间延迟装置9，第二时间延时装置10，第三分束片11，第五反射镜12，第六反射镜13，第四分束片14，第七反射镜15，第一双焦透镜16，火焰发生装置17，第一光阑18，凹面镜19，第一透镜20，第二光阑21，第八反射镜22，第九反射镜23，第十反射镜24，第十一反射镜25，第十二反射镜26，第十三反射镜27，第十四反射镜28，第十五反射镜29，第二透镜30，第三透镜31，第一光纤耦合器件32，第二光纤耦合器件33，第一光纤34，第二光纤35，第一光谱仪36，第二光谱仪37，第一CCD阵列探测器38，第二CCD阵列探测器39，计算机40；
飞秒激光器1出射的激光，经过第一分束片2分成两束，分别为A和B；
其中一束A经过第一反射镜3反射到达光学参量放大器8，进入第一时间延迟装置9，再经过第四反射镜7反射到达第一双焦透镜16；
另一束B经过第二反射镜4和第三反射镜5反射到达第二分束片6，被分成两束，分别为C和D，其中一束C经过第二时间延时装置10，到达第三分束片11被分成两束，分别为E和F，其中一束E反射到达第一双焦透镜16，另一束F经过第五反射镜12反射到达第一双焦透镜16；另一束D经过第七反射镜15反射到第四分束片14分成两束，分别为G和H，其中一束G经过第六反射镜13反射到达第一双焦透镜16，另一束H直接反射到达第一双焦透镜16；
五束光束受到第一双焦透镜16的聚焦作用，经火焰发生装置17分别聚焦在第一光阑18和第二光阑21上，同时在第一光阑18和第二光阑21位置产生两个CARS信号；其中一束在第一光阑18上产生CARS信号光束经过凹面镜19转化为平行光，分别经过第十二反射镜26、第十三反射镜27、第十四反射镜28和第十五反射镜29反射到达第二透镜30，聚焦到第一光纤耦合器件32中，通过第一光纤34接入到第一光谱仪36，再经过第一CCD阵列探测器38；另一束在第二光阑21上产生CARS信号光束经过第一透镜20转化为平行光，分别经过第八反射镜22、第九反射镜23、第十反射镜24和第十一反射镜25反射到达第三透镜31，聚焦到第二光纤耦合器件33中，通过第二光纤35接入到第二光谱仪37，再经过第二CCD阵列探测器39；最终由计算机40进行处理和测量；
其中第一时间延迟装置9、第二时间延时装置10、第一CCD阵列探测器38和第二CCD阵列探测器39电连计算机40。
具体实施方式的有益效果：
1、本实施方式所述装置来观测高温火焰，信噪比高，能清楚地测绘出高温火焰的温度分布，从而促使人们加深对燃烧的认识，对于充分燃烧、改进发动机等等有重要意义。相比现有测量火焰温度的方法，采用本发明所述装置来观测高温火焰的信噪比提高。
2、本实施方式所述装置测温范围大，温度范围为300K～2400K，测量精度高，测量误差最大不超过3％，由激光器工作频率，可使火焰单点测温速率可达到1KHz甚至5KHz。
3、本实施方式所述装置由于采用了双焦透镜，解决了光在普通透镜中传播只能监控一个位置的温度的问题，采用双焦透镜，可以实现两个位置温度的监测。
具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置的进一步说明，所述的第一分束片2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、第二分束片6、第四反射镜7、第三分束片11、第五反射镜12、第六反射镜13、第四分束片14、第七反射镜15、第八反射镜22、第九反射镜23、第十反射镜24、第十一反射镜25、第十二反射镜26、第十三反射镜27、第十四反射镜28、第十五反射镜29与光束方向成45度角。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置的进一步说明，所述的飞秒激光器1为掺钛蓝宝石飞秒激光器。
具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式三所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置的进一步说明，所述的掺钛蓝宝石飞秒激光器输出脉宽约40fs，中心波长800nm。
具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置的进一步说明，所述的光学参量放大器8(OPA)，选择TOPAS-800-fs-VIS中的SHS配置。
具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置的进一步说明，所述的第一光谱仪36和第二光谱仪37采用Ocean生产的HR4000CG-CN-NIR型号光谱仪，能探测200-1100nm波长范围的信号。
具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置的进一步说明，所述的第一CCD阵列探测器38和第二CCD阵列探测器39采用的是Toshiba生产的TCD1304AP linear CCD array(TCD1304AP线性CCD阵列)。
Claims (7)
1.一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于它包括：飞秒激光器(1)，第一分束片(2)，第一反射镜(3)，第二反射镜(4)，第三反射镜(5)，第二分束片(6)，第四反射镜(7)，光学参量放大器(8)，第一时间延迟装置(9)，第二时间延时装置(10)，第三分束片(11)，第五反射镜(12)，第六反射镜(13)，第四分束片(14)，第七反射镜(15)，第一双焦透镜(16)，火焰发生装置(17)，第一光阑(18)，凹面镜(19)，第一透镜(20)，第二光阑(21)，第八反射镜(22)，第九反射镜(23)，第十反射镜(24)，第十一反射镜(25)，第十二反射镜(26)，第十三反射镜(27)，第十四反射镜(28)，第十五反射镜(29)，第二透镜(30)，第三透镜(31)，第一光纤耦合器件(32)，第二光纤耦合器件(33)，第一光纤(34)，第二光纤(35)，第一光谱仪(36)，第二光谱仪(37)，第一CCD阵列探测器(38)，第二CCD阵列探测器(39)，计算机(40)；
飞秒激光器(1)出射的激光，经过第一分束片(2)分成两束，分别为A和B；
其中一束A经过第一反射镜(3)反射到达光学参量放大器(8)，进入第一时间延迟装置(9)，再经过第四反射镜(7)反射到达第一双焦透镜(16)；
另一束B经过第二反射镜(4)和第三反射镜(5)反射到达第二分束片(6)，被分成两束，分别为C和D，其中一束C经过第二时间延时装置(10)，到达第三分束片(11)被分成两束，分别为E和F，其中一束E反射到达第一双焦透镜(16)，另一束F经过第五反射镜(12)反射到达第一双焦透镜(16)；另一束D经过第七反射镜(15)反射到第四分束片(14)分成两束，分别为G和H，其中一束G经过第六反射镜(13)反射到达第一双焦透镜(16)，另一束H直接反射到达第一双焦透镜(16)；
五束光束受到第一双焦透镜(16)的聚焦作用，经火焰发生装置(17)分别聚焦在第一光阑(18)和第二光阑(21)上，同时在第一光阑(18)和第二光阑(21)位置产生两个CARS信号；其中一束在第一光阑(18)上产生CARS信号光束经过凹面镜(19)转化为平行光，分别经过第十二反射镜(26)、第十三反射镜(27)、第十四反射镜(28)和第十五反射镜(29)反射到达第二透镜(30)，聚焦到第一光纤耦合器件(32)中，通过第一光纤(34)接入到第一光谱仪(36)，再经过第一CCD阵列探测器(38)；另一束在第二光阑(21)上产生CARS信号光束经过第一透镜(20)转化为平行光，分别经过第八反射镜(22)、第九反射镜(23)、第十反射镜(24)和第十一反射镜(25)反射到达第三透镜(31)，聚焦到第二光纤耦合器件(33)中，通过第二光纤(35)接入到第二光谱仪(37)，再经过第二CCD阵列探测器(39)；最终由计算机(40)进行处理和测量；
其中第一时间延迟装置(9)、第二时间延时装置(10)、第一CCD阵列探测器(38)和第二CCD阵列探测器(39)电连计算机(40)。
2.如权利要求1所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于所述的第一分束片(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)、第二分束片(6)、第四反射镜(7)、第三分束片(11)、第五反射镜(12)、第六反射镜(13)、第四分束片(14)、第七反射镜(15)、第八反射镜(22)、第九反射镜(23)、第十反射镜(24)、第十一反射镜(25)、第十二反射镜(26)、第十三反射镜(27)、第十四反射镜(28)、第十五反射镜(29)与光束方向成45度角。
3.如权利要求1所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于所述的飞秒激光器(1)为掺钛蓝宝石飞秒激光器。
4.如权利要求3所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于所述的掺钛蓝宝石飞秒激光器输出脉宽约40fs，中心波长800nm。
5.如权利要求1所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于所述的光学参量放大器(8)，选择TOPAS-800-fs-VIS中的SHS配置。
6.如权利要求1所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于所述的第一光谱仪(36)和第二光谱仪(37)采用Ocean生产的HR4000CG-CN-NIR型号光谱仪，能探测200-1100nm波长范围的信号。
7.如权利要求1所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于所述的第一CCD阵列探测器(38)和第二CCD阵列探测器(39)采用的是Toshiba生产的TCD1304AP线性CCD阵列。
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