CN105203222A - 一种基于菲涅耳透镜和cars光谱对火焰一维扫描测温的装置 - Google Patents

Abstract

一种基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置，涉及对火焰一维扫描测温的装置，尤其涉及一种基于CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置。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凸透镜中传播会发生部分光线强度衰减的问题。本发明的装置包括：飞秒激光器、分束片、反射镜、光学参量放大器、时间延迟装置、可移动菲涅尔透镜、火焰发生装置、光阑、透镜、光纤耦合器件、光纤、光谱仪、CCD阵列探测器和计算机；本发明解决了现有的CARS光谱法测量火焰温度存在信噪比低以及光在凸透镜中传播会发生部分光线强度衰减的问题。本发明适用于高温火焰的温度监测领域。

Description

一种基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置

技术领域

本发明涉及对火焰一维扫描测温的装置，尤其涉及一种基于CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置。

背景技术

相干反斯托克斯拉曼光谱(CoherentAnti-StokesRamanSpectroscopy，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光谱技术是测量火焰温度的一种重要的方法，与传统测温方式相比具有更高的信噪比。常用的CARS装置采用固定的普通透镜，在对火焰进行扫描的时候，需要对整个光路平台进行移动，操作较复杂，故在一维方向上提出改进，采用两个可移动透镜实现一维方向上的扫描。而且使用普通的凸透镜，会出现边角变暗、模糊的现象，这是因为光的折射只发生在介质的交界面，凸透镜片较厚，光在玻璃中直线传播的部分会使得光线衰减，从而减弱光束的光强。如果可以去掉直线传播的部分，只保留发生折射的曲面，便能省下大量材料同时达到相同的聚光效果。菲涅耳透镜就是采用这种原理的，从而可以克服普通透镜的不足，而且菲涅尔透镜还能够消除部分球形像差。

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。

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凸透镜中传播会发生部分光线强度衰减的问题，而提出一种基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置。

一种基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置，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即OPA、第一时间延迟装置9、第二时间延时装置10、第五反射镜11、第六反射镜12、第七反射镜13、第一可移动菲涅尔透镜14、火焰发生装置15、第二可移动菲涅尔透镜16、光阑17、第八反射镜18、第九反射镜19、透镜20、光纤耦合器件21、光纤22、光谱仪23、CCD阵列探测器24、计算机25；

飞秒激光器1出射的激光，经过第一分束片2分成两束，其中一束经过第一反射镜3反射到达光学参量放大器8(OPA)，在保证一定功率输出的情况下，实现波长的可调谐，之后进入第一时间延迟装置9，经过反射到达第一可移动菲涅尔透镜14；另一束经过第二反射镜4和第三反射镜5到达第二分束片6，被分成两束，其中一束经过第七反射镜13和第六反射镜12到达第一可移动菲涅尔透镜14，另一束经过第二时间延时装置10以及第五反射镜11反射到达第一可移菲涅尔动透镜14；三束光束受到第一可移动菲涅尔透镜14的聚焦作用，聚焦在火焰发生装置15产生的火焰上的一点，产生CARS信号；CARS信号及三束光束经过第二可移动菲涅尔透镜16，转化为平行光，CARS信号通过光阑17选取出来，经过第八反射镜18和第九反射镜19两次反射，到达透镜20，从而被聚焦到光纤耦合器件21中，通过光纤22接入到光谱仪23上，经过CCD阵列探测器24后，由计算机25进行处理；其中第一延时装置9、第二延时装置10、第一可移动菲涅尔透镜14以及第二可移动菲涅尔透镜16连接计算机25，由计算机25程序控制精确移动。

本发明包括以下有益效果：

1、采用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。

2、本发明所述装置由于采用了菲涅耳透镜，解决了光在凸透镜中传播会发生部分光线强度衰减的问题，还能够消除部分球形像差。

3、本发明所述装置由于采用两个可移动菲涅耳透镜实现一维方向上的扫描，操作简单，易执行。

附图说明

图1为基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置的结构示意图；

图中1为飞秒激光器、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、9为第一时间延迟装置、10为第二时间延时装置、11为第五反射镜、12为第六反射镜、13为第七反射镜、14为第一可移动菲涅尔透镜、15为火焰发生装置、16为第二可移动菲涅尔透镜、17为光阑、18为第八反射镜、19为第九反射镜、20为透镜、21为光纤耦合器件、22为光纤、23为光谱仪、24为CCD阵列探测器、25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菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置，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即OPA、第一时间延迟装置9、第二时间延时装置10、第五反射镜11、第六反射镜12、第七反射镜13、第一可移动菲涅尔透镜14、火焰发生装置15、第二可移动菲涅尔透镜16、光阑17、第八反射镜18、第九反射镜19、透镜20、光纤耦合器件21、光纤22、光谱仪23、CCD阵列探测器24、计算机25；

飞秒激光器1出射的激光，经过第一分束片2分成两束，其中一束经过第一反射镜3反射到达光学参量放大器8(OPA)，在保证一定功率输出的情况下，实现波长的可调谐，之后进入第一时间延迟装置9，经过反射到达第一可移动菲涅尔透镜14；另一束经过第二反射镜4和第三反射镜5到达第二分束片6，被分成两束，其中一束经过第七反射镜13和第六反射镜12到达第一可移动菲涅尔透镜14，另一束经过第二时间延时装置10以及第五反射镜11反射到达第一可移菲涅尔动透镜14；三束光束受到第一可移动菲涅尔透镜14的聚焦作用，聚焦在火焰发生装置15产生的火焰上的一点，产生CARS信号；CARS信号及三束光束经过第二可移动菲涅尔透镜16，转化为平行光，CARS信号通过光阑17选取出来，经过第八反射镜18和第九反射镜19两次反射，到达透镜20，从而被聚焦到光纤耦合器件21中，通过光纤22接入到光谱仪23上，经过CCD阵列探测器24后，由计算机25进行处理；其中第一延时装置9、第二延时装置10、第一可移动菲涅尔透镜14以及第二可移动菲涅尔透镜16连接电脑，由电脑程序控制精确移动。

本实施方式具有以下有益效果：

1、采用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。

2、本实施方式所述装置由于采用了菲涅耳透镜，解决了光在凸透镜中传播会发生部分光线强度衰减的问题，还能够消除部分球形像差。

3、本实施方式所述装置由于采用两个可移动菲涅耳透镜实现一维方向上的扫描，操作简单，易执行。

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一不同的是，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、第五反射镜11、第六反射镜12、第七反射镜13、第八反射镜18和第九反射镜19与光束方向成45度角。其它结构和连接关系与具体实施方式一相同。

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菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置的进一步说明，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二所述的一种基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置的进一步说明，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菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置的进一步说明，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菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置的进一步说明，所述的光谱仪23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菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置的进一步说明，所述的CCD阵列探测器24采用的是Toshiba生产的TCD1304APlinearCCDarray(TCD1304AP线性CCD阵列)。

Claims (7)

1.一种基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置，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)、第五反射镜(11)、第六反射镜(12)、第七反射镜(13)、第一可移动菲涅尔透镜(14)、火焰发生装置(15)、第二可移动菲涅尔透镜(16)、光阑(17)、第八反射镜(18)、第九反射镜(19)、透镜(20)、光纤耦合器件(21)、光纤(22)、光谱仪(23)、CCD阵列探测器(24)、计算机(25)；

飞秒激光器(1)出射的激光，经过第一分束片(2)分成两束，其中一束经过第一反射镜(3)反射到达光学参量放大器(8)，在保证一定功率输出的情况下，进入第一时间延迟装置(9)，经过反射到达第一可移动菲涅尔透镜(14)；另一束经过第二反射镜(4)和第三反射镜(5)到达第二分束片(6)，被分成两束，其中一束经过第七反射镜(13)和第六反射镜(12)到达第一可移动菲涅尔透镜(14)，另一束经过第二时间延时装置(10)以及第五反射镜(11)反射到达第一可移菲涅尔动透镜(14)；三束光束受到第一可移动菲涅尔透镜(14)的聚焦作用，聚焦在火焰发生装置(15)产生的火焰上的一点，产生CARS信号；CARS信号及三束光束经过第二可移动菲涅尔透镜(16)，转化为平行光，CARS信号通过光阑(17)选取出来，经过第八反射镜(18)和第九反射镜(19)两次反射，到达透镜(20)，从而被聚焦到光纤耦合器件(21)中，通过光纤(22)接入到光谱仪(23)上，经过CCD阵列探测器(24)后，由计算机(25)进行处理；其中第一延时装置(9)、第二延时装置(10)、第一可移动菲涅尔透镜(14)以及第二可移动菲涅尔透镜(16)连接计算机(25)。

2.如权利要求1所述的一种基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置，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)、第五反射镜(11)、第六反射镜(12)、第七反射镜(13)、第八反射镜(18)和第九反射镜(19)与光束方向成45度角。

3.如权利要求1或2所述的一种基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置，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所述的一种基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置，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4所述的一种基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置，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4所述的一种基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置，其特征在于所述的光谱仪(23)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4所述的一种基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置，其特征在于所述的CCD阵列探测器(24)采用的是Toshiba生产的TCD1304AP线性CCD阵列。