CN107941662A - 一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置与方法，属于超快激光传感技术领域，利用燃烧场中飞秒光丝核区高强度特性产生非线性频率转换，原位产生光谱位于紫外区域的三次谐波。燃烧场中颗粒物对三次谐波进行散射，利用侧向收集的散射信号强弱可以得到燃烧场中颗粒物的分布信息。这种基于燃烧场中超快激光成丝产生三次谐波作为泵浦源的光散射技术将应用于燃烧环境下颗粒物的远程原位监测领域，具有可远程探测、低损耗的突出优点，极其适用于复杂燃烧环境下如高温高压燃烧场的颗粒物的分析。
Description
技术领域
本发明属于超快激光传感技术领域，具体涉及一种利用强场激光在燃烧场中成丝产生三次谐波远程、原位检测火焰内颗粒物分布的装置与方法。
背景技术
目前，在我国能源结构中，尽管能源类型逐步呈现多元化，但不可再生的化石能源仍然占据着最大比重。化石能源在燃烧过程中会产生颗粒物，其中包含尺寸较小(1-5nm)的纳米颗粒物，和尺寸较大(10-100nm)的烟灰颗粒，如若燃烧不充分，这些颗粒物会直接排放到大气中，从而对环境造成严重污染，威胁着生态安全。研究表明燃烧产生的颗粒物是光化学烟雾以及雾霾天气频发的“罪魁祸首”之一，。因此，对燃烧场中颗粒物的实时监测分析对改进燃烧方式，提高能量转化效率、减少污染物排放等具有极其重要的意义。光学技术，例如吸收/消逝光谱与激光散射光谱结合技术、激光诱导白炽光技术、动态光散射技术等，以其超高的时间空间分辨能力，非外侵、无需采样等特点在燃烧场中颗粒物的实施监测分析领域受到人们的青睐。
强飞秒激光在光学介质内部传播时会形成狭长的、高激光功率密度区域，通常将之称为飞秒激光光丝，它主要是克尔自聚焦效应与等离子体散焦效应共同调制的结果。激光光丝的开始位置可以通过调整驱动激光的参数如光斑尺寸、脉宽等实现人工控制；同时，光丝具有极强的抗干扰能力，在复杂环境下仍可成丝；另外，光丝内部的激光强度可以达到1013W/cm2，伴随着光频率转换现象的发生，产生新的辐射光源，例如高次谐波，超连续白光，太赫兹辐射等。
传统的利用激光散射技术分析燃烧场内部颗粒物时，为了提高光散射效率，通常选用波长位于紫外光谱区的光源作为泵浦光源。然而由于燃烧场中间产物会吸收该波段的光子，因而这种外部注入泵浦光的方式会产生严重的光吸收损耗问题。
发明内容
为了克服现有技术中存在的传统激光散射技术在传输通路上的光学损耗限制等缺陷，本发明提供了一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置与方法，是将三次谐波作为激光散射光谱的驱动光场，对燃烧场中的颗粒物分布进行实时检测。
本发明通过如下技术方案实现：
一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置，包括飞秒激光放大器1、二分之一波片Ⅰ2、偏振片3、介质膜高反射镜4、二分之一波片Ⅱ5、平凸透镜6、酒精灯7、三维精密位移平台8、双凸透镜9及配有增强电荷耦合器件的光栅光谱仪10；其中，飞秒激光放大器1输出的激光依次经过竖直放置的二分之一波片Ⅰ2、偏振片3、介质膜高反射镜4、二分之一波片Ⅱ5及平凸透镜6后，在平凸透镜6后形成飞秒激光光丝；三维精密位移平台8放置于平凸透镜6的焦点位置范围内，酒精灯7放置在三维精密位移平台8上，三维精密位移平台8的三维方向上均采用手动调节；在激光传播方向的垂直方向上放置双凸透镜9，双凸透镜9与飞秒激光光丝的垂直距离为双凸透镜9的二倍焦距，配有增强电荷耦合器件的光栅光谱仪10的狭缝与双凸透镜9的垂直距离为双凸透镜9的二倍焦距，从而构成2f-2f成像系统。
进一步地，所述的飞秒激光放大器系统1为带有振荡器的飞秒激光放大器，其工作中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs-200fs，重复频率为1Hz-1000Hz，单脉冲能量为0.5mJ-4.0mJ。
进一步地，所述的二分之一波片Ⅰ2和二分之一波片Ⅱ5的通光孔径均为25.4mm-38.1mm，工作波长为680nm-1100nm。
进一步地，所述的偏振片3为布儒斯特镜片，可以在满足特定角度入射后，所使用的反射光束均为竖直线偏振光。
进一步地，所述的平凸透镜6的焦距为50cm-200cm，可以对飞秒激光进行聚焦从而形成光丝。
进一步地，所述的三维精密位移平台8的调节距离为0.05mm-50.00mm。
进一步地，所述的双凸透镜9为焦距为5cm-20cm，材质为石英玻璃。
进一步地，所述的配有增强电荷耦合器件的光栅光谱仪10的型号为AndorShamrock，增强电荷耦合器件的型号为Andor iStar。
一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的方法，具体步骤如下：
(1)、将燃料填充到的酒精灯中，体积为酒精灯容积的三分之二，将酒精灯放置在三维精密位移平台上；
(2)、将飞秒激光放大器的重复频率调节为1Hz-1000Hz，通过旋转二分之一波片Ⅰ2并使用功率计测试激光功率，调整飞秒激光放大器的单脉冲能量为0.5mJ-4.0mJ；
(3)、飞秒激光放大器产生的飞秒激光依次经过竖直放置二分之一波片Ⅰ、偏振片、介质膜高反射镜、二分之一波片Ⅱ及平凸透镜后形成飞秒激光光丝，通过调节三维移动平台调节酒精灯位置，使其灯芯处于光丝的正下方，垂直距离为5mm-40mm；
(4)、点燃酒精灯，光丝在火焰内部产生三次谐波，在侧向双凸透镜处收集经火焰内颗粒物散射的三次谐波至配有增强电荷耦合器件的光栅光谱仪的狭缝中，进行火焰内颗粒物散射的三次谐波光谱的采集。
进一步地，步骤(1)所述的酒精灯的容积为150ml-200ml，高度为8mm-10mm。
进一步地，所述的配有增强电荷耦合器件的光栅光谱仪的增强电荷耦合器件的门延迟为-5ns-2ns，门宽为5ns-30ns。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明的一种利用高强度飞秒激光检测火焰内颗粒物分布的装置及方法，采用了飞秒激光光丝原位产生三次谐波的方式，具有可远程探测、低损耗的突出优点，极其适用于复杂燃烧环境下如高温高压燃烧场的颗粒物的分析。
附图说明
图1为本发明的一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置的结构示意图；
图中：飞秒激光放大器1、二分之一波片Ⅰ2、偏振片3、介质膜高反射镜4、二分之一波片Ⅱ5、平凸透镜6、酒精灯7、三维精密位移平台8、双凸透镜9、配有增强电荷耦合器件的光栅光谱仪10；
图2为本发明实施例测得的在正戊醇火焰和空气条件下侧向收集的三次谐波散射光谱图；
其中，光丝与火焰的相互作用位置到灯芯的距离为28mm，激光偏振方向为竖直方向；
图3为本发明实施例测得的在正戊醇火焰条件下激光偏振方向和收集方向间夹角与在267nm处三次谐波散射信号强度的依赖关系图；
其中，光丝与火焰的相互作用位置到灯芯的距离为28mm；90°代表激光的偏振方向为竖直方向，0°、180°分别代表激光的偏振方向为水平方向；
图4为本发明实施例测得的光丝在正戊醇火焰中不同位置处产生三次谐波的散射信号；
其中，激光的偏振方向为竖直方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步地说明。
实施例1
本发明提供了一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置，包括飞秒激光放大器1、二分之一波片Ⅰ2、偏振片3、介质膜高反射镜4、二分之一波片Ⅱ5、平凸透镜6、酒精灯7、三维精密位移平台8、双凸透镜9及配有增强电荷耦合器件的光栅光谱仪10；其中，飞秒激光放大器1输出的激光依次经过竖直放置的二分之一波片Ⅰ2、偏振片3、介质膜高反射镜4、二分之一波片Ⅱ5及平凸透镜6后，在平凸透镜6后形成飞秒激光光丝；三维精密位移平台8放置于平凸透镜6的焦点位置范围内，酒精灯7放置在三维精密位移平台8上，三维精密位移平台8的三维方向上均采用手动调节；在激光传播方向的垂直方向上放置双凸透镜9，双凸透镜9与飞秒激光光丝的垂直距离为双凸透镜9的二倍焦距，配有增强电荷耦合器件的光栅光谱仪10的狭缝与双凸透镜9的垂直距离为双凸透镜9的二倍焦距，从而构成2f-2f成像系统。实验中可通过旋转二分之一波片Ⅰ的角度来改变入射到偏振片上的飞秒激光在偏振方向上的能量分量，以达到连续改变入射单脉冲能量的效果。
首先，将燃料正戊醇(北京试剂公司产品)添加至酒精灯中，添加的正戊醇体积为酒精灯容积的三分之二，然后将其放置在三维精密位移平台上；
然后，使用Spectral-Physical公司生产的带有振荡器的飞秒激光放大器(波长为800nm、脉宽为35fs、单脉冲最大能量为4mJ)，并且将其工作的重复频率设置为1000Hz，打开飞秒激光器放大器的挡板，接下来放置二分之一波片Ⅰ、偏振片、二分之一波片Ⅱ(均为ThorlabS公司产品)，以及焦距为500mm的带有增透膜的平凸透镜作为成丝透镜(长春金龙光电公司)。其中二分之一波片Ⅰ2和二分之一波片Ⅱ5的通光孔径均为25.4m，工作中心波长为800nm。
其次，在聚焦透镜前使用功率计(Spectral-Physical)测试激光功率，通过不断旋转偏振片前方的二分之一波片Ⅰ2，在测量到的激光功率为0.6W时停止，即此时激光的单脉冲能量为0.6mJ。调整偏振片后的二分之一波片Ⅱ5的角度使激光的偏振方向为竖直方向。激光通过所设计的光路，即可在平凸透镜的后方得到飞秒激光光丝。通过操作三维精密位移平台，将酒精灯放置于光丝的下方，光丝与灯芯之间的距离调整为28mm，点燃充有正戊醇燃料的酒精灯，通过调整灯芯，使火焰高度大约为50mm。使用焦距f＝60mm的凸透镜基于2f-2f成像系统在侧向收集光丝在火焰内部诱导的三次谐波的散射光谱至配有增强电荷耦合器件的光栅光谱仪的狭缝处。光栅光谱仪的狭缝宽度为200μm，ICCD门延时设置为-5ns(将飞秒激光刚刚到达相互作用位置的时刻记为0ns)，门宽为20ns。为了确保数据的稳定性，每次采集的光谱为10，000个激光脉冲信号累加的结果；作为对照，在空气中也做了类似的实验。如图2所示，在正戊醇火焰条件下，在侧向能够收集到三次谐波的散射信号；而在空气中，不能收集到三次谐波的散射信号，这是由于火焰中颗粒物对三次谐波散射的结果，而空气中没有这种尺寸较大的颗粒物。
接着，通过旋转偏振片后面的二分之一波片Ⅱ5的角度改变激光的偏振方向，测量不同偏振方向下的三次谐波的散射光谱，具体测量参数同上一步骤，每个偏振方向下重复测量三次。图3展示了在267nm处三次谐波信号强度与入射激光偏振方向的依赖关系，利用瑞利散射模型拟合实验曲线，发现实验结果与拟合结果符合，表明散射类型为瑞利散射。
最后，通过调节三维精密位移平台，沿酒精灯中心轴向改变光丝与酒精灯火焰相互作用的位置，光谱仪记录下不同位置处三次谐波侧向散射光谱，得到散射的三次谐波信号强度随光丝与火焰作用位置变化的关系，具体测量参数同上一步骤，每个位置下重复测量三次，其结果如图4所示。从图4可以看出，在267nm处三次谐波散射信号强度随距离的增加呈现先增加后减小的趋势，此结果与文献中其他诊断方法具有相同的变化趋势，表明利用本发明的方法可用于检测燃烧场颗粒物的分布，并克服了传统激光散射技术吸收损耗的限制。
Claims (10)
1.一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置，其特征在于，包括飞秒激光放大器(1)、二分之一波片Ⅰ(2)、偏振片(3)、介质膜高反射镜(4)、二分之一波片Ⅱ(5)、平凸透镜(6)、酒精灯(7)、三维精密位移平台(8)、双凸透镜(9)及配有增强电荷耦合器件的光栅光谱仪(10)；其中，飞秒激光放大器(1)输出的激光依次经过竖直放置的二分之一波片Ⅰ(2)、偏振片(3)、介质膜高反射镜(4)、二分之一波片Ⅱ(5)及平凸透镜(6)后，在平凸透镜(6)后形成飞秒激光光丝；三维精密位移平台(8)放置于平凸透镜(6)的焦点位置范围内，酒精灯(7)放置在三维精密位移平台(8)上，三维精密位移平台(8)的三维方向上均采用手动调节；在激光传播方向的垂直方向上放置双凸透镜(9)，双凸透镜(9)与飞秒激光光丝的垂直距离为双凸透镜(9)的二倍焦距，配有增强电荷耦合器件的光栅光谱仪(10)的狭缝与双凸透镜(9)的垂直距离为双凸透镜(9)的二倍焦距，从而构成2f-2f成像系统。
2.如权利要求1所述的一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置，其特征在于，所述的飞秒激光放大器系统(1)为带有振荡器的飞秒激光放大器，其工作中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs-200fs，重复频率为1Hz-1000Hz，单脉冲能量为0.5mJ-4.0mJ。
3.如权利要求1所述的一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置，其特征在于，所述的二分之一波片Ⅰ(2)和二分之一波片Ⅱ(5)的通光孔径均为25.4mm-38.1mm，工作波长为680nm-1100nm。
4.如权利要求1所述的一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置，其特征在于，所述的偏振片(3)为布儒斯特镜片，可以在满足特定角度入射后，所使用的反射光束均为竖直线偏振光。
5.如权利要求1所述的一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置，其特征在于，所述的平凸透镜(6)的焦距为50cm-200cm。
6.如权利要求1所述的一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置，其特征在于，所述的三维精密位移平台(8)的调节距离为0.05mm-50.00mm。
7.如权利要求1所述的一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置，其特征在于，所述的双凸透镜(9)为焦距为5cm-20cm，材质为石英玻璃。
8.如权利要求1所述的一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置，其特征在于，所述的配有增强电荷耦合器件的光栅光谱仪(10)的型号为AndorShamrock，增强电荷耦合器件的型号为Andor iStar。
9.一种应用权利要求1-8任何一项所述的一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置检测火焰内颗粒物分布的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)、将燃料填充到的酒精灯中，体积为酒精灯容积的三分之二，将酒精灯放置在三维精密位移平台上；
(2)、将飞秒激光放大器的重复频率调节为1Hz-1000Hz，通过旋转二分之一波片Ⅰ2并使用功率计测试激光功率，调整飞秒激光放大器的单脉冲能量为0.5mJ-4.0mJ；
(3)、飞秒激光放大器产生的飞秒激光依次经过竖直放置二分之一波片Ⅰ、偏振片、介质膜高反射镜、二分之一波片Ⅱ及平凸透镜后形成飞秒激光光丝，通过调节三维移动平台调节酒精灯位置，使其灯芯处于光丝的正下方，垂直距离为5mm-40mm；
(4)、点燃酒精灯，光丝在火焰内部产生三次谐波，在侧向双凸透镜处收集经火焰内颗粒物散射的三次谐波至配有增强电荷耦合器件的光栅光谱仪的狭缝中，进行火焰内颗粒物散射的三次谐波光谱的采集。
10.如权利要求9所述的一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的方法，其特征在于，步骤(1)所述的酒精灯的容积为150ml-200ml，高度为8mm-10mm；所述的配有增强电荷耦合器件的光栅光谱仪的增强电荷耦合器件的门延迟为-5ns-2ns，门宽为5ns-30ns。
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