CN109959584A - 测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量燃烧场中碳烟颗粒物超快动力学过程的飞秒激光泵浦探测光学系统及测量方法，属于燃烧场光学诊断技术领域，本发明将激光放大器系统产生的中心波长为800nm近红外飞秒激光分束，一束经聚焦透镜聚焦形成光丝作为泵浦光，另一束经过紫外飞秒激光脉冲产生单元，得到267nm飞秒激光脉冲作为探测光，调整激光光路使泵浦光和探测光空间重合并通过测试燃烧场内部；通过数字延时信号发生器使激光器、光学延迟单元、相机、计算机数据采集程序同步运行，在不同的泵浦探测延时条件下,记录探测紫外光在燃烧场中碳烟颗粒的侧向散射光谱；利用所测散射光谱，获得散射信号强度随泵浦光与探测光时间延迟的动态变化关系，得到燃烧场中碳烟颗粒物超快的动力学信息。
Description
技术领域
本发明属于燃烧场光学诊断技术领域，具体涉及一种测量燃烧场中碳烟颗粒物超快动力学过程的飞秒激光泵浦探测光学系统及测量方法。
背景技术
碳氢化合物在燃料富燃条件下燃烧会产生黑烟，这些黑烟实际上就是高温燃烧场中产生的碳烟颗粒物。时至今日，碳烟颗粒物作为一种重要的添加材料，已经被广泛地应用于橡胶、涂料、感光材料等重要的工业生产当中；此外，燃烧场产生的碳烟颗粒物直接排放到空气中会引发温室效应、光化学烟雾、雾霾等诸多环境问题，与人类的生产和生活息息相关。对燃烧场中碳烟颗粒物超快动力学过程进行测量可以帮助我们进一步理解碳烟颗粒物形成的物理和化学过程，在有效控制碳烟颗粒物的产生，降低能源损耗，减少污染物排放等方面都具有极其重要的影响。
目前国际上针对燃烧场中碳烟颗粒物已经发展了多种诊断技术。外侵方法通常先借助取样技术将碳烟颗粒物从燃烧场中取出，然后再利用显微成像以及化学分析手段来测量碳烟颗粒物的微纳结构和化学成分；非外侵方法，尤其是光学方法是一种无需采样的原位测量技术，具有超高的时间空间分辨能力，例如激光散射光谱技术、激光诱导白炽光技术等。由于碳烟颗粒物在燃烧场中形成是一个快速的物理化学过程并伴随这复杂反应，因此测量碳烟颗粒物的超快动力学过程是十分重要的。然而，目前已报道的碳烟颗粒物动力学测量技术的时间分辨能力仅为纳秒量级。因而，要想获得碳烟颗粒物更多更精细的动力学信息，必须测量在皮秒甚至飞秒量级的动力学过程。
发明内容
为了克服现有技术中存在的只能获得碳烟颗粒物纳秒时间分辨尺度下的动力学信息，本发明的提供了一种测量燃烧场中碳烟颗粒物超快动力学过程的飞秒激光泵浦探测光学系统及测量方法，用于测量燃烧场中碳烟颗粒物的散射光谱随时间演变，从而获得碳烟颗粒物的超快动力学信息，为促进燃烧领域以及碳烟颗粒物形成的反应动力学模型的实验验证提供了切实可行实验工具的基于泵浦探测技术的测量燃烧场中碳烟颗粒物超快动力学过程的方法。
本发明通过如下技术方案实现：
测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统，包括飞秒激光放大器1、分束片2、第三高反镜12、第四高反镜13、第二光学延迟线14、第一聚焦透镜15、第二聚焦透镜16、第三二向色镜17、火焰18、双凸透镜19、光栅光谱仪20、信号发生器21、计算机22、紫外飞秒激光脉冲产生单元23；其中，所述飞秒激光放大器1输出的近红外飞秒激光经过分束片2进行分束，分束产生两束激光，其中能量大的激光光束经过紫外飞秒激光脉冲产生单元23得到紫外飞秒激光脉冲作为探测激光光源；产生的探测激光光源依次经过第三高反镜12和第一聚焦透镜15；能量小的激光光束，则作为泵浦光源，依次经过第四高反镜13、第二光学延迟线14和第二聚焦透镜16；经过第一聚焦透镜15的探测激光光源和经过第二聚焦透镜16的泵浦光源通过第三二向色镜17合束，调整第一聚焦透镜15和第二聚焦透镜16的位置使泵浦光产生的光丝与探测光的焦点位置重合形成探测紫外飞秒激光；调整火焰18位置，使重合后的探测紫外飞秒激光经过火焰，使用焦距为双凸透镜19基于2f-2f成像系统对探测紫外飞秒激光的散射光进行成像，光栅光谱仪20进行收集散射光谱；信号发生器DG535 21为光栅光谱仪20提供触发信号源，确保飞秒激光脉冲输出与光谱采集之间的同步；通过计算机22可实现对第二光学延迟线14的控制以及散射光谱的采集与数据存储。
进一步地，所述飞秒激光放大器1为带有振荡器的飞秒激光放大器，输出中心波长为800nm、脉宽为40fs、单脉冲能量为3mJ、偏振方向为水平偏振的近红外激光脉冲，并且将其工作的重复频率设置为500Hz。
进一步地，所述光栅光谱仪20为配有ICCD相机的光栅光谱仪，狭缝宽度为200μm，ICCD相机的门延时设置为-5ns，门宽为20ns。
进一步地，所述紫外飞秒激光脉冲产生单元23包括倍频晶体3、第一二向色镜4、第一高反镜5、二分之一玻片6、第二高反镜7、光学延迟线8、第二二向色镜9、KDP晶体10及窄带滤波片11；具体地，分束产生的近红外飞秒激光经过倍频晶体3产生400nm飞秒激光脉冲信号，偏振方向为竖直偏振，利用第一二向色镜4(800nm高反，400nm高透)将基频光和倍频光分开，倍频光经第一光学延迟线8后与依次经第一高反镜5、第二高反镜7调整传播方向后的基频光通过第二二向色镜9合为一束后在经过KDP晶体10，二分之一玻片6位于第一高反镜5及第二高反镜7之间，旋转二分之一玻片6使基频光偏振方向为竖直方向并调节第一光学延迟线8使800nm基频激光脉冲和400nm倍频激光脉冲在时空间上重合，以使二者在KDP晶体10中达到相位匹配，从而产生267nm紫外飞秒激光脉冲的和频信号，然后再通过窄带滤波片11，得到了单纯的267nm紫外飞秒激光脉冲(竖直偏振)，作为探测激光光源。
测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统的测量方法，具体步骤如下：
(1)将波长为800nm的飞秒激光放大器产生的激光进行分束，一束经聚焦透镜聚焦形成光丝作为泵浦光，另一束经过紫外飞秒激光脉冲产生单元，得到飞秒激光脉冲作为探测光，调整激光光路使泵浦光和探测光空间重合并通过测试燃烧场内部；
(2)利用计算机数据采集程序使信号发生器、飞秒激光放大器、第二光学延迟线、ICCD相机同步运行，控制光学延迟线改变泵浦光丝与探测紫外飞秒激光脉冲二者之间的时间延迟，并同步测量每个时间延迟下探测秒激光脉冲在燃烧场中碳烟颗粒的侧向散射光谱；
(3)利用所测散射光谱，提取在不同的光学延时下的紫外光散射信号强度，从而得到探测光的散射信号随泵浦光与探测光时间延迟的动态变化关系。散射信号强度与燃烧场中碳烟颗粒的状态有关，因此可以得到燃烧场中碳烟颗粒物的超快动力学信息。
进一步地，步骤(1)中，所述波长为800nm的飞秒激光放大器产生的激光的宽度为35～200fs，重复频率为1Hz～1000Hz。
进一步地，步骤(1)中，分束出来聚焦形成光丝作为泵浦的激光功率大于在火焰内部成丝的阈值功率且偏振方向为水平偏振。
进一步地，步骤(1)中，分束产生的另一束激光脉冲经过紫外飞秒激光脉冲产生单元所产生的紫外光的中心波长为267nm，偏振方向为竖直偏振。
进一步地，在步骤(2)中，所述第二光学延迟线的步长精度为4fs，ICCD相机门延迟为-5ns～-2ns，门宽为5ns～30ns。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明利用泵浦探测技术和散射光谱技术，得到的不同泵浦探测延迟时间条件下的散射光谱，将得到的散射光谱进行处理，即可得到燃烧场中碳烟颗粒物在皮秒乃至飞秒时间尺度的超快动力学信息，为燃烧场中碳烟颗粒物动力学的研究提供了有效的实验基础。
附图说明
图1为本发明的系统结构图；
图2为本发明实施例1测得的散射信号强度随泵浦光与探测光时间延迟的动态变化关系图。
图中：飞秒激光放大器1、分束片2、倍频晶体3、第一二向色镜4、第一高反镜5、二分之一玻片6、第二高反镜7、光学延迟线8、第二二向色镜9、KDP晶体10、窄带滤波片11、第三高反镜12、第四高反镜13、第二光学延迟线14、第一聚焦透镜15、第二聚焦透镜16、第三二向色镜17、火焰18、双凸透镜19、光栅光谱仪20、信号发生器DG535 21、计算机22、紫外飞秒激光脉冲产生单元23
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
测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统，包括飞秒激光放大器1、分束片2、第三高反镜12、第四高反镜13、第二光学延迟线14、第一聚焦透镜15、第二聚焦透镜16、第三二向色镜17、火焰18、双凸透镜19、光栅光谱仪20、信号发生器21、计算机22、紫外飞秒激光脉冲产生单元23；测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统，包括飞秒激光放大器1、分束片2、第三高反镜12、第四高反镜13、第二光学延迟线14、第一聚焦透镜15、第二聚焦透镜16、第三二向色镜17、火焰18、双凸透镜19、光栅光谱仪20、信号发生器21、计算机22、紫外飞秒激光脉冲产生单元23；
所述飞秒激光放大器1(Spectral-Physical公司生产)为带有振荡器的飞秒激光放大器，输出中心波长为800nm、脉宽为40fs、单脉冲能量为3mJ、偏振方向为水平偏振的近红外激光脉冲，并且将其工作的重复频率设置为500Hz。
飞秒激光放大器1输出的800nm近红外飞秒激光经过分束片2进行分束，分束产生的两束激光分别为2.2mJ和0.8mJ。其中能量较大的激光光束经过紫外飞秒激光脉冲产生单元23得到267nm飞秒激光脉冲作为探测光。具体为分束产生的近红外飞秒激光经过倍频晶体3产生400nm飞秒激光脉冲，偏振方向为竖直偏振，利用第一二向色镜(800nm高反，400nm高透)4将800nm基频光和400nm倍频光分开，倍频光经第一光学延迟线8与经800nm第一高反镜5、第二高反镜7调整传播方向后的基频光通过第二二向色镜(800nm高反，400nm高透)9合为一束后在经过KDP晶体10，旋转二分之一玻片6使800nm基频光偏振方向为竖直方向并调节第一光学延迟线8使800nm基频激光脉冲和400nm倍频激光脉冲在时间重合以使二者在KDP晶体10中达到良好的相位匹配，从而产生267nm紫外飞秒激光脉冲的和频信号。然后再通过267nm的窄带滤波片11滤掉800nm和400nm的激光，我们就得到了单纯的267nm紫外飞秒激光脉冲(竖直偏振)，作为探测激光光源。分束产生能量较小的激光光束则作为泵浦光源。
产生的探测光先经267nm第三高反镜12和焦距为500mm的第二聚焦透镜16，泵浦光先经800nm第四高反镜13、第二光学延迟线14和焦距为500mm的第一聚焦透镜15，二者再利用第三二向色镜(800nm高反，267nm高透)17合束，调整第一聚焦透镜15和第二聚焦透镜16的位置使泵浦光产生的光丝与探测光的焦点位置重合。
将燃料正戊醇添加至酒精灯中，点燃后产生火焰高度大约为45mm的正戊醇火焰18，调整酒精灯位置使泵浦激光光丝和聚焦的探测紫外激光经过火焰，光丝与灯芯之间的距离调整为25mm。使用焦距为60mm的双凸透镜19基于2f-2f成像系统对探测紫外飞秒激光的散射光进行成像，利用配有ICCD的光栅光谱仪20收集散射光谱。光谱仪狭缝宽度为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。
通过数字延时信号发生器DG535 21使激光器、光学延迟线14、ICCD相机、计算机22的数据采集程序同步运行，在不同的泵浦探测延时条件下,记录探测紫外光在燃烧场中碳烟颗粒的侧向散射光谱。为了确保数据的稳定性，每次采集的光谱为5000个激光脉冲信号累加的结果。
利用所测散射光谱，处理获得散射信号强度随泵浦光与探测光时间延迟的动态变化关系，其结果如图2所示，其时间分辨能力可以达到飞秒量级。从这个结果中，就可以获取燃烧场中碳烟颗粒物超快动力学信息。
测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统的测量方法，具体步骤如下：
(1)将波长为800nm的飞秒激光放大器产生的激光进行分束，一束经聚焦透镜聚焦形成光丝作为泵浦光，另一束经过紫外飞秒激光脉冲产生单元，得到飞秒激光脉冲作为探测光，调整激光光路使泵浦光和探测光空间重合并通过测试燃烧场内部；
(2)利用计算机数据采集程序使信号发生器、飞秒激光放大器、第二光学延迟线、ICCD相机同步运行，控制光学延迟线改变泵浦光丝与探测紫外飞秒激光脉冲二者之间的时间延迟，并同步测量每个时间延迟下探测秒激光脉冲在燃烧场中碳烟颗粒的侧向散射光谱；
(3)利用所测散射光谱，提取在不同的光学延时下的紫外光散射信号强度，从而得到探测光的散射信号随泵浦光与探测光时间延迟的动态变化关系。散射信号强度与燃烧场中碳烟颗粒的状态有关，因此可以得到燃烧场中碳烟颗粒物的超快动力学信息。
进一步地，步骤(1)中，所述波长为800nm的飞秒激光放大器产生的激光的宽度为35～200fs，重复频率为1Hz～1000Hz。
进一步地，步骤(1)中，分束出来聚焦形成光丝作为泵浦的激光功率大于在火焰内部成丝的阈值功率且偏振方向为水平偏振。
进一步地，步骤(1)中，分束产生的另一束激光脉冲经过紫外飞秒激光脉冲产生单元所产生的紫外光的中心波长为267nm，偏振方向为竖直偏振。
进一步地，在步骤(2)中，所述第二光学延迟线的步长精度为4fs，ICCD相机门延迟为-5ns～-2ns，门宽为5ns～30ns。
Claims (9)
1.测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统，其特征在于，包括飞秒激光放大器(1)、分束片(2)、第三高反镜(12)、第四高反镜(13)、第二光学延迟线(14)、第一聚焦透镜(15)、第二聚焦透镜(16)、第三二向色镜(17)、火焰(18)、双凸透镜(19)、光栅光谱仪(20)、信号发生器(21)、计算机(22)、紫外飞秒激光脉冲产生单元(23)；其中，所述飞秒激光放大器(1)输出的近红外飞秒激光经过分束片(2)进行分束，分束产生两束激光，其中能量大的激光光束经过紫外飞秒激光脉冲产生单元(23)得到紫外飞秒激光脉冲作为探测激光光源；产生的探测激光光源依次经过第三高反镜(12)和第一聚焦透镜(15)；能量小的激光光束，则作为泵浦光源，依次经过第四高反镜(13)、第二光学延迟线(14)和第二聚焦透镜(16)；经过第一聚焦透镜(15)的探测激光光源和经过第二聚焦透镜(16)的泵浦光源通过第三二向色镜(17)合束，调整第一聚焦透镜(15)和第二聚焦透镜(16)的位置使泵浦光产生的光丝与探测光的焦点位置重合形成探测紫外飞秒激光；调整火焰(18)位置，使重合后的探测紫外飞秒激光经过火焰，使用焦距为双凸透镜(19)基于2f-2f成像系统对探测紫外飞秒激光的散射光进行成像，光栅光谱仪(20)进行收集散射光谱；信号发生器DG535(21)为光栅光谱仪(20)提供触发信号源，确保飞秒激光脉冲输出与光谱采集之间的同步；通过计算机(22)可实现对第二光学延迟线(14)的控制以及散射光谱的采集与数据存储。
2.如权利要求1所述的测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统，其特征在于，所述飞秒激光放大器(1)为带有振荡器的飞秒激光放大器，输出中心波长为800nm、脉宽为40fs、单脉冲能量为3mJ、偏振方向为水平偏振的近红外激光脉冲，并且将其工作的重复频率设置为500Hz。
3.如权利要求1所述的测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统，其特征在于，所述光栅光谱仪(20)为配有ICCD相机的光栅光谱仪，狭缝宽度为200μm，ICCD相机的门延时设置为-5ns，门宽为20ns。
4.如权利要求1所述的测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统，其特征在于，所述紫外飞秒激光脉冲产生单元(23)包括倍频晶体(3)、第一二向色镜(4)、第一高反镜(5)、二分之一玻片(6)、第二高反镜(7)、光学延迟线(8)、第二二向色镜(9)、KDP晶体(10)及窄带滤波片(11)；具体地，分束产生的近红外飞秒激光经过倍频晶体(3)产生400nm飞秒激光脉冲信号，偏振方向为竖直偏振，利用第一二向色镜(4)将基频光和倍频光分开，倍频光经第一光学延迟线(8)后与依次经第一高反镜(5)、第二高反镜(7)调整传播方向后的基频光通过第二二向色镜(9)合为一束后在经过KDP晶体(10)，二分之一玻片(6)位于第一高反镜(5)及第二高反镜(7)之间，旋转二分之一玻片(6)使基频光偏振方向为竖直方向并调节第一光学延迟线(8)使800nm基频激光脉冲和400nm倍频激光脉冲在时空间上重合，以使二者在KDP晶体(10)中达到相位匹配，从而产生267nm紫外飞秒激光脉冲的和频信号，然后再通过窄带滤波片(11)，得到了单纯的267nm紫外飞秒激光脉冲，作为探测激光光源。
5.如权利要求1所述的测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将波长为800nm的飞秒激光放大器产生的激光进行分束，一束经聚焦透镜聚焦形成光丝作为泵浦光，另一束经过紫外飞秒激光脉冲产生单元，得到飞秒激光脉冲作为探测光，调整激光光路使泵浦光和探测光空间重合并通过测试燃烧场内部；
(2)利用计算机数据采集程序使信号发生器、飞秒激光放大器、第二光学延迟线、ICCD相机同步运行，控制光学延迟线改变泵浦光丝与探测紫外飞秒激光脉冲二者之间的时间延迟，并同步测量每个时间延迟下探测秒激光脉冲在燃烧场中碳烟颗粒的侧向散射光谱；
(3)利用所测散射光谱，提取在不同的光学延时下的紫外光散射信号强度，从而得到探测光的散射信号随泵浦光与探测光时间延迟的动态变化关系。散射信号强度与燃烧场中碳烟颗粒的状态有关，因此可以得到燃烧场中碳烟颗粒物的超快动力学信息。
6.如权利要求5所述的测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统的测量方法，其特征在于，步骤(1)中，所述波长为800nm的飞秒激光放大器产生的激光的宽度为35～200fs，重复频率为1Hz～1000Hz。
7.如权利要求5所述的测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统的测量方法，其特征在于，步骤(1)中，分束出来聚焦形成光丝作为泵浦的激光功率大于在火焰内部成丝的阈值功率且偏振方向为水平偏振。
8.如权利要求5所述的测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统的测量方法，其特征在于，步骤(1)中，分束产生的另一束激光脉冲经过紫外飞秒激光脉冲产生单元所产生的紫外光的中心波长为267nm，偏振方向为竖直偏振。
9.如权利要求5所述的测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统的测量方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述第二光学延迟线的步长精度为4fs，ICCD相机门延迟为-5ns～-2ns，门宽为5ns～30ns。
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