CN112098344B - 氮氧化物的高频dfwm定量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氮氧化物的高频DFWM定量测量装置及方法，其中，该装置包括：高频激光器，用于产生重复频率为100kHz的1064nm激光以及将该1064nm激光经过三倍频后输出355nm激光；种子激光器模块，用于产生855nm的种子激光；光参量振荡器，用于将高频激光器输入的355nm激光与种子激光器输入的855nm的激光转化产生607nm的激光；DFWM信号光产生模块，用于将光参量振荡器输出的607nm的激光经过分束器和反射镜产生四束光，其中三束光经过第一透镜汇聚于氮氧化物气体样品池中，在满足相位共轭条件的情况下将产生DFWM光信号；以及氮氧化物定量模块，用于将经过第二透镜准直后的DFWM光信号转换成电信号，再进入计算机中处理得到氮氧化物气体的浓度。

Description

氮氧化物的高频DFWM定量测量装置及方法

技术领域

本发明属于燃烧诊断领域，具体地涉及一种氮氧化物的高频DFWM定量测量装置及方法。

背景技术

目前，燃烧是燃气轮机化学推进的重要过程，燃烧机理研究的进步有利于推进技术的发展与革新。要实现稳定且高效的燃烧，需要对燃料的注入、雾化、混合与扩散等物理化学过程有深入的理解，应用燃烧诊断技术发现并掌握规律是燃烧过程研究的重要任务。

燃烧诊断就是对燃烧的过程进行测量并对结果进行分析，对于温度、压力和燃烧产物等的测量，长期以来是依靠于热电偶、热线风速仪和组分分析仪等物理探针或测量仪器，这些物理探针经过检验，在其适应范围内，结果是可信的，且其使用成本低，操作简单，但由于物理探针很容易干扰流场并对检测结果产生影响，且只能用于测量宏观平均的物理量，缺乏足够的时间和空间的分辨率。由于在测量中需要避免物理探针的侵入性，避免对系统的测量结果的干扰，目前普遍采用基于激光的光学方法进行燃烧诊断。

且燃气轮机在燃烧过程中会产生多种产物，其中包括CO、氮氧化物(NOx)等污染物，由于这些污染物的量很少，使用常规的激光吸收光谱需要多次反射或者采用光腔衰荡等增强吸收的方法，且吸收光谱是线平均的测量，没有空间分辨率。1982年，P.Ewart第一次将简并四波混频技术(DFWM)用于大气压强下甲烷在空气中燃烧火焰中OH的检测，自此利用四波混频光谱技术进行微量物质检测便成为一种新的方法，到了二十世纪九十年代，简并四波混频技术已经被发展为一种高度灵敏的光谱技术，在对燃烧过程中寿命短，浓度低的中间产物的检测起到了重要作用。在燃烧火焰微量组分测量时，这种情况下背景光强，无法用PLIF技术进行检测，用CARS法检测时灵敏度又不高，所以与其他光谱技术相比，DFWM技术有许多优点，作为高灵敏度的一项光谱技术，DFWM未来一定会在科学研究等领域起到更重要的作用。

哈尔滨工业大学王维波在博士毕业论文《共振简并四波混频技术及其在气相介质光谱中应用研究》中设计的DFWM前向光路，作者在设计自稳定光路的基础上测量了甲烷-氧气-氮气的燃烧火焰中OH自由基的光谱信号和它在火焰中不同位置的相对浓度分布。作者采用Nd：YAG激光器产生的激光经过2倍频后输出532nm的激光至泵浦染料激光器，染料为PM580，获得550nm-570nm的激光，激光重复频率为10Hz，线宽为0.12cm^-1，激光器脉冲宽度为7ns，激光经分束器后获得四束频率相同的光，用其中三束光进行相位匹配以获得DFWM信号光。

现有简并四波混频技术所用激光为低重复频率激光，在针对不稳定性燃烧组织方式的燃烧污染物氮氧化物定量测量时时间分辨率与空间分辨率均不高。且现有技术多用染料激光器来获得所需波长的激光，但染料激光器因其染料的温度变化和化学反应而输出不稳定，需要定期更换染料，另外染料还对人体有毒，且其中的染料溶液在连续泵浦光脉冲之间进行交换的时间有限，不适合用于超高重复频率系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮氧化物的高频DFWM定量测量装置及方法，以克服上述问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一方面，提供了一种氮氧化物的高频DFWM定量测量装置，包括：

高频激光器，用于产生重复频率为100kHz的1064nm激光以及将该1064nm激光经过三倍频后输出355nm激光；

种子激光器模块，用于产生855nm的种子激光；

光参量振荡器，用于将高频激光器输入的355nm激光与种子激光器输入的855nm的激光转化产生607nm的激光；

DFWM信号光产生模块，用于将光参量振荡器输出的607nm的激光经过分束器和反射镜产生四束光，这四束光在空间上相互平行并且在与光束垂直的方向上形成正方形的四个顶点，四束光的能量相等，其中三束光经过第一透镜汇聚于氮氧化物气体样品池中，在满足相位共轭条件的情况下将产生DFWM光信号；

以及氮氧化物定量模块，用于将经过第二透镜准直后的DFWM光信号转换成电信号，再进入计算机中处理得到氮氧化物气体的浓度。

优选地，高频激光器模块为Nd:YAG激光器和倍频器。

在较佳实施例中，种子激光器模块包括半导体激光器和光电隔离器，半导体激光器用于产生波长855nm、功率100mW、线宽为0.01nm的半导体激光，该半导体激光经过光电隔离器处理后输出855nm的种子激光。

在较佳实施例中，光电隔离器输出的种子激光经第一镜片反射进入光参量振荡器与355nm激光产生607nm激光束，第一镜片用于反射855nm的p方向偏振光并透射607nm的p方向偏振光，光参量振荡器输出的607nm经过第一镜片进入DFWM信号光产生模块。

在较佳实施例中，光参量振荡器包括BBO晶体和位于BBO晶体两侧的第二镜片与第三和第四镜片，第二镜片位于BBO晶体与高频激光器模块之间，用于透射355nm的光并反射607nm和855nm的光；第三镜片靠近BBO晶体，用于透射355nm、607nm和855nm的光，第四镜片用于反射355nm的光并透射607nm和855nm的光。

在较佳实施例中，DFWM信号光产生模块包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，607nm的光经过第一分束器后分成第一束光和第二束光，第一束光按原来方向传播，第二束光向垂直于原来的方向传播，第一束光经过第二分束器后分成第三束光和第四束光，第三束光按原来方向传播，第四束光向垂直于原来的方向传播，第四束光经过第一反射镜变成平行于第三束光；第二束光经过第二反射镜后进入第三分束器中，分成第五束光和第六束光，第六束光按原来方向传播，用物体遮挡，第五束光向垂直于原来的方向传播，经过第三反射镜变成平行于第三束光和第四束光，第三束光、第四束光和第五束光经过第一透镜汇聚于氮氧化物气体样品池中，在满足相位共轭条件的情况下将产生DFWM光信号。

在较佳实施例中，氮氧化物定量模块包括光电倍增管、信号平均器和计算机，DFWM光信号经过第二透镜准直后，进入光电倍增管转换成电信号，再经过信号平均器平均后，由计算机进行处理和保存。

在较佳实施例中，第二透镜和光电倍增管之间设有第四反射镜，DFWM光信号经过第二透镜准直后经过第四反射镜进入光电倍增管。

根据本发明的另一方面，还提供了一种氮氧化物的高频DFWM定量测量方法，包括以下步骤：

通过如上所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置产生光谱数据；

将采集到的光谱数据扣除系统背景，得到真实测量信息的光强信号：

I＝I₀exp[-S(T)·φ(v)·P·χ(l)·L]

其中，I为出射光的光强，I₀为入射光光强，S(T)为谱线的强度，单位为cm^-2atm^-1，φ(v)为线性函数，单位为cm，P为系统总压，单位为atm，L为气体样品池的长度，单位为cm，χ(l)为气体在l位置处的体积分数；

进而通过变形得到吸光度τ：

当线性函数满足归一化条件时，

则积分吸光度A_j可以写成：

接着，采用两个积分吸光度的比值反演出测量场的温度，如下公式所示：

其中，T₀为参考温度，为298.15K，A₁和A₂分别为两个积分吸光度；

再通过已测量的温度修正此时的氮氧化物所对应的线强，具体表达式如下：

其中k是玻尔兹曼常数，单位为J·K^-1，c是光速，单位为cm·s^-1，h是普朗克常数，单位为J·s，E″是能量，单位为cm^-1，Q(T)是配分函数；

根据温度修正此时氮氧化物所对应的线强，进而反演得到氮氧化物的浓度：

本发明将入射激光的重复频率提高到了100kHz，采用高重复频率的激光进行燃烧污染物氮氧化物的定量测量，使测量结果具有较高的空间分辨率与时间分辨率。并采用OPO(光参量振荡器)来代替染料激光器获得所需要波长的激光，弥补了染料激光器中的染料溶液在连续泵浦光脉冲之间进行交换的时间有限的不足。

附图说明

图1是本发明的氮氧化物的高频DFWM定量测量实验装置的示意图。

附图标记：

1：高频激光器(Nd：YAG激光器)；2：第二镜片；3：BBO晶体；4：第三镜片；5：第四镜片；6：第一镜片；7：光电隔离器；8：种子激光器(半导体激光器)；9：第一分束器；10：第二反射镜；11：第一反射镜；12：第二分束器；13：第三反射镜；14：第三分束器；15：第一透镜；16：氮氧化物气体样品池；17：第二透镜；18：第四反射镜；19：光电倍增管；20：信号平均器；21：计算机；①：第一束光；②：第二束光；③：第三束光；④：第四束光；⑤：第五束光；⑥：第六束光；⑦：DFWM光

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

图1是氮氧化物的高频DFWM定量测量实验装置的示意图，包含高频激光器、种子激光器模块、光参量振荡器、DFWM信号光产生模块和氮氧化物定量模块共五个模块。其中，高频激光器用于产生重复频率为100kHz的1064nm激光以及将该1064nm激光经过三倍频后输出355nm激光；种子激光器模块用于产生855nm的种子激光；光参量振荡器用于将高频激光器输入的355nm激光与种子激光器输入的855nm的激光转化产生607nm的激光；DFWM信号光产生模块，用于将光参量振荡器输出的607nm的激光经过分束器和反射镜产生四束光，这四束光在空间上相互平行并且在与光束垂直的方向上形成正方形的四个顶点，四束光的能量相等，其中三束光经过第一透镜汇聚于氮氧化物气体样品池中，在满足相位共轭条件的情况下将产生DFWM光信号；以及氮氧化物定量模块，用于将经过第二透镜准直后的DFWM光信号转换成电信号，再进入计算机中处理得到氮氧化物气体的浓度。下面分别对各个模块进行说明。

高频激光器为Nd:YAG激光器1，其发射出来的1064nm的激光经过三倍频得到355nm的激光，激光重复频率为100kHz。

种子激光器模块包括半导体激光器8和光电隔离器9，半导体激光器8产生波长855nm，功率100mW，线宽为0.01nm的半导体激光，经过光电隔离器9输出855nm的种子激光。光电隔离器9输出的种子激光经第一镜片6反射进入光参量振荡器与355nm激光产生607nm激光束，第一镜片6用于反射855nm的p方向偏振光并透射607nm的p方向偏振光，光参量振荡器输出的607nm经过第一镜片6进入DFWM信号光产生模块。

光参量振荡器包括BBO晶体3和位于BBO晶体3两侧的第二镜片2与第三镜片4和第四镜片5，第二镜片2位于BBO晶体3与高频激光器模块1之间，用于透射355nm的光并反射607nm和855nm的光；第三镜4片靠近BBO晶体3，用于透射355nm、607nm和855nm的光，第四镜片5用于反射355nm的光并透射607nm和855nm的光。因此，高频激光器模块1发出的355nm的光可以经过第二镜片2进入BBO晶体3中并被第四镜片5反射回来，以及855nm的种子激光可以经过第四镜片5和第三镜片4进入BBO晶体3中，在BBO晶体3中355nm的光与855nm的光进行波长转换得到607nm的光，由于第二镜片2反射607nm和855nm的光，因此607nm的光经过第三镜片4和第四镜片5输出至DFWM信号光产生模块。

DFWM信号光产生模块包括第一分束器9、第二分束器12、第三分束器14、第一反射镜11、第二反射镜10和第三反射镜13，607nm的光经过第一分束器9后分成第一束光①和第二束光②，第一束光①按原来方向传播，第二束光②向垂直于原来的方向传播，第一束光①经过第二分束器12后分成第三束光③和第四束光④，第三束光③按原来方向传播，第四束光④向垂直于原来的方向传播，第四束光④经过第一反射镜11变成平行于第三束光③；第二束光②经过第二反射镜10后进入第三分束器14中，分成第五束光⑤和第六束光⑥，第六束光⑥按原来方向传播，用物体遮挡，第五束光⑤向垂直于原来的方向传播，经过第三反射镜13变成平行于第三束光③和第四束光④，第三束光③、第四束光④和第五束光⑤经过第一透镜15汇聚于氮氧化物气体样品池16中，在满足相位共轭条件的情况下将产生DFWM光信号⑦。

氮氧化物定量模块包括光电倍增管19、信号平均器20和计算机21，DFWM光信号⑦经过第二透镜18准直后，进入光电倍增管19转换成电信号，再经过信号平均器20平均后，由计算机21进行处理和保存，产生光谱数据，通过对光谱数据进行计算得到氮氧化物气体的浓度。

具体过程为：首先，将采集到的光谱数据扣除系统背景，得到真实测量信息的光强信号：

I＝I₀exp[-S(T)·φ(v)·P·χ(l)·L]，

其中，I为出射光的光强，I₀为入射光光强，S(T)为谱线的强度，单位为cm^-2atm^-1，φ(v)为线性函数，单位为cm，P为系统总压，单位为atm，L为气体样品池的长度，单位为cm，χ(l)为气体在l位置处的体积分数；

进而通过变形得到吸光度τ：

当线性函数满足归一化条件时，

则积分吸光度A_j可以写成：

接着，采用两个积分吸光度的比值反演出测量场的温度，如下公式所示：

其中，T₀为参考温度，为298.15K，A₁和A₂分别为两个积分吸光度；

再通过已测量的温度修正此时的氮氧化物所对应的线强，具体表达式如下：

其中k是玻尔兹曼常数，单位为J·K^-1，c是光速，单位为cm·s^-1，h是普朗克常数，单位为J·s，E″是能量，单位为cm^-1，Q(T)是配分函数；

根据温度修正此时氮氧化物所对应的线强，进而反演得到氮氧化物的浓度：

本发明将入射激光的重复频率提高到了100kHz，采用高重复频率的激光进行燃烧污染物氮氧化物的定量测量，使测量结果具有较高的空间分辨率与时间分辨率。并采用OPO(光参量振荡器)来代替染料激光器获得所需要波长的激光，弥补了染料激光器中的染料溶液在连续泵浦光脉冲之间进行交换的时间有限的不足。

以上已详细描述了本发明的优选实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种氮氧化物的高频DFWM定量测量装置，其特征在于，包括：

高频激光器，用于产生重复频率为100kHz的1064nm激光以及将该1064nm激光经过三倍频后输出355nm激光；

种子激光器模块，用于产生855nm的种子激光；

光参量振荡器，用于将高频激光器输入的355nm激光与种子激光器输入的855nm的激光转化产生607nm的激光，所述光参量振荡器包括BBO晶体和位于BBO晶体两侧的第二镜片与第三和第四镜片，第二镜片位于BBO晶体与高频激光器之间，用于透射355nm的光并反射607nm和855nm的光；第三镜片靠近BBO晶体，用于透射355nm、607nm和855nm的光，第四镜片用于反射355nm的光并透射607nm和855nm的光；

DFWM信号光产生模块，用于将光参量振荡器输出的607nm的激光经过分束器和反射镜产生四束光，这四束光在空间上相互平行并且在与光束垂直的方向上形成正方形的四个顶点，四束光的能量相等，其中三束光经过第一透镜汇聚于氮氧化物气体样品池中，在满足相位共轭条件的情况下将产生DFWM光信号；

以及氮氧化物定量模块，用于将经过第二透镜准直后的DFWM光信号转换成电信号，再进入计算机中处理得到氮氧化物气体的浓度。

2.如权利要求1所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置，其特征在于，高频激光器为Nd:YAG激光器。

3.如权利要求2所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置，其特征在于，种子激光器模块包括半导体激光器和光电隔离器，半导体激光器用于产生波长855nm、功率100mW、线宽为0.01nm的半导体激光，该半导体激光经过光电隔离器处理后输出855nm的种子激光。

4.如权利要求3所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置，其特征在于，光电隔离器输出的种子激光经第一镜片反射进入光参量振荡器与355nm激光产生607nm激光束，第一镜片用于反射855nm的p方向偏振光并透射607nm的p方向偏振光，光参量振荡器输出的607nm经过第一镜片进入DFWM信号光产生模块。

5.如权利要求1所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置，其特征在于，DFWM信号光产生模块包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，607nm的光经过第一分束器后分成第一束光和第二束光，第一束光按原来方向传播，第二束光向垂直于原来的方向传播，第一束光经过第二分束器后分成第三束光和第四束光，第三束光按原来方向传播，第四束光向垂直于原来的方向传播，第四束光经过第一反射镜变成平行于第三束光；第二束光经过第二反射镜后进入第三分束器中，分成第五束光和第六束光，第六束光按原来方向传播，用物体遮挡，第五束光向垂直于原来的方向传播，经过第三反射镜变成平行于第三束光和第四束光，第三束光、第四束光和第五束光经过第一透镜汇聚于氮氧化物气体样品池中，在满足相位共轭条件的情况下将产生DFWM光信号。

6.如权利要求1所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置，其特征在于，氮氧化物定量模块包括光电倍增管、信号平均器和计算机，DFWM光信号经过第二透镜准直后，进入光电倍增管转换成电信号，再经过信号平均器平均后，由计算机进行处理和保存。

7.如权利要求6所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置，其特征在于，第二透镜和光电倍增管之间设有第四反射镜，DFWM光信号经过第二透镜准直后经过第四反射镜进入光电倍增管。

8.一种氮氧化物的高频DFWM定量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过如权利要求1至7中的任一项所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置产生光谱数据；

将采集到的光谱数据扣除系统背景，得到真实测量信息的光强信号：

I＝I₀exp[-S(T)·φ(v)·P·χ(l)·L]，

其中，I为出射光的光强，I₀为入射光光强，S(T)为谱线的强度，单位为cm^-2atm^-1，φ(v)为线性函数，单位为cm，P为系统总压，单位为atm，L为气体样品池的长度，单位为cm，χ(l)为气体在l位置处的体积分数；

进而通过变形得到吸光度τ：

当线性函数满足归一化条件时，

则积分吸光度A_j可以写成：

接着，采用两个积分吸光度的比值反演出测量场的温度，如下公式所示：

其中，T₀为参考温度，为298.15K，A₁和A₂分别为两个积分吸光度；

再通过已测量的温度修正此时的氮氧化物所对应的线强，具体表达式如下：

其中k是玻尔兹曼常数，单位为J·K^-1，c是光速，单位为cm·s^-1，h是普朗克常数，单位为J·s，E"₁和E"₂是两个能量，单位为cm^-1，Q(T)是配分函数；

根据温度修正此时氮氧化物所对应的线强，进而反演得到氮氧化物的浓度：

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