CN113155311B - 一种cars测温方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CARS测温方法和装置，本发明的方法根据氮气时域曲线随温度的变化规律，找到两个对温度变化敏感的特定延迟时间，利用这两个延迟时间的信号强度比进行测温；在测试数据解析环节采用了基于振动相干原理的简易方法，大大简化了从测试数据中提取温度信息的计算难度；在具体应用时，首先，获得两个特定延迟时间的信号强度比随温度变化的定标曲线，然后，通过实际测量得到这两个特定延迟时间的信号强度，并计算得到两个实测信号强度比，之后，根据实测信号强度比从定标曲线中直接读出对应的温度值。本发明具有信号强度大，测量准确度高、测试数据处理简单、测温速度快的优点。

Description

一种CARS测温方法和装置

技术领域

本发明涉及高温火焰温度测量技术领域，具体涉及一种CARS测温方法和装置。

背景技术

高温火焰的温度测量在航空发动机、冶金炉等大型燃烧设备的工作状态诊断中发挥重要作用。对于2000K以上的超高温火焰，传统的接触式测温方法通常难以有效发挥作用，而光学测温技术因具有非接触的特点在超高温火焰温度测量方面具有独特优势。

CARS(相干反斯托克斯拉曼散射)技术是一种非线性相干光谱技术，在火焰温度测量方面已有多种实用的技术方案。在CARS测温技术中，需要选定一种温度探针分子，通过CARS光谱获取探针分子在振动和转动能级上的布居分布状态，进而根据热力学定律计算出被测体系的温度。在空气支持燃烧的火焰中，氮气(N₂)大量存在且一般不参与燃烧化学反应，因此是一种理想的、同时也是CARS测温技术中普遍采用的温度探针分子。目前，基于CARS的测温技术在具体的实施方案上大体可以区分为两类：频谱测温方法和时域测温方法。其中，频谱测温法研究较为深入，应用较多，是相对成熟的技术；而时域测温法的研究和应用比较稀少，属于新兴技术。

频谱CARS测温技术：CARS的频谱(即通常意义上的CARS光谱)反映了信号光强随发射波长的变化，光谱中与探针分子振转能级共振的位置出现谱峰，谱峰的强度反映了对应能级上的布居情况，因此通过对频谱的拟合可以得到体系温度。频谱测温技术要求能够分辨探针分子的转动能级分布，因此要求测试系统有较高的光谱分辨率，一般使用纳秒脉冲激光作为光源。目前频谱CARS测温技术有诸多具体的方案，不同方案之间的区别主要体现在激发光的相位匹配方式或偏振方向不同，从而达到提高信号光量子产率、或抑制非共振电子背底的目的，最终实现测温精度的提高。近年来还出现了多物种探测的频谱测温方案，在测试系统的光路中集成了多个不同波长的激光，能够同时激发两种或三种不同的探针分子，在测量温度的同时，还能够获得火焰组分相对浓度的信息。

时域CARS测温技术：时域CARS记录信号光强随延迟时间的变化，该变化过程通常被称为分子某振动模式的动力学曲线或时域曲线。分布在各个振/转能级上的分子具有不同的振/转动周期，时域CARS直接探测到的是所有能级各自振/转过程的相干叠加，表现为一条形状复杂的动力学曲线，通过对该曲线进行拟合同样可以获得体系的布居情况和温度。气体分子的转动周期一般为几十皮秒，因此时域CARS一般使用飞秒或皮秒脉宽的超短脉冲激光作为光源。利用时域CARS技术进行测温需要逐点扫描信号强度随延迟时间的变化，得到完整或局部的动力学曲线，数据采集时间较长，因此一般只用来进行稳态的温度测量，对于湍流燃烧或温度剧烈变化的情况则难以适用。针对这一问题，国外技术人员已经开发出了一种基于啁啾脉冲展宽探测的时域测温技术，无需扫描，通过单脉冲探测即可获得局部的动力学曲线，结合高速探测器，原理上能够实现动态测温。

现有的频谱CARS测温技术多使用纳秒脉冲激光作为光源，虽然纳秒激光具有较高的单脉冲能量，但功率密度相对较低(相对超短脉冲激光)。而CARS作为一种三阶非线性光学现象，其信号产率直接依赖于激发光的功率密度。因此频谱探测技术中的CARS信号强度通常较弱，在复杂的燃烧环境下易受干扰。此外，频谱CARS的光谱中同时包含非共振电子背底的贡献，非共振电子背底来源于材料中电子对光电场的瞬时响应，不仅是温度探针分子，火焰中的其它物种都会产生非共振电子背底信号。因此非共振电子背底会严重影响测温精度，且本质上难以消除。通过对激发光偏振方向的控制可以从一定程度上抑制非共振电子背底，但与此同时，CARS信号的强度也会被进一步衰减。

时域CARS测温技术需要通过电控位移台控制探测光的光程，改变探测光脉冲相对于激发光脉冲的相对延迟，通过逐点扫描的方式获得CARS信号改变的时域曲线。位移台的机械运动和探测器逐次开启曝光使得时域CARS测温技术必须消耗很长的数据采集时间来获取完整的测试数据。国外近年来发展起来的啁啾脉冲展宽探测技术虽然克服了这一缺点，利用在时间上展宽的探测脉冲一次性即可获取一段局部的时域曲线，但是这种方法原理复杂，测试数据的解析非常困难，需要操作人员精通非线性光学和超短脉冲激光技术原理才能够使用。

发明内容

为了解决现有时域CARS测温技术存在的效率低、计算量非常大，且需要配合专业的软件和人员才能完成等问题，本发明提供了一种CARS测温方法。与传统的时域CARS测温不同，本发明只需要通过两个对温度变化敏感的特定延迟时间的信号强度比即可实现测温，能够大幅减少温度提取过程的计算量，提高测温效率。本发明具有信号强度大，测量准确度高、测试数据处理简单、测温速度快的优点。

本发明通过下述技术方案实现：

一种CARS测温方法，包括：

步骤S1，获取延迟时间t1和延迟时间t2的CARS信号强度比随温度变化的定标曲线；所述延迟时间t1和延迟时间t2为表征温度敏感变化特性的特征时刻点；

步骤S2，测量得到延迟时间t1的CARS信号强度和延迟时间t2的CARS信号强度；

步骤S3，根据测量得到的两个时刻的CARS信号强度计算得到两个时刻的信号强度比；

步骤S4，根据步骤S3计算得到的两个时刻的信号强度比，从所述定标曲线中直接读出对应的温度值。

本发明采用一种简化的振动相干机理，通过考察时域CARS曲线的初始阶段，发现时域CARS曲线的初始阶段中存在来源于振动基态信号和振动激发态信号之间的相干引起的周期性特征，因此通过仅考虑该周期性特征作为测量温度的依据，通过该周期性特征中两个对温度变化敏感的特定延迟时间的信号强度比来实现测温，从而无需对完整的时域CARS曲线进行复杂处理即可得到温度，能够大幅减少温度提取过程的计算量，降低了计算复杂度，具体的，本发明的步骤S1中的延迟时间t1和延迟时间t2的约束条件包括：

(1)在时间上避开非共振电子背底以及P支、R支的影响；

(2)延迟时间t1和延迟时间t2对应CARS时域曲线中振动基态信号和振动激发态信号相干强度最大的曲线部分的波峰和波谷。

具体的，本发明的步骤S1具体包括：

步骤S11，获取包含延迟时间t1和延迟时间t2这两个特征时刻的时域曲线；

步骤S12，采用下式(1)描述所述步骤S11获取的时域曲线：

式中，I_as表示CARS信号强度，t表示延迟时间；

和

分别表示振动基态和振动激发态对总信号强度的贡献，A₀和A₁为比例系数，分别正比于振动基态和振动激发态上的粒子数密度，τ₀和τ₁分别表示振动基态和振动激发态的频散弛豫时间常数；

表示振动基态和振动激发态之间的相干，Δω表示振动基态和振动激发态之间的圆频率差，

表示振动基态和振动激发态之间的相位差；S表示与实验具体实施环境有关的补充项；

步骤S13，采用式(1)计算得到不同温度下的延迟时间t1和延迟时间t2的CARS信号强度比值；

步骤S14，根据不同温度下的CARS信号强度比值拟合得到定标曲线。

具体的，本发明的延迟时间t1为3.44ps，所述延迟时间t2为2.88ps。

另一方面，本发明还提出了一种CARS测温装置，所述装置用于测量本发明所述的延迟时间t1和/或延迟时间t2的CARS信号。

相较于现有的频谱CARS测温技术，本发明采用飞秒脉冲激光作为CARS过程的光源，在传统CARS装置的基础上引入两束探测光实现不同延迟时间的CARS信号强度，CARS信号的量子产率显著提高。在实际应用中，只需要微焦量级的单脉冲能量即可在常压空气中产生稳定的、肉眼可见的CARS信号。而使用Nd:YAG纳秒激光器作为光源的频谱CARS技术一般需要几十毫焦的激发能量。

本发明提出了一种双探测CARS测温装置，包括分束镜、反射镜、光学延迟线、消色差透镜和光谱仪；

第一激光经一分束镜后被分为第一束光和第二束光，第二激光经另一分束镜后被分为第三束光和第四束光，四束光分别经过由电控位移台控制的光学延迟线进行精细控制后，四束光由反射镜调整至相互平行传输，再经消色差透镜聚焦至待测区域，第四束光和第二束光分别作为CARS过程的泵浦光和斯托克斯光，两者共同激发N₂分子的相干振动，第一束光和第三束光则同时作为探测光，分别探测延迟时间t1和延迟时间t2的信号强度，探测信号由光谱仪采集；

所述第一激光和第二激光采用飞秒脉冲激光且所述第一激光和第二激光的频率差和N₂分子2330cm^-1的振动模式共振。

具体的，本发明的装置采用脉宽小于等于100fs的飞秒激光作为光源；

由光源发出初始激光束，初始激光束被分为两束，一束作为第一激光，另一束经光学参量放大器调谐波长，使得所述光学参量放大器的输出波长调谐至第二激光。

具体的，本发明的第一束光、第二束光和第三束光对应的光学延迟线的电控位移台最小步长不大于2μm，定位精度优于1μm。

具体的，本发明的第一束光和第三束光在经过各自对应的光学延迟线延迟控制后通过二向色镜实现共轴，由此产生两个不同波长的CARS信号光也将共轴传播，从而通过光谱仪采集CARS信号光谱。

具体的，本发明的四束光分别经对应的光学延迟线控制后的脉冲时序为：

以泵浦光为基准，斯托克斯光和泵浦光在时间上重合；

一束探测光相对泵浦光向后延迟t1时间；

另一束探测光相对泵浦光向后延迟t2时间。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、相较于传统的CARS测温技术，本发明使用简化的特征曲线作为测量温度的依据，从而无需对完整的时域CARS曲线进行处理即可得到温度，能够大幅减少温度提取过程的计算量，降低了计算复杂度。

2、本发明依托于简化的原理设计，大大简化了从测试数据中提取温度信息的难度，在原理上本发明只需要考虑两个振动能级之间的相干，计算简单易懂，且在计算环节避免了复杂的参数调整过程，即使非光学专业的人员也能够轻松掌握，便于本发明在不同专业领域的推广使用。

3、本发明在测温应用中可以完全排除非共振电子背底的干扰，从而提高测量的准确度，在时域曲线中，非共振电子背底只出现在零时刻(通常将探测脉冲和激发脉冲完全重合的位置定义为延迟时间的零时刻)，因此可以通过控制探测脉冲的延迟时间来主动避开非共振电子背底。

4、本发明具有单脉冲测量能力，结合高重复频率的脉冲激光光源可以进行快速的动态测温。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的不同温度下N₂的时域CARS曲线。左图给出了相对完整的曲线，右图给出了左图中曲线的初始阶段(延迟时间10ps以内的部分)。

图2为本发明的双探测CARS测温装置示意图。

图3为本发明的四束光经各自光学延迟线控制后的脉冲时序图。

图4为本发明的强度比—温度定标曲线。

图5为本发明的双探测CARS测温装置测量得到的CARS信号。

图6为本发明在相同条件下，连续测温结果的分布图。

图7为丁烷预混燃烧火焰中N₂的时域CARS曲线。

附图中标记及对应的零部件名称：

ID-光阑，M-反射镜，BS-分束镜，Di-二项色镜，Ac-消色差透镜，Delay-光学延迟线，At-衰减片，LL-光束提升器，SS-带孔的遮光板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提出了一种CARS测温方法，以空气中的氮气为温度探针分子，根据氮气时域曲线随温度的变化规律，找到两个对温度变化敏感的特定延迟时间，利用这两个延迟时间的信号强度比进行测温；在测试数据解析环节采用了基于振动相干原理的简易方法，大大简化了从测试数据中提取温度信息的计算难度；在具体应用时，首先，获得两个特定延迟时间的信号强度比随温度变化的定标曲线，然后，通过实际测量得到这两个特定延迟时间的信号强度，并计算得到两个实测信号强度比，之后，根据实测信号强度比从定标曲线中直接读出对应的温度值。

本实施例的方法原理具体为：

在热平衡气相体系中，分子都具有一定的振动和转动能量，各振/转能级上的布居份额由热力学统计规律描述，体系的温度越高，布居在高能级上的分子越多。CARS测温技术的物理本质就是通过光谱测出各个振/转能级上的布居数，进而通过热力学定律计算出体系的温度。

CARS的频谱和时域曲线具有相同的物理本质，分别对应着分子的振/转动极化率随频率(即能量)和时间的变化规律，两者原则上可以通过傅里叶变换相互转化。一般来说，频谱CARS的信号强度相对较弱，但是探测效率很高，原则上只需要单个探测脉冲就能够获取完整的测试数据；而时域CARS因为采用超短脉冲激光作为光源，激发光的峰值功率密度更高，因此具有更高的信号强度，但是探测效率很低，需要很长的数据采集时间。

传统的时域CARS测温技术中，温度的计算非常复杂，具体如图1左图所示的常压下N₂相对完整的时域CARS曲线(图中3条曲线由下至上依次对应温度300K、800K和1200K)，可以看出，由于大量周期不同的转动能级的参与，曲线的形状非常复杂。而且气体的温度越高，参与的转动能级越多，曲线的形状就越复杂。在目前的时域测温技术中，温度的提取需要计算所有可能参与的振/转能级的极化率，将其叠加后根据总极化率计算出CARS信号的强度，进而和测试数据对比，通过多次调整温度和其他若干计算参数，使计算曲线和测试曲线相符合，从而确定体系的温度。该过程的计算量非常大，需要专用的计算软件和经验丰富的人员才能够完成。而采用啁啾脉冲展宽探测方式进行单脉冲测量的方案中，除了要进行上述计算外，还需要额外考虑探测脉冲被展宽后的啁啾特性，计算过程进一步复杂化。

相较于传统的时域CARS测温技术，本实施例采用了一种基于简化的振动相干机理的CARS测试方法，能够大幅减少温度提取过程的计算量，该机理是只考察时域曲线的最初阶段，如图1右图所示(图中3条曲线由上至下依次对应温度为300K、800K和1200K)的单独给出了时域曲线1～8ps的部分，该时段内曲线的线形比较简单，主要包含三个成分：(1)由转动频散导致的指数衰减，衰减的寿命随温度升高而减小；(2)在特定延迟时间(2.1ps，4.2ps，6.3ps…)周期性出现的微小振荡，来源于转动跃迁P支和R支的贡献；(3)高温下出现的周期为1.16ps的“拍”，来源于振动激发态信号和振动基态信号之间的相干。本实施例所依托的简化机理主要利用了上述第(3)个成分，在较高的温度下，一部分N₂分子会自发的布居在第一振动激发态上，因此高温下的CARS信号中包含两个振动跃迁的贡献：振动基态(v＝0)和第一振动激发态(v＝1)之间的跃迁、以及第一振动激发态(v＝1)和第二振动激发态(v＝2)之间的跃迁。由于分子振动的非谐性，1和2之间的跃迁比0和1之间的跃迁频率小28.7cm^-1，因此在时域曲线中产生了周期为1.16ps的拍。

设布居在振动基态上的分子数密度(单位体积内的分子数量)为N₀，布居在振动激发态上的分子数密度为N₁。N₀和N₁皆是温度T的函数，低温下，振动激发态上的分子数量远远小于基态。随着温度的升高，N₁逐渐增大；相应的，N₀则逐渐减小。

根据玻尔兹曼分布律：

其中，h是普朗克常数，v₁表示振动激发态的能量，k_B是玻尔兹曼常数。

在CARS过程中，激发光使体系产生极化，基态和激发态的分子皆对体系的极化强度P有贡献。严格计算P的表达式非常复杂，需要考虑每一个转动能级的贡献(基态和激发态上皆分布着大量转动能级)。通过以往大量的实验结果发现：在时域CARS信号的最初若干个皮秒内，所有转动能级的影响可以归结为频散(不同转动能级的频率存在微小差异)导致的指数衰减。因此，可将P的计算表达式写为如下简化形式：

上式中，j＝0或1，分别表示基态或激发态的极化强度；A_j正比于相应能态的分子数密度N_j；τ_j是频散弛豫时间常数，ω_j是振动圆频率，

是振动的初相位。采用(2)式能够大幅减少极化强度P的计算量。

CARS信号的强度I_as正比于P的平方：

I_as∝P²＝(P₀+P₁)²         (3)

从而将式(3)代入式(2)并展开即可得到：

式中，I_as表示CARS信号强度，t表示延迟时间；

和

分别表示振动基态和振动激发态对总信号强度的贡献，A₀和A₁为比例系数，分别正比于振动基态和振动激发态上的粒子数密度，τ₀和τ₁分别表示振动基态和振动激发态的频散弛豫时间常数；

表示振动基态和振动激发态之间的相干，Δω表示振动基态和振动激发态之间的圆频率差(Δω＝ω₀-ω₁)，

表示振动基态和振动激发态之间的相位差

S表示与实验具体实施环境有关的补充项，在激发光脉冲为理想高斯脉冲，无环境光干扰，探测器的线性响应度良好的情况下，S的相对数值一般非常小，可以直接忽略。

因为P支和R支的贡献幅度较小且只出现在特定时刻，故(4)式中没有考虑P支和R支的影响。

体系的温度越高，自发布居在第一振动激发态上的分子数就越多，曲线中拍的振幅就越大。因此可以将拍的振幅作为测量温度的依据，在本实施例中，以3.44ps和2.88ps两个时刻的信号强度之比来描述拍的振幅。这两个时刻分别对应拍的波峰和波谷，随着体系温度的升高，波峰(3.44ps)的相对强度变大，波谷(2.88ps)的相对强度变小，两者之比对温度的变化非常敏感。同时，这两个时刻在时间上避开了非共振电子背底以及P支、R支的影响，有利于提高测温精度。

本实施例在测试数据的处理方面，因为只考虑两个振动跃迁之间的相干，因此计算温度非常简单，在实际应用中，当测试条件不变时，可以利用式(4)预先确定强度比随温度变化的定标曲线，进而可根据测得的信号强度比直接从定标曲线中读出对应的温度，无需额外的计算，很大程度上简化了数据处理过程，提高了效率。

只有在较高的温度下，第一振动激发态上的分子数才足够使时域曲线中出现可识别的拍频，因此本实施例提出的测温方法只适用于800K以上的高温测量。

实施例2

本实施例提出了一种双探测CARS测温装置，采用了双探测的方式同时获取上述实施例1的两个不同延迟时间的CARS信号强度。

本实施例的测温装置的硬件主要包括光阑ID(ID1～DI4)、反射镜M(M1～M15)、分束镜BS(BS1～BS2)、二项色镜Di(Di1)、消色差透镜Ac(Ac1～Ac2)、光学延迟线Delay(Delay1～Delay4)、衰减片At(At1～At2)、光束提升器LL、带孔的遮光板SS和光谱仪等。

本实施例的测温装置采用脉宽为100fs(或更短)的飞秒激光作为光源，由光源发出800nm、100fs激光首先被分为两束：一束直接进入图2所示装置，另一束则先经过光学参量放大器(OPA)调谐波长，当以N₂为探针分子时，OPA的输出波长需要调谐至675nm(即和另一束800nm激光的频率差刚好能够和N₂分子2330cm^-1的振动模式共振)。

675nm和800nm两束激光分别进入系统，如图2所示，经分束镜BS1和BS2后，各自被进一步分为两束，四束光(两束为800nm，两束为675nm)分别经过对应的由电控位移台控制的光学延迟线(图中Delay1～Delay4，Delay1对应第一束光，Delay2对应第二束光，Delay3对应第三束光，Delay4对应第四束光)，以此实现对四束光光程的精细控制。其中，Delay4对位移台的运动精度无要求，主要用于粗略控制光程；而其余三束光对应的位移台要求最小步长不大于2μm(对应延迟时间13.3fs)，定位精度优于1μm。四束光脉冲之间的相对时序皆以Delay4为基准，四束光离开延迟线后，由反射镜调整至相互平行传输，再经消色差透镜Ac1聚焦至待测区域(CARS信号产生区域)。四束光中，第4束和第2束(按照延迟线的标号)分别作为CARS过程的泵浦光和斯托克斯光，两者共同激发N₂分子的相干振动；第1束和第3束则同时作为探测光，分别探测不同延迟时间的信号强度。在光路设计中，两束探测光(波长分别为675nm和800nm)通过二向色镜Di1实现共轴，由此产生两个不同波长的CARS信号光也将近似共轴传播，并通过快速响应的光谱仪采集信号光谱。

经各自光学延迟线控制后，上述四束光之间的脉冲时序如图3所示，以Pu(泵浦光)为基准，St(斯托克斯光)和Pu在时间上严格重合，保证最优的振动激发效率。Pr1(675nm探测光)相对Pu向后延迟2.88ps，探测拍的波谷强度；Pr2(800nm探测光)相对Pu延迟3.44ps，探测波峰强度(参照图1右图)。两束探测光的波长不同，对应的CARS信号波长也不相同，Pr1产生的CARS信号波长为583nm；而Pr2产生的CARS信号为675nm，因此两个CARS经光谱仪分光后可以在同一幅光谱中加以区分，进而通过其强度比确定体系温度。

实施例3

本实施例将上述实施例提出的方法和装置在实验室条件下测量丁烷火焰温度，丁烷预混燃烧火焰的温度通常在1500K以上，普通的热电偶等测温元件难以精确测出其温度。

首先根据实施例的式(4)计算出两个延迟时间的CARS信号强度比——温度定标曲线，如图4中曲线所示，如前所述，只有温度高于800K时，第一振动激发态上的分子数才足够使时域曲线中出现可识别的拍频，相应的，在定标曲线中，800K以下部分的曲线非单调变化，因此不能用于测温。为了验证该定标曲线的可靠性，图4中还给出了几个在已知温度下实测的CARS信号强度比，实测数值和计算值基本复合(图中正方形表示实测数值，圆形表示计算值)，说明根据振动相关原理计算出的强度比具有相当的可靠性。

图5给出了利用上述实施例提出的测温装置获得的温度测量数据(原始数据)，在该光谱中，675nm处的谱峰对应3.44ps的CARS信号，583nm处的谱峰对应2.88ps的CARS信号。800nm处的谱峰则来源于斯托克斯光的散射光，对温度测量无影响。图中同时给出了室温下的信号对比，可以看出两个CARS信号的强度差别非常明显，证明了该测温技术对温度变化的敏感性。根据两个CARS信号的强度比，结合图4的定标曲线，即可直接得到火焰的温度。

本实施例可以实现快速的温度测量，保持火焰燃烧状态稳定，探测器的采样速率设定为100Hz，连续采样1秒，获得了100次测温数据，结果如图6所示。100次测量的平均值为1915K，均方差为123K，测量的精度约为±6.5％。

为了验证以上测量结果的准确性，本实施例采用对CARS曲线进行拟合的方式对测量结果进行校验。使用传统时间分辨CARS的方法得到了N₂的时域CARS(局部)信号，如图7所示。由于火焰的温度很高，曲线中的振荡非常明显，利用式(4)对该曲线进行拟合，如图中曲线所示，可以看出，除了2.1ps附近因P支和R支跃迁导致的偏离外，拟合结果和测试数据基本完全符合。拟合结果表明，引起振荡的两个信号组分(分别来源于N₂分子的振动激发态和振动基态)的强度比为0.17，根据热力学定律可以算出，火焰的温度约为1890K，同上述快速测温给出的温度1915K基本符合。

本实施例的测温精度和速率强烈依赖于探测器的性能指标，上述测量结果采用的是小型光纤光谱仪作为探测器，其最高速率即为100Hz，对入射信号强度的线性响应程度也较差，因此测量结果的性能指标较低。在不考虑投入成本的条件下，采用高灵敏度、高采样速率的探测器将大幅提高本发明的技术指标。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种CARS测温方法，其特征在于，包括：

步骤S1，获取延迟时间t1和延迟时间t2的CARS信号强度比随温度变化的定标曲线；所述延迟时间t1和延迟时间t2为表征温度敏感变化特性的特征时刻点；

步骤S2，测量得到延迟时间t1的CARS信号强度和延迟时间t2的CARS信号强度；

步骤S3，根据测量得到的两个时刻的CARS信号强度计算得到两个时刻的信号强度比；

步骤S4，根据步骤S3计算得到的两个时刻的信号强度比，从所述定标曲线中直接读出对应的温度值；所述步骤S1中的延迟时间t1和延迟时间t2的约束条件包括：

(1)在时间上避开非共振电子背底以及P支、R支的影响；

(2)延迟时间t1和延迟时间t2对应CARS时域曲线中振动基态信号和振动激发态信号相干强度最大的曲线部分的波峰和波谷；所述步骤S1具体包括：

步骤S11，获取包含延迟时间t1和延迟时间t2这两个特征时刻的时域曲线；

步骤S12，采用下式(1)描述所述步骤S11获取的时域曲线：

式中，I_as表示CARS信号强度，t表示延迟时间；

和

分别表示振动基态和振动激发态对总信号强度的贡献，A₀和A₁为比例系数，分别正比于振动基态和振动激发态上的粒子数密度，τ₀和τ₁分别表示振动基态和振动激发态的频散弛豫时间常数；

表示振动基态和振动激发态之间的相干，Δω表示振动基态和振动激发态之间的圆频率差，

表示振动基态和振动激发态之间的相位差；S表示与实验具体实施环境有关的补充项；

步骤S13，采用式(1)计算得到不同温度下的延迟时间t1和延迟时间t2的CARS信号强度比值；

步骤S14，根据不同温度下的CARS信号强度比值拟合得到定标曲线。

2.根据权利要求1所述的一种CARS测温方法，其特征在于，所述延迟时间t1为3.44ps，所述延迟时间t2为2.88ps。

3.一种CARS测温装置，其特征在于，所述装置用于测量如权利要求1-2任一项所述的延迟时间t1和/或延迟时间t2的CARS信号。

4.一种双探测CARS测温装置，其特征在于，所述装置用于测量如权利要求1-2任一项所述的延迟时间t1和延迟时间t2的CARS信号，所述装置包括分束镜、反射镜、光学延迟线、消色差透镜和光谱仪；

第一激光经一分束镜后被分为第一束光和第二束光，第二激光经另一分束镜后被分为第三束光和第四束光，四束光分别经过由电控位移台控制的光学延迟线进行精细控制后，四束光由反射镜调整至相互平行传输，再经消色差透镜聚焦至待测区域，第四束光和第二束光分别作为CARS过程的泵浦光和斯托克斯光，两者共同激发N₂分子的相干振动，第一束光和第三束光则同时作为探测光，分别探测延迟时间t1和延迟时间t2的信号强度，探测信号由光谱仪采集；

所述第一激光和第二激光采用飞秒脉冲激光且所述第一激光和第二激光的频率差和N₂分子2330cm^-1的振动模式共振。

5.根据权利要求4所述的测温装置，其特征在于，该装置采用脉宽小于等于100fs的飞秒激光作为光源；

由光源发出初始激光束，初始激光束被分为两束，一束作为第一激光，另一束经光学参量放大器调谐波长，使得所述光学参量放大器的输出波长调谐至第二激光。

6.根据权利要求4所述的测温装置，其特征在于，所述第一束光、第二束光和第三束光对应的光学延迟线的电控位移台最小步长不大于2μm，定位精度优于1μm。

7.根据权利要求4所述的测温装置，其特征在于，所述第一束光和第三束光在经过各自对应的光学延迟线延迟控制后通过二向色镜实现共轴，由此产生两个不同波长的CARS信号光也将共轴传播，从而通过光谱仪采集CARS信号光谱。

8.根据权利要求4所述的测温装置，其特征在于，四束光分别经对应的光学延迟线控制后的脉冲时序为：

以泵浦光为基准，斯托克斯光和泵浦光在时间上重合；

一束探测光相对泵浦光向后延迟t1时间；

另一束探测光相对泵浦光向后延迟t2时间。

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