CN116337273A - 一种基于双微透镜阵列的cars光谱多点测温装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双微透镜阵列的CARS光谱多点测温装置，涉及激光光谱测温技术领域，光束整形系统用于将泵浦光或探测光整形为多束环形锥状光束；斯托克斯光束整形系统用于将一束斯托克斯光整形为多条平行的斯托克斯光束；光路调整系统用于将多束环形锥状光束与多条平行的斯托克斯光束调整为一一对应且共轴，光路调整后的多束环形锥状光束与多条平行的斯托克斯光束满足相位匹配并聚焦于待测温度场的多个温度测量点上产生多束相干反斯托克斯拉曼信号光，信号收集系统通过收集多束相干反斯托克斯拉曼信号光反演温度获得多个温度测量点的温度信息，本装置能够高效快速的实现多点测温。
Description
技术领域
本发明涉及激光光谱测温技术领域，具体地，涉及一种基于双微透镜阵列的CARS光谱多点测温装置。
背景技术
火焰温度是燃烧诊断研究中最常用也是最重要的物理量，是对燃烧过程最直观的描述。目前针对温度测量主要有接触式测量和非接触式测量两种测温方式。其中，接触式测量主要是采用热电偶测温，尽管热电偶可以采用多支热电偶测量瞬态燃烧场温度，但是这种方法会严重影响流场的温度分布。
相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）光谱技术作为一种非接触式测量手段，由于其方向性好、不受背景辐射干扰、测量精度高、测量动态范围大等优点，被广泛应用于流场测温。然而CARS是一种非线性光谱技术，将多束激光聚焦重叠使其成为燃烧诊断中逐点温度测量的有效测温技术。因此，CARS在一次试验中只能获取一个空间点的温度信息，不能满足全面认识燃烧机理的需要。公开专利CN113155311A“一种CARS测温方法和装置”和公开专利CN115452202A“基于相干反斯托克斯拉曼散射光谱的高温热电偶校准方法”都是CARS的单点测温方法，但是两者都不具备同步多点测温的特性。
现有技术中为了提高CARS在一次测量中获取的信息量，提出了双泵浦CARS（DP-CARS）和双宽带CARS（DB-CARS）测量。其中DP-CARS采用两台固体激光器作为泵浦源，分别与斯托克斯光组合获得两个空间测点CARS信号；DB-CARS采用两台染料激光器产生两束斯托克斯光，分别与泵浦光组合获得两个空间测点CARS信号。另外CARS可以采用分光棱镜分光的形式实现多点测温。尽管上述方式可以增加空间温度的测点个数，但是这也大幅增加了硬件规模，使得测试系统更加复杂和难以调试不利于试验的展开。
发明内容
为了解决上述现有技术中CARS技术中存在的难以多点测温的问题，本发明提供一种基于双微透镜阵列的CARS光谱多点测温装置。
所述装置包括：光束整形系统、斯托克斯光束整形系统、光路调整系统和信号收集系统；光束整形系统用于将泵浦光或探测光整形为多束环形锥状光束；斯托克斯光束整形系统用于将一束斯托克斯光整形为多条平行的斯托克斯光束；光路调整系统用于将多束环形锥状光束与多条平行的斯托克斯光束调整为一一对应且共轴，光路调整后的多束环形锥状光束与多条平行的斯托克斯光束满足相位匹配并聚焦于待测温度场的多个温度测量点上产生多束相干反斯托克斯拉曼信号光，信号收集系统通过收集多束相干反斯托克斯拉曼信号光反演温度获得多个温度测量点的温度信息。
其中，光束整形系统包括光束扩束均匀化装置和第一微透镜阵列，一束泵浦光/探测光光束经过光束扩束均匀化装置可使光束扩束光场分布更加均匀，然后入射光束经过第一微透镜阵列可转换成多束环形锥状光束。多束环形锥状光束经光路调整系统中的二向色镜透射，聚焦于多个温度测量点位置。温度测量点位置位于第一微透镜阵列和第二微透镜阵列焦点处。
其中，一束斯托克斯光经过片光装置变成均匀-片光光束，然后通过多条带状格栅，一束斯托克斯光整形为多条平行光束，这些多条平行光束经过光路调整系统中的全反射镜反射至二向色镜，再经二向色镜反射且反射光束穿过环形锥状光束的底面圆心和焦点（即泵浦光/探测光与斯托克斯光光线共轴）。通过调整全反射镜和二向色镜位置变化，使泵浦光/探测光与斯托克斯光满足相位匹配，产生相干反斯托克斯拉曼信号光。
斯托克斯光、泵浦光/探测光以及产生的相干反斯托克斯拉曼信号光经过第二微透镜阵列后变成平行光束，然后通过滤光系统将斯托克斯光、泵浦光/探测光滤掉，只剩下相干反斯托克斯拉曼信号光。相干反斯托克斯拉曼信号光经过菲尼尔透镜聚焦，汇聚到信号接收装置，最后通过信号换算处多焦点处的温度。
本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本装置使相干反斯托克斯拉曼光谱具有同时测量多点温度的能力，同时还具有信号强度大，测量准确度高、测温速度快的优点。
相干反斯托克斯拉曼光谱是一个四波混频的过程需要聚焦满足相位匹配，因此是一个单点测温，本装置通过改变设计光路实现了多点测温。
本装置都采用扩束方式对光进行扩束和对光束匀化处理，可以更高的增加激光能，提高信号强度，传统方法提高激光能量很容易在焦点位置产生光电离现象，造成信号畸变。
本装置可以提高激光能量和光束均匀会，减小背景噪声，提高信噪比。
对于同一试验环境下，单点测量需要的测试时间要远多于多点测量所需要的时间本装置具有测温速度快的优点。
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，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是本发明中基于双微透镜阵列的CARS光谱多点测温装置的结构示意图；
图2是本发明中光束扩束匀化装置的结构示意图；
图3是本发明中火焰温度测量示意图；
图4是本发明中环形锥状光束底面示意图；
图5是本发明中直角棱镜摆放位置示意图；
其中：1-光束扩束均匀化装置，2-片光装置，3-多条带状格栅，4-全反射镜，5-第一微透镜阵列，6-二向色镜，7-第二微透镜阵列，8-滤光系统，9-菲尼尔透镜，10-信号接收装置，11-火焰燃烧方向，12-第一凹透镜，13-第一凸透镜，14-第二凸透镜，15-旋光扩散片，16-第三凸透镜，17-直角棱镜。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
请参考图1和图3，本发明实施例提供了一种基于双微透镜阵列的CARS光谱多点测温装置，所述装置包括：
光束整形系统、斯托克斯光束整形系统、光路调整系统和信号收集系统；
光束整形系统用于将泵浦光或探测光整形为多束环形锥状光束；斯托克斯光束整形系统用于将一束斯托克斯光整形为多条平行的斯托克斯光束；光路调整系统用于将多束环形锥状光束与多条平行的斯托克斯光束调整为一一对应且共轴，光路调整后的多束环形锥状光束与多条平行的斯托克斯光束满足相位匹配并聚焦于待测温度场的多个温度测量点上产生多束相干反斯托克斯拉曼信号光，信号收集系统通过收集多束相干反斯托克斯拉曼信号光反演温度获得多个温度测量点的温度信息。
本装置基于双微透镜阵列将泵浦光/探测光经光束整形为多束环形锥状光束后分别与多束斯托克斯光以非稳腔空间增强探测得相位匹配方式聚焦于待测温度场，通过收集相干反斯托克斯拉曼光谱信号反演温度，实现同时多点测温。
其中，一束泵浦光/探测光光束经过第一微透镜阵列5后会变成多束环形锥状光束，并聚焦于多个不同测点；一束斯托克斯光束经过多条带状格栅3后变成多条平行光束，这些多条平行光束经过全反射镜4反射至二向色镜6，其中二向色镜6镀泵浦光/探测光的增透膜和斯托克斯光的全反膜，二向色镜6会将多条平行的斯托克斯光束反射至环形锥状光束的焦点位置。通过调整全反射镜4和二向色镜6位置变化，使泵浦光/探测光与斯托克斯光满足相位匹配，产生相干反斯托克斯拉曼信号光，产生的信号光再由信号收集系统收集，最后得出焦点处温度。
其中，在本发明实施例中，光束整形系统包括光束扩束均匀化装置1和第一微透镜阵列5，光束扩束均匀化装置1用于对泵浦光或探测光进行均匀化扩束处理，第一微透镜阵列5用于将光束扩束均匀化装置1扩束后的每个光束整形为环形锥状光束，获得多束环形锥状光束。
其中，在本发明实施例中，第一微透镜阵列5的出光面上贴合有多个不透光膜，不透光膜为圆形，不透光膜与环形锥状光束一一对应，不透光膜的半径小于对应环形锥状光束在所述出光面上的圆形半径大小。
请参考图4，经过第一微透镜阵列产生的环形锥状光束，其中间部分没有光束。第一微透镜阵列在其出光端镀制不透光膜，不透光膜形状为圆形，其半径小于环形锥状光束底面半径，且与底面圆环保持同心圆环。
其中，请参考图2，在本发明实施例中，所述光束扩束均匀化装置1包括：
第一凹透镜12、第一凸透镜13、第二凸透镜14、旋光扩散片15和第三凸透镜16，其中，第一凹透镜12用于将泵浦光或探测光进行发散后射入第一凸透镜13，第一凸透镜13用于将发散光进行汇聚获得平行光束射入第二凸透镜14，第二凸透镜14用于将平行光束汇聚到旋光扩散片15，旋光扩散片15用于对入射光进行均匀化处理后射入第三凸透镜16，第三凸透镜16用于将射入光束转为平行光束射出。光束扩束均匀化装置1可以对泵浦光/探测光扩束以及使光束分布更加均匀，减小相干性有利于减小光斑锐利边缘的产生。
其中，在本发明实施例中，第一凹透镜12与第一凸透镜13之间的间距等于第一凹透镜12与第一凸透镜13的焦距之差，旋光扩散片15的中心位于第二凸透镜14和第三凸透镜16的焦点。其中，在本发明实施例中，斯托克斯光束整形系统包括：片光装置2和多条带状格栅3，片光装置2用于将入射的一束斯托克斯光扩束为均匀准直的片光光束后射入多条带状格栅3，多条带状格栅3用于将多条光速整形为多条平行光束。
其中，在本发明实施例中，片光装置2包括：第二凹透镜、第四凸透镜、第一柱透镜和第二柱透镜，第二凹透镜用于将光束均匀扩散，第四凸透镜用于将第二凹透镜扩散后的光束汇聚准直；第二凹透镜与第四凸透镜的焦点重合，第一柱透镜用于将第四凸透镜汇聚准直后的光束横向压缩，第二柱透镜用于将第一柱透镜压缩后的光束纵向拉伸。
其中，在本发明实施例中，光路调整系统包括：全反射镜4和二向色镜6，二向色镜6的正面镀有泵浦光或探测光增透膜，二向色镜6的背面镀有斯托克斯光全反膜，多束环形锥状光束分别从二向色镜6正面射入后从二向色镜6背面射出至对应的温度测量点，从托克斯光束整形系统中射出的多条平行的斯托克斯光束经全反射镜4反射后射向二向色镜6背面，经二向色镜6反射后的每条斯托克斯光束与对应的环形锥状光束共轴射向相应的温度测量点。
全反射镜4和二向色镜6均通过多维调整架精确调制，确保斯托克斯平行光束能够在环形锥状光束的中心位置（即泵浦光/探测光与斯托克斯光光线共轴），且能够使多组环形锥状光束均满足相同条件。
其中，在本发明实施例中，信号收集系统包括：第二微透镜阵列7、滤光系统8、菲尼尔透镜9和信号接收装置10；环形锥状光束、斯托克斯光束和相干反斯托克斯拉曼信号光经过第二微透镜阵列7后变成平行光束射入滤光系统8，滤光系统8将环形锥状光束和斯托克斯光束过滤获得相干反斯托克斯拉曼信号光射入菲尼尔透镜9，菲尼尔透镜9将相干反斯托克斯拉曼信号光聚焦得到汇聚信号，汇聚信号被信号接收装置10接收，其中信号接收装置主要由高速相机/光谱仪组成.
下面结合具体的例子对本发明进行介绍：
如图1示意图所示，以氮气为温度探针分子时，采用泵浦光/探测光为532nm绿光，斯托克斯光为607nm橙光其激光能量比为2：1。将泵浦光/探测光经光束整形为环形光束后与斯托克斯光以非稳腔空间增强探测的相位匹配方式聚焦于待测火焰，将滤波后的相干反斯托克斯拉曼信号光，利用闪耀光栅及ICCD阵列的光谱仪采集相干反斯托克斯拉曼信号，整个测量过程中采用DG535 统一控制激光器、光谱仪和相机之的时序关系。最后基于算法程序得出测点的温度。
其中，如图5所示，二向色镜6可以换成直角棱镜，其中直角棱镜的斜边镀制斯托克斯光全反膜，棱镜斜边里面镀斯托克斯光全反膜，外面镀泵浦光/探测光的全反膜或银镜（不让镀泵浦光/探测光透射，直角棱镜摆放位置如图5所示，但是这种方式受限于直角棱镜的体积大小。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于双微透镜阵列的CARS光谱多点测温装置，其特征在于，所述装置包括：
光束整形系统、斯托克斯光束整形系统、光路调整系统和信号收集系统；
光束整形系统用于将泵浦光或探测光整形为多束环形锥状光束；斯托克斯光束整形系统用于将一束斯托克斯光整形为多条平行的斯托克斯光束；光路调整系统用于将多束环形锥状光束与多条平行的斯托克斯光束调整为一一对应且共轴，光路调整后的多束环形锥状光束与多条平行的斯托克斯光束满足相位匹配并聚焦于待测温度场的多个温度测量点上产生多束相干反斯托克斯拉曼信号光，信号收集系统通过收集多束相干反斯托克斯拉曼信号光反演温度获得多个温度测量点的温度信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于双微透镜阵列的CARS光谱多点测温装置，其特征在于，光束整形系统包括光束扩束均匀化装置和第一微透镜阵列，光束扩束均匀化装置用于对泵浦光或探测光进行均匀化扩束处理，第一微透镜阵列用于将光束扩束均匀化装置扩束后的每个光束整形为环形锥状光束，获得多束环形锥状光束。
3.根据权利要求2所述的一种基于双微透镜阵列的CARS光谱多点测温装置，其特征在于，第一微透镜阵列的出光面上贴合有多个不透光膜，不透光膜为圆形，不透光膜与环形锥状光束一一对应，不透光膜的半径小于对应环形锥状光束在所述出光面上的圆形半径大小。
4.根据权利要求2所述的一种基于双微透镜阵列的CARS光谱多点测温装置，其特征在于，所述光束扩束均匀化装置包括：
第一凹透镜、第一凸透镜、第二凸透镜、旋光扩散片和第三凸透镜，其中，第一凹透镜用于将泵浦光或探测光进行发散后射入第一凸透镜，第一凸透镜用于将发散光进行汇聚获得平行光束射入第二凸透镜，第二凸透镜用于将平行光束汇聚到旋光扩散片，旋光扩散片用于对入射光进行均匀化处理后射入第三凸透镜，第三凸透镜用于将射入光束转为平行光束射出。
5.根据权利要求1所述的一种基于双微透镜阵列的CARS光谱多点测温装置，其特征在于，第一凹透镜与第一凸透镜之间的间距等于第一凹透镜与第一凸透镜的焦距之差，旋光扩散片的中心位于第二凸透镜和第三凸透镜的焦点。
6.根据权利要求1所述的一种基于双微透镜阵列的CARS光谱多点测温装置，其特征在于，斯托克斯光束整形系统包括：片光装置和多条带状格栅，片光装置用于将入射的一束斯托克斯光扩束为均匀准直的片光光束后射入多条带状格栅，多条带状格栅用于将多条光速整形为多条平行光束。
7.根据权利要求6所述的一种基于双微透镜阵列的CARS光谱多点测温装置，其特征在于，片光装置包括：第二凹透镜、第四凸透镜、第一柱透镜和第二柱透镜，第二凹透镜用于将光束均匀扩散，第四凸透镜用于将第二凹透镜扩散后的光束汇聚准直；第二凹透镜与第四凸透镜的焦点重合，第一柱透镜用于将第四凸透镜汇聚准直后的光束横向压缩，第二柱透镜用于将第一柱透镜压缩后的光束纵向拉伸。
8.根据权利要求1所述的一种基于双微透镜阵列的CARS光谱多点测温装置，其特征在于，光路调整系统包括：全反射镜和二向色镜，二向色镜的正面镀有泵浦光或探测光增透膜，二向色镜的背面镀有斯托克斯光全反膜，多束环形锥状光束分别从二向色镜正面射入后从二向色镜背面射出至对应的温度测量点，从托克斯光束整形系统中射出的多条平行的斯托克斯光束经全反射镜反射后射向二向色镜背面，经二向色镜反射后的每条斯托克斯光束与对应的环形锥状光束共轴射向相应的温度测量点。
9.根据权利要求1所述的一种基于双微透镜阵列的CARS光谱多点测温装置，其特征在于，信号收集系统包括：第二微透镜阵列、滤光系统、菲尼尔透镜和信号接收装置；环形锥状光束、斯托克斯光束和相干反斯托克斯拉曼信号光经过第二微透镜阵列后变成平行光束射入滤光系统，滤光系统将环形锥状光束和斯托克斯光束过滤获得相干反斯托克斯拉曼信号光射入菲尼尔透镜，菲尼尔透镜将相干反斯托克斯拉曼信号光聚焦得到汇聚信号，汇聚信号被信号接收装置接收。
10.根据权利要求1所述的一种基于双微透镜阵列的CARS光谱多点测温装置，其特征在于，光路调整系统包括：全反射镜和直角棱镜，直角棱镜斜边的正面镀有泵浦光或探测光增透膜，直角棱镜斜边的背面镀有斯托克斯光全反膜，多束环形锥状光束分别从直角棱镜斜边正面射入后从直角棱镜斜边的背面射出至对应的温度测量点，从托克斯光束整形系统中射出的多条平行的斯托克斯光束经全反射镜反射后射向直角棱镜斜边的背面，经直角棱镜斜边背面反射后的每条斯托克斯光束与对应的环形锥状光束共轴射向相应的温度测量点。
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- 2023-05-29 CN CN202310616284.6A patent/CN116337273B/zh active Active
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| CN116337273B (zh) | 2023-07-28 |
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