CN208736798U - 一种二维激光拉曼散射光谱测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种二维激光拉曼散射光谱测量系统属激光燃烧诊断技术领域，本实用新型中拉曼光谱成像系统、工控机、面聚焦激光系统、激光收集器、脉冲延迟发生器置同一光学平台，面聚焦激光系统置面聚焦激发区域正右方，激光收集器置面聚焦激发区域正左方，脉冲延迟发生器的同步输出端口Ⅰ与拉曼ICCD相机的外触发输入端口连接，同步输出端口Ⅱ与激光控制器的泵浦灯外触发输入端口连接，拉曼ICCD相机的触发输出端口与激光控制器的Q开关外触发输入端口连接，拉曼ICCD相机的数据输出端口与拉曼ICCD相机采集卡的数据输入端口连接，激光发射器经专用电缆与激光控制器连接；本实用新型能实现燃烧场二维空间上的多物种摩尔分数和温度的同步定量测量。
Description
技术领域
本实用新型属激光燃烧诊断技术领域，具体涉及一种二维激光拉曼散射光谱测量系统。
背景技术
高效清洁安全燃烧是人类重要的研究课题之一。无论是在发动机(包括航空航天发动机、交通运输发动机等)、供电供热的煤系统和燃气轮机中，还是在基础研究用的各类燃烧器中的燃烧，都需要通过各种先进的燃烧诊断技术手段来探索进一步改善燃烧状况的途径和方法。由于一些燃烧体系的封闭性、瞬态性、爆炸恶劣性等问题，目前人们一般采用各种激光燃烧诊断技术来检测燃烧过程。通过这些技术可以直接观测到燃烧场燃烧状态，实现燃烧场温度、组分及组分浓度、流度和火焰结构等高时空分辨的精确测量，为燃烧理论数值模拟计算提供实验验证。
通过激光自发振动拉曼散射物种光谱测量，可以实现复杂燃烧环境下的主要物种的浓度(摩尔分数)和区域温度的检测，并具有测量的非接触性、多物种测量同步性、定量性、时间(纳秒级)和空间(毫米级)分辨能力。目前它已经广泛应用于如发动机燃烧室内或某封闭或大气环境下的各种燃烧体系内。通过同步测量具有拉曼活性的气态物种(氮气、氧气、二氧化碳、碳氢燃料、氢气、一氧化碳等)的自发振动斯托克斯拉曼光谱信号，来获得气体摩尔分数，并由氮气的自发振动斯托克斯和反斯托克斯拉曼光谱信号，来获得局部空间上的温度。这些光学测量结果与数值模拟计算结果互相验证和补充，为燃烧理论和燃烧试验提供基础数据。
但目前这项技术一般应用于燃烧场中某区域的点(直径约为1毫米左右)或线(直径约为1毫米左右，长约几十毫米)上的光谱成像测量，要想得到燃烧场空间的全部光谱信息，需要手工移动激光聚焦点或线的激发位置，最后再按点矩阵或线矩阵数据整合来形成燃烧场物理量信息。这样首先存在测量效率低的问题，其次很难保证点与点之间或线与线之间或面与面之间的等间距，也造成了测量的非实时性问题，即燃烧场测量信息不同步问题。这种光学测量方式下得到的时空分辨率上的偏差又很难与数值模拟的计算结果相比对。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种利用二维激光拉曼散射光谱测量技术，首先将原始点光源激光经过光学变换成面聚焦的片光源，在燃烧场中形成激发面，再直接由具有不同波长的滤光片组和ICCD相机完成面阵成像，最终获得物种的整个激发面上的光谱信息，最终同步实时定量获取整个激发面上的物种摩尔分数和温度量。
本实用新型由拉曼光谱成像系统Ⅰ、工控机Ⅱ、面聚焦激光系统Ⅲ、激光收集器1和脉冲延迟发生器2组成，其中脉冲延迟发生器2上设有同步输出端口Ⅰo和同步输出端口Ⅱp；拉曼光谱成像系统Ⅰ、工控机Ⅱ、面聚焦激光系统Ⅲ、激光收集器1、脉冲延迟发生器2置于同一光学平台上。
脉冲延迟发生器2的同步输出端口Ⅰo与拉曼光谱成像系统Ⅰ中拉曼ICCD相机6的外触发输入端口l连接；脉冲延迟发生器2的同步输出端口Ⅱp与面聚焦激光系统Ⅲ中激光控制器14的泵浦灯外触发输入端口r连接；拉曼光谱成像系统Ⅰ中拉曼ICCD相机6的触发输出端口k与面聚焦激光系统Ⅲ中激光控制器14的Q开关外触发输入端口q连接；拉曼光谱成像系统Ⅰ中拉曼ICCD相机6的数据输出端口m与工控机Ⅱ中拉曼ICCD相机采集卡9的数据输入端口n连接；面聚焦激光系统Ⅲ中激光发射器13经专用电缆与激光控制器14连接。
面聚焦激光系统Ⅲ形成面聚焦激发区域H，面聚焦激发区域H为线Ⅰah、线Ⅱbg、线Ⅲcj、线Ⅳdi、线Ⅴef、长方形面Ⅰabcd和长方形面Ⅱghij所围区域，其中线Ⅰah和线Ⅱbg相交于线Ⅴef的e点，线Ⅲcj和线Ⅳdi相交于线Ⅴef的f点，长方形面Ⅰabcd和长方形面Ⅱghij面积相等，对称位于线Ⅴef的正左方和正右方。
面聚焦激光系统Ⅲ位于面聚焦激发区域H的正右方；激光收集器1位于面聚焦激发区域H的正左方；面聚焦激光系统Ⅲ的中心线、长方形面Ⅰabcd和长方形面Ⅱghij的中心线与激光收集器1的中心线为同一水平中心线Ⅱt-t，水平中心线Ⅱt-t为左右水平线。
拉曼光谱成像系统Ⅰ位于面聚焦激发区域H的正后方，拉曼光谱成像系统Ⅰ的水平中心线Ⅰs-s为前后水平线。
水平中心线Ⅰs-s与一水平中心线Ⅱt-t水平垂直相交，并垂直相交于线Ⅴef中点。
所述的拉曼光谱成像系统Ⅰ由滤光片组3、激光滤光片4、成像镜头5和拉曼ICCD相机6组成，其中滤光片组3由两两纵向排列的不同波长的6片滤光片组成；拉曼ICCD相机6上设有触发输出端口k、触发输入端口l和数据输出端口m；滤光片组3、激光滤光片4、成像镜头5和拉曼ICCD相机6自前至后顺序排列，且滤光片组3、激光滤光片4、成像镜头5和拉曼ICCD相机6的中心在同一条水平中心线Ⅰs-s上，其中成像镜头5用匹配的螺纹接口连接于拉曼ICCD相机6的光信号输入口。
所述的工控机Ⅱ由显示器7和主机8组成，显示器7置于主机8上，主机8内设有拉曼ICCD相机采集卡9，拉曼ICCD相机采集卡9设有数据输入端口n。
所述的面聚焦激光系统Ⅲ由面聚焦光学器10、激光脉冲展宽器11、偏振片12、激光发射器13和激光控制器14组成，面聚焦光学器10、激光脉冲展宽器11、偏振片12、激光发射器13和激光控制器14自左至右顺序排列，且面聚焦光学器10、激光脉冲展宽器11、偏振片12、激光发射器13和激光控制器14的中心在同一条水平中心线Ⅱt-t上；激光控制器14上设有泵浦灯外触发输入端口q和Q开关外触发输入端口r。
本实用新型能实现燃烧场二维空间上的多物种摩尔分数和温度的同步定量测量。
附图说明
图1为二维激光拉曼散射光谱测量系统的结构示意图
图2为拉曼光谱成像系统Ⅰ的结构示意图
图3为工控机Ⅱ的结构示意图
图4为面聚焦激光系统Ⅲ的结构示意图
图5为滤光片组的结构示意图
图6为同步时序图
其中：Ⅰ.拉曼光谱成像系统 Ⅱ.工控机 Ⅲ.面聚焦激光系统 1.激光收集器 2.脉冲延迟发生器 3.滤光片组 4.激光滤光片 5.成像镜头 6.拉曼 ICCD相机 7.显示器 8.主机 9.拉曼 ICCD相机采集卡 10.面聚焦光学器 11.激光脉冲展宽器 12.偏振片 13.激光发射器 14.激光控制器 H.面聚焦激发区域 k.触发输出端口 l.触发输入端口 m.数据输出端口 n.数据输入端口 o.同步输出端口Ⅰ p.同步输出端口Ⅱ q.Q开关外触发输入端口r.泵浦灯外触发输入端口 s-s.水平中心线Ⅰ t-t.水平中心线Ⅱ ah.线Ⅰ bg.线Ⅱ cj.线Ⅲ di.线Ⅳ ef.线Ⅴ abcd.长方形面Ⅰ ghij.长方形面Ⅱ
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行描述。
如图1所示，本实用新型由拉曼光谱成像系统Ⅰ、工控机Ⅱ、面聚焦激光系统Ⅲ、激光收集器1和脉冲延迟发生器2组成，其中脉冲延迟发生器2上设有同步输出端口Ⅰo和同步输出端口Ⅱp；拉曼光谱成像系统Ⅰ、工控机Ⅱ、面聚焦激光系统Ⅲ、激光收集器1、脉冲延迟发生器2置于同一光学平台上。
脉冲延迟发生器2的同步输出端口Ⅰo与拉曼光谱成像系统Ⅰ中拉曼ICCD相机6的外触发输入端口l连接；脉冲延迟发生器2的同步输出端口Ⅱp与面聚焦激光系统Ⅲ中激光控制器14的泵浦灯外触发输入端口r连接；拉曼光谱成像系统Ⅰ中拉曼ICCD相机6的触发输出端口k与面聚焦激光系统Ⅲ中激光控制器14的Q开关外触发输入端口q连接；拉曼光谱成像系统Ⅰ中拉曼ICCD相机6的数据输出端口m与工控机Ⅱ中拉曼ICCD相机采集卡9的数据输入端口n连接；面聚焦激光系统Ⅲ中激光发射器13经专用电缆与激光控制器14连接。
面聚焦激光系统Ⅲ形成面聚焦激发区域H，面聚焦激发区域H为线Ⅰah、线Ⅱbg、线Ⅲcj、线Ⅳdi、线Ⅴef、长方形面Ⅰabcd和长方形面Ⅱghij所围区域，其中线Ⅰah和线Ⅱbg相交于线Ⅴef的e点，线Ⅲcj和线Ⅳdi相交于线Ⅴef的f点，长方形面Ⅰabcd和长方形面Ⅱghij面积相等，对称位于线Ⅴef的正左方和正右方。
面聚焦激光系统Ⅲ位于面聚焦激发区域H的正右方；激光收集器1位于面聚焦激发区域H的正左方；面聚焦激光系统Ⅲ的中心线、长方形面Ⅰabcd和长方形面Ⅱghij的中心线与激光收集器1的中心线为同一水平中心线Ⅱt-t，水平中心线Ⅱt-t为左右水平线。
拉曼光谱成像系统Ⅰ位于面聚焦激发区域H的正后方，拉曼光谱成像系统Ⅰ的水平中心线Ⅰs-s为前后水平线。
水平中心线Ⅰs-s与一水平中心线Ⅱt-t水平垂直相交，并垂直相交于线Ⅴef中点。
如图2和图5所示，所述的拉曼光谱成像系统Ⅰ由滤光片组3、激光滤光片4、成像镜头5和拉曼ICCD相机6组成，其中滤光片组3由两两纵向排列的不同波长的6片滤光片组成；拉曼ICCD相机6上设有触发输出端口k、触发输入端口l和数据输出端口m；滤光片组3、激光滤光片4、成像镜头5和拉曼ICCD相机6自前至后顺序排列，且滤光片组3、激光滤光片4、成像镜头5和拉曼ICCD相机6的中心在同一条水平中心线Ⅰs-s上，其中成像镜头5用匹配的螺纹接口连接于拉曼ICCD相机6的光信号输入口。
如图3所示，所述的工控机Ⅱ由显示器7和主机8组成，显示器7置于主机8上，主机8内设有拉曼ICCD相机采集卡9，拉曼ICCD相机采集卡9设有数据输入端口n。
如图4所示，所述的面聚焦激光系统Ⅲ由面聚焦光学器10、激光脉冲展宽器11、偏振片12、激光发射器13和激光控制器14组成，面聚焦光学器10、激光脉冲展宽器11、偏振片12、激光发射器13和激光控制器14自左至右顺序排列，且面聚焦光学器10、激光脉冲展宽器11、偏振片12、激光发射器13和激光控制器14的中心在同一条水平中心线Ⅱt-t上；激光控制器14上设有泵浦灯外触发输入端口q和Q开关外触发输入端口r。
本实用新型的具体连接过程和要求如下：
本实用新型中将拉曼光谱成像系统Ⅰ、工控机Ⅱ、面聚焦激光系统Ⅲ、激光收集器1、脉冲延迟发生器2置于同一光学平台上。在光学平台的中央布置燃烧场环境，使得面聚焦激发区域H被包含在燃烧场环境中。聚焦光学器10、激光脉冲展宽器11、偏振片12、激光发射器13和激光控制器14依次排列放置在面聚焦激发区域H的正右方。激光收集器1放置在面聚焦激发区域H的正左方。滤光片组3、激光滤光片4、成像镜头5和拉曼ICCD相机6依次排列放置在面聚焦激发区域H的正后方。
用专用电缆分别连接：脉冲延迟发生器2的同步输出端口Ⅰo与拉曼ICCD相机6的外触发输入端口l连接。脉冲延迟发生器2的同步输出端口Ⅱp与激光控制器14的泵浦灯外触发输入端口r连接。拉曼ICCD相机6的触发输出端口k与激光控制器14的Q开关外触发输入端口q连接。拉曼ICCD相机6的数据输出端口m与拉曼ICCD相机采集卡9的数据输入端口n连接。面聚焦激光系统Ⅲ中激光发射器13和激光控制器14之间用专用电缆连接。拉曼光谱成像系统Ⅰ中成像镜头5用匹配的螺纹接口连接至拉曼ICCD相机6的光信号输入口。工控机Ⅱ中显示器7置于主机8上。
初步调整各光学器件中心高度：使得滤光片组3、激光滤光片4、成像镜头5和拉曼ICCD相机6的水平中心线Ⅰs-s、面聚焦光学器10、激光脉冲展宽器11、偏振片12、激光发射器13激光出口和激光收集器1的水平中心线Ⅱt-t在同一水平面内，并互相垂直相交。
所有设备通电并预热，设置各仪器旋钮位置，输入仪器各测量参数，进入工控机Ⅱ上的主控程序。
精确调整各光学器件中心多维度位置：激光发射器13出射调试用的低能量的532nm(纳米)可见光激光，调整激光脉冲展宽器11和面聚焦光学器10内各镜片位置，在燃烧场环境内形成面聚焦激发区域H。移开激光滤光片4，通过拉曼ICCD相机6的实时成像功能模式，在同步测量面聚焦激发区域H上的片状聚焦激光。微调所有设备和镜架的高度、左右和前后位置、倾角和俯仰，保证显示器7屏幕上出现的像的强度值在竖直和水平方向上均匀分布。
测量实际燃烧场环境下的激光自发振动拉曼散射光谱：重新放回激光滤光片4，保证在所述的原来的位置上。激光滤光片4阻止激光发射器13出射的强激光散射光直接进入到拉曼ICCD相机6内，而影响对待测物种的弱的拉曼光谱信号光的测量。滤光片组3中的不同波长的滤光片允许与其波长相同的拉曼散射光通过，并进入到拉曼ICCD相机6中。将燃烧场环境调整到待测状态。将激光发射器13、拉曼ICCD相机6设置到测量功能模式下。控制激光发射器13出射实验能量E(毫焦)脉冲激光。按照图6所示的同步时序图，由工控机Ⅱ内的主程序完成面聚焦激发区域H上的各物种拉曼光谱的同步测量，经过主程序内的数据处理程序，最终计算出这种实验条件下的各物种的摩尔分数和区域温度值。
实施例：
如图1所示，面聚焦激光系统Ⅲ中的激光发射器13和激光控制器14为白俄罗斯LOTIS TII公司的LS2137型激光器系统，其出射532nm(纳米)激光，其出口光斑直径约为8mm(毫米)，脉宽半高宽(FWHM)约为7ns(纳秒)，频率为10Hz(赫兹)，实验激光能量E为380mJ(毫焦)，调试激光能量为50mJ；从激光发射器13出口出射的激光首先经过线偏振1/2波片的偏振片12，其直径为24.5mm，在实验前通过采集实验室环境空气的激光拉曼光谱，不断旋转偏振片12位置，当达到空气拉曼光谱信号的最大值时，并固定该位置；之后激光经过自制的纳秒级激光脉冲展宽器11，将激光的FWHM从原来的7ns展宽到35ns；最后经过自制的面聚焦光学器10在燃烧场环境内形成面聚焦激发区域H。
拉曼光谱成像系统Ⅰ中滤光片组3内的6个滤光片的中心波长分别是660nm、650nm、620nm、607nm、580nm和572nm，其直径均为10mm；激光滤光片4为德国Semrock公司的NF01-532U-25型Notch滤光片；成像镜头5为日本Nikon公司的105mm，f2.8镜头；拉曼ICCD相机6为英国Andor公司的DH720-18F-03增强型CCD相机。
脉冲延迟发生器2为美国STANFORD公司的DG645脉冲延迟发生器。
台湾研华610H型工控机Ⅱ内的Intel主板上分别插入拉曼ICCD相机采集卡9。
如图6所示，其中：A为同步输出端口Ⅰo、同步输出端口Ⅱp、Q开关外触发输入端口r、和触发输入端口l的信号波形；B为触发输出端口k和泵浦灯外触发输入端口q信号波形；C为从偏振片12输出的激光时域波形(FWHM为7ns)；D为从激光脉冲展宽器11输出的激光时域波形(FWHM为35ns)；E为数据输出端口m和数据输入端口n的的拉曼信号波形；F为拉曼ICCD相机6的内触发信号波形；A1为脉冲间隔，取0.1s；B1为激光最佳延迟时间，取140μs(微秒)；G1为拉曼ICCD相机6的门延迟时间，取140.14μs；G2为拉曼ICCD相机6的门宽，取40ns。A、B、C、D、E、F和G波形的频率均为10Hz。
Claims (4)
1.一种二维激光拉曼散射光谱测量系统，其特征在于：由拉曼光谱成像系统(Ⅰ)、工控机(Ⅱ)、面聚焦激光系统(Ⅲ)、激光收集器(1)和脉冲延迟发生器(2)组成，其中脉冲延迟发生器(2)上设有同步输出端口Ⅰ(o)和同步输出端口Ⅱ(p)；拉曼光谱成像系统(Ⅰ)、工控机(Ⅱ)、面聚焦激光系统(Ⅲ)、激光收集器(1)、脉冲延迟发生器(2)置于同一光学平台上；脉冲延迟发生器(2)的同步输出端口Ⅰ(o)与拉曼光谱成像系统(Ⅰ)中拉曼ICCD相机(6)的外触发输入端口(l)连接；脉冲延迟发生器(2)的同步输出端口Ⅱ(p)与面聚焦激光系统(Ⅲ)中激光控制器(14)的泵浦灯外触发输入端口(r)连接；拉曼光谱成像系统(Ⅰ)中拉曼ICCD相机(6)的触发输出端口(k)与面聚焦激光系统(Ⅲ)中激光控制器(14)的Q开关外触发输入端口(q)连接；拉曼光谱成像系统(Ⅰ)中拉曼ICCD相机(6)的数据输出端口(m)与工控机(Ⅱ)中拉曼ICCD相机采集卡(9)的数据输入端口(n)连接；面聚焦激光系统(Ⅲ)中激光发射器(13)经专用电缆与激光控制器(14)连接；面聚焦激光系统(Ⅲ)形成面聚焦激发区域(A)，面聚焦激发区域(A)为线Ⅰ(ah)、线Ⅱ(bg)、线Ⅲ(cj)、线Ⅳ(di)、线Ⅴ(ef)、长方形面Ⅰ(abcd)和长方形面Ⅱ(ghij)所围区域，其中线Ⅰ(ah)和线Ⅱ(bg)相交于线Ⅴ(ef)的e点，线Ⅲ(cj)和线Ⅳ(di)相交于线Ⅴ(ef)的f点，长方形面Ⅰ(abcd)和长方形面Ⅱ(ghij)面积相等，对称位于线Ⅴ(ef)的正左方和正右方；面聚焦激光系统(Ⅲ)位于面聚焦激发区域(A)的正右方；激光收集器(1)位于面聚焦激发区域(A)的正左方；面聚焦激光系统(Ⅲ)的中心线、长方形面Ⅰ(abcd)和长方形面Ⅱ(ghij)的中心线与激光收集器(1)的中心线为同一水平中心线Ⅱ(t-t)，水平中心线Ⅱ(t-t)为左右水平线；拉曼光谱成像系统(Ⅰ)位于面聚焦激发区域(A)的正后方，拉曼光谱成像系统(Ⅰ)的水平中心线Ⅰ(s-s)为前后水平线；水平中心线Ⅰ(s-s)与一水平中心线Ⅱ(t-t)水平垂直相交，并垂直相交于线Ⅴ(ef)中点。
2.按权利要求1所述的二维激光拉曼散射光谱测量系统，其特征在于：所述的拉曼光谱成像系统(Ⅰ)由滤光片组(3)、激光滤光片(4)、成像镜头(5)和拉曼ICCD相机(6)组成，其中滤光片组(3)由两两纵向排列的不同波长的6片滤光片组成；拉曼ICCD相机(6)上设有触发输出端口(k)、触发输入端口(l)和数据输出端口(m)；滤光片组(3)、激光滤光片(4)、成像镜头(5)和拉曼ICCD相机(6)自前至后顺序排列，且滤光片组(3)、激光滤光片(4)、成像镜头(5)和拉曼ICCD相机(6)的中心在同一条水平中心线Ⅰ(s-s)上，其中成像镜头(5)用匹配的螺纹接口连接于拉曼ICCD相机(6)的光信号输入口。
3.按权利要求1所述的二维激光拉曼散射光谱测量系统，其特征在于：所述的工控机(Ⅱ)由显示器(7)和主机(8)组成，显示器(7)置于主机(8)上，主机(8)内设有拉曼ICCD相机采集卡(9)，拉曼ICCD相机采集卡(9)设有数据输入端口(n)。
4.按权利要求1所述的二维激光拉曼散射光谱测量系统，其特征在于：所述的面聚焦激光系统(Ⅲ)由面聚焦光学器(10)、激光脉冲展宽器(11)、偏振片(12)、激光发射器(13)和激光控制器(14)组成，面聚焦光学器(10)、激光脉冲展宽器(11)、偏振片(12)、激光发射器(13) 和激光控制器(14)自左至右顺序排列，且面聚焦光学器(10)、激光脉冲展宽器(11)、偏振片(12)、激光发射器(13)和激光控制器(14)的中心在同一条水平中心线Ⅱ(t-t)上；激光控制器(14)上设有泵浦灯外触发输入端口(q)和Q开关外触发输入端口(r)。
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| CN108827940A (zh) * | 2018-08-20 | 2018-11-16 | 吉林大学 | 一种三维激光拉曼散射光谱测量系统 |
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