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上海光機所發(fā)展高幀頻、單光束相干拉曼測溫技術(shù)

jf_64961214 ? 來源:jf_64961214 ? 作者:jf_64961214 ? 2025-01-07 06:20 ? 次閱讀

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圖1. 基于空氣激光的單光束相干轉(zhuǎn)動拉曼測溫技術(shù)的基本原理

近期,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室和代爾夫特理工大學(xué)等單位合作,利用空氣激光,發(fā)展了單發(fā)次、單光束相干轉(zhuǎn)動拉曼測溫技術(shù),并在不同溫度下展示了其千赫茲測溫能力,測量精度達到小于2.3%的水平。相關(guān)成果以“Single-Shot Single-Beam Coherent Raman Scattering Thermometry Based on Optically Induced Air Lasing”為題發(fā)表于Light: Science & Applications。

燃燒場溫度、組分和反應(yīng)動力學(xué)的測量對于化石能源的清潔高效利用以及航天發(fā)動機、內(nèi)燃機等先進動力系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化都具有重要意義。相干拉曼散射光譜技術(shù)具有非接觸測量、空間分辨率高、測溫準確等優(yōu)點,因此在燃燒診斷領(lǐng)域備受青睞。現(xiàn)有的相干拉曼測溫技術(shù),通常需要對多束激光進行波長調(diào)諧和精密的時空控制。然而,高溫高壓燃燒場中往往存在嚴重的折射率梯度和湍流,容易引起光束偏折和相位失配,導(dǎo)致拉曼信號劇烈抖動甚至消失。因此,發(fā)展單光束、高幀頻相干拉曼測溫技術(shù)對于復(fù)雜燃燒環(huán)境的診斷具有重要意義。

研究團隊以超塊強光場驅(qū)動的空氣激光為探測光,發(fā)展了單光束相干拉曼測溫技術(shù),其基本原理如圖1所示。一束高能量飛秒激光泵浦氮氣產(chǎn)生高亮度、窄線寬、與泵浦光同向傳輸?shù)目諝饧す狻.?dāng)空氣激光與飛秒泵浦光一起聚焦到測溫區(qū),飛秒激光將激發(fā)氧分子形成相干轉(zhuǎn)動波包。由于空氣激光光譜非常細銳,將其作為探針,能夠分辨不同轉(zhuǎn)動的拉曼躍遷,從而形成由一系列轉(zhuǎn)動特征峰構(gòu)成的相干拉曼光譜。各轉(zhuǎn)動拉曼峰的相對強度與轉(zhuǎn)動態(tài)的粒子數(shù)分布密切相關(guān),而初始轉(zhuǎn)動布居取決于系統(tǒng)溫度,因此通過測量轉(zhuǎn)動拉曼光譜便可以獲得溫度信息。

此外,研究團隊基于空氣激光輔助的單光束相干拉曼測溫技術(shù),在不同溫度的氣體中進行了1 kHz幀頻單發(fā)測量的實驗演示。圖2展示了不同溫度下測量的相干轉(zhuǎn)動拉曼光譜。根據(jù)相干拉曼散射理論模型對實驗光譜進行擬合,便可以得到系統(tǒng)的溫度。研究者在1秒鐘內(nèi)連續(xù)采集了1000幀拉曼光譜,并對這些單次測量的光譜進行擬合,得到相應(yīng)的最佳擬合溫度。圖3(a)和(b)展示了該單發(fā)次、單光束相干轉(zhuǎn)動拉曼測溫儀在室溫(294 K)和高溫(773 K)下的測量結(jié)果。從這些結(jié)果,不僅獲得了單次測量的精度和準確度,而且表明該技術(shù)具備以千赫茲幀頻監(jiān)控溫度變化的能力。該測溫儀在不同溫度下的不準確度和精度如圖3(c)所示。結(jié)果表明,在實驗測量的氣體溫度范圍內(nèi),其測量精度均小于2.3%,證實了單光束拉曼測溫技術(shù)的高穩(wěn)定性。然而,由于理論模型的簡化等因素,測溫的準確度有待進一步提高。

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圖2. 不同溫度下測量的相干轉(zhuǎn)動拉曼光譜(黑色圓圈)和最佳擬合光譜(實線)

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圖3. 單發(fā)次、單光束相干轉(zhuǎn)動拉曼測溫儀在室溫(294 K)和高溫(773 K)條件下獲得的1000幀單次測量結(jié)果及其在不同溫度下測量的不準確度和精度

在該技術(shù)中,空氣激光是進行相干拉曼測溫的重要探針。除了細銳的頻譜,空氣激光還具有獨特的時空特性。空間上,空氣激光與泵浦光天然重疊,無需額外調(diào)節(jié),抗抖動、抗湍流能力強。時間上,空氣激光天然滯后于泵浦光,因此能夠有效抑制非共振背景,獲得高信噪比的相干拉曼信號。空氣激光這些獨特的時-頻-空特性,是實現(xiàn)單光束、千赫茲測溫的重要基礎(chǔ)。該單光束、高幀頻相干拉曼測溫技術(shù)克服了傳統(tǒng)相干拉曼測溫技術(shù)中多光束時空精密控制的難題,為高溫、高壓、高湍流極端環(huán)境的燃燒診斷提供了一種簡單有效的途徑,在瞬態(tài)反應(yīng)流和等離子體的快速診斷方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金重點項目、面上項目、中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃、青促會優(yōu)秀會員等項目的支持。

審核編輯 黃宇

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