[发明专利]一种基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置

说明书

技术领域

本发明涉及对火焰一维扫描测温的装置，尤其涉及一种基于CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置。

背景技术

相干反斯托克斯拉曼光谱(CoherentAnti-StokesRamanSpectroscopy，简称CARS)是飞秒科学研究中一种重要的非线性光谱技术，利用飞秒激光脉冲作为泵浦光和斯托克斯光共同作用激发分子的拉曼振动模并通过时间延迟探测光探测被激发的分子拉曼振动模的时间演化，实验中探测得到的飞秒CARS信号不但能够反映物质微观的分子超快动力学过程，而且可以反映分子的宏观温度信息，因此飞秒CARS是开展气体燃烧测温的一种重要手段。

CARS光谱技术是测量火焰温度的一种重要的方法，与传统测温方式相比具有更高的信噪比。常用的CARS装置采用固定的普通透镜，在对火焰进行扫描的时候，需要对整个光路平台进行移动，操作较复杂，故在一维方向上提出改进，采用两个可移动透镜实现一维方向上的扫描。而且使用普通的凸透镜，会出现边角变暗、模糊的现象，这是因为光的折射只发生在介质的交界面，凸透镜片较厚，光在玻璃中直线传播的部分会使得光线衰减，从而减弱光束的光强。如果可以去掉直线传播的部分，只保留发生折射的曲面，便能省下大量材料同时达到相同的聚光效果。菲涅耳透镜就是采用这种原理的，从而可以克服普通透镜的不足，而且菲涅尔透镜还能够消除部分球形像差。

随着超短脉冲激光技术的发展，几十个飞秒的光学脉冲激光在非线性光学中得到了广泛应用，使得研究物质分子的宏观温度信息的飞秒相干反斯托克斯拉曼光谱技术成为可能。利用可调谐飞秒激光器系统搭建上述的CARS光谱探测系统，可以用来测绘高温火焰的温度分布，从而促使人们加深对燃烧的认识，对于充分燃烧、改进发动机等等有重要意义。

发明内容

本发明为了解决现有的CARS光谱法测量火焰温度存在信噪比低以及光在凸透镜中传播会发生部分光线强度衰减的问题，而提出一种基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置。

一种基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置，包括：

飞秒激光器1、第一分束片2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、第二分束片6、第四反射镜7、光学参量放大器8即OPA、第一时间延迟装置9、第二时间延时装置10、第五反射镜11、第六反射镜12、第七反射镜13、第一可移动菲涅尔透镜14、火焰发生装置15、第二可移动菲涅尔透镜16、光阑17、第八反射镜18、第九反射镜19、透镜20、光纤耦合器件21、光纤22、光谱仪23、CCD阵列探测器24、计算机25；

飞秒激光器1出射的激光，经过第一分束片2分成两束，其中一束经过第一反射镜3反射到达光学参量放大器8(OPA)，在保证一定功率输出的情况下，实现波长的可调谐，之后进入第一时间延迟装置9，经过反射到达第一可移动菲涅尔透镜14；另一束经过第二反射镜4和第三反射镜5到达第二分束片6，被分成两束，其中一束经过第七反射镜13和第六反射镜12到达第一可移动菲涅尔透镜14，另一束经过第二时间延时装置10以及第五反射镜11反射到达第一可移菲涅尔动透镜14；三束光束受到第一可移动菲涅尔透镜14的聚焦作用，聚焦在火焰发生装置15产生的火焰上的一点，产生CARS信号；CARS信号及三束光束经过第二可移动菲涅尔透镜16，转化为平行光，CARS信号通过光阑17选取出来，经过第八反射镜18和第九反射镜19两次反射，到达透镜20，从而被聚焦到光纤耦合器件21中，通过光纤22接入到光谱仪23上，经过CCD阵列探测器24后，由计算机25进行处理；其中第一延时装置9、第二延时装置10、第一可移动菲涅尔透镜14以及第二可移动菲涅尔透镜16连接计算机25，由计算机25程序控制精确移动。

本发明包括以下有益效果：

1、采用本发明所述装置来观测高温火焰，信噪比高，能清楚地测绘出高温火焰的温度分布，从而促使人们加深对燃烧的认识，对于充分燃烧、改进发动机等等有重要意义。

2、本发明所述装置由于采用了菲涅耳透镜，解决了光在凸透镜中传播会发生部分光线强度衰减的问题，还能够消除部分球形像差。

3、本发明所述装置由于采用两个可移动菲涅耳透镜实现一维方向上的扫描，操作简单，易执行。

附图说明

图1为基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置的结构示意图；