[发明专利]一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置与方法

说明书

本发明公开了一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置与方法，属于超快激光传感技术领域，利用燃烧场中飞秒光丝核区高强度特性产生非线性频率转换，原位产生光谱位于紫外区域的三次谐波。燃烧场中颗粒物对三次谐波进行散射，利用侧向收集的散射信号强弱可以得到燃烧场中颗粒物的分布信息。这种基于燃烧场中超快激光成丝产生三次谐波作为泵浦源的光散射技术将应用于燃烧环境下颗粒物的远程原位监测领域，具有可远程探测、低损耗的突出优点，极其适用于复杂燃烧环境下如高温高压燃烧场的颗粒物的分析。

技术领域

本发明属于超快激光传感技术领域，具体涉及一种利用强场激光在燃烧场中成丝产生三次谐波远程、原位检测火焰内颗粒物分布的装置与方法。

背景技术

目前，在我国能源结构中，尽管能源类型逐步呈现多元化，但不可再生的化石能源仍然占据着最大比重。化石能源在燃烧过程中会产生颗粒物，其中包含尺寸较小(1-5nm)的纳米颗粒物，和尺寸较大(10-100nm)的烟灰颗粒，如若燃烧不充分，这些颗粒物会直接排放到大气中，从而对环境造成严重污染，威胁着生态安全。研究表明燃烧产生的颗粒物是光化学烟雾以及雾霾天气频发的“罪魁祸首”之一，。因此，对燃烧场中颗粒物的实时监测分析对改进燃烧方式，提高能量转化效率、减少污染物排放等具有极其重要的意义。光学技术，例如吸收/消逝光谱与激光散射光谱结合技术、激光诱导白炽光技术、动态光散射技术等，以其超高的时间空间分辨能力，非外侵、无需采样等特点在燃烧场中颗粒物的实施监测分析领域受到人们的青睐。

强飞秒激光在光学介质内部传播时会形成狭长的、高激光功率密度区域，通常将之称为飞秒激光光丝，它主要是克尔自聚焦效应与等离子体散焦效应共同调制的结果。激光光丝的开始位置可以通过调整驱动激光的参数如光斑尺寸、脉宽等实现人工控制；同时，光丝具有极强的抗干扰能力，在复杂环境下仍可成丝；另外，光丝内部的激光强度可以达到10¹³W/cm²，伴随着光频率转换现象的发生，产生新的辐射光源，例如高次谐波，超连续白光，太赫兹辐射等。

传统的利用激光散射技术分析燃烧场内部颗粒物时，为了提高光散射效率，通常选用波长位于紫外光谱区的光源作为泵浦光源。然而由于燃烧场中间产物会吸收该波段的光子，因而这种外部注入泵浦光的方式会产生严重的光吸收损耗问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的传统激光散射技术在传输通路上的光学损耗限制等缺陷，本发明提供了一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置与方法，是将三次谐波作为激光散射光谱的驱动光场，对燃烧场中的颗粒物分布进行实时检测。

本发明通过如下技术方案实现：

一种利用强场激光检测火焰内颗粒物分布的装置，包括飞秒激光放大器1、二分之一波片Ⅰ2、偏振片3、介质膜高反射镜4、二分之一波片Ⅱ5、平凸透镜6、酒精灯7、三维精密位移平台8、双凸透镜9及配有增强电荷耦合器件的光栅光谱仪10；其中，飞秒激光放大器1输出的激光依次经过竖直放置的二分之一波片Ⅰ2、偏振片3、介质膜高反射镜4、二分之一波片Ⅱ5及平凸透镜6后，在平凸透镜6后形成飞秒激光光丝；三维精密位移平台8放置于平凸透镜6的焦点位置范围内，酒精灯7放置在三维精密位移平台8上，三维精密位移平台8的三维方向上均采用手动调节；在激光传播方向的垂直方向上放置双凸透镜9，双凸透镜9与飞秒激光光丝的垂直距离为双凸透镜9的二倍焦距，配有增强电荷耦合器件的光栅光谱仪10的狭缝与双凸透镜9的垂直距离为双凸透镜9的二倍焦距，从而构成2f-2f成像系统。

进一步地，所述的飞秒激光放大器系统1为带有振荡器的飞秒激光放大器，其工作中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs-200fs，重复频率为1Hz-1000Hz，单脉冲能量为0.5mJ-4.0mJ。

进一步地，所述的二分之一波片Ⅰ2和二分之一波片Ⅱ5的通光孔径均为25.4mm-38.1mm，工作波长为680nm-1100nm。