[发明专利]一种二维激光拉曼散射光谱测量系统

说明书

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，本发明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；本发明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。

技术领域

本发明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

本发明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。

本发明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。