[发明专利]一种三维激光拉曼散射光谱测量系统

说明书

一种三维激光拉曼散射光谱测量系统属激光燃烧诊断技术领域，本发明中脉冲激光器系统置三维面聚焦光学系统正左方，其与45度反射镜在同一中心线上，且与三维面聚焦光学系统中心线垂直相交，脉冲延迟发生器同步输出端与激光控制器的泵浦灯外触发输入端连接；脉冲延迟发生器同步输出端与电机控制器的电机控制输入端连接；脉冲延迟发生器同步输出端与拉曼ICCD相机外触发输入端连接；拉曼ICCD相机外触发输出端与激光控制器Q开关外触发输入端连接；拉曼ICCD相机数据输出端与拉曼ICCD相机采集卡数据输入端连接，面聚焦片光体光学器在三维燃烧场中形成三维面聚焦片光体组；本发明可实现燃烧场中多物种组分、组分摩尔分数和温度的三维精准位置上的定量测量。

技术领域

本发明属激光燃烧诊断技术领域，具体涉及一种三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1mm(毫米)左右)或线(直径约1mm左右，长约几十毫米)或面(长约几十毫米、宽约1mm和高约几十毫米)上的拉曼光谱成像测量，要想得到三维燃烧场空间的全部光谱信息，需要通过手工移动激光聚焦点或线或面的激发区位置，最后再按点或线或面上的矩阵数据整合处理来形成燃烧场整体物理量信息。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三维激光拉曼散射光谱测量技术，首先将原始点光源激光线经过由精密微角度高速电机驱动的可旋转的反射镜，反射进入面聚焦片光体光学器中，在燃烧场环境中形成激发面，激发出的各物种拉曼光谱由具有不同波长的物种滤光片组和拉曼ICCD相机完成面阵成像。电机驱动旋转反射镜到下一个角度位置，在激发区形成的激发面与上一个角度位置上的激发面平行且尺寸相同，完成同样的面阵成像。以此类推，通过逐步旋转反射镜，在燃烧场中形成高时空分辨的互相平行且尺寸相同的一系列面聚焦激发面，再由拉曼光谱成像系统同步成像，实时燃烧场三维空间上的物种摩尔分数和温度定量测量。