[发明专利]氮氧化物的高频DFWM定量测量装置及方法

说明书

本发明涉及一种氮氧化物的高频DFWM定量测量装置及方法，其中，该装置包括：高频激光器，用于产生重复频率为100kHz的1064nm激光以及将该1064nm激光经过三倍频后输出355nm激光；种子激光器模块，用于产生855nm的种子激光；光参量振荡器，用于将高频激光器输入的355nm激光与种子激光器输入的855nm的激光转化产生607nm的激光；DFWM信号光产生模块，用于将光参量振荡器输出的607nm的激光经过分束器和反射镜产生四束光，其中三束光经过第一透镜汇聚于氮氧化物气体样品池中，在满足相位共轭条件的情况下将产生DFWM光信号；以及氮氧化物定量模块，用于将经过第二透镜准直后的DFWM光信号转换成电信号，再进入计算机中处理得到氮氧化物气体的浓度。

技术领域

本发明属于燃烧诊断领域，具体地涉及一种氮氧化物的高频DFWM定量测量装置及方法。

背景技术

目前，燃烧是燃气轮机化学推进的重要过程，燃烧机理研究的进步有利于推进技术的发展与革新。要实现稳定且高效的燃烧，需要对燃料的注入、雾化、混合与扩散等物理化学过程有深入的理解，应用燃烧诊断技术发现并掌握规律是燃烧过程研究的重要任务。

燃烧诊断就是对燃烧的过程进行测量并对结果进行分析，对于温度、压力和燃烧产物等的测量，长期以来是依靠于热电偶、热线风速仪和组分分析仪等物理探针或测量仪器，这些物理探针经过检验，在其适应范围内，结果是可信的，且其使用成本低，操作简单，但由于物理探针很容易干扰流场并对检测结果产生影响，且只能用于测量宏观平均的物理量，缺乏足够的时间和空间的分辨率。由于在测量中需要避免物理探针的侵入性，避免对系统的测量结果的干扰，目前普遍采用基于激光的光学方法进行燃烧诊断。

且燃气轮机在燃烧过程中会产生多种产物，其中包括CO、氮氧化物(NOx)等污染物，由于这些污染物的量很少，使用常规的激光吸收光谱需要多次反射或者采用光腔衰荡等增强吸收的方法，且吸收光谱是线平均的测量，没有空间分辨率。1982年，P.Ewart第一次将简并四波混频技术(DFWM)用于大气压强下甲烷在空气中燃烧火焰中OH的检测，自此利用四波混频光谱技术进行微量物质检测便成为一种新的方法，到了二十世纪九十年代，简并四波混频技术已经被发展为一种高度灵敏的光谱技术，在对燃烧过程中寿命短，浓度低的中间产物的检测起到了重要作用。在燃烧火焰微量组分测量时，这种情况下背景光强，无法用PLIF技术进行检测，用CARS法检测时灵敏度又不高，所以与其他光谱技术相比，DFWM技术有许多优点，作为高灵敏度的一项光谱技术，DFWM未来一定会在科学研究等领域起到更重要的作用。

哈尔滨工业大学王维波在博士毕业论文《共振简并四波混频技术及其在气相介质光谱中应用研究》中设计的DFWM前向光路，作者在设计自稳定光路的基础上测量了甲烷-氧气-氮气的燃烧火焰中OH自由基的光谱信号和它在火焰中不同位置的相对浓度分布。作者采用Nd：YAG激光器产生的激光经过2倍频后输出532nm的激光至泵浦染料激光器，染料为PM580，获得550nm-570nm的激光，激光重复频率为10Hz，线宽为0.12cm^-1，激光器脉冲宽度为7ns，激光经分束器后获得四束频率相同的光，用其中三束光进行相位匹配以获得DFWM信号光。

现有简并四波混频技术所用激光为低重复频率激光，在针对不稳定性燃烧组织方式的燃烧污染物氮氧化物定量测量时时间分辨率与空间分辨率均不高。且现有技术多用染料激光器来获得所需波长的激光，但染料激光器因其染料的温度变化和化学反应而输出不稳定，需要定期更换染料，另外染料还对人体有毒，且其中的染料溶液在连续泵浦光脉冲之间进行交换的时间有限，不适合用于超高重复频率系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮氧化物的高频DFWM定量测量装置及方法，以克服上述问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一方面，提供了一种氮氧化物的高频DFWM定量测量装置，包括：