可調(diào)空間分辨USEDCARS技術(shù)研究

張振榮，李國華，胡志云，王 晟，葉景峰，陶 波，邵 珺，方波浪

西北核技術(shù)研究院激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，陜西 西安 710024

引 言

相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent anti-Stokes Raman scattering, CARS)是一種四波混頻的非線性光學(xué)效應(yīng)。CARS用于燃燒流場診斷時具有非常高的溫度測量精度，同時還具有很強的抗干擾能力，已經(jīng)成為各種燃燒流場溫度和組分測量的重要工具[1-2]，雖然該技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生并發(fā)展了半個世紀，但相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新仍不斷進行[3-4]。

時空分辨力是衡量光譜診斷技術(shù)的重要指標。CARS信號強度與所測分子數(shù)密度的平方成正比，在氣體壓力不變條件下，分子數(shù)密度與介質(zhì)的溫度成反比，當所探測的空間區(qū)域內(nèi)存在溫度梯度時，低溫、高溫CARS信號光譜相互疊加，產(chǎn)生空間平均效應(yīng)[5-6]，會造成CARS光譜畸變，增加擬合難度和測量不確定度。由于低溫CARS信號遠強于高溫條件下的CARS信號，因此低空間分辨條件下CARS信號通常表現(xiàn)出低溫特性。此外，根據(jù)CARS理論，CARS信號強度還與探測區(qū)域長度的平方成正比，高空間分辨力對應(yīng)低的CARS信號強度，以及低的單脈沖光譜信噪比，進而造成測量結(jié)果不確定度的增加，或是為了提高信噪比進行多脈沖平均從而導(dǎo)致測量時間分辨力的下降。對于空間分布均勻燃燒流場，適當降低空間分辨，有利于增強信號強度，提高單脈沖光譜的信噪比，從而實現(xiàn)高的時間分辨力和更高的測量精度。但現(xiàn)有CARS診斷系統(tǒng)不具有空間分辨力調(diào)節(jié)能力，要改變測量系統(tǒng)的空間分辨力，需要重新調(diào)節(jié)光路，甚至需要更換部分光學(xué)元器件。

按照相位匹配方式的不同，CARS技術(shù)可分為共線CARS、交叉光束CARS(BOXCARS)和非穩(wěn)腔空間增強探測(Unstable-resonator spatially enhanced detection) CARS(USEDCARS)三類。其中，共線CARS技術(shù)由于空間分辨力很低，已經(jīng)很少使用； BOXCARS通過泵浦光、探測光和斯托克斯光相互交叉設(shè)置，大大提高了探測的空間分辨力，使其縱向空間分辨力達到了約1～2 mm[7-9]，甚至優(yōu)于1 mm[10-11]。但BOXCARS在大幅提高空間分辨力的同時也增加了對光學(xué)系統(tǒng)和實驗環(huán)境的要求。要使聚焦后的三束激光精確地交匯于測量點，需要極為精密的光學(xué)調(diào)節(jié)機構(gòu)，而且在光路優(yōu)化調(diào)節(jié)已經(jīng)完成的情況下，由于測試環(huán)境中氣體溫度和密度的變化導(dǎo)致的折射率變化、實驗環(huán)境中的振動等都會使光束傳播路線發(fā)生偏移導(dǎo)致相位失配。這會使得CARS信號強度減弱甚至消失。

與BOXCARS相比，USEDCARS具有易于調(diào)節(jié)，對振動、擾動不敏感等優(yōu)點，但USEDCARS技術(shù)的空間分辨力相對較低。當測量溫度梯度較大的燃燒流場時，會產(chǎn)生光譜畸變效應(yīng)，造成溫度測量不確定度增大甚至難以進行光譜擬合等不足。文獻[12-13]比較分析了USEDCARS和BOXCARS技術(shù)的優(yōu)缺點，認為BOXCARS技術(shù)能夠提供高的空間分辨力，但相位匹配效率較低，并對振動和氣動因素敏感，而USEDCARS技術(shù)易于準直，具有較高的相位匹配效率，并對振動等環(huán)境因素不敏感等，更適合應(yīng)用于實際的大型工業(yè)燃燒裝置。

造成現(xiàn)有USEDCARS技術(shù)測量空間分辨力低的主要原因在于環(huán)形泵浦光的產(chǎn)生方式?，F(xiàn)有USEDCARS環(huán)形泵浦光采用空間濾波方式產(chǎn)生[13]，這種方式主要有兩方面的缺點： 首先，會造成激光能量損失，特別是當泵浦激光為高斯光束時，其中心最強的區(qū)域被空間濾波方式遮擋，造成激光能量較大的損失； 其次，采用空間濾波方式產(chǎn)生的環(huán)狀光束中心孔半徑較小，對應(yīng)探測區(qū)域泵浦光與Stokes光之間的夾角很小，使激光的相互作用區(qū)域較長，測量的空間分辨力降低。

本文采用一種新的方式對泵浦激光進行了環(huán)狀光束整形，有效減小了泵浦激光的能量損失，同時還可以通過調(diào)節(jié)環(huán)狀光束的直徑實現(xiàn)診斷系統(tǒng)測量空間分辨力的連續(xù)調(diào)節(jié)。有效解決了現(xiàn)有USEDCARS技術(shù)泵浦激光能量損失、空間分辨力低且不易調(diào)節(jié)等不足，使USEDCARS診斷系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)不同的診斷需求。

1 實驗部分

采用一組石英軸棱錐對泵浦激光進行整形，產(chǎn)生所需的環(huán)狀光束。如圖1所示，軸棱錐的直徑50 mm，錐角為156°，通光面鍍增透膜，透過率大于99%。兩塊軸棱錐嚴格共軸放置，軸棱錐之間的距離可連續(xù)精確調(diào)節(jié)。激光沿軸線入射至軸棱錐組，形成空心環(huán)形光束，通過調(diào)節(jié)兩個軸棱錐之間的距離可以獲得不同尺寸的環(huán)狀光束。

圖1 泵浦激光環(huán)狀光束整形Fig.1 Pump laser beam shaping system

所建立的USEDCARS系統(tǒng)如圖2所示，包括： Nd∶YAG激光器(Q-smart850，6 ns，532 nm，10 Hz)，寬帶染料激光器(波長607 nm，光譜寬度約190 cm-1)，光譜儀(andor SR-500i，2 400 lines·mm-1，焦距500 mm)，光譜信號采集用相機為ICCD(andor iStar)。YAG激光器輸出二倍頻532 nm激光能量約280 mJ，其中約70%的能量用于泵浦寬帶染料激光器，產(chǎn)生所需的607 nm寬帶Stokes激光，30%的能量用作泵浦激光。泵浦激光由軸棱錐進行光束整形產(chǎn)生環(huán)狀光束，并通過調(diào)節(jié)錐鏡之間的距離實現(xiàn)環(huán)狀光束直徑的連續(xù)調(diào)節(jié)。實驗中，泵浦光環(huán)狀光束半徑的調(diào)節(jié)范圍為3～9 mm。

圖2 可調(diào)空間分辨USEDCARS系統(tǒng)Fig.2 Spatial resolution adjustable USEDCARS system

環(huán)狀泵浦光經(jīng)中心有一個45°斜孔的反射鏡反射，孔的直徑為6 mm，Stokes光穿過反射鏡的中心孔，并與環(huán)狀泵浦光共軸傳播，再由焦距為200 mm的透鏡聚焦于探測點，與介質(zhì)相互作用產(chǎn)生相應(yīng)的CARS信號，透鏡與反射鏡之間設(shè)置有衰減片，用于合束后激光能量的調(diào)節(jié)。

探測點上光束的橫向尺寸約為0.1 mm?？v向分辨力測量方法如圖3所示。測量分辨力時將激光能量衰減至約0.5 mJ。在探測點處放置厚度為0.1 mm的石英玻璃片，激光作用在玻璃片上，產(chǎn)生相應(yīng)的非共振CARS信號。沿激光傳輸方向移動玻璃片，同時記錄不同位置CARS信號的強度，獲得CARS信號強度的空間分布曲線，并以此計算CARS系統(tǒng)的縱向空間分辨力。

圖3 USEDCARS縱向空間分辨力測量Fig.3 Schematic diagram of USEDCARS longitudinal spatial resolution measurement

2 結(jié)果與討論

2.1 空間分辨力測量結(jié)果

通過調(diào)節(jié)軸棱錐之間的距離，獲得不同半徑的環(huán)狀泵浦光束，并分別測量相應(yīng)的縱向空間分辨力。圖4給出了環(huán)狀光束半徑分別為3，4，6，8和9 mm情況下得到的CARS信號強度隨空間位置變化曲線。數(shù)據(jù)擬合結(jié)果顯示，信號強度在空間上呈近高斯分布[12]。

圖4 不同分辨條件下CARS信號強度空間分布Fig.4 Spatial distribution of CARS signals intensity under different resolution

根據(jù)圖4所得CARS強度隨空間位置的分布數(shù)據(jù)，并取CARS信號總強度95%的空間區(qū)域代表CARS的縱向空間分辨力區(qū)域強度，以此計算得到相應(yīng)的CARS縱向空間分辨力，如圖5所示。泵浦光內(nèi)環(huán)半徑為3 mm，對應(yīng)的空間分辨力為6.5 mm，這與USEDCARS常用實驗參數(shù)接近，而且傳統(tǒng)USEDCARS技術(shù)中還存在約50%的泵浦激光能量損失。通過增加兩個軸棱錐之間的距離，增大環(huán)狀光束半徑，當環(huán)狀光束半徑達到9 mm時，測量得到的空間分辨力為1.7 mm，這一數(shù)據(jù)與大多數(shù)BOXCARS的空間分辨力相當，可以滿足非均勻燃燒場對測量空間分辨力的需求。

圖5 不同泵浦光環(huán)狀光束半徑對應(yīng)空間分辨力Fig.5 Spatial resolution with different annular pump laser beam radius

2.2 火焰中CARS光譜測量

利用所建立的可調(diào)空間分辨USEDCARS技術(shù)測量了酒精/空氣預(yù)混火焰溫度參數(shù)。其中酒精通過霧化并與空氣進行預(yù)混，空氣流量為10 L·min-1，化學(xué)配比φ=0.9?；鹧嫘螤畛式迫切?，測量點位于火焰中心距爐面高度25 mm處。通過調(diào)節(jié)USEDCARS測量系統(tǒng)的空間分辨力，獲得了縱向分辨力分別為6.5，4.9和1.7 mm時的單脈沖CARS光譜，如圖6所示。圖中不同空間分辨力對應(yīng)的CARS光譜強度各不相同，空間分辨力與信號強度呈現(xiàn)強烈的負相關(guān)。信號強度主要由作用區(qū)的長度與測量區(qū)域內(nèi)所測N2的分子數(shù)密度及其分布決定，由于所測區(qū)域存在較大的溫度梯度，所以低分辨條件下的CARS信號出現(xiàn)了嚴重的光譜畸變，并表現(xiàn)出明顯的低溫特性。高空間分辨條件下獲得的CARS光譜與理論光譜符合的較好，根據(jù)擬合結(jié)果可以給出測量點的溫度為1 912 K。

圖6 不同空間分辨條件下的CARS光譜Fig.6 CARS spectra with different spatial resolution conditions

與傳統(tǒng)USEDCARS系統(tǒng)相比，采用軸棱錐實現(xiàn)泵浦激光環(huán)狀光束整形沒有激光能量損失，同時，還可以通過調(diào)節(jié)兩個軸棱錐之間的距離，改變泵浦光環(huán)狀光束的直徑，從而實現(xiàn)測量空間分辨力的連續(xù)調(diào)節(jié)?？臻g參數(shù)分布均勻或溫度梯度較低的燃燒場，對診斷系統(tǒng)的空間分辨力要求較低，可通過減小軸棱錐之間的距離，縮小泵浦光環(huán)狀光束直徑，從而降低測量空間分辨力，以獲得高的單脈沖信號強度和信噪比，提高探測的時間分辨力； 對于溫度梯度較大的燃燒場，則可通過增加軸棱錐之間的距離，擴大泵浦光環(huán)狀光束直徑，提高空間分辨力，消除空間平均效應(yīng)的影響。

3 結(jié) 論

利用了USEDCARS相位匹配效率高、環(huán)境適應(yīng)性好的優(yōu)點，并在此基礎(chǔ)上建立了一種可調(diào)空間分辨USEDCARS診斷系統(tǒng)。通過一組軸棱錐將泵浦激光光束整形為環(huán)狀光束，并通過調(diào)節(jié)軸棱錐之間的距離改變環(huán)狀泵浦光束直徑，從而獲得不同的空間分辨力，實現(xiàn)了空間分辨力在1.7～6.5 mm的連續(xù)可調(diào)。其中，高空間分辨狀態(tài)，達到了BOXCARS技術(shù)的空間分辨力，后續(xù)還將通過系統(tǒng)整體優(yōu)化，進一步提高測量的空間分辨力。同時，空間分辨力連續(xù)可調(diào)特性使所建立的USEDCARS系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)各種不同燃燒流場的測量需求。