用于大尺度模型發(fā)動(dòng)機(jī)高頻PLIF測(cè)量的脈沖串紫外激光系統(tǒng)

曹 振, 于 欣, 彭江波*, 柳 強(qiáng), 楊順華, 張順平,趙延輝, 李沛霖, 高 龍, 張善春

1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)可調(diào)諧激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150001

2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)光電子技術(shù)研究所, 黑龍江 哈爾濱 150001

3. 清華大學(xué)精密儀器系, 北京 100084

4. 中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000

引 言

高頻平面激光誘導(dǎo)熒光(planar laser-induced fluorescence, PLIF)是一種高靈敏度高時(shí)空分辨的激光光譜燃燒診斷技術(shù), 已廣泛用于描述火焰的高動(dòng)態(tài)燃燒過程[1-5]。 其中紫外激光系統(tǒng)是高頻PLIF技術(shù)的關(guān)鍵核心器件。 國外典型用于高頻PLIF測(cè)量的連續(xù)脈沖式紫外激光系統(tǒng), 重復(fù)頻率為5～10 kHz, 最大單脈沖能量為400 μJ@283 nm[6]。 當(dāng)面臨發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜燃燒流場(chǎng)環(huán)境, 受到超聲速流動(dòng)、 強(qiáng)湍流度、 受限空間等極端條件限制, 加之遇到高溫和高壓導(dǎo)致的嚴(yán)重信號(hào)衰減和熒光猝滅等問題, 較低的脈沖能量可能導(dǎo)致較差的PLIF圖像質(zhì)量, 無法達(dá)到大尺度模型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)精細(xì)化測(cè)量的能量需求[7-8]。 而報(bào)道的典型脈沖串模式紫外激光系統(tǒng)[9], 激光能量能達(dá)到毫焦量級(jí), 但為避免放大級(jí)的熱沉積, 脈沖串間隔時(shí)間為8～12 s, 較長的脈沖串間隔時(shí)間無法在工作時(shí)間尺度為百毫秒到秒量級(jí)的脈沖燃燒風(fēng)洞發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上獲得有效測(cè)量數(shù)據(jù)[10-11]。 因此, 針對(duì)大尺度模型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)間短和對(duì)激光能量要求高的特點(diǎn), 需要研制一款脈沖串間隔短、 大能量的高頻紫外激光系統(tǒng), 以滿足大尺度模型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室測(cè)量研究需求。

常規(guī)的紫外激光系統(tǒng)采用泵浦激光器和染料激光器結(jié)合的工作模式, 與光學(xué)參量振蕩(OPO)輸出模式相比較, 染料激光工作模式具有更高的轉(zhuǎn)換效率。 2018年德國埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)Pan等[12]采用脈沖串激光器泵浦商用染料激光器, 優(yōu)化染料Rh6G的濃度, 實(shí)現(xiàn)單脈沖能量～2.3 mJ的283 nm激光輸出, 轉(zhuǎn)換效率接近3%, 用于激發(fā)燃燒場(chǎng)中的OH自由基可視化火焰結(jié)構(gòu)。 在染料激光工作模式下, 紫外激光特性取決于泵浦激光特性, 因此泵浦激光器被作為高頻PLIF系統(tǒng)的核心元件。 研究同時(shí)具備高重復(fù)頻率和大能量的泵浦激光器系統(tǒng)[13-14], 對(duì)于實(shí)現(xiàn)大尺度發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)高頻PLIF測(cè)量及應(yīng)用具有重要意義。 泵浦激光器根據(jù)工作模式, 主要分為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖模式和脈沖串模式兩種。 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖激光器, 由于受到激光器內(nèi)部元器件熱效應(yīng)的影響, 難以實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率和大脈沖能量同時(shí)輸出[15]。 而脈沖串模式激光器通過降低工作時(shí)間, 可短時(shí)間實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率和大脈沖能量激光輸出, 目前已被作為高頻PLIF技術(shù)最具潛力的泵浦源。 典型的脈沖串輸出方案采用腔外調(diào)制的振蕩+放大結(jié)構(gòu)(master oscillator power amplifier, MOPA)[16]。 國外學(xué)者普遍采用激光性能參數(shù)優(yōu)良的連續(xù)Nd∶YAG激光器作為種子源, 通過聲光或電光調(diào)制器對(duì)激光脈沖進(jìn)行腔外調(diào)制, 以獲得脈沖數(shù)量、 持續(xù)時(shí)間及線寬等參數(shù)可調(diào)的激光脈沖輸出。 然后低能量的種子激光(nJ～μJ量級(jí))通過MOPA結(jié)構(gòu)進(jìn)行功率放大, 得到滿足測(cè)量要求的激光脈沖輸出。 該結(jié)構(gòu)布局下想要獲得適宜的泵浦能量輸出, 往往需要通過多級(jí)放大, 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 不利于系統(tǒng)集成。 2014年美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室Miller等[17]報(bào)道了用于平面速度場(chǎng)測(cè)量的二級(jí)管泵浦脈沖串模式激光器系統(tǒng), 重復(fù)頻率為10～100 kHz, 脈沖串持續(xù)時(shí)間為100 ms, 采用了6級(jí)功率放大, 實(shí)現(xiàn)了脈沖能量為225 mJ的1 064 nm激光輸出。

綜上, 為滿足大尺度模型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量需求, 要求用于高頻PLIF測(cè)量的紫外激光系統(tǒng)同時(shí)具備脈沖串間隔短和大能量激光輸出, 并且系統(tǒng)簡單易集成。 本文報(bào)道了一款自主研制的腔內(nèi)調(diào)制10 kHz脈沖串泵浦激光器, 輸出單脈沖能量為50 mJ@532 nm, 脈沖間隔時(shí)間為50 ms, 作為高頻PLIF系統(tǒng)的泵浦源。 較短的脈沖串時(shí)間間隔適于在工作時(shí)間尺度為百毫秒到秒量級(jí)的脈沖燃燒風(fēng)洞標(biāo)模發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)獲得有效測(cè)量數(shù)據(jù); 通過泵浦染料激光器實(shí)現(xiàn)了單脈沖能量為2.95 mJ的283 nm激光輸出, 轉(zhuǎn)換效率為6%, 是目前國內(nèi)最高水平, 滿足大尺度模型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室高頻PLIF測(cè)量的激光能量要求; 自主集成工程可用的移動(dòng)式高頻PLIF系統(tǒng), 在中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的脈沖燃燒風(fēng)洞上開展了標(biāo)模發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室高頻PLIF測(cè)量試驗(yàn)應(yīng)用, 國內(nèi)首次獲得了大空間視場(chǎng)(～15 cm)內(nèi)高信噪比氫燃料和乙烯燃料高動(dòng)態(tài)燃燒過程可視化結(jié)果, 成功將高頻PLIF技術(shù)從只能應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究, 拓展到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工程應(yīng)用領(lǐng)域。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 脈沖串紫外激光器系統(tǒng)

脈沖串紫外激光器系統(tǒng)采用自主研發(fā)的10 kHz脈沖串激光器泵浦商用高速染料激光器(Sirah Credo), 實(shí)現(xiàn)283 nm波段紫外激光輸出, 用于激發(fā)燃燒場(chǎng)中的OH自由基可視化火焰結(jié)構(gòu)。 激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示, 泵浦激光器的振蕩級(jí)采用腔內(nèi)調(diào)制模式, 通過電光調(diào)制方式輸出振蕩級(jí)種子光, 最大單脈沖能量為18.5 mJ@1 064 nm。 放大級(jí)采用兩級(jí)放大結(jié)構(gòu), 其中一級(jí)放大模塊輸出1 064 nm激光單脈沖能量為49.5 mJ, 二級(jí)放大模塊輸出1 064 nm激光單脈沖能量為85 mJ, 最終經(jīng)二倍頻實(shí)現(xiàn)532 nm激光單脈沖能量為50 mJ。 相比于腔外調(diào)制方式, 實(shí)現(xiàn)同等能量級(jí)別的激光輸出, 需要采用多級(jí)放大, 無疑增加了放大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。 得益于電光調(diào)Q、 脈沖串模式和MOPA技術(shù), 使輸出的泵浦激光具有高脈沖能量、 短脈沖寬度、 較高的脈沖串頻率, 詳細(xì)的激光輸出參數(shù)將在第2節(jié)結(jié)果與討論部分詳細(xì)論述。 針對(duì)于染料激光系統(tǒng), 基于振蕩級(jí)和放大級(jí)模塊, 實(shí)現(xiàn)紫外激光輸出, 首先532 nm泵浦激光經(jīng)過分束鏡, 一部分激光脈沖能量入射到振蕩級(jí)Rh6G染料池, 染料濃度為0.135 g·L-1, 另一部分泵浦激光經(jīng)過反射鏡組入射到放大級(jí)染料池內(nèi), 放大級(jí)染料濃度為0.09 g·L-1。 振蕩級(jí)染料池充當(dāng)諧振腔內(nèi)激光介質(zhì), 光柵和反射鏡組合實(shí)現(xiàn)了激光波長的可調(diào)諧。 最終在283 nm處輸出單脈沖能量為2.95 mJ, 整體轉(zhuǎn)換效率為6%, 是國外報(bào)道的典型染料轉(zhuǎn)換效率值的2倍, 激光能量是國外連續(xù)脈沖激光器典型能量值的7倍, 滿足脈沖燃燒風(fēng)洞發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)PLIF測(cè)量的激光能量要求。

圖1 脈沖串紫外激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 高可靠性移動(dòng)式高頻PLIF測(cè)量系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)室理想環(huán)境中, 溫度和濕度被較好的控制, 灰塵和振動(dòng)對(duì)激光器影響可以忽略。 然而發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試環(huán)境將嚴(yán)重影響高頻PLIF系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)量環(huán)境的溫度范圍大(10～35 ℃), 溫度變化幅度大(±5 ℃), 接近90%的環(huán)境濕度嚴(yán)重影響PLIF系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行[18]。 例如, 溫度抖動(dòng)影響系統(tǒng)的倍頻效率, 濕度大造成晶體潮解。 此外, 臺(tái)架劇烈震動(dòng)造成的激光能量抖動(dòng)和激發(fā)波長的漂移, 直接決定獲取圖像的質(zhì)量, 嚴(yán)重則造成數(shù)據(jù)獲取失敗。 因此, 為滿足脈沖燃燒風(fēng)洞標(biāo)模發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)測(cè)量需求, 集成了一套工程可用的移動(dòng)式10 kHz PLIF系統(tǒng), 具有抗震、 防潮和防塵等功能, 提升了高頻PLIF系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力。 同時(shí), 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì), 提升了系統(tǒng)運(yùn)行效率及可靠性, 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)“免調(diào)”, 解決了高頻PLIF在發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)中面臨的快速安裝調(diào)試、 移動(dòng)及試驗(yàn)運(yùn)行的難題。 滿足發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的高頻PLIF系統(tǒng), 主要由高頻可調(diào)諧紫外激光器系統(tǒng)、 10 kHz高靈敏度探測(cè)器系統(tǒng)、 一體化激光傳輸與光束整形系統(tǒng)和激光波長及能量監(jiān)測(cè)等功能模塊組成, 如圖2(a)所示。 激光能量監(jiān)測(cè)和片光分布監(jiān)測(cè)模塊, 用于修正激光能量對(duì)PLIF圖像的影響, 以提高圖像的信噪比。 激光波長選擇283.553 nm激發(fā)OH基Q1(8)(A2∑(v′=1)←X2П(v″=0)), 目的是降低熒光信號(hào)對(duì)溫度的敏感性。 圖2(b)所示為自主集成工程可用的移動(dòng)式高頻PLIF環(huán)控系統(tǒng), 可搭載激光器系統(tǒng)和染料循環(huán)系統(tǒng)等精密光學(xué)儀器, 減少溫度、 濕度及強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響。 系統(tǒng)整體采用空間隔離設(shè)計(jì)并內(nèi)置溫度及濕度控制設(shè)備, 可以有效防塵和防潮, 解決了激光系統(tǒng)在極端潮濕(≥95%)環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的難題。 系統(tǒng)裝配采用一體化設(shè)計(jì), 配備隔振系統(tǒng), 可有效濾除超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架工作過程中產(chǎn)生的高頻振動(dòng), 保證系統(tǒng)穩(wěn)定和高效運(yùn)行。 圖2(c)所示為一體化免調(diào)光束傳輸及整形系統(tǒng), 該系統(tǒng)具有低損耗率和高穩(wěn)定性, 保證在復(fù)雜試驗(yàn)環(huán)境下高頻PLIF系統(tǒng)“大尺寸”激光束穩(wěn)定傳輸和高效利用。 國內(nèi)首次在中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的脈沖燃燒風(fēng)洞上開展了標(biāo)模發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室10 kHz脈沖串PLIF測(cè)量試驗(yàn)研究, 片狀光束尺寸為15 cm, 可獲取大尺寸燃燒流場(chǎng)有效測(cè)量數(shù)據(jù)。 其中標(biāo)模發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量試驗(yàn)總溫為Tt=1 462 K, 模擬飛行馬赫數(shù)Ma=6。

2 結(jié)果與討論

圖3描述了532 nm泵浦激光的脈沖波形及脈寬特性。 脈沖串泵浦激光器輸出脈沖串的重復(fù)頻率為20 Hz, 對(duì)應(yīng)脈沖串的時(shí)間間隔為50 ms, 如圖3(a)所示。 由于脈沖燃燒風(fēng)洞發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)間一般在百毫秒到秒范圍內(nèi), 國外報(bào)道的典型脈沖串模式紫外激光系統(tǒng), 脈沖串的間隔時(shí)間為8～12 s, 較長的脈沖串時(shí)間間隔不利于在單次發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中獲得多組燃燒數(shù)據(jù)。 本文中報(bào)道的脈沖串高頻PLIF系統(tǒng), 具有脈沖串間隔短、 激光輸出能量大和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn), 可針對(duì)燃燒室內(nèi)的瞬態(tài)燃燒過程, 如點(diǎn)火過程開展重復(fù)測(cè)量研究。 結(jié)果所示, 單個(gè)脈沖串內(nèi)含有30個(gè)脈沖, 最小脈沖間隔為100 μs, 對(duì)應(yīng)脈沖串的時(shí)間尺度為3 ms, 可針對(duì)短時(shí)間跨度的連續(xù)燃燒過程獲得30張PLIF圖像, 用來分析小時(shí)間尺度內(nèi)燃燒特征結(jié)構(gòu)的演化發(fā)展過程。 圖3(d)描述了單個(gè)激光脈沖寬度為10.8 ns, 適于泵浦染料激光器, 開展PLIF測(cè)量研究。 從激光子脈沖波形可以看出, 脈沖之間幅值波動(dòng)相對(duì)較均勻, 說明激光脈沖的能量抖動(dòng)較小。

圖4為標(biāo)模發(fā)動(dòng)機(jī)凹腔燃燒室氫氣及乙烯燃料燃燒過程10 kHz OH-PLIF圖像, 當(dāng)量比均為0.2, 時(shí)間間隔為100 μs, 分別對(duì)應(yīng)于凹腔前段和后段。 得益于較高激光脈沖能量, 激光光束被整形成尺寸～15 cm的片狀光束, 用于大視場(chǎng)下研究火焰結(jié)構(gòu)的演化過程。 試驗(yàn)結(jié)果描述了氫火焰和乙烯火焰的高動(dòng)態(tài)燃燒過程, 百微妙時(shí)間尺度內(nèi)能夠捕捉到渦結(jié)構(gòu)的變化。 更精細(xì)的演化過程可能需要在更高重復(fù)頻率下測(cè)量。 同時(shí), 從氫火焰和乙烯火焰分布區(qū)域來看, 二者存在于凹腔的不同位置, 同時(shí)同一種燃料燃燒, 凹腔前段和后段火焰分布區(qū)域也不相同。 初步分析結(jié)果表明, 氫火焰主要分布剪切層附近, 而乙烯火焰則主要分布在凹腔中下游。 試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了自主研制的大能量紫外激光系統(tǒng)具備在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)復(fù)雜燃燒條件下開展測(cè)量應(yīng)用的能力。 試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)未來可結(jié)合先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)分析方法, 如動(dòng)態(tài)模式分解方法(DMD)和本征正交分解方法(POD), 對(duì)其燃燒狀態(tài)和動(dòng)態(tài)過程開展更深入的研究與分析[19-20]。

圖4 氫氣及乙烯燃料燃燒過程10 kHz OH-PLIF圖像序列

3 結(jié) 論

針對(duì)大尺度模型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)精細(xì)化測(cè)量需求, 自主研制一款工程可用的移動(dòng)式10 kHz大能量紫外激光系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了大尺度發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場(chǎng)高頻PLIF測(cè)量研究, 驗(yàn)證了光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的有效性。 獲得了高信噪比的氫燃料和乙烯燃料高動(dòng)態(tài)燃燒過程, 為發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜流動(dòng)燃燒機(jī)理研究、 CFD仿真和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)水平提升提供支撐。 下一步工作將針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)精準(zhǔn)識(shí)別與分析需求, 發(fā)展光譜圖像特征提取與分析方法, 挖掘光譜圖像特征參數(shù), 建立光譜圖像特征與燃燒狀態(tài)的關(guān)聯(lián)分析模型, 為研究二者的關(guān)聯(lián)規(guī)律和提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)判別準(zhǔn)確率提供重要支撐。