CN105043559B - 一种基于双焦透镜的cars光谱测温装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，本发明涉及CARS光谱测温装置。本发明是要解决常用的CARS装置在对火焰进行测量时，采用普通透镜，只能监控一个位置的温度信息的问题。而提出的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置。该装置包括飞秒激光器、第一、第二、第三和第四分束片、第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十一、第十二、第十三和第十四反射镜、光学参量放大器、第一和第二时间延时装置、第一和第二双焦透镜、火焰发生装置、第一和第二光阑、第一和第二透镜、第一和第二光纤耦合器件、第一和第二光纤、第一和第二光谱仪、第一和第二CCD阵列探测器和计算机。本发明应用于CARS光谱测温领域。
Description
技术领域
本发明涉及CARS光谱测温装置，特别涉及一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置。
背景技术
相干反斯托克斯拉曼光谱(Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy，简称CARS)是飞秒科学研究中一种重要的非线性光谱技术，利用飞秒激光脉冲作为泵浦光和斯托克斯光共同作用激发分子的拉曼振动模并通过时间延迟探测光探测被激发的分子拉曼振动模的时间演化，实验中探测得到的飞秒CARS信号不但能够反映物质微观的分子超快动力学过程，而且可以反映分子的宏观温度信息，因此飞秒CARS是开展气体燃烧测温的一种重要手段。
CARS光谱是测量火焰温度的一种重要的方法，与传统测温方式相比具有更高的信噪比。常用的CARS装置在对火焰进行测量时，采用普通透镜，只能在一个位置产生一个CARS信号，从而只能监控一个位置的温度信息。
发明内容
本发明的目的是为了解决常用的CARS装置在对火焰进行测量时，采用普通透镜，只能监控一个位置的温度信息的问题。而提出的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置。
上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
飞秒激光器1、第一分束片2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、第二分束片6、第四反射镜7、光学参量放大器即OPA 8、第一时间延迟装置9、第二时间延时装置10、第三分束片11、第五反射镜12、第六反射镜13、第四分束片14、第七反射镜15、第一双焦透镜16、火焰发生装置17、第二双焦透镜18、第一光阑19、第八反射镜20、第九反射镜21、第二光阑22、第十一反射镜23、第十二反射镜24、第十三反射镜25、第十四反射镜26、第一透镜27、第二透镜28、第一光纤耦合器件29、第二光纤耦合器件30、第一光纤31、第二光纤32、第一光谱仪33、第二光谱仪34、第一CCD阵列探测器35、第二CCD阵列探测器36和计算机37；
飞秒激光器1射出的激光经过第一分束片2后分成两束光，其中一束光经过第一反射镜3反射到光学参量放大器即OPA 8进入第一时间延迟装置9经过第四反射镜7反射到第一双焦透镜16；另一束光经过第二反射镜4反射到第三反射镜5；经过第三反射镜5的反射光线经过第二分束片6后分成两束光，其中一束光进入第二时间延时装置10经过第三分束片11分成两束光，其中一束光进入第一双焦透镜16，另一束光经过第五反射镜12反射到第一双焦透镜16；第二分束片6分成的另一束光经过第七反射镜15反射到第四分束片14后分成两束光其中一束光进入第一双焦透镜16，另一束光经过第六反射镜13反射到第一双焦透镜16；其中，经过第一双焦透镜16的五束光束平行；
五束光束经过第一双焦透镜聚焦在火焰发生装置17产生火焰上的两点，在两点位置上产生两个CARS信号，其中，两个CARS信号分别以红色和绿色标记区分；
两个CARS信号及五束光束经过第二双焦透镜18，转化为平行光到达第一光阑19、第二光阑22、第八反射镜20和第十一反射镜23上；
其中，通过第一光阑19和第二光阑22将两个CARS信号选取出来；经过第八反射镜20的光线反射到第九反射镜21；第九反射镜21的光线反射到第十二反射镜24；经过第十二反射镜24的光线反射到第十三反射镜25，经过第十三反射镜25的光线反射到第一透镜27后聚焦到第二光纤耦合器件30中；通过第一光纤31输入到第一光谱仪33上后，经过第一CCD阵列探测器35后，由计算机37进行处理；
经过第十一反射镜23的光线反射到第十四反射镜26，经过第十四反射镜26的光线反射到第二透镜28后聚焦到第一光纤耦合器件29中，通过第二光纤接入到第二光谱仪34上后；经过第二CCD阵列探测器36后，由计算机37进行处理；
其中，第一时间延迟装置9、第二时间延时装置10、第一CCD阵列探测器35和第二CCD阵列探测器36分别与计算机37相连。
发明效果
随着超短脉冲激光技术的发展，几十个飞秒的光学脉冲激光在非线性光学中得到了广泛应用，使得研究物质分子的宏观温度信息的飞秒相干反斯托克斯拉曼光谱技术成为可能。利用可调谐飞秒激光器***搭建上述的CARS光谱探测***，可以用来测绘高温火焰的温度分布，从而促使人们加深对燃烧的认识，对于充分燃烧、改进发动机等等有重要意义。本发明提供一种基于双焦透镜的的CARS光谱测温实验装置采用双焦透镜，实现了对火焰两个位置温度信息的监测，本装置可测温度范围大：300K～2400K，测量精度高，达到1％～3％，单点测温速率可达到1KHz甚至5KHz。且基于双焦透镜的的CARS光谱测温实验装置实现操作如下：
1搭建如图1所示光路。
2启动激光器，调整第一延时装置以及第二延时装置分别至最佳延时时间。
3第三分束镜、第四分束镜、第五反射镜、第六反射镜以及第一双焦透镜实现两个CARS信号的输出。
4利用光阑选出两个CARS信号。
将CARS信号耦合入光纤，经光谱仪及CCD，传入计算机，数据分析后得到火焰两个位置温度信息。
附图说明
图1为具体实施方式一提出的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，具体是按照以下步骤制备的：
飞秒激光器1、第一分束片2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、第二分束片6、第四反射镜7、光学参量放大器即OPA 8、第一时间延迟装置9、第二时间延时装置10、第三分束片11、第五反射镜12、第六反射镜13、第四分束片14、第七反射镜15、第一双焦透镜16、火焰发生装置17、第二双焦透镜18、第一光阑19、第八反射镜20、第九反射镜21、第二光阑22、第十一反射镜23、第十二反射镜24、第十三反射镜25、第十四反射镜26、第一透镜27、第二透镜28、第一光纤耦合器件29、第二光纤耦合器件30、第一光纤31、第二光纤32、第一光谱仪33、第二光谱仪34、第一CCD阵列探测器35、第二CCD阵列探测器36和计算机37；
飞秒激光器1射出的激光经过第一分束片2后分成两束光，其中一束光经过第一反射镜3反射到光学参量放大器即OPA 8进入第一时间延迟装置9经过第四反射镜7反射到第一双焦透镜16；另一束光经过第二反射镜4反射到第三反射镜5；经过第三反射镜5的反射光线经过第二分束片6后分成两束光，其中一束光进入第二时间延时装置10经过第三分束片11分成两束光，其中一束光进入第一双焦透镜16，另一束光经过第五反射镜12反射到第一双焦透镜16；第二分束片6分成的另一束光经过第七反射镜15反射到第四分束片14后分成两束光其中一束光进入第一双焦透镜16，另一束光经过第六反射镜13反射到第一双焦透镜16；其中，经过第一双焦透镜16的五束光束平行；
五束光束经过第一双焦透镜聚焦在火焰发生装置17产生火焰上的两点，在两点位置上产生两个CARS信号，其中，两个CARS信号分别以红色和绿色标记区分；
两个CARS信号及五束光束经过第二双焦透镜18，转化为平行光到达第一光阑19、第二光阑22、第八反射镜20和第十一反射镜23上；
其中，通过第一光阑19和第二光阑22将两个CARS信号选取出来；经过第八反射镜20的光线反射到第九反射镜21；第九反射镜21的光线反射到第十二反射镜24；经过第十二反射镜24的光线反射到第十三反射镜25，经过第十三反射镜25的光线反射到第一透镜27后聚焦到第二光纤耦合器件30中；通过第一光纤31输入到第一光谱仪33上后，经过第一CCD阵列探测器35后，由计算机37进行处理，进行实验的测量；
经过第十一反射镜23的光线反射到第十四反射镜26，经过第十四反射镜26的光线反射到第二透镜28后聚焦到第一光纤耦合器件29中，通过第二光纤接入到第二光谱仪34上后；经过第二CCD阵列探测器36后，由计算机37进行处理，进行实验的测量；
其中，第一时间延迟装置9、第二时间延时装置10、第一CCD阵列探测器35和第二CCD阵列探测器36分别与计算机37相连。
本实施方式效果：
随着超短脉冲激光技术的发展，几十个飞秒的光学脉冲激光在非线性光学中得到了广泛应用，使得研究物质分子的宏观温度信息的飞秒相干反斯托克斯拉曼光谱技术成为可能。利用可调谐飞秒激光器***搭建上述的CARS光谱探测***，可以用来测绘高温火焰的温度分布，从而促使人们加深对燃烧的认识，对于充分燃烧、改进发动机等等有重要意义。本实施方式提供一种基于双焦透镜的的CARS光谱测温实验装置采用双焦透镜，实现了对火焰两个位置温度信息的监测。本装置可测温度范围大：300K～2400K，测量精度高，达到1％～3％，单点测温速率可达到1KHz甚至5KHz。且基于双焦透镜的的CARS光谱测温实验装置实现操作如下：
1搭建如图1所示光路。
2启动激光器，调整第一延时装置以及第二延时装置分别至最佳延时时间。
3第三分束镜、第四分束镜、第五反射镜、第六反射镜以及第一双焦透镜实现两个CARS信号的输出。
4利用光阑选出两个CARS信号。
将CARS信号耦合入光纤，经光谱仪及CCD，传入计算机，数据分析后得到火焰两个位置温度信息。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的第一双焦透镜16与第二双焦透镜18在同一中轴线上依次排列设置。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的飞秒激光器1射出与中轴线垂直的激光，激光经过第一分束片2分成与中轴线平行和垂直的两束光，并分别射入与中轴线夹角呈45°的第一反射镜3和第二反射镜4；
第一分束片2分成的与中轴线平行的光束经过第一反射镜3反射到光学参量放大器即OPA 8进入第一时间延迟装置9经过第四反射镜7反射到第一双焦透镜16；
第一分束片2分成的与中轴线垂直的光束经过第二反射镜4反射到第三反射镜5；经过第三反射镜5的反射光线射入第二分束片6后分成与中轴线平行和垂直的两束光。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的第二分束片6分成的与中轴线垂直光束进入第二时间延时装置10经过第三分束片11分成与中轴线平行和垂直的两束光；
第二分束片6分成的与中轴线平行光束经过第七反射镜15反射到第四分束片14后分成与中轴线平行和垂直的两束光。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的第三分束片11分成的与中轴线平行光束进入第一双焦透镜16，第三分束片11分成的与中轴线垂直的光束经过第五反射镜12反射到第一双焦透镜16；
第四分束片14分成的与中轴线平行光束进入第一双焦透镜16，第四分束片14分成的与中轴线垂直的光束经过第六反射镜13反射到第一双焦透镜16。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的飞秒激光器1为掺钛蓝宝石飞秒激光器。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的掺钛蓝宝石飞秒激光器输出脉宽约40fs，中心波长800nm。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的光学参量放大器即OPA 8，选择TOPAS-800-fs-VIS中的SHS配置。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述的第一光谱仪33和第二光谱仪34采用Ocean生产的HR4000CG-CN-NIR型号光谱仪，能探测200-1100nm波长范围的信号。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：10、根据权利要求9所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于所述的第一CCD阵列探测器35和第二CCD阵列探测器36采用的是Toshiba生产的TCD1304AP线性CCD阵列。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
工作原理：
1、搭建如图所示光路。
2、启动激光器，飞秒激光器出射的激光，经过分束片分成两束，其中一束经过分束镜和第一反射镜反射到达光学参量放大器，在保证一定功率输出的情况下，实现波长的可调谐，之后进入第一时间延迟装置，被经过反射到达第一双焦透镜；另一束经过反射到达第二分束片，被分成两束，其中一束经过反射及分束，再次被分成两束，两束光经过反射到达第一双焦透镜，另一束经过第二时间延时装置，到达第三分束片，被分成两束，这两束反射到达第一双焦透镜。五束光束受到第一双焦透镜的聚焦作用，分别聚焦在火焰径向上的两点，同时在两个位置产生两个CARS信号，分别以红色和绿色标记区分。两束CARS信号及五束光束经过第二双焦透镜，转化为平行光，两束CARS信号通过光阑选取出来，分别经过多次反射，到达透镜，从而被聚焦到光纤耦合器件中，通过光纤接入到光谱仪，经过阵列CCD后，由计算机进行处理，进行实验的测量。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，具体是按照以下步骤制备的：
第一双焦透镜16与第二双焦透镜18在同一中轴线上依次排列设置，火焰发生装置17位于第一双焦透镜16与第二双焦透镜18之间且通过第一双焦透镜16光线通过火焰发生装置17发生的火焰上；
飞秒激光器1射出与中轴线垂直的激光，激光经过第一分束片2分成与中轴线平行和垂直的两束光，并分别射入与中轴线夹角呈45°的第一反射镜3和第二反射镜4；
第一分束片2分成的与中轴线平行的光束经过第一反射镜3反射到光学参量放大器即OPA 8进入第一时间延迟装置9经过第四反射镜7反射到第一双焦透镜16；
第一分束片2分成的与中轴线垂直的光束经过第二反射镜4反射到第三反射镜5；经过第三反射镜5的反射光线进过第二分束片6后分成与中轴线平行和垂直的两束光；
其中，第二分束片6分成的与中轴线垂直光束进入第二时间延时装置10经过第三分束片11分成与中轴线平行和垂直的两束光，其中第三分束片11分成的与中轴线平行光束进入第一双焦透镜16，第三分束片11分成的与中轴线垂直的光束经过第五反射镜12反射到第一双焦透镜16；
第二分束片6分成的与中轴线平行光束经过第七反射镜15反射到第四分束片14后分成与中轴线平行和垂直的两束光；其中，第四分束片14分成的与中轴线平行光束进入第一双焦透镜16，第四分束片14分成的与中轴线垂直的光束经过第六反射镜13反射到第一双焦透镜16；其中，经过第一双焦透镜16的五束光束平行；
五束光束经过第一双焦透镜聚焦在火焰发生装置17产生火焰上的两点，在两点位置上产生两个CARS信号，其中，两个CARS信号分别以红色和绿色标记区分；
两个CARS信号及五束光束经过第二双焦透镜18，转化为平行光到达第一光阑19、第二光阑22、第八反射镜20和第十一反射镜23上；第一光阑19和第二光阑22分别与中轴线垂直；
其中，通过第一光阑19和第二光阑22将两个CARS信号选取出来；第八反射镜20的与中轴线垂直的反射光线反射到第九反射镜21；第九反射镜21的与中轴线平行的反射光线反射到第十二反射镜24；经过第十二反射镜24的与中轴线垂直的反射光线反射到第十三反射镜25，第十三反射镜25与中轴线平行的反射光线反射到第一透镜27后聚焦到第二光纤耦合器件30中；通过第一光纤31输入到第一光谱仪33上后，经过第一CCD阵列探测器35后，由计算机37进行处理，进行实验的测量；
第十一反射镜23的与中轴线垂直的反射光线反射到第十四反射镜26，第十四反射镜26的与中轴线平行的反射光线反射到第二透镜28后聚焦到第一光纤耦合器件29中，通过第二光纤接入到第二光谱仪34上后；经过第二CCD阵列探测器36后，由计算机37进行处理，进行实验的测量；
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于所述装置包括：
飞秒激光器(1)、第一分束片(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)、第二分束片(6)、第四反射镜(7)、光学参量放大器即OPA(8)、第一时间延迟装置(9)、第二时间延时装置(10)、第三分束片(11)、第五反射镜(12)、第六反射镜(13)、第四分束片(14)、第七反射镜(15)、第一双焦透镜(16)、火焰发生装置(17)、第二双焦透镜(18)、第一光阑(19)、第八反射镜(20)、第九反射镜(21)、第二光阑(22)、第十一反射镜(23)、第十二反射镜(24)、第十三反射镜(25)、第十四反射镜(26)、第一透镜(27)、第二透镜(28)、第一光纤耦合器件(29)、第二光纤耦合器件(30)、第一光纤(31)、第二光纤(32)、第一光谱仪(33)、第二光谱仪(34)、第一CCD阵列探测器(35)、第二CCD阵列探测器(36)和计算机(37)；
飞秒激光器(1)射出的激光经过第一分束片(2)后分成两束光，其中一束光经过第一反射镜(3)反射到光学参量放大器即OPA(8)进入第一时间延迟装置(9)经过第四反射镜(7)反射到第一双焦透镜(16)；另一束光经过第二反射镜(4)反射到第三反射镜(5)；经过第三反射镜(5)的反射光线经过第二分束片(6)后分成两束光，其中一束光进入第二时间延时装置(10)经过第三分束片(11)分成两束光，其中一束光进入第一双焦透镜(16)，另一束光经过第五反射镜(12)反射到第一双焦透镜(16)；第二分束片(6)分成的另一束光经过第七反射镜(15)反射到第四分束片(14)后分成两束光其中一束光进入第一双焦透镜(16)，另一束光经过第六反射镜(13)反射到第一双焦透镜(16)；其中，经过第一双焦透镜(16)的五束光束平行；
五束光束经过第一双焦透镜聚焦在火焰发生装置(17)产生火焰上的两点，在两点位置上产生两个CARS信号，其中，两个CARS信号分别以红色和绿色标记区分；
两个CARS信号及五束光束经过第二双焦透镜(18)，转化为平行光到达第一光阑(19)、第二光阑(22)、第八反射镜(20)和第十一反射镜(23)上；
其中，通过第一光阑(19)和第二光阑(22)将两个CARS信号选取出来；经过第八反射镜(20)的光线反射到第九反射镜(21)；第九反射镜(21)的光线反射到第十二反射镜(24)；经过第十二反射镜(24)的光线反射到第十三反射镜(25)，经过第十三反射镜(25)的光线反射到第一透镜(27)后聚焦到第二光纤耦合器件(30)中；通过第一光纤(31)输入到第一光谱仪(33)上后，经过第一CCD阵列探测器(35)后，由计算机(37)进行处理；
经过第十一反射镜(23)的光线反射到第十四反射镜(26)，经过第十四反射镜(26)的光线反射到第二透镜(28)后聚焦到第一光纤耦合器件(29)中，通过第二光纤接入到第二光谱仪(34)上后；经过第二CCD阵列探测器(36)后，由计算机(37)进行处理；
其中，第一时间延迟装置(9)、第二时间延时装置(10)、第一CCD阵列探测器(35)和第二CCD阵列探测器(36)分别与计算机(37)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于所述的第一双焦透镜(16)与第二双焦透镜(18)在同一中轴线上依次排列设置。
3.根据权利要求2所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于所述的飞秒激光器(1)射出与中轴线垂直的激光，激光经过第一分束片(2)分成与中轴线平行和垂直的两束光，并分别射入与中轴线夹角呈45°的第一反射镜(3)和第二反射镜(4)；
第一分束片(2)分成的与中轴线平行的光束经过第一反射镜(3)反射到光学参量放大器即OPA(8)进入第一时间延迟装置(9)经过第四反射镜(7)反射到第一双焦透镜(16)；
第一分束片(2)分成的与中轴线垂直的光束经过第二反射镜(4)反射到第三反射镜(5)；经过第三反射镜(5)的反射光线射入第二分束片(6)后分成与中轴线平行和垂直的两束光。
4.根据权利要求3所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于所述的第二分束片(6)分成的与中轴线垂直光束进入第二时间延时装置(10)经过第三分束片(11)分成与中轴线平行和垂直的两束光；
第二分束片(6)分成的与中轴线平行光束经过第七反射镜(15)反射到第四分束片(14)后分成与中轴线平行和垂直的两束光。
5.根据权利要求4所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于所述的第三分束片(11)分成的与中轴线平行光束进入第一双焦透镜(16)，第三分束片(11)分成的与中轴线垂直的光束经过第五反射镜(12)反射到第一双焦透镜(16)；
第四分束片(14)分成的与中轴线平行光束进入第一双焦透镜(16)，第四分束片(14)分成的与中轴线垂直的光束经过第六反射镜(13)反射到第一双焦透镜(16)。
6.根据权利要求5所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于所述的飞秒激光器(1)为掺钛蓝宝石飞秒激光器。
7.根据权利要求6所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于所述的掺钛蓝宝石飞秒激光器输出脉宽约40fs，中心波长800nm。
8.根据权利要求7所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于所述的光学参量放大器即OPA(8)，选择TOPAS-800-fs-VIS中的SHS配置。
9.根据权利要求8所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于所述的第一光谱仪(33)和第二光谱仪(34)采用Ocean生产的HR4000CG-CN-NIR型号光谱仪，能探测200-1100nm波长范围的信号。
10.根据权利要求9所述的一种基于双焦透镜的CARS光谱测温装置，其特征在于所述的第一CCD阵列探测器(35)和第二CCD阵列探测器(36)采用的是Toshiba生产的TCD1304AP线性CCD阵列。
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