CN105203223A - 一种基于cars光谱测量一维扫描火焰温度的装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于CARS光谱测量一维扫描火焰温度的装置，本发明涉及测量火焰温度的装置。本发明为了解决现有的光谱法测量火焰温度存在信噪比低以及普通透镜在对火焰进行扫描的时候，需对整个光路平台进行移动操作较复杂的问题。一种基于CARS光谱测量一维扫描火焰温度的装置包括飞秒激光器、第一分束片、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第二分束片、第四反射镜、光学参量放大器、第一时间延迟装置、第二时间延时装置、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第一可移动透镜、火焰发生装置、第二可移动透镜、光阑、第八反射镜、第九反射镜、透镜、光纤耦合器件、光纤、光谱仪、CCD阵列探测器、计算机；本发明应用于测量火焰温度领域。
Description
技术领域
本发明涉及测量火焰温度的装置，尤其涉及基于CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置。
背景技术
相干反斯托克斯拉曼光谱(CoherentAnti-StokesRamanSpectroscopy，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装置采用固定的普通透镜，在对火焰进行扫描的时候，需要对整个光路平台进行移动，操作较复杂。
发明内容
本发明为了解决现有的光谱法测量火焰温度存在信噪比低以及普通透镜在对火焰进行扫描的时候，需要对整个光路平台进行移动，操作较复杂的问题，而提出一种基于CARS光谱测量一维扫描火焰温度的装置。
一种基于CARS光谱测量一维扫描火焰温度的装置，包括：飞秒激光器、第一分束片、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第二分束片、第四反射镜、光学参量放大器、第一时间延迟装置、第二时间延时装置、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第一可移动透镜、火焰发生装置、第二可移动透镜、光阑、第八反射镜、第九反射镜、透镜、光纤耦合器件、光纤、光谱仪、CCD阵列探测器、计算机；
飞秒激光器射出激光，经过第一分束片分成两束，其中一束经过第一反射镜反射到达光学参量放大器，进入第一时间延迟装置，经过第四反射镜反射到达第一可移动透镜；
另一束经过第二反射镜到达第三反射镜，经过第三反射镜反射到达第二分束片，被分成两束，其中一束经过第七反射镜到达第六反射镜，经过第六反射镜反射到达第一可移动透镜，另一束经过第二时间延时装置到达第五反射镜，经过第五反射镜反射到达第一可移动透镜；
三束激光经过第一可移动透镜聚焦在火焰发生装置产生的火焰上的一点，产生CARS信号；
CARS信号及三束激光束经过第二可移动透镜，转化为平行光，到达光阑上，CARS信号通过光阑选取出来，经过第八反射镜反射到达第九反射镜，经过第九反射镜反射到达透镜，通过透镜聚焦到光纤耦合器件中，通过光纤接入到光谱仪上，经过CCD阵列探测器后，由计算机进行处理；其中第一延时装置、第二延时装置、第一可移动透镜以及第二可移动透镜连接计算机。
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CARS光谱测量一维扫描火焰温度的装置采用可移动透镜，实现了对火焰温度信息的监测。
常用的CARS装置采用固定的普通透镜，在对火焰进行扫描的时候，需要对整个光路平台进行移动，操作较复杂，故在一维方向上提出改进，采用两个可移动透镜实现一维方向上的扫描，操作简单，本装置可测温度范围大300K～2400K，测量精度高，达到1％～3％，火焰单点测温速率可达到1KHz甚至5KHz。
装置实现操作如下：
1、搭建如图所示光路。
2、启动激光器，调节出CARS信号。
3、同时移动第一可移动透镜和第二可移动透镜相同距离，实现经第一可移动透镜聚焦的三束光聚焦在火焰的左边缘，并保证第二可移动透镜之后为平行光输出。
4、通过计算机以微小固定间距同时移动第一可移动透镜和第二可移动透镜实现对火焰一维方向上温度的扫描。
5、4步骤中，每次移动两个可移动透镜后，计算机同步分析对应的的CARS光谱数据，获取一维方向上不同点的温度信息，并对温度信息以图像形式显示。
附图说明
图1为基于菲涅耳透镜和CARS光谱对火焰一维扫描测温的装置的结构示意图；
图中1为飞秒激光器、2为第一分束片、3为第一反射镜、4为第二反射镜、5为第三反射镜、6为第二分束片、7为第四反射镜、8为光学参量放大器、9为第一时间延迟装置、10为第二时间延时装置、11为第五反射镜、12为第六反射镜、13为第七反射镜、14为第一可移动透镜、15为火焰发生装置、16为第二可移动透镜、17为光阑、18为第八反射镜、19为第九反射镜、20为透镜、21为光纤耦合器件、22为光纤、23为光谱仪、24为CCD阵列探测器、25为计算机。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的所述的一种基于CARS光谱测量一维扫描火焰温度的装置，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8、第一时间延迟装置9、第二时间延时装置10、第五反射镜11、第六反射镜12、第七反射镜13、第一可移动透镜14、火焰发生装置15、第二可移动透镜16、光阑17、第八反射镜18、第九反射镜19、透镜20、光纤耦合器件21、光纤22、光谱仪23、CCD阵列探测器24、计算机25；
飞秒激光器1射出的激光，经过第一分束片2分成两束，其中一束经过第一反射镜3反射到达光学参量放大器8，在保证一定功率输出的情况下，进入第一时间延迟装置9，经过第四反射镜7反射到达第一可移动透镜14；
另一束经过第二反射镜4到达第三反射镜5，经过第三反射镜5反射到达第二分束片6，被分成两束，其中一束经过第七反射镜13到达第六反射镜12，经过第六反射镜12反射到达第一可移动透镜14，另一束经过第二时间延时装置10到达第五反射镜11，经过第五反射镜11反射到达第一可移动透镜14；
三束激光经过第一可移动透镜14的聚焦作用，聚焦在火焰发生装置15产生的火焰上的一点，产生CARS信号；
CARS信号及三束激光束经过第二可移动透镜16，转化为平行光，到达光阑17上，CARS信号通过光阑17选取出来，经过第八反射镜18反射到达第九反射镜19，经过第九反射镜19反射到达透镜20，通过透镜20聚焦到光纤耦合器件21中，通过光纤22接入到光谱仪23上，经过CCD阵列探测器24后，由计算机25进行处理；其中第一延时装置9、第二延时装置10、第一可移动透镜14以及第二可移动透镜16连接计算机25。
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。本发明提供一种基于CARS光谱测量一维扫描火焰温度的装置采用可移动透镜，实现了对火焰温度信息的监测。
常用的CARS装置采用固定的普通透镜，在对火焰进行扫描的时候，需要对整个光路平台进行移动，操作较复杂，故在一维方向上提出改进，采用两个可移动透镜实现一维方向上的扫描，操作简单，本装置可测温度范围大300K～2400K，测量精度高，达到1％～3％，火焰单点测温速率可达到1KHz甚至5KHz。
装置实现操作如下：
1、搭建如图所示光路。
2、启动激光器，调节出CARS信号。
3、同时移动第一可移动透镜和第二可移动透镜相同距离，实现经第一可移动透镜聚焦的三束光聚焦在火焰的左边缘，并保证第二可移动透镜之后为平行光输出。
4、通过计算机以微小固定间距同时移动第一可移动透镜和第二可移动透镜实现对火焰一维方向上温度的扫描。
5、4步骤中，每次移动两个可移动透镜后，计算机同步分析对应的的CARS光谱数据，获取一维方向上不同点的温度信息，并对温度信息以图像形式显示。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的第一可移动透镜14的中轴线上同轴设置第二可移动透镜16且二者沿光路方向依次设置。
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分成与其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反射到第一可移动透镜14；
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：所述的光学参量放大器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：所述的光谱仪23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CCD阵列探测器24采用的是Toshiba生产的TCD1304AP线性CCD阵列(TCD1304AP线性CCD阵列)。
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
工作原理：
搭建如图所示光路。
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，经过第四反射镜反射到达第一可移动透镜；另一束光经过第二反射镜到达第三反射镜，经过第三反射镜反射到达第二分束片，被分成两束，其中一束经过第七反射镜到达第六反射镜，经过第六反射镜反射到达第一可移动透镜，另一束经过第二时间延时装置到达第五反射镜，经过第五反射镜反射到达第一可移动透镜；
三束激光经过第一可移动透镜聚焦在火焰发生装置产生的火焰上的一点，产生CARS信号；
CARS信号及三束激光束经过第二可移动透镜，转化为平行光，到达光阑上，CARS信号通过光阑选取出来，经过第八反射镜反射到达第九反射镜，经过第九反射镜反射到达透镜，通过透镜聚焦到光纤耦合器件中，通过光纤接入到光谱仪上，经过CCD阵列探测器后，由计算机进行处理，进行实验的测量；其中第一延时装置、第二延时装置、第一可移动透镜以及第二可移动透镜连接计算机。
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CARS光谱测量一维扫描火焰温度的装置，具体是按照以下步骤制备的：如图1所示：
第一可移动透镜14与第二可移动透镜16同一中轴线上依次排列设置，火焰发生装置15位于第一可移动透镜14与第二可移动透镜16之间且通过第一可移动透镜14的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进入第一时间延迟装置9经过第四反射镜7反射到第一可移动透镜14；
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到达第五反射镜11，经过第五反射镜11反射到达第一可移动透镜14；
第二分束片6分成的与中轴线平行光束经过第七反射镜13到达第六反射镜12，经过第六反射镜12反射到达第一可移动透镜14；
其中，经过第一可移动透镜14的三束光束平行；
三束激光经过第一可移动透镜14聚焦在火焰发生装置15产生的火焰上的一点，产生CARS信号；
CARS信号及三束激光束经过第二可移动透镜16，转化为平行光，到达光阑17上，CARS信号通过光阑17选取出来，经过第八反射镜18反射到达第九反射镜19，经过第九反射镜19反射到达透镜20，通过透镜20聚焦到光纤耦合器件21中，通过光纤22接入到光谱仪23上，经过CCD阵列探测器24后，由计算机25进行处理，进行实验的测量；其中第一延时装置9、第二延时装置10、第一可移动透镜14以及第二可移动透镜16连接计算机25由计算机25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 (8)
1.一种基于CARS光谱测量一维扫描火焰温度的装置，其特征在于它包括：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(8)、第一时间延迟装置(9)、第二时间延时装置(10)、第五反射镜(11)、第六反射镜(12)、第七反射镜(13)、第一可移动透镜(14)、火焰发生装置(15)、第二可移动透镜(16)、光阑(17)、第八反射镜(18)、第九反射镜(19)、透镜(20)、光纤耦合器件(21)、光纤(22)、光谱仪(23)、CCD阵列探测器(24)、计算机(25)；
飞秒激光器(1)射出激光，经过第一分束片(2)分成两束，其中一束光经过第一反射镜(3)反射到达光学参量放大器(8)，进入第一时间延迟装置(9)，经过第四反射镜(7)反射到达第一可移动透镜(14)；
另一束光经过第二反射镜(4)到达第三反射镜(5)，经过第三反射镜(5)反射到达第二分束片(6)，被分成两束，其中一束经过第七反射镜(13)到达第六反射镜(12)，经过第六反射镜(12)反射到达第一可移动透镜(14)，另一束经过第二时间延时装置(10)到达第五反射镜(11)，经过第五反射镜(11)反射到达第一可移动透镜(14)；
三束激光经过第一可移动透镜(14)聚焦在火焰发生装置(15)产生的火焰上的一点，产生CARS信号；
CARS信号及三束激光束经过第二可移动透镜(16)，转化为平行光，到达光阑(17)上，CARS信号通过光阑(17)选取出来，经过第八反射镜(18)反射到达第九反射镜(19)，经过第九反射镜(19)反射到达透镜(20)，通过透镜(20)聚焦到光纤耦合器件(21)中，通过光纤(22)接入到光谱仪(23)上，经过CCD阵列探测器(24)后，由计算机(25)进行处理；其中第一延时装置(9)、第二延时装置(10)、第一可移动透镜(14)以及第二可移动透镜(16)连接计算机(25)。
2.根据权利要求1所述的一种基于CARS光谱测量一维扫描火焰温度的装置，其特征在于所述的第一可移动透镜(14)的中轴线上同轴设置第二可移动透镜(16)且二者沿光路方向依次设置。
3.根据权利要求2所述的一种基于CARS光谱测量一维扫描火焰温度的装置，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)分成与其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(8)进入第一时间延迟装置(9)经过第四反射镜(7)反射到第一可移动透镜(14)；
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CARS光谱测量一维扫描火焰温度的装置，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。
5.根据权利要求4所述的一种基于CARS光谱测量一维扫描火焰温度的装置，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。
6.根据权利要求5所述的一种基于CARS光谱测量一维扫描火焰温度的装置，其特征在于：所述的光学参量放大器(8)，选择TOPAS-800-fs-VIS中的SHS配置。
7.根据权利要求6所述的一种基于CARS光谱测量一维扫描火焰温度的装置，其特征在于：所述的光谱仪(23)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。
8.根据权利要求7所述的一种基于CARS光谱测量一维扫描火焰温度的装置，其特征在于：所述的CCD阵列探测器(24)采用的是Toshiba生产的TCD1304AP线性CCD阵列。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510586192.3A CN105203223A (zh) | 2015-09-15 | 2015-09-15 | 一种基于cars光谱测量一维扫描火焰温度的装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN201510586192.3A CN105203223A (zh) | 2015-09-15 | 2015-09-15 | 一种基于cars光谱测量一维扫描火焰温度的装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105203223A true CN105203223A (zh) | 2015-12-30 |
Family
ID=54951025
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Country Status (1)
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2015
- 2015-09-15 CN CN201510586192.3A patent/CN105203223A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20151230 |