CN116249888A - 燃烧区化学感测***和相关方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种燃烧区化学感测***(100)，该***包括使来自输入光纤(150)的MIR电磁能量准直的俯仰反射光学器件(110)、反射器(120)、将反射的MIR电磁能量聚焦到输出光纤(152)中的捕捉反射光学器件(112)和用于检测来自该输出光纤的MIR电磁能量的检测器(140)。公开了一种用于感测燃烧区(104)的光学头(102)，该光学头包括使来自输入光纤(150)的MIR电磁能量朝向反射器(120)准直的俯仰反射光学器件(110)、将从该反射器反射的MIR电磁能量聚焦到输出光纤(152)中的捕捉反射光学器件(112)和与邻近该燃烧区的结构交接的对准壳体。公开了一种用于确定燃烧区内的气体浓度的方法，该方法包括使从输入光纤离开的MIR电磁能量准直以横穿燃烧区以及将来自该燃烧区的反射的MIR电磁能量聚焦到输出光纤中。

Description

燃烧区化学感测***和相关方法
相关专利申请
本申请要求于2020年10月9日提交的美国临时专利申请号63/089,555的优先权，该美国临时专利申请全文以引用方式并入本文。
背景技术
可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)已被用于监测燃烧，包括大型熔炉中的燃烧。TDLAS***监测燃烧处理室内和燃烧区中气体的存在或浓度。这些***使用近红外(NIR)和可见光，其中燃烧区的一侧具有光纤电缆，用于引导来自激光器的电磁能量，在该燃烧区中光可被室中的化学物质吸收；剩余光被聚焦到燃烧区的另一侧上的另一光纤电缆中，并被引导到检测器，在该检测器中检测并分析信号，从而可以计算一种或多种物质的浓度。
常规TDLAS***因此利用单独的俯仰头和捕捉头，两者分别通过光纤电缆连接到激光器和检测器。这允许在TDLAS***的电子器件、激光器和检测器与高温燃烧处理室之间保持足够的距离。俯仰头和捕捉头位于围绕燃烧处理室的两个位置处，并且可以跨过该室直接定位以使光与燃烧物质的相互作用最大化，从而增加信噪比。
发明内容
在一个实施方案中，一种燃烧区化学感测***包括：位于燃烧区的第一侧上的俯仰反射光学器件，该俯仰反射光学器件使来自输入光纤的MIR电磁能量准直；位于燃烧区的第二侧上的反射器，该反射器反射准直的MIR电磁能量；位于燃烧区的第一侧上的捕捉反射光学器件，该捕捉反射光学器件将反射的MIR电磁能量聚焦到输出光纤中；和用于检测来自输出光纤的MIR电磁能量的检测器。
在一个实施方案中，一种用于感测燃烧区的光学头包括：俯仰反射光学器件，该俯仰反射光学器件使来自输入光纤的MIR电磁能量朝向反射器准直；捕捉反射光学器件，该捕捉反射光学器件将从反射器反射的MIR电磁能量聚焦到输出光纤中；和对准壳体，该对准壳体与邻近燃烧区的结构交接并且相对于燃烧区保持和定位俯仰反射光学器件和捕捉反射光学器件。
在一个实施方案中，一种用于确定燃烧区内的气体浓度的方法包括：使从输入光纤离开的MIR电磁能量准直以横穿燃烧区；以及将来自燃烧区的反射的MIR电磁能量聚焦到输出光纤。
附图说明
图1示出了根据一个实施方案的燃烧区化学感测***。
图2示出了根据一个实施方案的可与图1的燃烧区化学感测***一起使用的用于感测的光学头。
图3示出了根据一个实施方案的沿着正交轴观察的图2的光学头。
图4A和图4B示出了沿着两个垂直侧视图观察的图2和图3所示的光学头的一个实施方案。
图5是示出根据一个实施方案的用于确定燃烧区内的气体浓度并且适于与图1的***一起使用的方法的流程图。
具体实施方式
使用光学技术来监测燃烧处理室内的效率是有利的，这是因为除其他原因外，侵入式监测探针可能影响被监测的过程。可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)已经用于使用在燃烧环境中发现的气体的各种吸收特征来监测一系列燃烧过程。水蒸气、二氧化碳和一氧化碳由于它们相对强的吸收特征而成为常见的目标，它们各自在电磁波谱的近红外(NIR)和可见区中具有已知的吸收特征。在一些情况下，期望扩展TDLAS***中使用的光的带宽，因为一些分子在红外线的较长波长部分中，特别是在中红外线(MIR)内具有强吸收特征。例如，一氧化碳在λ＝2302纳米(nm)附近具有吸收特征，其表现出比NIR和可见光中的任何CO吸收特征强得多的吸收。
然而，在实践中，在红外线中操作TDLAS***是具有挑战性的，因为在常规光纤中使用的材料通常在较长波长处表现出衰减的透射，这限制了红外线测量的可用信噪比。因此，常规TDLAS使用在λ＝1560nm处的CO吸收特征，这由于较弱的吸收截面而限制了CO的检测极限。
利用MIR电磁能量操作TDLAS***的另一个挑战是用于将光聚焦到光纤电缆中和从光纤电缆中聚焦出来的透镜对于较长的波长显示出色差。常规透镜使用透镜材料的折射率来在透镜的表面处折射光并将其重新引导；然而，折射率随着波长的变化而变化，因此难以设计不仅聚焦NIR和可见电磁能量而且聚焦MIR电磁能量的基于透镜的光学***。
本实施方案改善了上述挑战并且允许在可见光、NIR、和MIR波长处使用TDLAS***，从而增加了检测灵敏度和***功能性。
为了保持足够的光强度以使用MIR电磁能量执行测量，本实施方案描述了具有安装到燃烧处理室的单个光学头(图1、图2、图3、图4)的TDLAS***。通过消除对第二光学头的需要，所需光纤电缆的长度显著减小，同时在燃烧处理室和运行TDLAS所需的电气***之间保持足够的距离。在常规双光学头设置中，需要附加光纤电缆来将俯仰头和捕捉头两者连接到***的电气部件。对于大的处理室，例如直径等于十五米的处理室，光纤电缆必须绕处理室的周边行进一半，以将另一光学头连接到激光器、检测器和相关的电子器件，从而向***添加大约二十米的附加光纤电缆。考虑到MIR光在光纤电缆内的低透射率，不存在足够的光强度来利用双头现有技术解决方案执行MIR测量。
与本文所述的光学头组合，反射器安装在燃烧处理室内以将电磁能量从光学头穿过燃烧处理室重新引导回到单个光学头。在一个实施方案中，回射器(例如，角隅棱镜反射镜)用作反射器以将入射光直接引导回光学头以输入到输出光纤，在该输出光纤中，入射光可以由相关的检测器和分析电子器件进行分析。
为了适应宽带宽的光，本文所述的燃烧区化学感测***利用在所使用的频率范围内表现出可忽略的波长依赖性的反射镜。因此,在一个实施方案中，偏轴抛物面镜被用于使离开光学头的输入光纤电缆的光准直；并且在同一光学头处的第二偏轴抛物面镜被用于将光聚焦到输出光纤电缆中。
图1示出了具有俯仰反射光学器件110、反射器120、捕捉反射光学器件112和检测器140的燃烧区化学感测***100。俯仰反射光学器件110和捕捉反射光学器件112位于燃烧区104的第一侧106上，并且反射器120位于燃烧区104的第二侧108上。俯仰反射光学器件110使来自输入光纤150的MIR电磁能量准直，以形成横穿燃烧区104的准直的电磁能量116。电磁能量被反射器120反射，该反射器可如图所示直接跨过燃烧区104定位。反射器120可位于燃烧区104周围的其他位置处而不脱离本文的范围。捕捉反射光学器件112将反射的MIR电磁能量聚焦到输出光纤152中，在该输出光纤中，MIR电磁能量被传送到检测器140。在一个实施方案中，俯仰反射光学器件110和捕捉反射光学器件112两者都安装到光学头102上，该光学头相对于燃烧区104保持和定位俯仰反射光学器件110和捕捉反射光学器件112。在一个实施方案中，准直的电磁能量116与由位于燃烧区104中的燃烧源114产生的气体物质118相互作用，并且一些准直的电磁能量116被吸收，导致由检测器140测量的功率降低。该吸收可用于计算存在于燃烧区104内的气体物质118的浓度。图1包括轴指示器198X、198Y和198Z，其指示与图1所示的燃烧区化学感测***100相关联的具有X轴、Y轴和Z轴的笛卡尔坐标系。
在一个实施方案中，除了MIR电磁能量之外，俯仰反射光学器件110还使近红外(NIR)和可见电磁能量准直。如在MIR中那样，NIR和可见电磁能量被反射器120反射，然后被捕捉反射光学器件112聚焦到输出光纤152中，随后被检测器140检测。在该实施方案中，燃烧区化学感测***100可与MIR、NIR和可见光一起使用，从而扩大可被检测的分子的范围并增加检测的灵敏度。例如，燃烧区化学感测***100可使用被CO强烈吸收的λ＝2302nm的电磁能量和被O2强烈吸收的λ＝760nm的电磁能量来操作。
在一个实施方案中，输入光纤150和输出光纤152具有小于二十八米的组合长度。具有较长波长(例如λ＝2302nm)的电磁能量比具有较短波长(例如λ＝760nm)的光吸收得更多。减少在燃烧区化学感测***100中使用的光纤电缆的总长度增加了到达燃烧区104和检测器140的MIR电磁能量的总量，从而增加了燃烧区化学感测***100的灵敏度。
在一个实施方案中，反射器120是回射器，其将准直的电磁能量116反射回燃烧区104的第一侧106并反射回光学头102。使用回射器降低了燃烧区化学感测***100所需的对准要求，这有利地降低了安装复杂性以及潜在的维护/重新安装成本和操作期间的潜在故障源。
在一个实施方案中，俯仰反射光学器件110仅具有单个反射镜，其使包括MIR、NIR和可见光的宽带范围的电磁能量准直。在一个实施方案中，俯仰反射光学器件110是具有与输入光纤150的出口对准的焦点的偏轴抛物面镜。燃烧区化学感测***100可包括输入光纤支架170,以相对于俯仰反射光学器件110定位输入光纤150的出口。
在一个实施方案中，捕捉反射光学器件112仅具有单个反射镜，其收集并聚焦包括MIR、NIR和可见光的宽带范围的电磁能量。在一个实施方案中，捕捉反射光学器件112是具有与输出光纤152的入口对准的焦点的偏轴抛物面镜。燃烧区化学感测***100可包括输出光纤支架172，以相对于捕捉反射光学器件112定位输出光纤152的入口。俯仰反射光学器件110和捕捉反射光学器件112中的一者或两者可以各自具有多于一个光学元件，而不脱离其范围。
在一个实施方案中，输入光纤150是单模光纤并且输出光纤152是多模光纤，然而在不脱离本发明的范围的情况下，输入光纤150可以是多模光纤并且输出光纤152可以是单模光纤。
在一个实施方案中，燃烧区化学感测***100包括激光器154，其生成被引导到输入光纤150中并且作为准直的电磁能量116传播通过燃烧区104的MIR电磁能量。该***还可以包括通信地耦合到检测器140和激光器154的处理器160。处理器160通信地耦合到存储机器可读指令的存储器162，该机器可读指令当由处理器160执行时，至少基于由检测器140测量的功率来计算燃烧区104内的气体物质118的浓度。
激光器154或多个激光器154可生成多于一个波长的电磁能量，每个波长与目标气体物质的已知吸收特征相关联，使得燃烧区化学感测***100能够计算存在于燃烧区104中的多于一种气体物质118的浓度。例如，激光器154可以生成被CO强烈吸收的λ＝2302nm的电磁能量，并且生成被O2强烈吸收的λ＝760nm的电磁能量。处理器160可因此基于由检测器140针对在每一波长下生成的电磁能量测量的功率计算CO及O2两者的浓度。燃烧区化学感测***100可使用具有其他波长的电磁能量来操作，并且在不脱离本文的范围的情况下，可计算除了CO和O2之外或代替CO和O2的其他化学物质的浓度。
燃烧区化学感测***100可包括将燃烧区104与光学头102分开的窗口174。窗口174可由透射一定范围的电磁能量(包括MIR、NIR和可见光中的一者或多者)的材料形成。
图2示出了被示为感测燃烧区204的图1的光学头102。光学头102包括俯仰反射光学器件110、捕捉反射光学器件112和对准壳体230。俯仰反射光学器件110使来自输入光纤150的MIR电磁能量朝向反射器220准直。捕捉反射光学器件112将从反射器220反射的MIR电磁能量聚焦到输出光纤152中。对准壳体230与邻近燃烧区204的结构234交接。结构234可以是燃烧处理室、熔炉或与燃烧处理相关的其他结构，并且可以不围绕燃烧区204,如图2所示。对准壳体230相对于燃烧区204保持和定位俯仰反射光学器件110和捕捉反射光学器件112。图2示出了光学头102的侧视图以及指示具有X轴、Y轴和Z轴的笛卡尔坐标系的轴指示器198X、198Y和198Z。由俯仰反射光学器件110准直的电磁能量平行于Z轴传播。
在一个实施方案中，对准壳体230形成机械孔236，(a)俯仰反射光学器件110通过该机械孔使MIR电磁能量准直到燃烧区204中，并且(b)捕捉反射光学器件112通过该机械孔捕获来自燃烧区204的MIR电磁能量。
在一个实施方案中，光学头102包括相对于俯仰反射光学器件110定位输入光纤150的输入光纤支架170和相对于捕捉反射光学器件112定位输出光纤152的输出光纤支架172。输入光纤支架170和输出光纤支架172都固定在对准壳体230上。在一个实施方案中，输出光纤152连接到检测来自输出光纤152的MIR电磁能量的检测器140。
在一个实施方案中，除了MIR电磁能量之外，俯仰反射光学器件110使NIR和可见电磁能量准直。MIR、NIR和可见电磁能量与光学头102的使用允许检测存在于燃烧区204中的吸收宽波长范围的电磁能量的气体物质，例如燃烧区104中的气体物质118。在一个实施方案中，光学头102使用的MIR电磁能量具有在2250nm和2350nm之间的波长，这在监测在2302nm处强烈吸收电磁能量的CO气体中是有用的。
在一个实施方案中，对准壳体定位俯仰反射光学器件110和捕捉反射光学器件112，使得由俯仰反射光学器件110反射的MIR电磁能量在其被捕捉反射光学器件112聚焦之前与MIR电磁能量反平行。这是有益的，因为它降低了光学头102的安装复杂性，降低了潜在的维护/重新安装成本，并且降低了操作期间潜在的故障源。
燃烧区204和反射器220分别是图1的燃烧区104和反射器120的示例，并且每个相应元件的描述适用于这两个图之间。
图3示出了沿Z轴(示为198Z)观察的光学头102，在一个实施方案中，Z轴平行于由俯仰反射光学器件110准直的电磁能量。光学头102适合用于燃烧区化学感测***100中。光学头102包括捕捉反射光学器件112以及输入光纤150、输入光纤支架170、输出光纤152和输出光纤支架172。俯仰反射光学器件110、输入光纤支架170、捕捉反射光学器件112和输出光纤支架172附接到对准壳体230。
如图3所示，当沿着Z轴观察时，俯仰反射光学器件110和捕捉反射光学器件112可以重叠，并且捕捉反射光学器件112大于俯仰反射光学器件110。在实践中，由俯仰反射光学器件110准直的电磁能量可以是略微发散的(未完全准直)，并且一旦电磁能量被反射到捕捉反射光学器件112，其已经扩展。因此，较大的光学器件是合适的，以便收集更多的光。俯仰反射光学器件110和捕捉反射光学器件112的相对尺寸和位置可以变化，而不脱离本文的范围。
图4A和图4B示出了在一个实施方案中的光学头102的机械实现方式，并且被一起最佳地观察。图4A示出了沿Y轴观察的光学头102，并且示出了均安装到对准壳体230的俯仰反射光学器件110、捕捉反射光学器件112、输出光纤支架172和机械孔236。输出光纤支架172相对于捕捉反射光学器件112定位输出光纤152。由俯仰反射光学器件110准直的电磁能量和朝向捕捉反射光学器件112反射的电磁能量行进穿过机械孔236，如图4A中的边缘朝上所示。为了清楚说明，在图4A中未示出输入光纤150并且未指示输入光纤支架170。
图4B示出了沿Z轴观察的光学头102，并且示出了均安装到对准壳体230的俯仰反射光学器件110、捕捉反射光学器件112、输入光纤支架170和机械孔236。输入光纤支架170相对于俯仰反射光学器件110定位输入光纤150。由俯仰反射光学器件110准直的电磁能量和朝向捕捉反射光学器件112反射的电磁能量行进穿过机械孔236，如图4B中正面朝上所示。为了清楚说明，图4B中未示出输出光纤152。
图5是示出了一种用于确定燃烧区内的气体浓度的方法500的流程图。方法500可与燃烧区化学感测***100一起使用，或者可采用光学头102。方法500包括方框510和520。在实施方案中，方法500还包括512、530、540和550中的一者或多者。
在方法500的方框510中，离开输入光纤的MIR电磁能量被准直并且被引导横穿燃烧区。在方框510的一个示例中，MIR电磁能量在离开输入光纤150之后被俯仰反射光学器件110准直，然后横穿燃烧区104。
在方法500的方框520中，将来自燃烧区的反射的MIR电磁能量聚焦到输出光纤中。在方框520的一个示例中，来自燃烧区104的MIR电磁能量被捕捉反射光学器件112聚焦到输出光纤152中。
在某些实施方案中，方法500包括图5中的流程图的一个或多个附加方框。在方框512中，利用反射器和回射器中的一者反射电磁能量。在方框512的一个示例中，电磁能量被回射器形式的反射器120反射。
在方法500的方框530中，用检测器检测来自输出光纤的MIR电磁能量。在方框530的一个示例中，由检测器140检测离开输出光纤152的MIR电磁能量。
在方法500的方框540中，离开输入光纤的NIR和可见电磁能量被准直并且被引导横穿燃烧区。在方框540的一个示例中，NIR和可见电磁能量在离开输入光纤150之后被俯仰反射光学器件110准直，然后横穿燃烧区104。在方法500的方框550中，将来自燃烧区的反射的NIR和可见电磁能量聚焦到输出光纤中。在方框550的一个示例中，来自燃烧区104的NIR和可见电磁能量被捕捉反射光学器件112聚焦到输出光纤152中。
在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述方法和***作出改变。因此，应注意，以上描述中所含或附图中所示的内容应被解释为说明性而非限制意义。以下权利要求旨在涵盖本文所述的所有通用和特定特征，以及本发明方法和***的范围的所有陈述，这些陈述就语言而言可称为落在其间。
特征的组合
(A1)在第一方面中，一种燃烧区化学感测***，包括：位于所述燃烧区的第一侧上的俯仰反射光学器件，所述俯仰反射光学器件使来自输入光纤的MIR电磁能量准直；位于所述燃烧区的第二侧上的反射器，所述反射器反射准直的MIR电磁能量；位于所述燃烧区的所述第一侧上的捕捉反射光学器件，所述捕捉反射光学器件将反射的MIR电磁能量聚焦到输出光纤中；和用于检测来自所述输出光纤的MIR电磁能量的检测器。
(A2)在A1的一个实施方案中，所述俯仰反射光学器件还使NIR和可见电磁能量准直。
(A3)在A1或A2中的一个实施方案中，还包括输入光纤和输出光纤，所述输入光纤和所述输出光纤的组合长度小于28米。
(A4)在A3的一个实施方案中，所述输出光纤是多模光纤。
(A5)在A1至A4中任一项所述的一个实施方案中，所述反射器是回射器。
(A6)在A1至A5中任一项所述的一个实施方案中，所述俯仰反射光学器件包括偏轴抛物面镜，并且所述捕捉反射光学器件包括偏轴抛物面镜。
(A7)在A1至A6中任一项所述的一个实施方案中，还包括激光器，所述激光器生成传送到输入光纤中的MIR电磁能量；处理器，所述处理器通信地耦合到所述检测器；和存储器，所述存储器通信地耦合到所述处理器并且存储机器可读指令，所述机器可读指令当由所述处理器执行时，至少基于由所述检测器测量的功率来计算所述燃烧区内的气体物质的浓度。
(B1)在第二方面中，一种用于感测燃烧区的光学头，包括：俯仰反射光学器件，所述俯仰反射光学器件使来自输入光纤的MIR电磁能量朝向反射器准直；捕捉反射光学器件，所述捕捉反射光学器件将从所述反射器反射的MIR电磁能量聚焦到输出光纤中；和对准壳体，所述对准壳体与邻近所述燃烧区的结构交接并且相对于所述燃烧区保持和定位所述俯仰反射光学器件和捕捉反射光学器件。
(B2)在B1的一个实施方案中，所述对准壳体形成机械孔，a)所述俯仰反射光学器件通过所述机械孔使MIR电磁能量准直到所述燃烧区中，并且(b)所述捕捉反射光学器件通过所述机械孔捕获来自所述燃烧区的MIR电磁能量。
(B3)在B1或B2中的一个实施方案中，还包括输入光纤支架，所述输入光纤支架相对于所述俯仰反射光学器件定位所述输入光纤；和输出光纤支架，所述输出光纤支架相对于所述捕捉反射光学器件定位所述输出光纤。
(B4)在B1至B3中任一项所述的一个实施方案中，所述对准壳体定位所述俯仰反射光学器件和所述捕捉反射光学器件，使得由所述俯仰反射光学器件反射的MIR电磁能量在其被所述捕捉反射光学器件聚焦之前与MIR电磁能量反平行。
(B5)在B1至B4中任一项所述的一个实施方案中，所述MIR电磁能量具有在2250纳米和2350纳米之间的波长。
(B6)在B1至B5中任一项所述的一个实施方案中，所述输出光纤连接到检测来自所述输出光纤的MIR电磁能量的检测器。
(B7)在B1至B6中任一项所述的一个实施方案中，所述俯仰反射光学器件还使NIR和可见电磁能量准直。
(B8)在B1至B7中任一项其中所述的一个实施方案中，其中所述俯仰反射光学器件包括偏轴抛物面镜，并且其中所述捕捉反射光学器件包括偏轴抛物面镜。
(C1)在第三方面中，一种用于确定燃烧区内的气体浓度的方法包括：使从输入光纤离开的MIR电磁能量准直以横穿燃烧区；以及将来自所述燃烧区的反射的MIR电磁能量聚焦到输出光纤。
(C2)在C1的一个实施方案中，还包括检测来自所述输出光纤的MIR电磁能量。
(C3)在C1或C2中的一个实施方案中，还包括使从所述输入光纤离开的NIR和可见电磁能量准直以横穿所述燃烧区；以及将来自所述燃烧区的NIR和可见反射电磁能量聚焦到所述输出光纤中。
(C4)在C1至C3中任一项所述的实施方案中，还包括用反射器和回射器中的一者反射电磁能量。
(C5)在C1至C4中任一项所述的实施方案中，准直的步骤包括用偏轴抛物面反射器反射电磁能量；并且聚焦的步骤包括用偏轴抛物面反射器聚焦电磁能量。

Claims (20)

1.一种燃烧区化学感测***，包括：
位于所述燃烧区的第一侧上的俯仰反射光学器件，所述俯仰反射光学器件使来自输入光纤的MIR电磁能量准直；
位于所述燃烧区的第二侧上的反射器，所述反射器反射准直的MIR电磁能量；
位于所述燃烧区的所述第一侧上的捕捉反射光学器件，所述捕捉反射光学器件将反射的MIR电磁能量聚焦到输出光纤中；以及
用于检测来自所述输出光纤的MIR电磁能量的检测器。
2.根据权利要求1所述的燃烧区化学感测***，所述俯仰反射光学器件还使NIR和可见电磁能量准直。
3.根据权利要求1所述的燃烧区化学感测***，还包括输入光纤和输出光纤，所述输入光纤和所述输出光纤的组合长度小于28米。
4.根据权利要求3所述的燃烧区化学感测***，所述输出光纤是多模式光纤。
5.根据权利要求1所述的燃烧区化学感测***，所述反射器是回射器。
6.根据权利要求1所述的燃烧区化学感测***，其中所述俯仰反射光学器件包括偏轴抛物面镜，并且所述捕捉反射光学器件包括偏轴抛物面镜。
7.根据权利要求1所述的燃烧区化学感测***，还包括：
生成传送到输入光纤中的MIR电磁能量的激光器、通信地耦合到所述检测器的处理器；以及
存储器，所述存储器通信地耦合到所述处理器并且存储机器可读指令，所述机器可读指令当由所述处理器执行时，至少基于由所述检测器测量的功率来计算所述燃烧区内的气体物质的浓度。
8.一种用于感测燃烧区的光学头，包括：
俯仰反射光学器件，所述俯仰反射光学器件使来自输入光纤的MIR电磁能量朝向反射器准直；
捕捉反射光学器件，所述捕捉反射光学器件将从所述反射器反射的MIR电磁能量聚焦到输出光纤中；以及
对准壳体，所述对准壳体与邻近所述燃烧区的结构交接并且相对于所述燃烧区保持和定位所述俯仰反射光学器件和所述捕捉反射光学器件。
9.根据权利要求8所述的光学头，所述对准壳体形成机械孔，a)所述俯仰反射光学器件通过所述机械孔使MIR电磁能量准直到所述燃烧区中，并且(b)所述捕捉反射光学器件通过所述机械孔捕获来自所述燃烧区的MIR电磁能量。
10.根据权利要求8所述的光学头，所述对准壳体还包括：
输入光纤支架，所述输入光纤支架相对于所述俯仰反射光学器件定位所述输入光纤；以及
输出光纤支架，所述输出光纤支架相对于所述捕捉反射光学器件定位所述输出光纤。
11.根据权利要求8所述的光学头，所述对准壳体定位所述俯仰反射光学器件和所述捕捉反射光学器件，使得由所述俯仰反射光学器件反射的MIR电磁能量在其被所述捕捉反射光学器件聚焦之前与MIR电磁能量反平行。
12.根据权利要求8所述的光学头，所述MIR电磁能量具有在2250纳米和2350纳米之间的波长。
13.根据权利要求8所述的光学头，所述输出光纤连接到检测器，所述检测器检测来自所述输出光纤的MIR电磁能量。
14.根据权利要求8所述的光学头，所述俯仰反射光学器件还使NIR和可见电磁能量准直。
15.根据权利要求8所述的光学头，其中所述俯仰反射光学器件包括偏轴抛物面镜，并且其中所述捕捉反射光学器件包括偏轴抛物面镜。
16.一种用于确定燃烧区内的气体浓度的方法，包括：
使从输入光纤离开的MIR电磁能量准直以横穿燃烧区；以及
将来自所述燃烧区的反射的MIR电磁能量聚焦到输出光纤。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括检测来自所述输出光纤的MIR电磁能量。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括：
使从所述输入光纤离开的NIR和可见电磁能量准直以横穿所述燃烧区；以及
将来自所述燃烧区的NIR和可见反射电磁能量聚焦到所述输出光纤中。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括用反射器和回射器中的一者反射电磁能量。
20.根据权利要求16所述的方法，其中：
准直的步骤包括用偏轴抛物面反射器反射电磁能量；并且
聚焦的步骤包括用偏轴抛物面反射器聚焦电磁能量。
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