PDF《CARS 在超音速燃烧研究中的应用 3》

1 以上. 我们根据 CARS 谱线位置及信号强度的可测性 ,提出用一台带宽为 100cm-

1 左右的染料 激光器同时测量氢和氧的 CARS 谱 ,用氢的 S(5) 和S(6) 谱线强度比确定温度 ,以温度为参数 即可确定氢和氧的浓度[4~7 ] .这种方法给含氢燃料的燃烧测量和分析提供了一个有效手段. 在超音速燃烧过程中 ,燃料与空气的混合、 化学反应是在超音速气流中完成的 ,被研究对象处 于温度高、 速度快的环境中 ,整个过程时间短 ,任何侵入式物理探针都无法使用.目前仅见 Eckbreth[8 ] , Anderson[9 ] , Magre[10 ] 等的超燃 CARS 测量及 Waidmiann[11 ] 等发表的 CARS 研 究超燃简短摘要.作为第一步 ,我们选择了 CARS 作为它的温度和主要成分浓度的测量手段. 激光辐射通过介质的三阶非线性极化率χ(3) 与介质相互作用 ,产生的 CARS 信号功率可 写成[12 ] : Pa ∝ P2 p Ps | χ(3) |

2 .式中 ,下标 a ,p 和s分别为 CARS 光束、 泵浦光束和 Stokes 光束. χ(3) 包括共振和非共振贡献. 由于在氮的浓度高于

30 %时 ,其 Q 支CARS 光谱线型基本与浓度无关 ,仅依赖于温度 ,这样,比较理论计算和实验测量的 CARS 光谱线型就可以准确地定出温度.对于氢的转动 CARS ,其任意两支谱线的强度比与温度依赖关系[3 ] 使得我们只要获得氢的两支谱线就可以 确定火焰温度.而成分浓度的测量则需要首先知道温度 ,并且在所测成分 CARS 光谱的共振 信号与非共振信号大小可比的前提下 ,利用 CARS 光谱的共振谱积分面积和非共振谱积分面 积之比可以方便地定出浓度. 非稳腔空间增强 CARS 探测技术[2 ] (USED CARS , USED : Unstable - resonator Spatially Enhanced Detection) 介于共线 CARS 和BOXCARS 之间 ,它利用了非稳腔 YAG激光器的环模 输出特性 ,使染料激光器从其环心穿过 ,随着在测试点的聚焦 ,两束光重叠 ,产生混频过程 ,构 成与 BOXCARS 类似的双光束三维相位匹配光路.以前 ,关于 USED CARS 的分析很不充分 , 为了搞清楚这种特殊的相位匹配方式的特点 ,我们设计了几组特别的实验 ,从理论和实验上得 到清晰结论[13 ] .因此 ,考虑到超音速燃烧的特殊环境条件 ,我们采用了 USED CARS 相位匹 配方式.又由于超音速燃烧时间的短暂 ,采用了宽带 CARS 技术.

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2 激光技术2000 年8月在我们的实验条件下 :泵浦外径 = 12mm ,内径 = 5mm ,Stokes 束直径 4mm ,得到纵向 分辨率小于 4mm ;

而在三束交叉 BOXCARS 的分辨的测量中[14 ] ,90 %的CARS 能量集中在 Fig.

1 Schematic USED CARS with double optical paths 4mm 内 ,与我们的条件相当.

1 CARS测量系统 CARS 测量系统是由 YAG激光器(美国 Spectra2 Physics 公司生产的 Model GCR290230) ,染料激光器 (加拿大 Lumonics 公司生产的 Spectrum Master HD2 500B) ,相应的测量光路和信号采集分析系统(美国 Princeton Instruments 公司生产的多通道光学分析系 统2OMA) 组成.实验布局如图

1 所示.YAG激光 器的基波(1.

06 μ m)经倍频(0.

532 μ m)后 ,通过分光镜 BS1 进入染料激光器(能量为 300mJ/ p) 作为染 料激光(ω s)的泵浦源 ,其余的 0.

532 μ m 激光再经分光镜BS2 取出 45mJ/ p 的能量作为 CARS 的泵浦 源(ω p) , ω p 经反射镜组 Md 组成的延时光路与ω s 同时到达中心有

4 孔的反射镜 Mh ,ωs 从中心穿 过,ω p 被反射由高斯光束变成环形光束以满足 USED CARS 的相位匹配要求. ω s 在ωp的环心与 ω p 平行地到达BS3 ,在进行双光束测量时 ,它们被分成等强度的两束光;