氮氧化物的高频DFWM定量测量装置及方法转让专利
申请号 : CN202010996356.0
文献号 : CN112098344B
文献日 : 2021-12-24
发明人 : 刘训臣 , 王震 , 张昊原 , 曹健 , 齐飞
申请人 : 上海交通大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种氮氧化物的高频DFWM定量测量装置,其特征在于,包括:高频激光器,用于产生重复频率为100kHz的1064nm激光以及将该1064nm激光经过三倍频后输出355nm激光;
种子激光器模块,用于产生855nm的种子激光;
光参量振荡器,用于将高频激光器输入的355nm激光与种子激光器输入的855nm的激光转化产生607nm的激光,所述光参量振荡器包括BBO晶体和位于BBO晶体两侧的第二镜片与第三和第四镜片,第二镜片位于BBO晶体与高频激光器之间,用于透射355nm的光并反射
607nm和855nm的光;第三镜片靠近BBO晶体,用于透射355nm、607nm和855nm的光,第四镜片用于反射355nm的光并透射607nm和855nm的光;
DFWM信号光产生模块,用于将光参量振荡器输出的607nm的激光经过分束器和反射镜产生四束光,这四束光在空间上相互平行并且在与光束垂直的方向上形成正方形的四个顶点,四束光的能量相等,其中三束光经过第一透镜汇聚于氮氧化物气体样品池中,在满足相位共轭条件的情况下将产生DFWM光信号;
以及氮氧化物定量模块,用于将经过第二透镜准直后的DFWM光信号转换成电信号,再进入计算机中处理得到氮氧化物气体的浓度。
2.如权利要求1所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置,其特征在于,高频激光器为Nd:YAG激光器。
3.如权利要求2所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置,其特征在于,种子激光器模块包括半导体激光器和光电隔离器,半导体激光器用于产生波长855nm、功率100mW、线宽为
0.01nm的半导体激光,该半导体激光经过光电隔离器处理后输出855nm的种子激光。
4.如权利要求3所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置,其特征在于,光电隔离器输出的种子激光经第一镜片反射进入光参量振荡器与355nm激光产生607nm激光束,第一镜片用于反射855nm的p方向偏振光并透射607nm的p方向偏振光,光参量振荡器输出的607nm经过第一镜片进入DFWM信号光产生模块。
5.如权利要求1所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置,其特征在于,DFWM信号光产生模块包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜,
607nm的光经过第一分束器后分成第一束光和第二束光,第一束光按原来方向传播,第二束光向垂直于原来的方向传播,第一束光经过第二分束器后分成第三束光和第四束光,第三束光按原来方向传播,第四束光向垂直于原来的方向传播,第四束光经过第一反射镜变成平行于第三束光;第二束光经过第二反射镜后进入第三分束器中,分成第五束光和第六束光,第六束光按原来方向传播,用物体遮挡,第五束光向垂直于原来的方向传播,经过第三反射镜变成平行于第三束光和第四束光,第三束光、第四束光和第五束光经过第一透镜汇聚于氮氧化物气体样品池中,在满足相位共轭条件的情况下将产生DFWM光信号。
6.如权利要求1所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置,其特征在于,氮氧化物定量模块包括光电倍增管、信号平均器和计算机,DFWM光信号经过第二透镜准直后,进入光电倍增管转换成电信号,再经过信号平均器平均后,由计算机进行处理和保存。
7.如权利要求6所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置,其特征在于,第二透镜和光电倍增管之间设有第四反射镜,DFWM光信号经过第二透镜准直后经过第四反射镜进入光电倍增管。
8.一种氮氧化物的高频DFWM定量测量方法,其特征在于,包括以下步骤:通过如权利要求1至7中的任一项所述的氮氧化物的高频DFWM定量测量装置产生光谱数据;
将采集到的光谱数据扣除系统背景,得到真实测量信息的光强信号:I=I0exp[‑S(T)·φ(v)·P·χ(l)·L],‑2 ‑1
其中,I为出射光的光强,I0为入射光光强,S(T)为谱线的强度,单位为cm atm ,φ(v)为线性函数,单位为cm,P为系统总压,单位为atm,L为气体样品池的长度,单位为cm,χ(l)为气体在l位置处的体积分数;
进而通过变形得到吸光度τ:
当线性函数满足归一化条件时, 则积分吸光度Aj可以写成:接着,采用两个积分吸光度的比值反演出测量场的温度,如下公式所示:其中,T0为参考温度,为298.15K,A1和A2分别为两个积分吸光度;
再通过已测量的温度修正此时的氮氧化物所对应的线强,具体表达式如下:‑1 ‑1
其中k是玻尔兹曼常数,单位为J·K ,c是光速,单位为cm·s ,h是普朗克常数,单位为‑1
J·s,E"1和E"2是两个能量,单位为cm ,Q(T)是配分函数;
根据温度修正此时氮氧化物所对应的线强,进而反演得到氮氧化物的浓度:
说明书 :
氮氧化物的高频DFWM定量测量装置及方法
技术领域
背景技术
化学过程有深入的理解,应用燃烧诊断技术发现并掌握规律是燃烧过程研究的重要任务。
器,这些物理探针经过检验,在其适应范围内,结果是可信的,且其使用成本低,操作简单,
但由于物理探针很容易干扰流场并对检测结果产生影响,且只能用于测量宏观平均的物理
量,缺乏足够的时间和空间的分辨率。由于在测量中需要避免物理探针的侵入性,避免对系
统的测量结果的干扰,目前普遍采用基于激光的光学方法进行燃烧诊断。
等增强吸收的方法,且吸收光谱是线平均的测量,没有空间分辨率。1982年,P.Ewart第一次
将简并四波混频技术(DFWM)用于大气压强下甲烷在空气中燃烧火焰中OH的检测,自此利用
四波混频光谱技术进行微量物质检测便成为一种新的方法,到了二十世纪九十年代,简并
四波混频技术已经被发展为一种高度灵敏的光谱技术,在对燃烧过程中寿命短,浓度低的
中间产物的检测起到了重要作用。在燃烧火焰微量组分测量时,这种情况下背景光强,无法
用PLIF技术进行检测,用CARS法检测时灵敏度又不高,所以与其他光谱技术相比,DFWM技术
有许多优点,作为高灵敏度的一项光谱技术,DFWM未来一定会在科学研究等领域起到更重
要的作用。
气‑氮气的燃烧火焰中OH自由基的光谱信号和它在火焰中不同位置的相对浓度分布。作者
采用Nd:YAG激光器产生的激光经过2倍频后输出532nm的激光至泵浦染料激光器,染料为
‑1
PM580,获得550nm‑570nm的激光,激光重复频率为10Hz,线宽为0.12cm ,激光器脉冲宽度为
7ns,激光经分束器后获得四束频率相同的光,用其中三束光进行相位匹配以获得DFWM信号
光。
料激光器来获得所需波长的激光,但染料激光器因其染料的温度变化和化学反应而输出不
稳定,需要定期更换染料,另外染料还对人体有毒,且其中的染料溶液在连续泵浦光脉冲之
间进行交换的时间有限,不适合用于超高重复频率系统。
发明内容
个顶点,四束光的能量相等,其中三束光经过第一透镜汇聚于氮氧化物气体样品池中,在满
足相位共轭条件的情况下将产生DFWM光信号;
离器处理后输出855nm的种子激光。
向偏振光,光参量振荡器输出的607nm经过第一镜片进入DFWM信号光产生模块。
607nm和855nm的光;第三镜片靠近BBO晶体,用于透射355nm、607nm和855nm的光,第四镜片
用于反射355nm的光并透射607nm和855nm的光。
第二束光,第一束光按原来方向传播,第二束光向垂直于原来的方向传播,第一束光经过第
二分束器后分成第三束光和第四束光,第三束光按原来方向传播,第四束光向垂直于原来
的方向传播,第四束光经过第一反射镜变成平行于第三束光;第二束光经过第二反射镜后
进入第三分束器中,分成第五束光和第六束光,第六束光按原来方向传播,用物体遮挡,第
五束光向垂直于原来的方向传播,经过第三反射镜变成平行于第三束光和第四束光,第三
束光、第四束光和第五束光经过第一透镜汇聚于氮氧化物气体样品池中,在满足相位共轭
条件的情况下将产生DFWM光信号。
计算机进行处理和保存。
(l)为气体在l位置处的体积分数;
单位为J·s,E″是能量,单位为cm ,Q(T)是配分函数;
(光参量振荡器)来代替染料激光器获得所需要波长的激光,弥补了染料激光器中的染料溶
液在连续泵浦光脉冲之间进行交换的时间有限的不足。
附图说明
射镜;11:第一反射镜;12:第二分束器;13:第三反射镜;14:第三分束器;15:第一透镜;16:
氮氧化物气体样品池;17:第二透镜;18:第四反射镜;19:光电倍增管;20:信号平均器;21:
计算机;①:第一束光;②:第二束光;③:第三束光;④:第四束光;⑤:第五束光;⑥:第六束
光;⑦:DFWM光
具体实施方式
了说明本发明技术方案的实质精神。
频激光器用于产生重复频率为100kHz的1064nm激光以及将该1064nm激光经过三倍频后输
出355nm激光;种子激光器模块用于产生855nm的种子激光;光参量振荡器用于将高频激光
器输入的355nm激光与种子激光器输入的855nm的激光转化产生607nm的激光;DFWM信号光
产生模块,用于将光参量振荡器输出的607nm的激光经过分束器和反射镜产生四束光,这四
束光在空间上相互平行并且在与光束垂直的方向上形成正方形的四个顶点,四束光的能量
相等,其中三束光经过第一透镜汇聚于氮氧化物气体样品池中,在满足相位共轭条件的情
况下将产生DFWM光信号;以及氮氧化物定量模块,用于将经过第二透镜准直后的DFWM光信
号转换成电信号,再进入计算机中处理得到氮氧化物气体的浓度。下面分别对各个模块进
行说明。
光电隔离器9输出的种子激光经第一镜片6反射进入光参量振荡器与355nm激光产生607nm
激光束,第一镜片6用于反射855nm的p方向偏振光并透射607nm的p方向偏振光,光参量振荡
器输出的607nm经过第一镜片6进入DFWM信号光产生模块。
607nm和855nm的光;第三镜4片靠近BBO晶体3,用于透射355nm、607nm和855nm的光,第四镜
片5用于反射355nm的光并透射607nm和855nm的光。因此,高频激光器模块1发出的355nm的
光可以经过第二镜片2进入BBO晶体3中并被第四镜片5反射回来,以及855nm的种子激光可
以经过第四镜片5和第三镜片4进入BBO晶体3中,在BBO晶体3中355nm的光与855nm的光进行
波长转换得到607nm的光,由于第二镜片2反射607nm和855nm的光,因此607nm的光经过第三
镜片4和第四镜片5输出至DFWM信号光产生模块。
二束光②,第一束光①按原来方向传播,第二束光②向垂直于原来的方向传播,第一束光①
经过第二分束器12后分成第三束光③和第四束光④,第三束光③按原来方向传播,第四束
光④向垂直于原来的方向传播,第四束光④经过第一反射镜11变成平行于第三束光③;第
二束光②经过第二反射镜10后进入第三分束器14中,分成第五束光⑤和第六束光⑥,第六
束光⑥按原来方向传播,用物体遮挡,第五束光⑤向垂直于原来的方向传播,经过第三反射
镜13变成平行于第三束光③和第四束光④,第三束光③、第四束光④和第五束光⑤经过第
一透镜15汇聚于氮氧化物气体样品池16中,在满足相位共轭条件的情况下将产生DFWM光信
号⑦。
计算机21进行处理和保存,产生光谱数据,通过对光谱数据进行计算得到氮氧化物气体的
浓度。
(l)为气体在l位置处的体积分数;
单位为J·s,E″是能量,单位为cm ,Q(T)是配分函数;
(光参量振荡器)来代替染料激光器获得所需要波长的激光,弥补了染料激光器中的染料溶
液在连续泵浦光脉冲之间进行交换的时间有限的不足。
申请所附权利要求书所限定的范围。