飞秒CARS光谱技术在燃烧场温度测量中的应用.doc

毕业设计（论文） 题 目 飞秒CARS光谱技术在燃烧 场温度测量中的应用 专 业 电子科学与技术 哈尔滨工业大学毕业设计（论文）评语姓名： 学号： 专业： 电子科学与技术 毕业设计（论文）题目： 飞秒CARS光谱技术在燃烧场温度测量中的应用 工作起止日期：2009年09月15日2010年07月07日指导教师对毕业设计（论文）进行情况，完成质量及评分意见：_ _指导教师签字： 指导教师职称： 评阅人评阅意见：_ _ _评阅教师签字：_ _ 评阅教师职称：_ _答辩委员会评语：_ 根据毕业设计（论文）的材料和学生的答辩情况，答辩委员会作出如下评定：学生 毕业设计（论文）答辩成绩评定为： 对毕业设计（论文）的特殊评语：_ _答辩委员会主任（签字）： 职称：_ _答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员（签字）：_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _年 月 日哈尔滨工业大学毕业设计（论文）任务书姓 名： 欧继洲 院 （系）：航天学院专 业： 电子科学与技术 班 号： 10621102任务起至日期： 2009 年 09 月 15 日至 2010 年 07 月 07 日毕业设计（论文）题目： 飞秒CARS光谱技术在燃烧场温度测量中的应用 立题的目的和意义： 立题的主要目的是了解在飞秒激光作用下的CARS光谱的特性，研究CARS光谱随泵浦激光及工作样品的变化规律。同时，利用CARS光谱进行燃烧场中温度测量研究工作。技术要求与主要内容： 了解千赫兹飞秒激光器原理、结构及输出特性。 掌握CARS理论及其应用背景。 熟练CARS光路搭建。 掌握微弱光信号检测仪器设备使用方法。 进度安排： 3月-4月 文献调查 4月-5月 理论研究 5月-6月 实验研究 6月-7月 撰写论文 准备答辩同组设计者及分工：指导教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见：教研室主任签字_ 年 月 日 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）摘 要 一种新的基于非共振飞秒相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering，CARS）时域探测技术被应用到火焰和燃烧过程中的温度测量，这项技术的主要优点在于合成信号的高空间分辨率和方向性。泵浦光和斯托克斯光引发样品分子的喇曼极化，一束时间延迟的探测光束受此极化而产生CARS信号；CARS信号的衰减速率与对温度非常敏感的喇曼跃迁的频率范围有关。随着探测光时间延迟，温度就可由CARS信号的衰减确定。传统的时间分辨技术的不利条件是需要在机械延迟台移动的时候进行多次测量，导致这种方法不适合湍流介质的研究。尤其在例如在燃烧室等极端条件下，需要高质量的飞秒CARS来测量。本文首先阐述了CARS测温的基本理论和应用背景以及国内外CARS测温的研究进展。根据N2和H2的分子参数，通过计算其三阶非线性共振极化率对在以上两种气体作为样品得到的CARS光的强度进行了理论计算，并与实验结果比较。实验上采用飞秒时间分辨光谱技术对样品进行了探测，掺钛蓝宝石飞秒激光器产生脉宽为40fs、中心波长为800nm的光脉冲，用1:1分束片分为两束后，其中一束作为基频光输出，另一束用来泵浦光学参量放大器( Optical Parameter Amplifier，OPA)。基频光和OPA输出的可调谐激光分别作为斯托克斯光和泵浦光入射到样品中，产生CARS信号经过单色仪过滤后由光电探测器接收。实验数据和相应温度理论拟合度较高，并显示出了很强的实验重复性。关键词：飞秒激光；相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）； 三阶非线性共振极化率；测温；光谱计算-44-Abstract A new time-domain single-shot detection technique based on nonresonant femtosecond coherent anti-Stokes Raman scattering（CARS）is introduced for the determination of temperatures in flames and combustion processes. The main advantages of this technique are the high spatial resolution and the directional characteristic of the generated signal. A time-delayed probe beam is scattered from the Raman polarization induced by pump and Stokes beams to generate CARS signal; the dephasing rate of this initial coherence is determined by the temperature-sensitive frequency spread of the Raman transitions. Temperature is measured from the CARS signal decrease with increasing probe delay. This factor renders this method inappropriate for studies of turbulent media. background, especially under extreme conditions such as those in combustion cells or flames, which render femtosecond (fs) CARS superior for the determination of spectroscopic constants .The principle of CARS in detail is analyzed at first, Then the development and the latest research progress in CARS are introduced in this paper. In the fifth chapter ,we calculate the third-order nonlinear polarization of the H2 and N2,according to the given molecular parameter .Femtosecond time-resolved spectroscopy technology is exploited in our experiment described in the paper. 40fs wide laser pulses at 800nm are generated by a Ti:sapphire laser, and are split into two parts by means of a 1:1 beam splitter, one of the pulses are used to pump an OPA (Optical Parameter Amplifier). The two kinds of pulses from the Ti:sapphire laser and the OPA are used as pump pulse and stokes pulse respectively are focused onto some samples , and CARS signals should be generated. The CARS signals are filtered by a monochromator then detected and analyzed by a PMT through a computer .The intensity of CARS curves are in excellent agreement with the experimental data for all temperatures. The high repetition rates have been showed in the experiment. Keywords: Femtosecond laser pulses, Coherent anti-Stokes Raman spectroscopy , third-order nonlinear polarization , Temperature measurement，spectrum 目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 课题背景及研究的目的和意义11.2 飞秒CARS光谱的概述11.2.1 喇曼效应11.2.2 CARS的基本概念31.2.3 飞秒CARS光谱的特点31.2.4 飞秒CARS在测温方面的进展51.3 本文的主要研究内容7第2章 飞秒时间分辨CARS光谱理论82.1 CARS光强的表达式82.2 飞秒时间分辨的CARS光谱的表达式92.3 相干反斯托克斯喇曼光谱的相匹配方式102.4 CARS非共振背景的解决方案122.5 本章小结14第3章飞秒CARS光谱技术测温原理和实验方案153.1 飞秒CARS的测温原理153.2 实验总体方案设计153.3 实验装置173.3.1 Ti:sapphire 飞秒激光器173.3.2 光学参量放大器OPA193.3.3 光学平移台-采集系统193.4 本章小结21第4章 飞秒CARS光谱技术测温的研究224.1 理论计算224.1.1 分子光谱和分子结构224.1.2 Raman共振极化率244.1.3 不同温度下氮气三阶非线性极化率的各参数计算254.1.4 不同温度下氢气的粒子数密度计算304.2 实验测量324.2.1 前期准备实验324.2.2 不同温度下飞秒时间分辨谱的测量354.2.3 实验光谱与理论拟合的比较364.2.4 实验的重复性研究374.3 本章小结38结 论39致 谢40参考文献41第1章 绪 论1.1 课题背景及研究的目的和意义相干反斯托克斯喇曼散射(Coherent anti-Stokes Raman Scattering ，CARS)是一种广泛应用的非线性激光光谱学技术1。它作为为燃烧诊断的先进工具之一，己有近15年的历史。燃烧过程最重要的参量是温度，尽管常规的测温技术在许多情况下能解决问题，但探头的介入会破坏和扰动温度场的本来分布，而且探测体系的校正也很困难。对于某些很高的温度，瞬态变化的燃烧体系甚至会显得无能为力，因而运用非接触式的光学诊断技术特别受到人们的重视。CARS由于具有高的空间、时间分辨率，特别是CARS信号具有类激光的特性，它能在入射光及强背景的散光中容易的被分离出来，因此它特别适合于强光亮背景的燃烧过程、等离子体反应等恶劣环境下的研究。飞秒技术研究的是超短脉冲激光与物质的瞬态相干作用。近年来，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，飞秒CARS在燃烧诊断中的主要应用是火焰燃烧温度的测量。由于非共振信号限制了该技术的精度，降低了测温敏感度。更重要的是，由于高重复率的不可获得，这些测量通常都是在低重复率（10-20Hz）、高能量的纳秒激光下下进行的。这种低时间分辨能力阻碍了燃烧场不稳定现象的研究。 课题的主要目的是了解在飞秒激光作用下的CARS光谱的特性，研究CARS光谱随泵浦激光及工作样品的变化规律。通过分析CARS信号的产生及其与飞秒技术相结合而产生的时间分辨特性等特点，得出飞秒CARS光谱在燃烧测温方面的应用具有独特优势的结论。同时，利用飞秒CARS光谱技术进行燃烧场中温度测量研究工作。1.2 飞秒CARS光谱的概述1.2.1 喇曼效应1928 年，原苏联科学家和及印度科学家 Raman 和 Krishnan 在印度分别独立发现，当用强的单色光源照射某物质样品时，由于分子的散射，在垂直入射光方向观察到散射光中具有三种不同频率的光从样品中发射出来其中一条谱线的频率与入射光频率 相同；另两条谱线则对称地分布在两侧，频率为 ,的大小由样品分子的转动或振动光谱性质决定。此种现象被称为Raman效应。Raman效应用图1-1表示。设分子的一系列振动能级的能量为 E0、E1、Ei、，其中E0为分子基态能量。在Stokes线情形，入射光子和分子作用的结果使分子由E0能级跃迁到Ei能级，由于分子吸收了EiEiE0的能量，光子能量减为 (1-1)若 ，则散射光频率 图1-1 Raman效应示意图在反Stokes线情形，开始分子处于激发态Ei,它和入射光子作用的结果，跃迁回基态E0，分子能量减少了,这些能量传递给光子，使光子能量增为 (1-2)若，则散射光频率 由于激发态的分子数比处于基态的分子数少得多，因而伴线的强度比伴线 弱得多，但随着温度的升高，处于激发态的分子数Ni按玻尔兹曼分布规律 (1-3)而增多。为基态分子数。所以反Stokes线的强度随温度的升高而增加。而增加时，的变化不显著，随着Stokes线的强度不随温度而改变。这样就全面解释了Raman效应；反过来，利用Raman效应可以研究散射物质分子的结构。1.2.2 CARS的基本概念 飞秒相干反斯托克斯喇曼散射(Coherent anti-Stokes Raman Scattering ，CARS)是一种较为先进的非线性激光光谱学技术1。当激光脉冲频率为 1和2，它们的频率差等于样品分子的喇曼频率时，分子振动即为共振相干受迫振动，两束高强度的相干辐射通过激发分子系统产生媒质极化就可以产生出频率为 21-2=1+R的新的相干辐射，即为相干反斯托克斯喇曼光谱信号。相干反斯托克斯喇曼散射由双频率入射激光激励分子跃迁从而产生喇曼谱线，它与三阶非线性极化率(3)有关。如图1示，1和3简并的，分别作为泵浦光和探测光，2是斯托克斯光。 图1-2 CARS过程的能级跃迁示意图 Fig.1-1 The energy diagram of CARS process1.2.3 飞秒CARS光谱的特点普通CARS光谱的特点有：1、好的方向性2：由于CARS信号是相干混合的，故信号不像自发散射那样在4立体角内发射，而是在某个由相位匹配条件决定的方向出射，并且具有与激光束同样小的发散角。相位匹配条件在强色散的凝聚态材料，如液体及固体中特别重要，两束激光需要以特定的角度在介质中相交；而在气体中由于其色散小，可以采用共线装置。2、强的抗荧光干扰：由于CARS信号的频率比泵浦光的高，在不存在多光子激发的情况下，入射激光不会在反斯托克斯频率处产生荧光信号，这就使得测量到的CARS谱免去了一般的光谱测量中常遇见的荧光干扰，具有极高的信噪比。这对于具有强荧光发射的材料特别有意义。 3、存在非共振背景信号：由于CARS信号的强度由物质的三阶非线性极化率决定，并且在三阶非线性极化率中存在非共振成分，CARS光谱的形状将与自发发射谱的洛仑兹线型极为不同，非共振背景的存在将影响CARS光谱的灵敏度。 4、收集效率高：CARS信号是在某个由相位匹配条件决定的方向出射，并且具有与激光束同样小的发散角。 5、由于泵浦光和Stokes光的强度都在受激喇曼散射的阈值以下，不会发生不可控制的不稳定性以及谱线竞争效应。因而可通过调谐激光频率来激励介质所有的振转能态，获得喇曼介质的全部谱线。 飞秒激光CARS光谱技术具有更短的脉宽和更高的工作频率，它已被广泛应用于很多方面的研究。相比于以往纳秒CARS光谱技术的优势主要表现在以下几个方面3：1、飞秒时间分辨CARS光谱技术中可以精确调节探测光相对泵浦光的延迟时间，从而减少或排除非共振极化的影响；2、因为时间延迟的调谐精度可以达到几飞秒的量级，这样就减少或排除了CARS信号强度在更宽时域内抖动的影响，因而减少了测量的不稳定性，提高了信噪比；3、由于飞秒激光器工作频率为千赫兹甚至更大的频率，这样的条件减少或排除了非极化共振背景和CARS振动的影响，大大的简化了CARS光谱模型，提高了光谱测量的效率。1.2.4 飞秒CARS在测温方面的进展 CARS信号由于具有高的空间、时间分辨率，特别是它还具有类激光的特性，使其能很容易的从入射光及强散射背景光中分离出来，因此特别适合于强光背景等恶劣环境下的燃烧诊断研究。飞秒CARS最重要的特点就是对于瞬态信息的捕捉，它在燃烧诊断中的主要应用就是对瞬态燃烧场进行温度测量。通过飞秒CARS光谱我们可以获得处于飞秒时域超快过程的有关信息，同时可以减少或排除时间零点之外非共振极化信号的影响。实验证实利用CARS光谱测温的最高精度可以达到3K4，测量范围可以从室温(300K)到3000K以上，因此CARS技术广泛应用于超音速燃烧研究领域。T. J. Anderson等与M. W. Smith等人就曾分别对氢燃料超音速燃烧器进行了温度的剖面分布和单脉冲时间分辩的测量。 美国联合技术研究中心是推动CARS技术和应用研究发展的主要机构之一，代表人物是A. C. Eckbretho。UTRC 的CARS研究始于1978年，A.C .Eckbreth提出了著名的BOXCARS相位匹配技术，并与J. A. Shirley等进一步将其完善为平面BOXCARS和三维交叉布置的折叠BOXCARS。平面和折叠BOXCARS相位匹配方式的提出，极大地改善了CARS的空间分辨能力，并有利于CARS信号与激发光的分离，使得CARS成为真正可用的燃烧测量技术。与此同时，A.C. Eckbreth还与R. J. Hall等共同研究了对氮气、一氧化碳和二氧化碳等组分的CARS测量与光谱仿真工作。燃烧流场重要组分的CARS光谱仿真模型及方法的提出和完善，为数据分析带来了便利。这一时期是CARS技术本身发展和完善的初期，这些工作为80年代CARS的应用和发展奠定了基础。1980年前后，J.A. Shirley和A.C. Eckbreth5等通过对氢气/空气预混火焰、航空发动机燃烧室和涡轮装置内燃烧流场、多烟尘的燃烧流场以及发动机羽流中的温度测量，演示了CARS测量的能力，研究了CARS技术应用到发动机燃烧过程研究的可行性。 1976年美国代顿系统研究实验室的W.B .Roh和法国的J. P. Taran联合提出的单脉冲宽带CARS技术，这一技术的提出使得CARS进行高时间分辨测量成为可能，具有里程碑式的意义。80年代中期以后，研究在振动和转动温度的测量光谱参数的测量以及测量准确性方面继续深入。从那时起至今研究的特点是:CARS被广泛地用于各种测量领域;当然同时也有CARS的理论模型和参数不断被修正以及同时测量更多组份等技术上的进步。 1980年代中期，A.C .Eckbreth等提出多色CARS的概念和方法。多色CARS技术提供了同时测量多种组分或同时测量多种参数的能力，是CARS技术的又一次重大进步。T.J. Anderson和A.C .Eckbreth等使用多色CARS同时测量了氢气/空气超声速燃烧模型中的温度和氮气、氢气和水蒸气的组分浓度，并与二维CFD计算结果进行了对比，比较结果二者在趋势上相同。该研究反映了国外在1990年代早期CARS的最高应用水平。2001年，德国马普(量子光学)研究所M. Motzkus与瑞士保罗谢尔研究所(Paul Scherrer Institut)的Paul Beaud等人率先证明了飞秒CARS应用于燃烧测温的可行性6，次年他们又通过氢气的时间分辨光谱实现了300K-1100K的温度测量，测量误差为30K7。他们还得到了不同压强下11的信号变化时间分辨谱。2006年美国普渡大学的Robert P. Lucht和Sukesh Roy等人8用千赫兹45fs激光器在探测光延迟时间为-500到3000飞秒的时域范围内对300K到940K的温度进行了测定，实验与理论拟合结果符合度较高。在此基础上，他们还讨论了气压(0.1-1MPa)及探针物质的浓度(3%-50%)对CARS信号的影响，侧面证明了飞秒CARS能够在高气压下测量温度并能保证测量结果的稳定。2008年，又将测温范围扩展到了1500-2500K9，测量误差达到40K。2009年他们又用80fs的泵浦光和斯托克斯光在探测光相对泵浦光和斯托克斯光延迟2ps的条件下，通过使用CARS信号时间分辨光谱再经傅里叶转换的测量方法将可测温度范围在300-2400K的最高精度提高到1%-1.5%10。 法国LISA实验室的H. Tran等人也一直在开展CARS在高温高压条件下的燃烧诊断工作，他们于2009年11证明了这种技术应用于H2-N2混合气体中测温的可行性。国内方面对CARS测温的研究也取得不少成果，中科院力学研究所俞刚研究员、赵建荣研究员、杨仕润博士通过对模拟静温2000K、静压2.0MPa、总流量1公斤秒和自由飞行马赫数7的氢空气超音速燃烧器中时间平均测量的氮Q支CARS光谱进行线型拟合获得了燃烧温度值。对于氢氧CARS光谱的同时测量，首先在氢空气预混火焰燃烧炉上进行了校准实验，由氢的S(5)和S(6)支线强度比确定的温度得到了由氮Q支CARS光谱测量温度的校准，而氢的S(6)支线确定的氢浓度和氧的Q支基带（冷带）CARS 光谱确定的氧浓度则由氢空气预混平面火焰的局部热力学平衡计算得到校准，温度和氢氧浓度的校准误差分别为4、12。和14。在完成校准实验后，将氢氧 CARS 光谱同时测量的技术应用于氢空气超音速燃烧的温度和氢氧浓度的同时测量，并获得了温度和氢氧浓度的测量结果。2000年和2001年，闰军等对CARS在炸药测温中的可行性和方案进行了研究并探讨了氮气的光谱仿真。2003年，西安近代化学研究所的李春喜等利用CARS测量了双基推进剂燃烧时的火焰温度。同年，西安核技术研究所的胡志云、刘晶儒等发表了固体推进剂火焰中CARS光谱测量结果。2001年，国防科大耿辉、李麦亮、周进在自制的平面火焰炉上对液化石油气和空气的预混火焰进行了CARS单脉冲测温。为提高时间分辨率,采用宽带单脉冲测量方式。通过拟合得到火焰的温度 T = 1 135K,与热电偶测得的结果 T = 1 050 K相比较,相对误差为8 %。哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室也开展了飞秒相干喇曼时间分辩分子光谱研究，并且取得了一些有意义的成果12，实验技术达到与国外同步水平，一些关键技术也取得了突破。1.3 本文的主要研究内容本论文分为五个部分，第一部分绪论，总体介绍飞秒CARS的应用背景和研究意义，分析解释了喇曼效应，阐述了相干反斯托克斯拉曼散射的形成过程；分析对比普通CARS的特点及飞秒CARS的优点；简要介绍了CARS测温在国内外的主要进展和关键突破性研究。第2部分为飞秒CARS光谱的基本理论,在已得到CARS光强表达式的基础上分析了CARS光强的表达式和时间分辨的CARS光谱的表达式的各参量。分析了相位匹配方式和消除非共振背景光的方法。第三部分为实验部分，介绍CARS实验的系统，包括实验光路搭建，测量手段和实验装置中几个重要部分的参数和具体作用。第四部分为飞秒CARS在测温方面的研究，首先分析了分子光谱和分子结构；在详细分析了决定CARS信号强度的主要参量，三阶极化率中各物理量的表达式的基础上，理论计算了氮气，氢气三阶极化率中的各参量。完成了酒精灯，空气，碘样品下的CARS信号探测，作为测温准备实验；对甲烷-空气预混火焰燃烧场的CARS信号强度随探测光延迟时间变化情况进行了理论模拟；并对燃烧场的时间分辨飞秒CARS光谱温度进行了测量。第2章 飞秒时间分辨CARS光谱理论2.1 CARS光强的表达式 频率为、的平面波，由于非线性极化过程，在介质中相互耦合产生频率为的光波。具体的耦合波方程这里不再阐述。 假设产生CARS信号的区域长度是L，且令，可以得到CARS信号在空气中传播L距离后的强度为13： （2.1）其中n1、n2、n3、n4分贝为介质相对于光波频率为、的折射率，而I1、I2、I3为三束入射光波的光强，波矢差为为表示相位失配的量。总极化率表达式为： （2.2）表示非共振极化率（在这里可看成一个常数），是共振极化率，a,b代表不同的能级 (2.3)其中 (2.4) 相位失配反映了信号光和三束光之间的相位的关系，容易知道，当波矢差为零的时候，CARS光强才能达到最大值，称此时满足的条件成为相位匹配条件。满足相位匹配时的CARS信号强度为： (2.5) 可见，CARS信号的强度与入射光的强度、入射光的相互作用长度，以及三阶非线性系数的大小有关。而在一般的气体介质中有，而且一般情况下泵浦光频率为简并的即=，若设信号光的频率为，则(2-37)可以简化为： (2.6) 2.2 飞秒时间分辨的CARS光谱的表达式引入时间变量后，CARS信号强度随时间变化表示式如下14： （2.7）探测光脉冲中心距离时间零点的延迟时间为，探测辐射是高斯型脉冲，且峰值中心为。非共振极化大小与瞬时的泵浦光和斯托克斯光的振幅大小成正比，它也呈高斯型，在=0处有最大值： （2.8） 为常量参数。在计算共振极化时，每个拉曼跃迁i的极化强度与上下能级粒子数差和拉曼散射截面成正比，且随泵浦光和斯托克斯光的共同作用而累加。而且我们假设泵浦光和斯托克斯光具有傅里叶变换极限，使喇曼跃迁在t=0时共振增强。拉曼共振极化为： （2.9） 为参数常量，在泵浦和斯托克斯光的冲击下，由于有拉曼线宽的相移，属于不同拉曼跃迁的极化会随角频率振动和随衰减。对于每个给定温度和气压的拉曼跃迁参量已由Sandia CARS spectral fitting code15给出。其中，1.,为跃迁频率。2.拉曼线宽是转动量子数，绝对温度的函数。对于氮气16： (2.10)3. 为拉曼散射截面，由振动量子数、转动量子数和分子质量M决定。 4. 为混频过程中拉曼跃迁能级和能级之间的粒子数密度差由振动量子数、转动量子数和温度决定。 分子布居数密度： (2.11)其中 是分子振动能量，