[發明專利]一種基于菲涅耳透鏡和CARS光譜對火焰一維掃描測溫的裝置

在審

• 申請號: 201510586166.0
• 申請日: 2015-09-15
• 公開（公告）號: CN105203222A
• 公開（公告）日: 2015-12-30
• 發明（設計）人: 張中華;侯國忠;張志斌;張盛;劉斌;楊宇亮;夏元欽
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01K11/00
• 分類號: G01K11/00;G01J3/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 楊立超

技術領域

本發明涉及對火焰一維掃描測溫的裝置，尤其涉及一種基于CARS光譜對火焰一維掃描測溫的裝置。

背景技術

相干反斯托克斯拉曼光譜(CoherentAnti-StokesRamanSpectroscopy，簡稱CARS)是飛秒科學研究中一種重要的非線性光譜技術，利用飛秒激光脈沖作為泵浦光和斯托克斯光共同作用激發分子的拉曼振動模并通過時間延遲探測光探測被激發的分子拉曼振動模的時間演化，實驗中探測得到的飛秒CARS信號不但能夠反映物質微觀的分子超快動力學過程，而且可以反映分子的宏觀溫度信息，因此飛秒CARS是開展氣體燃燒測溫的一種重要手段。

CARS光譜技術是測量火焰溫度的一種重要的方法，與傳統測溫方式相比具有更高的信噪比。常用的CARS裝置采用固定的普通透鏡，在對火焰進行掃描的時候，需要對整個光路平臺進行移動，操作較復雜，故在一維方向上提出改進，采用兩個可移動透鏡實現一維方向上的掃描。而且使用普通的凸透鏡，會出現邊角變暗、模糊的現象，這是因為光的折射只發生在介質的交界面，凸透鏡片較厚，光在玻璃中直線傳播的部分會使得光線衰減，從而減弱光束的光強。如果可以去掉直線傳播的部分，只保留發生折射的曲面，便能省下大量材料同時達到相同的聚光效果。菲涅耳透鏡就是采用這種原理的，從而可以克服普通透鏡的不足，而且菲涅爾透鏡還能夠消除部分球形像差。

隨著超短脈沖激光技術的發展，幾十個飛秒的光學脈沖激光在非線性光學中得到了廣泛應用，使得研究物質分子的宏觀溫度信息的飛秒相干反斯托克斯拉曼光譜技術成為可能。利用可調諧飛秒激光器系統搭建上述的CARS光譜探測系統，可以用來測繪高溫火焰的溫度分布，從而促使人們加深對燃燒的認識，對于充分燃燒、改進發動機等等有重要意義。

發明內容

本發明為了解決現有的CARS光譜法測量火焰溫度存在信噪比低以及光在凸透鏡中傳播會發生部分光線強度衰減的問題，而提出一種基于菲涅耳透鏡和CARS光譜對火焰一維掃描測溫的裝置。

一種基于菲涅耳透鏡和CARS光譜對火焰一維掃描測溫的裝置，包括：

飛秒激光器1、第一分束片2、第一反射鏡3、第二反射鏡4、第三反射鏡5、第二分束片6、第四反射鏡7、光學參量放大器8即OPA、第一時間延遲裝置9、第二時間延時裝置10、第五反射鏡11、第六反射鏡12、第七反射鏡13、第一可移動菲涅爾透鏡14、火焰發生裝置15、第二可移動菲涅爾透鏡16、光闌17、第八反射鏡18、第九反射鏡19、透鏡20、光纖耦合器件21、光纖22、光譜儀23、CCD陣列探測器24、計算機25；

飛秒激光器1出射的激光，經過第一分束片2分成兩束，其中一束經過第一反射鏡3反射到達光學參量放大器8(OPA)，在保證一定功率輸出的情況下，實現波長的可調諧，之后進入第一時間延遲裝置9，經過反射到達第一可移動菲涅爾透鏡14；另一束經過第二反射鏡4和第三反射鏡5到達第二分束片6，被分成兩束，其中一束經過第七反射鏡13和第六反射鏡12到達第一可移動菲涅爾透鏡14，另一束經過第二時間延時裝置10以及第五反射鏡11反射到達第一可移菲涅爾動透鏡14；三束光束受到第一可移動菲涅爾透鏡14的聚焦作用，聚焦在火焰發生裝置15產生的火焰上的一點，產生CARS信號；CARS信號及三束光束經過第二可移動菲涅爾透鏡16，轉化為平行光，CARS信號通過光闌17選取出來，經過第八反射鏡18和第九反射鏡19兩次反射，到達透鏡20，從而被聚焦到光纖耦合器件21中，通過光纖22接入到光譜儀23上，經過CCD陣列探測器24后，由計算機25進行處理；其中第一延時裝置9、第二延時裝置10、第一可移動菲涅爾透鏡14以及第二可移動菲涅爾透鏡16連接計算機25，由計算機25程序控制精確移動。

本發明包括以下有益效果：

1、采用本發明所述裝置來觀測高溫火焰，信噪比高，能清楚地測繪出高溫火焰的溫度分布，從而促使人們加深對燃燒的認識，對于充分燃燒、改進發動機等等有重要意義。

2、本發明所述裝置由于采用了菲涅耳透鏡，解決了光在凸透鏡中傳播會發生部分光線強度衰減的問題，還能夠消除部分球形像差。

3、本發明所述裝置由于采用兩個可移動菲涅耳透鏡實現一維方向上的掃描，操作簡單，易執行。

附圖說明

圖1為基于菲涅耳透鏡和CARS光譜對火焰一維掃描測溫的裝置的結構示意圖；