[發明專利]一種CARS測溫方法和裝置

有效

• 申請號: 202110439167.8
• 申請日: 2021-04-22
• 公開（公告）號: CN113155311B
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 宋云飛;于國洋;楊延強
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院流體物理研究所
• 主分類號: G01K11/324
• 分類號: G01K11/324
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 林菲菲

1.一種CARS測溫方法，其特征在于，包括：

步驟S1，獲取延遲時間t1和延遲時間t2的CARS信號強度比隨溫度變化的定標曲線；所述延遲時間t1和延遲時間t2為表征溫度敏感變化特性的特征時刻點；

步驟S2，測量得到延遲時間t1的CARS信號強度和延遲時間t2的CARS信號強度；

步驟S3，根據測量得到的兩個時刻的CARS信號強度計算得到兩個時刻的信號強度比；

步驟S4，根據步驟S3計算得到的兩個時刻的信號強度比，從所述定標曲線中直接讀出對應的溫度值；所述步驟S1中的延遲時間t1和延遲時間t2的約束條件包括：

(1)在時間上避開非共振電子背底以及P支、R支的影響；

(2)延遲時間t1和延遲時間t2對應CARS時域曲線中振動基態信號和振動激發態信號相干強度最大的曲線部分的波峰和波谷；所述步驟S1具體包括：

步驟S11，獲取包含延遲時間t1和延遲時間t2這兩個特征時刻的時域曲線；

步驟S12，采用下式(1)描述所述步驟S11獲取的時域曲線：

式中，I_as表示CARS信號強度，t表示延遲時間；和分別表示振動基態和振動激發態對總信號強度的貢獻，A₀和A₁為比例系數，分別正比于振動基態和振動激發態上的粒子數密度，τ₀和τ₁分別表示振動基態和振動激發態的頻散弛豫時間常數；表示振動基態和振動激發態之間的相干，Δω表示振動基態和振動激發態之間的圓頻率差，表示振動基態和振動激發態之間的相位差；S表示與實驗具體實施環境有關的補充項；

步驟S13，采用式(1)計算得到不同溫度下的延遲時間t1和延遲時間t2的CARS信號強度比值；

步驟S14，根據不同溫度下的CARS信號強度比值擬合得到定標曲線。

2.根據權利要求1所述的一種CARS測溫方法，其特征在于，所述延遲時間t1為3.44ps，所述延遲時間t2為2.88ps。

3.一種CARS測溫裝置，其特征在于，所述裝置用于測量如權利要求1-2任一項所述的延遲時間t1和/或延遲時間t2的CARS信號。

4.一種雙探測CARS測溫裝置，其特征在于，所述裝置用于測量如權利要求1-2任一項所述的延遲時間t1和延遲時間t2的CARS信號，所述裝置包括分束鏡、反射鏡、光學延遲線、消色差透鏡和光譜儀；

第一激光經一分束鏡后被分為第一束光和第二束光，第二激光經另一分束鏡后被分為第三束光和第四束光，四束光分別經過由電控位移臺控制的光學延遲線進行精細控制后，四束光由反射鏡調整至相互平行傳輸，再經消色差透鏡聚焦至待測區域，第四束光和第二束光分別作為CARS過程的泵浦光和斯托克斯光，兩者共同激發N₂分子的相干振動，第一束光和第三束光則同時作為探測光，分別探測延遲時間t1和延遲時間t2的信號強度，探測信號由光譜儀采集；

所述第一激光和第二激光采用飛秒脈沖激光且所述第一激光和第二激光的頻率差和N₂分子2330cm^-1的振動模式共振。

5.根據權利要求4所述的測溫裝置，其特征在于，該裝置采用脈寬小于等于100fs的飛秒激光作為光源；

由光源發出初始激光束，初始激光束被分為兩束，一束作為第一激光，另一束經光學參量放大器調諧波長，使得所述光學參量放大器的輸出波長調諧至第二激光。

6.根據權利要求4所述的測溫裝置，其特征在于，所述第一束光、第二束光和第三束光對應的光學延遲線的電控位移臺最小步長不大于2μm，定位精度優于1μm。

7.根據權利要求4所述的測溫裝置，其特征在于，所述第一束光和第三束光在經過各自對應的光學延遲線延遲控制后通過二向色鏡實現共軸，由此產生兩個不同波長的CARS信號光也將共軸傳播，從而通過光譜儀采集CARS信號光譜。

8.根據權利要求4所述的測溫裝置，其特征在于，四束光分別經對應的光學延遲線控制后的脈沖時序為：

以泵浦光為基準，斯托克斯光和泵浦光在時間上重合；

一束探測光相對泵浦光向后延遲t1時間；

另一束探測光相對泵浦光向后延遲t2時間。