【文章內(nèi)容簡介】 背景的燃燒過程、等離子體反應(yīng)等惡劣環(huán)境下的研究。 飛秒技術(shù)研究的是超短脈沖激光與物質(zhì)的瞬態(tài)相干 作用。近年來，隨著超短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展，幾十個飛秒的光學(xué)脈沖激光在非線性光學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用，飛秒 CARS 在燃燒診斷中的主要應(yīng)用是火焰燃燒溫度的測量。由于 非共振信號限制了該技術(shù)的精度，降低了測溫敏感度。更重要的是，由于高重復(fù)率的不可獲得，這些測量通常都是在低重復(fù)率（ 1020Hz）、高能量的納秒激光下下進(jìn)行的。這種低時間分辨能力阻礙了燃燒場不穩(wěn)定現(xiàn)象的研究。 課題的主要目的是了解在飛秒激光作用下的 CARS 光譜的特性，研究CARS 光譜隨泵浦激光及工作樣品的變化規(guī)律。 通過分析 CARS 信號的產(chǎn)生及其與飛 秒技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的時間分辨特性等特點(diǎn)，得出飛秒 CARS 光譜在燃燒測溫方面的應(yīng)用具有獨(dú)特優(yōu)勢的結(jié)論。 同時，利用飛秒 CARS 光譜技術(shù)進(jìn)行燃燒場中溫度測量研究工作。 飛秒 CARS 光譜的概述 喇 曼效應(yīng) 1928 年，原蘇聯(lián)科學(xué)家 和及印度科學(xué)家 Raman 和 Krishnan 在印度分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用強(qiáng)的單色光源照射某物質(zhì)樣品時，由于分子的散射，在垂直入射光方向觀察到散射光中具哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 有三種不同頻率的光從樣品中發(fā)射出來．其中一條譜線的頻率與入射光頻率 0v 相同；另兩條譜線則對稱地分布在 0v 兩側(cè)，頻率為 vv ??0 , v? 的大小由樣品分子的轉(zhuǎn)動或振動光譜性質(zhì)決定。此種現(xiàn)象被稱為 Raman 效應(yīng)。 Raman 效應(yīng)用圖 11 表示。．設(shè)分子的一系列振動能級的能量為 E0、 E?Ei、?，其中 E0 為分子 基態(tài)能量。在 Stokes 線情形，入射光子 0hv 和分子作用的結(jié)果使分子由 E0 能級躍遷到 Ei 能級，由于分子吸收了Δ Ei＝ Ei－ E0 的能量，光子能量減為 vhvhv ??? 0 (11) 若 ii vhE ??? ，則散射光頻 率 ivvv ?? 0 圖 11 Raman 效應(yīng)示意圖 在反 Stokes 線情形，開始分子處于激發(fā)態(tài) Ei,它和入射光子 0hv 作用的結(jié)果，躍遷回基態(tài) E0，分子能量減少了 0EEE i ??? ,這些能量傳遞給光子，使光子能量增為 iEhvhv ??? 0 (12) 若 ii vhE ??? ，則散射光頻率 ivvv ?? 0 由于激發(fā)態(tài)的分子數(shù)比處于基態(tài)的分子數(shù)少得多，因而伴線 ivvv ?? 0 的強(qiáng)度比伴線 ivvv ?? 0 弱得多，但隨著溫度的升高，處于激發(fā)態(tài)的分子數(shù) Ni按玻爾茲曼分布規(guī)律 KTEEiiieggNN000??? (13) 而增多。 0N 為基態(tài)分子數(shù)。所以反 Stokes 線的強(qiáng)度隨溫度的升高而增加。哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 而 iN 增加時， 0N 的變化不顯著，隨著 Stokes 線的強(qiáng)度不隨溫度而改變。這樣就全面解釋了 Raman 效應(yīng)；反過來，利用 Raman 效應(yīng)可以研究散射物質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)。 CARS 的基本概念 飛秒 相干反斯托克斯喇曼 散射 (Coherent antiStokes Raman Scattering ，CARS)是一種 較為先進(jìn) 的非線性 激光光譜學(xué) 技術(shù) [1]。 當(dāng) 激光脈沖 頻率為 ω1 和 ω2， 它們的頻 率差等于 樣品 分子的喇曼頻率 R?時， 分子振動 即 為共振相干受迫振 動 ，兩束高強(qiáng)度的相干輻射 通過 激發(fā)分子系統(tǒng) 產(chǎn)生 媒質(zhì)極化 就 可以產(chǎn)生出頻率為 2ω1ω2=ω1+ωR 的新的相干輻射 ，即為相干反斯托克斯 喇曼 光譜信號。 相干反斯托克斯喇曼散射由雙頻率入射激光激勵分子躍遷從而產(chǎn)生喇曼譜線，它與三階非線性極化率 χ(3)有關(guān)。 如圖 1示， ω1 和 ω3 簡并的，分別作為泵浦光和探測光， ω2 是斯托克斯光。 ω1ω2ω3ωC A R S21 圖 12 CARS 過程的能級躍遷示意圖 The energy diagram of CARS process 飛秒 CARS 光譜的特點(diǎn) 普通 CARS 光譜的特點(diǎn)有： 好的 方向性 [2]： 由于 CARS 信號是相干混合的，故信號不像自發(fā)散射那樣在 4π立體角內(nèi)發(fā)射，而是在某個由相位匹配條件決定的方向出射，并且具有與激光束同樣小的發(fā)散角。相位匹配條件在強(qiáng)色散的凝聚態(tài)材料，如液體及固體中特別重要，兩束激光 需要以特定的角度在介質(zhì)中相交；而在氣體中由于其色散小，可以采用共線裝置。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 強(qiáng)的抗熒光干擾：由于 CARS 信號的頻率比泵浦光的高，在不存在多光子激發(fā)的情況下，入射激光不會在反斯托克斯頻率處產(chǎn)生熒光信號，這就使得測量到的 CARS 譜免去了一般的光譜測量中常遇見的熒光干擾，具有極高的信噪比。這對于具有強(qiáng)熒光發(fā)射的材料特別有意義。 存在非共振背景信號：由于 CARS 信號的強(qiáng)度由物質(zhì)的三階非線性極化率決定，并且在三階非線性極化率中存在非共振成分， CARS 光譜的形狀將與自發(fā)發(fā)射譜的洛侖茲線型極為不同，非共振背景的存 在將影響 CARS光譜的靈敏度。 收集效率高： CARS 信號是在某個由相位匹配條件決定的方向出射，并且具有與激光束同樣小的發(fā)散角。 由于泵浦光和 Stokes 光的強(qiáng)度都在受激喇曼散射的閾值以下，不會發(fā)生不可控制的不穩(wěn)定性以及譜線競爭效應(yīng)。因而可通過調(diào)諧激光頻率來激勵介質(zhì)所有的振轉(zhuǎn)能態(tài)，獲得喇曼介質(zhì)的全部譜線。 飛秒激光 CARS 光譜技術(shù)具有更短的脈寬和更高的工作頻率，它已被廣泛應(yīng)用于很多方面的研究。相比于以往納秒 CARS 光譜技術(shù)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個 方面 [3]： 飛秒時間分辨 CARS 光譜技術(shù)中可以精確調(diào)節(jié)探測光相對泵浦光的延遲時間，從而減少或排除非共振極化的影響； 因?yàn)闀r間延遲的調(diào)諧精度可以達(dá)到幾飛秒的量級，這樣就減少或排除了 CARS 信號強(qiáng)度在更寬時域內(nèi)抖動的影響，因而減少了測量的不穩(wěn)定性，提高了信噪比； 由于飛秒激光器工作頻率為千赫茲甚至更大的頻率，這樣的條件減少或排除了非極化共振背景和 CARS 振動的影響，大大的簡化了 CARS 光譜模型，提高了光譜測量的效率。 飛秒 CARS 在測溫方面的進(jìn)展 CARS 信號由于具有高的空間、時間分辨率，特別是它還具有類激 光的特性，使其能很容易的從入射光及強(qiáng)散射背景光中分離出來，因此特別適合于強(qiáng)光背景等惡劣環(huán)境下的燃燒診斷研究。飛秒 CARS 最重要的特點(diǎn)就是對于瞬態(tài)信息的捕捉，它在燃燒診斷中的主要應(yīng)用就是對瞬態(tài)燃燒場進(jìn)行溫度哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 測量。通過飛秒 CARS 光譜我們可以獲得處于飛秒時域超快過程的有關(guān)信息，同時可以減少或排除時間零點(diǎn)之外非共振極化信號的影響。實(shí)驗(yàn)證實(shí)利用CARS 光譜測溫的 最高精度可以達(dá)到 3K[4]，測量范圍可以從室溫 (300K)到3000K 以上，因此 CARS 技術(shù)廣泛應(yīng)用于超音速燃燒研究領(lǐng)域。 T. J. Anderson等 與 M. W. Smith 等人 就曾分別對氫燃料超音速燃燒器進(jìn)行了溫度的剖面分布和單脈沖時間分辯的測量。 美國聯(lián)合技術(shù)研究中心是推動 CARS 技術(shù)和應(yīng)用研究發(fā)展的主要機(jī)構(gòu)之一，代表人物是 A. C. Eckbretho。 UTRC 的 CARS 研究始于 1978 年， .Eckbreth 提出了著名的 BOXCARS 相位匹配技術(shù)，并與 J. A. Shirley 等進(jìn)一步將其完善為平面 BOXCARS 和三維交叉布置的折疊 BOXCARS。 平面和折疊 BOXCARS 相位匹配方式的提出，極大地改善了 CARS 的空間分辨能力，并有利 于 CARS 信號與激發(fā)光的分離 ，使得 CARS 成為真正可用的燃燒測量技術(shù)。與此同時， . Eckbreth 還與 R. J. Hall 等共同研究了對氮?dú)狻⒁谎趸己投趸嫉冉M分的 CARS 測量與光譜仿真工作。燃燒流場重要組分的 CARS 光譜仿真模型及方法的提出和完善，為數(shù)據(jù)分析帶來了便利。這一時期是 CARS 技術(shù)本身發(fā)展和完善的初期，這些工作為 80 年代 CARS 的應(yīng)用和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 1980 年前后， . Shirley 和 . Eckbreth[5]等通過對氫氣 /空氣預(yù)混火焰、航空發(fā)動機(jī)燃燒室和渦輪裝置內(nèi)燃燒 流場、多煙塵的燃燒流場以及發(fā)動機(jī)羽流中的溫度測量，演示了 CARS 測量的能力，研究了CARS 技術(shù)應(yīng)用到發(fā)動機(jī)燃燒過程研究的可行性。 1976 年美國代頓系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室的 .Roh 和法國的 J. P. Taran 聯(lián)合提出的 單脈沖寬帶 CARS 技術(shù)，這一技術(shù)的提出使得 CARS 進(jìn)行高時間分辨測量成為可能，具有里程碑式的意義 。 80 年代中期以后，研究在振動和轉(zhuǎn)動溫度的測量光譜參數(shù)的測量以及測量準(zhǔn)確性方面繼續(xù)深入。從那時起至今研究的特點(diǎn)是 :CARS 被廣泛地用于各種測量領(lǐng)域 。當(dāng)然同時也有 CARS 的理論模型和參數(shù)不斷 被修正以及同時測量更多組份等技術(shù)上的進(jìn)步。 1980 年代中期， .Eckbreth 等提出多色 CARS 的概念和方法。多色CARS 技術(shù)提供了同時測量多種組分或同時測量多種參數(shù)的能力，是 CARS技術(shù)的又一 次重大進(jìn)步。 . Anderson 和 .Eckbreth 等使用多色 CARS 同時測量了氫氣 /空氣超聲速燃燒模型中的溫度和氮?dú)?、氫氣和水蒸氣的組分濃度，并與二維 CFD 計算結(jié)果進(jìn)行了對比，比較結(jié)果二者在趨勢上相同。該研究反映了國外在 1990 年代早期 CARS 的最高應(yīng)用水平。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 2022 年，德國馬普 (量子光學(xué) )研究所 M. Motzkus 與瑞士 保羅 謝爾研究所 (Paul Scherrer Institut)的 Paul Beaud 等人率先證明了飛秒 CARS 應(yīng)用于燃燒測溫的可行 性 [6]，次年他們又通過氫氣的時間分辨光譜實(shí)現(xiàn)了 300K1100K 的溫度測量， 測量誤差為 30K[7]。他們還得到了不同壓強(qiáng)下 [11]的信號變化時間分辨譜。 2022 年美國普渡大學(xué)的 Robert P. Lucht 和 Sukesh Roy 等人 [8]用千赫茲45fs 激光器在探測光延遲時間為 500 到 3000 飛秒的時域范圍內(nèi)對 300K 到940K 的溫度進(jìn)行了測定，實(shí)驗(yàn)與理論擬合結(jié)果符合度較高。在此基礎(chǔ)上，他們還討論了氣壓 ()及探針物質(zhì)的濃度 (3%50%)對 CARS 信號的影響，側(cè)面證明了飛秒 CARS 能夠在高氣壓下測量溫度并能保證測量結(jié)果的穩(wěn)定。 2022 年，又將測溫范圍擴(kuò)展到了 15002500K[9]，測量誤差達(dá)到177。 40K。2022 年他們又用 80fs 的泵浦光和斯托克斯光在探測光相對泵浦光和斯托克斯光延遲 2ps 的條件下，通過使用 CARS 信號時間分辨光譜再經(jīng)傅里葉轉(zhuǎn)換的測量方法將可 測溫度范圍在 3002400K 的最高精度提高到 1%%[10]。 法國 LISA 實(shí)驗(yàn)室的 H. Tran 等人也一直在開展 CARS 在高溫高壓條件下的燃燒診斷工作，他們于 2022 年 [11]證明了這種技術(shù)應(yīng)用于 H2N2 混合氣體中測溫的可行性。 國內(nèi)方面對 CARS 測溫的研究也取得不少成果，中科院力學(xué)研究所俞剛研究員、趙建榮研究員、楊仕潤博士通過對模擬靜溫 2022K、靜壓 、總流量 1 公斤／秒和自由飛行馬赫數(shù) 7 的氫／空氣超音速燃燒器中時間平均測量的氮 Q 支 CARS 光譜進(jìn)行線型擬合獲得了燃燒溫度值。對于氫氧 CARS光譜的同時測量，首先在氫／空氣預(yù)混火焰燃燒爐上 進(jìn)行了校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，由氫的 S(5)和 S(6)支線強(qiáng)度比確定的溫度得到了由氮 Q 支 CARS 光譜測量溫度的校準(zhǔn)，而氫的 S(6)支線確定的氫濃度和氧的 Q 支基帶（冷帶） CARS 光譜確定的氧濃度則由氫／空氣預(yù)混平面火焰的局部熱力學(xué)平衡計算得到校準(zhǔn)，溫度和氫氧濃度的校準(zhǔn)誤差分別為 4％、 12％。和 14％。在完成校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)后，將氫氧 CARS 光譜同時測量的技術(shù)應(yīng)用于氫／空氣超音速燃燒的溫度和氫氧濃度的同時測量，并獲得了溫度和氫氧濃度的測量結(jié)果。 2022 年和 2022 年，閏軍等對 CARS 在炸藥測溫中的可行性和方案進(jìn)行了研究 并探 討了氮?dú)獾墓庾V仿真。 2022 年，西安近代化學(xué)研究所的李春喜等利用CARS 測量了雙基推進(jìn)劑燃燒時的火焰溫度。同年，西安核技術(shù)研究所的胡志云、哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 劉晶儒等發(fā)表了固體推進(jìn)劑火焰中 CARS 光譜測量結(jié)果。 2022 年，國防科大耿輝、李麥亮、周進(jìn)在自制的平面火焰爐上對液化石油氣和空氣的預(yù)混火焰進(jìn)行了 CARS 單脈沖測溫。為提高時間分辨率 ,采用寬帶單脈沖