[发明专利]一种CARS和TDLAS共线的测温装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种流场参数激光综合诊断系统，特别是涉及利用CARS技术与TDLAS技术联合诊断系统。

背景技术

CARS(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering)技术，即相干反斯托克斯拉曼散射技术。它是一种三阶非线性激光光谱技术，即将泵浦光ω_p和斯托克斯光ω_s以相位匹配角的方式聚焦至探测区域，经与探测介质相互作用并以四波混频方式产生反斯托克斯光(即CARS信号)，通过测量CARS信号的强度及谱线形状来反演探测介质的温度、浓度等参数信息，CARS技术是一个单点测量技术。

图1给出了USED(Unstable-resonator Spatially Enhanced Detection)CARS技术的测量光路及装置原理图。泵浦光ω_p和斯托克斯光ω_s以一定夹角入射至中心带孔的光束整形镜(3)，ω_s激光从光束整形镜(3)中心孔穿过，ω_p激光被光束整形镜(3)反射后由高斯光束变成环形光束以满足USED CARS技术的相位匹配要求。ω_s激光在ω_p激光的环心与ω_p平行传播至入射透镜(4)并聚焦于待测温度场(14)，产生的CARS信号和入射激光经收集透镜(5)形成平行光束到达分束片(13)，大部分ω_s激光和ω_p激光被反射并由吸收池吸收。CARS信号透过分束片(13)并经CARS滤光片(7)滤掉残余的ω_s激光和ω_p激光，然后由耦合透镜(8)聚焦进入CARS探测器(9)。

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)技术，即可调谐二极管激光吸收光谱技术。它是基于二极管激光器的窄线宽和波长快速调谐特性，实现对探测组分的单条或多条吸收线的扫描测量，通过分析吸收谱线的物理参数可实现探测组分的温度、组分浓度、速度等的测量，TDLAS技术测量结果是激光传播路径上的积分值。

图2给出了TDLAS技术的测量光路及装置原理图。二极管激光器发出的激光ω_LD通过光纤准直器(1)准直后穿过待测温度场(14)，经TDLAS滤光片(11)滤除杂散光后由TDLAS探测器(12)接收。

CARS技术的优点是探测精度高，缺点是单点测量、测量重复频率低(约1Hz～20Hz)。TDLAS技术的优点是测量重复频率高(约kHz)，缺点是路径积分测量。目前，为了获得更为全面的探测介质参数信息，通常希望采用CARS技术与TDLAS技术联合探测方法。例如，在燃烧流场温度测量方面，一方面利用CARS技术测量流场中某些关键点的温度信息；另一方面采用TDLAS技术的高测量重复频率特性，实时监测流场的温度变化情况。但是，由于CARS技术与TDLAS技术各自光路特点的限制，两种技术的探测位置并不重合，进而限制了两种技术测量数据的比对及测量结果的分析。

发明内容

本发明就是要提供一种CARS技术与TDLAS技术共线测温装置，解决二者在联合温度测量时探测区域不一致的问题，使TDLAS技术激光穿过CARS技术的探测点，同时降低测量系统的复杂度，使二者共用发射端与接收端。

本发明创造的技术方案如下：

一种CARS和TDLAS共线的测温装置，包括CARS单元、TDLAS单元、输入双色镜、空间滤波片和输出双色镜；

所述的CARS单元包括沿主光路依次共轴设置的光束整形镜、入射透镜、收集透镜、CARS滤光片、CARS探测器，所述的光束整形镜的中心设置有小孔，并倾斜设置在主光路上，待测量温度场设置在入射透镜和收集透镜之间；

TDLAS单元包括光纤准直器、TDLAS滤光片和TDLAS探测器；

所述的输入双色镜倾斜设置在光束整形镜前的光路上，所述光纤准直器设置在输入双色镜之前，所述TDLAS的ωLD激光光束与主光路共轴，所述CARS的ω_s激光由输入双色镜的反射面引入，并从光束整形镜中心孔穿过，所述CARS的ω_p激光由光束整形镜的反射面引入；