[发明专利]测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统及方法

权利要求书

1.测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统，其特征在于，包括飞秒激光放大器(1)、分束片(2)、第三高反镜(12)、第四高反镜(13)、第二光学延迟线(14)、第一聚焦透镜(15)、第二聚焦透镜(16)、第三二向色镜(17)、火焰(18)、双凸透镜(19)、光栅光谱仪(20)、信号发生器(21)、计算机(22)、紫外飞秒激光脉冲产生单元(23)；其中，所述飞秒激光放大器(1)输出的近红外飞秒激光经过分束片(2)进行分束，分束产生两束激光，其中能量大的激光光束经过紫外飞秒激光脉冲产生单元(23)得到紫外飞秒激光脉冲作为探测激光光源；产生的探测激光光源依次经过第三高反镜(12)和第一聚焦透镜(15)；能量小的激光光束，则作为泵浦光源，依次经过第四高反镜(13)、第二光学延迟线(14)和第二聚焦透镜(16)；经过第一聚焦透镜(15)的探测激光光源和经过第二聚焦透镜(16)的泵浦光源通过第三二向色镜(17)合束，调整第一聚焦透镜(15)和第二聚焦透镜(16)的位置使泵浦光产生的光丝与探测光的焦点位置重合形成探测紫外飞秒激光；调整火焰(18)位置，使重合后的探测紫外飞秒激光经过火焰，使用焦距为双凸透镜(19)基于2f-2f成像系统对探测紫外飞秒激光的散射光进行成像，光栅光谱仪(20)进行收集散射光谱；信号发生器(21)为光栅光谱仪(20)提供触发信号源，确保飞秒激光脉冲输出与光谱采集之间的同步；通过计算机(22)可实现对第二光学延迟线(14)的控制以及散射光谱的采集与数据存储。

2.如权利要求1所述的测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统，其特征在于，所述飞秒激光放大器(1)为带有振荡器的飞秒激光放大器，输出中心波长为800nm、脉宽为40fs、单脉冲能量为3mJ、偏振方向为水平偏振的近红外激光脉冲，并且将其工作的重复频率设置为500Hz。

3.如权利要求1所述的测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统，其特征在于，所述光栅光谱仪(20)为配有ICCD相机的光栅光谱仪，狭缝宽度为200μm，ICCD相机的门延时设置为-5ns，门宽为20ns。

4.如权利要求1所述的测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统，其特征在于，所述紫外飞秒激光脉冲产生单元(23)包括倍频晶体(3)、第一二向色镜(4)、第一高反镜(5)、二分之一玻片(6)、第二高反镜(7)、第一光学延迟线(8)、第二二向色镜(9)、KDP晶体(10)及窄带滤波片(11)；具体地，分束产生的近红外飞秒激光经过倍频晶体(3)产生400nm飞秒激光脉冲信号，偏振方向为竖直偏振，利用第一二向色镜(4)将基频光和倍频光分开，倍频光经第一光学延迟线(8)后与依次经第一高反镜(5)、第二高反镜(7)调整传播方向后的基频光通过第二二向色镜(9)合为一束后在经过KDP晶体(10)，二分之一玻片(6)位于第一高反镜(5)及第二高反镜(7)之间，旋转二分之一玻片(6)使基频光偏振方向为竖直方向并调节第一光学延迟线(8)使800nm基频激光脉冲和400nm倍频激光脉冲在时空间上重合，以使二者在KDP晶体(10)中达到相位匹配，从而产生267nm紫外飞秒激光脉冲的和频信号，然后再通过窄带滤波片(11)，得到了单纯的267nm紫外飞秒激光脉冲，作为探测激光光源。

5.如权利要求1所述的测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)将波长为800nm的飞秒激光放大器产生的激光进行分束，一束经聚焦透镜聚焦形成光丝作为泵浦光，另一束经过紫外飞秒激光脉冲产生单元，得到飞秒激光脉冲作为探测光，调整激光光路使泵浦光和探测光空间重合并通过测试燃烧场内部；

(2)利用计算机数据采集程序使信号发生器、飞秒激光放大器、第二光学延迟线、ICCD相机同步运行，控制光学延迟线改变泵浦光丝与探测紫外飞秒激光脉冲二者之间的时间延迟，并同步测量每个时间延迟下探测秒激光脉冲在燃烧场中碳烟颗粒的侧向散射光谱；

(3)利用所测散射光谱，提取在不同的光学延时下的紫外光散射信号强度，从而得到探测光的散射信号随泵浦光与探测光时间延迟的动态变化关系；散射信号强度与燃烧场中碳烟颗粒的状态有关，因此可以得到燃烧场中碳烟颗粒物的超快动力学信息。