[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

说明书

本发明公开了一种测量燃烧场中碳烟颗粒物超快动力学过程的飞秒激光泵浦探测光学系统及测量方法，属于燃烧场光学诊断技术领域，本发明将激光放大器系统产生的中心波长为800nm近红外飞秒激光分束，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267nm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；通过数字延时信号发生器使激光器、光学延迟单元、相机、计算机数据采集程序同步运行，在不同的泵浦探测延时条件下,记录探测紫外光在燃烧场中碳烟颗粒的侧向散射光谱；利用所测散射光谱，获得散射信号强度随泵浦光与探测光时间延迟的动态变化关系，得到燃烧场中碳烟颗粒物超快的动力学信息。

技术领域

本发明属于燃烧场光学诊断技术领域，具体涉及一种测量燃烧场中碳烟颗粒物超快动力学过程的飞秒激光泵浦探测光学系统及测量方法。

背景技术

碳氢化合物在燃料富燃条件下燃烧会产生黑烟，这些黑烟实际上就是高温燃烧场中产生的碳烟颗粒物。时至今日，碳烟颗粒物作为一种重要的添加材料，已经被广泛地应用于橡胶、涂料、感光材料等重要的工业生产当中；此外，燃烧场产生的碳烟颗粒物直接排放到空气中会引发温室效应、光化学烟雾、雾霾等诸多环境问题，与人类的生产和生活息息相关。对燃烧场中碳烟颗粒物超快动力学过程进行测量可以帮助我们进一步理解碳烟颗粒物形成的物理和化学过程，在有效控制碳烟颗粒物的产生，降低能源损耗，减少污染物排放等方面都具有极其重要的影响。

目前国际上针对燃烧场中碳烟颗粒物已经发展了多种诊断技术。外侵方法通常先借助取样技术将碳烟颗粒物从燃烧场中取出，然后再利用显微成像以及化学分析手段来测量碳烟颗粒物的微纳结构和化学成分；非外侵方法，尤其是光学方法是一种无需采样的原位测量技术，具有超高的时间空间分辨能力，例如激光散射光谱技术、激光诱导白炽光技术等。由于碳烟颗粒物在燃烧场中形成是一个快速的物理化学过程并伴随这复杂反应，因此测量碳烟颗粒物的超快动力学过程是十分重要的。然而，目前已报道的碳烟颗粒物动力学测量技术的时间分辨能力仅为纳秒量级。因而，要想获得碳烟颗粒物更多更精细的动力学信息，必须测量在皮秒甚至飞秒量级的动力学过程。

发明内容

为了克服现有技术中存在的只能获得碳烟颗粒物纳秒时间分辨尺度下的动力学信息，本发明的提供了一种测量燃烧场中碳烟颗粒物超快动力学过程的飞秒激光泵浦探测光学系统及测量方法，用于测量燃烧场中碳烟颗粒物的散射光谱随时间演变，从而获得碳烟颗粒物的超快动力学信息，为促进燃烧领域以及碳烟颗粒物形成的反应动力学模型的实验验证提供了切实可行实验工具的基于泵浦探测技术的测量燃烧场中碳烟颗粒物超快动力学过程的方法。

本发明通过如下技术方案实现：

测量碳烟颗粒物动力学过程的飞秒激光泵浦探测系统，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DG535 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。