[发明专利]一种基于飞秒激光诱导等离子体测量氨气的装置及方法

说明书

本发明公开一种基于飞秒激光诱导等离子体测量氨气的装置及方法，装置包括待测流场、飞秒激光器、聚焦透镜、光谱仪、ICCD相机和计算机，所述待测流场中设置有NH₃，例如NH3/N2混合气，NH3/空气燃烧火焰。所述光谱仪设置于待测流场的一侧，所述光谱仪和所述ICCD相机均与计算机连接，所述飞秒激光器出射的激光经所述聚焦透镜形成光丝后入射至待测流场。该测量装置简单，测量过程简单便捷，且对待测流场的干扰很小，可以实现封闭及开放流场中NH₃的实时在线测量。

技术领域

本发明涉及飞秒激光光谱技术领域，等离子体领域和气体测量领域，具体涉及一种飞秒激光诱导等离子体光谱技术实现氨气测量的方法。

背景技术

流场的温度、速度、组分浓度及质量流量等参数的精确测量对于发展先进推进系统至关重要。其中，对于流场温度的精确测量有助于提高燃烧效率，降低污染物排放以及优化燃烧过程等。同时，流场温度的精确测量可以为计算流体力学(computational fluiddynamics，CFD)仿真软件模拟提供精确的实验数据支持。目前，对于流场温度测量主要有非光学手段和光学手段。

非光学手段测量流场温度的方法以壁面传感器及侵入式探针为主。随着研究的深入，对实验数据的精度，维度等提出了新的要求，非光学测量手段的局限性日益凸显。如壁面传感器测量温度具有空间局限性；而侵入式探针会破坏流场的结构，扰乱流动，不能真实反映流场的实际情况。

基于激光技术的光学测温手段，拥有非侵入、高精度，多维以及可实时在线测量等优势，已成为流场温度测量的重要手段之一。目前，流场温度测量的光学技术主要有相干反斯托克斯拉曼散射[1](coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)，瑞利散射[2](Rayleigh scattering，RS)，过滤瑞利散射[3](filtered Rayleigh scattering，FRS)，可调谐半导体激光吸收光谱[4](Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy，TDLAS)，平面激光诱导荧光[5](planar laser induced fluorescence，PLIF)等。CARS测温技术已经发展的十分成熟，测量精度高，但测量系统相对复杂，且只能实现单点测量；瑞利散射和过滤瑞利散射测温技术能够获得二维温度场分布，但是测量精度相对较差；TDLAS测温技术成本低，响应速度快，但是该技术是一种路径积分测量方法，不具有空间分辨能力[6]；PLIF技术可以应用在复杂组分条件下温度二维分布测量之中，但是该方法在高压情况下有很大的限制。

[1]Roy S,Kinnius P J,Lucht R P,et al.Temperature measurements inreacting flows by time-resolved femtosecond coherent anti-Stokes Ramanscattering(fs-CARS)spectroscopy[J].Optics Communications,2008,281(2):319-325.

[2]Kampmann S,Leipertz A,K,et al.Two-dimensional temperaturemeasurements in a technical combustor with laser Rayleigh scattering[J].Applied optics,1993,32(30):6167-6172.

[3]Hoffman D,Münch K U,Leipertz A.Two-dimensional temperaturedetermination in sooting flames by filteredRayleigh scattering[J].Opticsletters,1996,21(7):525-527.