基于紫外激光的羟基-平面激光诱导荧光探测研究进展

羟基(OH)是一种广泛存在于燃烧反应过程中的产物,在燃烧诊断技术中,基于羟基的二维空间分布常用于表征火焰的锋面结构,同时羟基也是表征火焰温度、火焰面密度和热释放速率等特征的重要参数。对燃烧火焰中的羟基进行有效探测是探究燃烧动力学演变过程,揭示火焰随机事件产生机理的重要支撑。平面激光诱导荧光(PLIF)技术作为一种光学测量方法,具有时空分辨率高、无干扰、可进行组份选择等优点,已成功用于对本生灯火焰、湍流火焰、旋流火焰和超声速火焰等多种燃烧火焰进行结构观测,为建立燃烧模型提供了重要参考。本文从PLIF探测的基本原理开始,梳理了PLIF技术在燃烧诊断领域的发展历程和研究现状,介绍了基于染料激光、光参量振荡和钛宝石三倍频方式实现的PLIF紫外光源技术,并对不同技术路线的特点进行了讨论,最后对用于OH-PLIF的紫外激光技术发展进行了展望。

用于大尺度模型发动机高频PLIF测量的脉冲串紫外激光系统

针对大尺度模型发动机试验台工作时间短(~百毫秒到秒量级)和激光能量要求高(>1 mJ)的特点,常规的紫外激光系统不能满足发动机燃烧流场精细化测量需求,要求用于高频平面激光诱导荧光(PLIF)测量的紫外激光系统同时满足脉冲串时间间隔短和激光输出能量高,并且系统具有高可靠性和环境适应性。设计了一套用于真实发动机地面试验台高频PLIF测量的脉冲串紫外激光系统,能够获取有效的火焰动力学数据。脉冲串紫外激光系统采用自主研制的脉冲串模式激光器泵浦染料激光器,具备能量监测、波长监测和片光分布监测等功能,可以校正激光参数对测量结果的影响。其中脉冲串模式激光器采用电光调Q、脉冲串模式和MOPA技术,使输出的泵浦激光具有高脉冲能量(~50 mJ@532 nm)、短脉冲宽度(~10.8 ns)和较高的脉冲串频率(20 Hz)。脉冲串紫外激光系统的串时间间隔为50 ms,是国外激光器脉冲串间隔时间的1/200;系统整体转换效率为6%,紫外单脉冲能量为2.95 mJ@283 nm,是国外连续脉冲激光器典型能量值的7倍。为满足发动机地面试验台测量需求,自主集成了工程可用的高可靠性移动式10 kHz PLIF测量系统,具有抗震、防潮和防尘等功能,提升了高频PLIF系统的环境适应能力。国内首次在中国空气动力研究与发展中心的脉冲燃烧风洞上实现了大尺度模型发动机燃烧流场远距离大视场成像测量(~15 cm),获得了高信噪比的氢燃料及乙烯燃料高动态燃烧过程可视化结果。未来可结合光谱图像特征提取与分析方法对其燃烧状态和动态过程开展研究,为发动机复杂流动燃烧机理研究、CFD仿真和发动机设计水平提升提供支撑。

可变远距离荧光激光雷达系统的设计

为了实现对农作物生长状况的监测,结合荧光激光雷达技术的发展趋势,采用了激光诱导荧光技术,搭建了一套适用于农作物监测的荧光激光雷达系统。此系统为了提高系统稳定性及简化系统结构,将激光发射系统与接收光学系统合二为一,通过调节负透镜到卡塞格林系统的位置,可对远距离物体进行激光发射及信号接收。同时为了提高系统稳定性,提出了一种激光雷达系统同轴的校正方法和装置,通过在接收光学系统中加入与视场匹配的二维可调光阑,实现在距离变化场景下的焦距调节难题,增强接收目标信号的探测能力。本研究对荧光激光雷达系统的整体进行搭建并进行同轴性装调,并对叶片的荧光光谱进行测量验证,分别在80 m,100 m,150 m处检测到了叶片主要的荧光特征峰。实验证明,通过同轴性装调之后,获取的荧光信号质量好,系统稳定,在农作物距离变化之后,通过调节系统可直接实现不同距离样品高信噪比荧光测量,为荧光激光雷达系统在农业作物检测方面提供理论和技术支持。

海面溢油激光探测系统及相关算法的研究

激光诱导荧光(LIF)技术是目前较为有效的海面溢油探测技术之一,但基于该技术的油膜厚度反演算法不适用于评估厚油膜(>800μm)。激光方向性强且能量集中,研究已表明其具备评估海面油膜的能力,然而现有探测系统将激光信号作为干扰信号加以抑制或去除。为了重新找回该信号以实现探测海面厚油膜的目的,研究了一种海面溢油激光探测系统并对其协调控制方法进行了探讨,另外,基于此系统建立了一种利用激光反射信号评估海面厚油膜的模型。通过选用原油和白油的混合油(1:50)作为实验油,验证了海面溢油激光探测系统的可行性和油膜厚度评估算法的有效性。

双色平面激光诱导荧光瞬态燃烧场测温实验

在复杂的燃烧流场等试验研究中,平面激光诱导荧光技术(PLIF)被用于特定气体分子浓度分布、火焰构造和温度分布的测量。基于双色激光诱导荧光测温原理,设计了双激发PLIF系统,选取两条合适的OH自由基激励线,定量测量了甲烷-空气预混火焰的二维瞬态温度场分布。实验中,通过对两个激光脉冲功率和激光轮廓分布监控以及双ICCD成像的空间位置校正,提高了测量的精细程度。给出了测量结果,并与稳态燃烧场火焰的热电偶测量结果进行了对比,不确定度优于5%,这种二维瞬态测温技术能够满足超声速燃烧诊断中的应用。

利用平面激光诱导荧光技术测量燃烧场内NO的浓度分布

介绍了平面激光诱导荧光的原理及实验装置,利用可调谐OPO激光器,在甲烷 空气火焰及一些高能燃剂燃烧火焰中测得了NO分子在不同压力、不同燃烧时刻的系列荧光谱线及二维浓度分布,并给出实验结果分析。

OH和CH_2O平面激光诱导荧光同时成像火焰结构

OH和CH_2O平面激光诱导荧光(PLIF)同时成像技术在研究火焰结构和燃烧反应中间产物二维分布等方面能够发挥重要作用。OH的分布被用来表征火焰反应区的结构,而CH_2O的分布则被用来显示火焰预热区的分布。利用OH和CH_2O PLIF同时成像技术研究了甲烷/空气部分预混火焰的结构。从实验系统、光路调节、时序同步、OH A-X(1,0)扫谱、数据采集和处理等方面讨论了PLIF同时成像技术的实验方法。实验结果表明,OH和CH_2O PLIF同时成像能够分别呈现甲烷/空气部分预混火焰反应区和预热区不同形状的瞬时结构;由于反应区在相邻位置的结合,在火焰中能够局部生成新的分裂的预热区。

瞬态流场定量测量中平面激光诱导荧光图像的降噪

研究并评价了单幅荧光图像的降噪方法,以便真实、有效地获得用于瞬态流场测量的荧光图像的流场参数。分析了单幅荧光图像中的噪声来源,根据对双线测温信息提取的影响程度,确定米散射强噪声作为主要的滤波对象。分析了不同数字滤波方法的适用范围,并对丙酮荧光显示的流场图像进行了降噪处理。通过检查荧光图像与滤波处理图像的差值图像中含有荧光图像结构信息的程度评价了降噪效果。比较表明,形态学开运算图像重构滤波方法对荧光图像中米散射强噪声去除效果较好,并可较好地保护图像中原有荧光信息的细节。采用形态学开运算图像重构滤波方法对Q2(11)线与P1(7)线激励甲烷/空气预混火焰获得的荧光图像进行处理,得到了较为平滑的二维温度分布,测量温度在2 000K左右。结果表明,形态学滤波方法在瞬态流场定量测量的PLIF图像降噪处理方面具有一定的应用潜力。

火焰结构的平面激光诱导荧光技术观测

用平面激光诱导荧光 (PLIF)技术测量了烧煤油的酒精喷灯单脉冲激光诱导荧光 ,由平面荧光图可清晰地看到氢氧基与C2、C3 在火焰中的位置 ,同时 ,也看到了煤油火焰由发生、发展到熄灭过程中火焰结构的变化 ;PLIF技术是研究火焰结构的有力工具。

平面激光诱导荧光技术用于快速液-液混合过程温度场测量

利用平面激光诱导荧光技术(Planar Laser Induced Fluorescence,PLIF)研究了毫米尺度流道内,两股不同温度液膜的错流混合过程.根据激光诱导作用下荧光强度的温度依赖特性,可视化地揭示了液-液错流混合区的二维温度场分布.采用温度离析度(Intensity of Segregation,IOS)的概念定量描述了液-液混合的发展过程,分析了不同射流动量比对混合过程的影响.计算了该过程混合区水的总传热系数,与纯湍流作用的总传热系数比较发现,两液膜撞击射流对传热有强化作用,射流动量比是影响其总传热系数的重要因素.

超音速燃烧室氢氧基平面激光诱导荧光测量

用平面激光诱导荧光 (PLIF)技术测量了氢 /空气和煤油 /空气超音速燃烧室氢氧基的荧光以及背景辐射光的图像。实验结果表明 ,PLIF是鉴别对燃烧性能起关键作用的燃料 /空气混合过程的有效手段 ,发现在超音速燃烧室中PLIF氢氧基主要集中在凹腔区域 。

平面激光诱导荧光实验中激励激光的光束整形

分析了激励激光光强分布对平面激光诱导荧光(PLIF)实验中荧光强度的影响。基于柱面微透镜列阵设计了一套激光片状光束匀滑整形系统,并根据PLIF实验的具体要求,通过光线追迹方法优化了系统参数。建立了片状光束整形实验系统,对染料激光进行了匀滑整形,获得了不均匀性<4%的均匀片状光束,满足了PLIF实验所需。在此基础上建立了PLIF实验系统,获得了酒精灯火焰和CH4/air预混火焰中OH的二维荧光分布。

欠膨胀自由射流密度场的丙酮平面激光诱导荧光显示与测量

介绍了利用丙酮平面激光诱导荧光(PLIF)技术测量自由射流密度场的原理,并对两种射流总压下含有丙酮蒸气示踪剂的欠膨胀自由射流的密度场结构进行了显示。所得图像直观地显示了射流的桶状激波和马赫盘等特征信息,从中可以看出射流欠膨胀度主要影响马赫盘以前的流场,射流欠膨胀度越高,则射流直径越大,马赫盘越远离喷口,桶状激波越向外凸出。为检验丙酮PLIF技术测量密度场的精度,对实验流场进行了数值仿真。仿真所得到的密度场结构以及沿射流轴线的归一化密度变化曲线与实验得到的相应结果符合较好。

平面双光子激光诱导荧光技术在高焓气流氧原子测量中的初步应用

基于双光子吸收激光诱导荧光(Two-photon absorption laser-induced fluorescence,简称TALIF)技术,在纯净的高焓流场环境中进行测量,获得氧原子的荧光信号。为了获取更大区域内的流场信息,将激发激光整形成80mm宽的薄片状激光。通过对测试镜头的优化选择和对ICCD参数的合理设置,实现了对距离镜头大于1.2m超远目标的清晰成像。对所获取的荧光图像进行分析,在测试结果中可以清晰地看到超声速流场中在模型头部形成的弓形激波,亚声速流场中氧原子浓度在距头部30~50mm处最强,靠近模型头部处浓度较前方偏弱,这些结果符合实验预期。测试方法将在下一步运用到流场定量测量中。

显示OH浓度分布图像的平面激光诱导荧光技术

用平面激光诱导荧光 (PLIF)技术测量平面火焰炉、狭缝火焰炉的单脉冲激光诱导OH荧光。由平面荧光图可得到氢氧基相对浓度分布和它的宽度。对于扩散火焰 ,高温区在OH带内侧 ;而对于预混火焰 ,二者基本一致。湍流火焰的PLIF图则清晰地显示出火焰面的不规则性。氢氧基的PLIF图像是研究火焰结构和流场的有力工具。

平面激光诱导荧光显示火焰中OH的分布图像

用平面激光诱导荧光技术测量了平面火焰炉、原子气化炉和超声速燃烧室的单脉冲激光诱导OH荧光。由平面荧光图可得到氢氧基相对浓度分布和它的厚度。由超声速燃烧室的OH荧光测量 ,可以看出不同时间OH分布的差别。氢氧基的PLIF图像是研究火焰结构和流场的有力工具。

气相爆轰波反应区结构的平面激光诱导荧光测量

基于平面激光诱导荧光(PLIF)技术对2H_2+O_2+10Ar的预混气体爆轰波反应区结构进行实验研究.采用高浓度的氩稀释有利于减小爆轰化学反应自发辐射光对OH荧光的影响.合理设置PLIF系统、爆轰波和ICCD之间的同步控制触发延时,得到爆轰波阵面附近的OH荧光分布图像.结果表明:诱导激波后反应阵面不是平面且不稳定.荧光图像上能清晰地看到类似拱顶石的结构,它位于两马赫杆之间,以入射激波、剪切层和反应阵面为边界.无论是在马赫杆后还是在入射激波后,OH浓度分布在诱导区末端急剧增加至最大值.随着离开反应阵面的距离增加,OH浓度快速减小.由于爆轰模式和激光片光方向的影响,从PLIF图像上测得的横波间距值较离散,均小于胞格宽度.

激光诱导荧光雷达探测系统仿真研究

激光诱导荧光技术是一种应用广泛的新型遥测技术,为了指导实际激光诱导荧光探测系统的搭建,介绍了荧光检测原理,设计了激光诱导荧光雷达探测系统。以测量水面石油类污染物为例,通过分析激光诱导荧光雷达探测系统中发射系统及接收系统主要参数对系统信噪比的影响,可根据测量条件选择合适的系统参数。在实验室条件下,选用单脉冲能量为50μJ的Nd:YAG激光器,接收视场角0.1 mrad,滤光片带宽60nm的接收系统,可以检验浓度为10个/L的粒子。

芯片毛细管电泳-激光诱导荧光-电荷耦合器件检测系统

采用自组建的芯片毛细管电泳 -激光诱导荧光 -电荷耦合器件 ( CCD)检测系统在数十秒内满意地分离了曙红和荧光素。设计了一种进样、分离电路 ,可以有效地消除进样通道的样品溶液向分离通道的渗漏。解决了由这种渗漏所引起的电泳峰变宽、拖尾等问题。

芯片毛细管电泳激光诱导荧光检测系统的研究

芯片毛细管电泳分析系统在免疫测定、DNA分析和测序、氨基酸和蛋白质分析、生物细胞研究方面有广泛的应用前景。本文介绍了一种芯片毛细管电泳检测系统的设计及其硬件结构和信号处理软件 ,并给出在不同系统条件下的测试结果。