飞秒相干反斯托克斯拉曼散射光谱测温研究进展

当今世界大约90%的能量供应都是由燃烧生成的。在燃烧场中,火焰的温度影响着场中各种组分链式反应的途径和浓度,获取燃烧场温度信息可以为提高燃料燃烧效率,改进燃烧装置的设计提供重要的支撑依据。随着我国在航空、航天和航海这类高端制造业领域的不断发展,各种大型燃气轮机和超声速发动机的研发进入加速期,此类燃烧装置产生的火焰具有高温、高压、湍流超声速和持续时间短等特点。传统的接触式测温法难以对这类湍流燃烧场进行温度测量,近年以激光光谱法为代表的非接触式测温技术逐渐走向成熟,并获得了广泛地应用。与超短脉冲相结合的飞秒相干反斯托克斯拉曼散射光谱测温技术凭借可提供高时间分辨率(每秒可提供上千个测温数据)、高测温精度和高测温灵敏度等优势而被应用到各种高温、湍流等复杂燃烧场景温度诊断中。文章概述了飞秒相干反斯托克斯拉曼散射测温技术的基本原理,综述了该技术在稳态火焰、加热气体、模拟燃气轮机等燃烧环境中测温工作的研究进展,简要介绍了飞秒时间分辨相干反斯托克斯拉曼光谱的研究和应用,着重介绍了可以实现毫秒量级时间分辨率的飞秒啁啾探测脉冲相干反斯托克斯拉曼散射测温技术和混合飞秒/皮秒相干反斯托克斯拉曼散射测温技术的基本原理和应用进展。指出了三种测温技术的优缺点,并提出飞秒相干反斯托克斯拉曼散射测温技术目前需要关注并解决的技术问题,主要为在高温高压湍流燃烧等极端条件下实现高精度CARS光谱高保真反演出温度信息,以及高温高压湍流燃烧场极端条件下如何获得高信噪比CARS信号的问题。展望了今后的发展趋势:通过高时间分辨的测量,获得湍流火焰中温度的瞬时演化规律,并建立各种复杂火焰的温度演化信息数据库,为研究各种发动机机理提供支撑。

非平衡等离子体流场相干反斯托克斯拉曼散射光谱计算及振转温度测量

高温非平衡问题是高超声速流动中最基本的科学问题之一,而热力学非平衡特性的准确表征是理解高温非平衡问题和高超声速空气动力学的基础,如何准确可靠地表征流场的热力学非平衡特性是解决高超声速飞行器在稀薄流域高温非平衡问题的关键.本文基于相干反斯托克斯拉曼散射基本原理,开发了面向非平衡流场的振转温度反演算法,并在宽温度范围静态环境开展验证.搭建了非平衡等离子体流场相干反斯托克斯拉曼散射测温实验平台并开展实验验证,结果表明微波等离子体处于热力学非平衡状态,并且振动温度和转动温度与微波功率成正比,而热力学非平衡度与微波功率成反比,当微波功率从80W增加至180 W时,等离子体电子数密度增加,中性粒子通过与电子碰撞获得能量使振动温度从(2201±43)K增加至(2452±56)K、转动温度从(382±20)K增加至(535±49)K;而处于振动激发态的分子通过振动-平动弛豫过程(对于N2分子弛豫速率与温度成正比)将部分振动能转化为平动能,导致振动温度与转动温度的差异降低,等离子体热力学非平衡度从0.83降低至0.78.

锥形微纳光纤激发相干反斯托克斯拉曼散射光谱研究

从数值仿真和实验测量方面验证了使用锥形微纳光纤代替聚焦物镜产生相干拉曼散射信号的可行性。通过数值计算以及实验测量分析了超短脉冲在锥形微纳光纤中的传输特性,证明锥区长度为5cm的锥形微纳光纤可以有效保证超短脉冲在其中传输时的时域和谱域特性,并且功率衰减较小,850~1100nm波长范围内的实测插入损耗最大值不超过1.05dB,平均值0.84dB。然后,使用锥形微纳光纤成功探测到环己烷在2853cm^(-1)位置处的拉曼共振峰,证明了使用锥形微纳光纤激发相干拉曼光谱的可行性。使用锥形微纳光纤激发相干拉曼光谱具有信号激发灵活方便,摆脱了传统空间光学的约束,为相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)系统在内窥成像领域和微创检测领域的发展提供了一种新的途径。

在Na_2(A^1∑_u^+)与H_2碰撞中的相干反斯托克斯拉曼谱研究

利用相干反斯托克斯拉曼谱(CARS)分析了H2在与Na2(A1∑+u)碰撞后的振转态布居数分布。扫描CARS表明了在能量转移过程中H2在V=1,2,3振动能级上得到布居。由扫描CARS的峰值得到2个可能的布居数比值,通过解速率方程组及时间分辨CARS轮廓模拟,确定实际的布居数比n1/n2为1.82,得到了在能量转移中H2在V=1,2,3振动能级上的布居数之比为0.53:0.30:0.17。平均转移能量分配的相对值〈ft〉,〈fv〉,〈fr〉分别为0.51,0.46,0.03,能量主要配置在振动和平动上,支持Na2-H2的直线式碰撞传能机制。

二溴甲烷相干反斯托克斯拉曼光谱的选择激发增强研究

采用基于遗传算法(Genetic algorithm)的自适应反馈系统,成功实现了二溴甲烷多个拉曼振动模式的选择激发.通过脉冲分析方法(二次谐波频率分辨光谱开关和二次谐波交叉频率分辨光谱开关)(SHG-FROG和SHG-XFROG),在时域和频域上对优化脉冲进行还原和分析,结果表明:空间光学调制器(SLM)将优化脉冲调制成具有负啾啁特性的脉冲串。该选择激发实验的成功实现验证了相干控制自适应系统在研究复杂分子系统方面具有良好的应用前景。

液相硝基甲烷分子振动特性的相干反斯托克斯拉曼散射光谱

构建时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光谱系统,从微观层次研究硝基甲烷的分子相干振动动力学特性.实验中采用超连续白光作为斯托克斯光,通过调整斯托克斯光的时间延迟,得到不同振动模式的CARS光谱.通过对振动弛豫曲线的拟合,获得硝基甲烷分子不同振动模式的振动失相时间.结果表明C-H键伸缩振动比C-N键伸缩振动更容易受热声子的影响.在热加载下,硝基甲烷分子的C-H键有望首先被激发并引起初始化学反应.

相干反斯托克斯拉曼及相干反斯托克斯超拉曼光谱微观极化率张量元的简化方案-C_(∞v)对称性

相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)和四阶相干反斯托克斯超拉曼光谱(CAHRS)广泛应用于分子界面和生物膜表面的研究。然而,高阶非线性光学过程中分子微观极化率张量元数量众多,关系复杂,使研究者对CARS和CAHRS很难进行定量分析。采取以下方案对属于C_(∞v)对称性的分子基团的CARS和CAHRS的微观极化率张量元进行简化。首先将CARS微观极化率张量元β_(i′j′k′l′)表示成拉曼微观极化率张量元微分α′_(i′j′)的乘积,CAHRS微观极化率张量元β_(i′j′k′l′m′)表示成超拉曼微观极化率张量元微分β′_(i′j′k′)和拉曼微观极化率张量元微分α′_(i′j′)的乘积,再利用α′_(i′j′)之间的比值及β′_(i′j′k′)之间的比值得到β_(i′j′k′l′)和β_(i′j′k′l′m′)之间的比值。使用这些CARS和CAHRS微观极化率张量元之间的关系,能够得到CARS和CAHRS光谱的广义取向泛函及其广义取向参数,进而对界面分子取向信息进行定量分析。

甲醇溶液相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)的选择激发

利用飞秒自适应脉冲整形相干控制技术成功实现了甲醇溶液中甲基对称(v_S(CH_3)2832 cm^(-1))和反对称(v_(AS_(CH_3)2948cm^(-1))振动能级相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)的选择激发。为了进一步探究双光束飞秒CARS光谱实现选择激发的机制,采用二次谐波频率分辨光学开关(SHG-FROG)测量方法对整形前后的泵浦激光脉冲进行了探测。SHG-FROG痕迹结果显示裁剪泵浦光中的有效频段可实现飞秒CARS的选择激发。研究表明飞秒自适应脉冲整形相干控制技术对于复杂分子系统飞秒CARS的选择激发研究具有非常重要的科学意义。

相干反斯托克斯拉曼及相干反斯托克斯超拉曼光谱微观极化率张量元的简化方案-C3v对称性

相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)和四阶相干反斯托克斯超拉曼光谱(CAHRS)已经广泛应用于分子的光谱特性、肿瘤细胞的结构及分子反应动力学等问题的研究。对这种复杂的高阶非线性光谱进行定量分析所面临的主要难题是高阶非线性光学过程中分子微观极化率张量元数量众多,关系复杂。在前期报道的C∞v对称性分子基团的CARS和CAHRS的微观极化率张量元简化方案的基础上,对分子对称性更加复杂的C3v对称性的分子基团的CARS和CAHRS的微观极化率张量元进行简化,为定量分析C3v对称性分子基团的CARS和CAHRS光谱信息提供必要的理论基础。首先将CARS微观极化率张量元βi′j′k′l′表示为拉曼微观极化率张量元微分α′i′j′的乘积,CAHRS微观极化率张量元βi′j′k′l′m′表示为超拉曼微观极化率张量元微分β′i′j′k′和拉曼微观极化率张量元微分α′i′j′的乘积。用α′i′j′和β′i′j′k′之间的比值关系简化βi′j′k′l′和βi′j′k′l′m′之间比值。对于C3v对称类型分子基团的对称振动模式A1,9个非零且3个独立的CARS微观极化率张量元可以用α′i′j′之间的1个比值参数R^RSS进行描述,21个非零且6个独立的CAHRS微观极化率张量元可以用α′i′j′之间及β′i′j′k′之间的3个比值参数R^RSS,R^HRSS,1和R^HRSS,2进行描述。然后利用键极化加和模型方法,通过计算C3v对称性分子基团中的各个单键与单键之间的耦合关系,得到C3v对称性分子基团的对称伸缩振动模式A1所对应的所有超拉曼微观极化率张量元微分β′i′j′k′分量的比值,结合文献中给出的拉曼微观极化率张量元微分α′i′j′分量的比值,进一步简化C3v对称性分子基团CARS和CAHRS微观极化率张量元之间的关系。从这些简化了的CARS和CAHRS微观极化率张量元之间的关系,可以进一步简化CARS和CAHRS信号及广义取向泛函RIJK(θ)的表达式,得到RIJK(θ)随界面分子基团取向角度θ的变化规律。此外,也详细推导了C3v对称性分子基团对射式实验构型CAHRS过程的强度因子dIJK、广义取向泛函RIJK(θ)及广义取向参数c2和c4的表达式,为定量分析界面分子取向信息奠定了理论基础。

二溴甲烷相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）的选择激发

相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）由于信号强度符合无损伤探测等特点，已经日益在生物显微成像、燃烧诊断等领域得到广泛应用。而影响CARS进一步应用的障碍在于非共振信号以及所要激发振动模式周围的能级的干扰。因此要实现对某一振动能级精确激发，或提高拉曼光谱的分辨率，对振动模式的选择激发是非常必要的。

相干反斯托克斯拉曼光谱的实验构型分析

通过相干光学的能量守恒和动量守恒理论,研究分析了相干反斯托克斯拉曼光谱和相干反斯托克斯超拉曼光谱信号出射角随两个入射光频率及角度的变化规律,并通过LabVIEW软件对规律进行了模拟。结果表明,共向式实验构型时,允许的入射光角度过大或过小不利于实验搭建,且出射信号角度变化范围太大不利于收集;而对射式的实验构型时,允许的入射光角度合适利于实验搭建,且便于采集出射信号。研究方法已在二阶非线性光谱学的实验中得到很好的运用,结果对于三、四阶非线性光谱学的实验构型选择具有指导性的意义。

基于相干反斯托克斯拉曼散射的二维温度场扫描测量

开展了基于相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)技术的二维温度场扫描测量研究。通过同步扫描测量点及信号接收端的方式,实验测量了甲烷/空气预混火焰水平截面离散点的温度,并插值重建了二维温度场;用同步扫描法调节测量点与火焰的位置,实现了在扫描过程中对火焰同一空间位置的温度测量,排除了火焰空间分布不均匀性对扫描测温结果的附加影响。最后分析了提出的扫描CARS测量系统在实验设定状态下的扫描测温A类不确定度。结果显示:在扫描测量同一空间位置的实验中,测得该点平均温度为2 074K;测温A类不确定度优于21K。本研究量化了扫描CARS温度测量系统的不确定度,提高了扫描温度测量结果的可信度,为后续稳态火焰温度分布高精度测量、计算机流体动力学(CFD)模拟验证及燃烧基本问题研究奠定了实验基础。

相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术研究

基于全量子理论对相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)过程进行了分析,在此基础上搭建了单频CARS显微成像系统,获得了不同尺寸聚苯乙烯微球高对比度的CARS显微图像.为了标定成像系统的空间分辨率,采用逐点扫描方式对直径为110 nm聚苯乙烯微球成像,从而重构出系统的点扩展函数.结果表明:该CARS显微成像系统的横向空间分辨率约为600 nm,而由阿贝衍射极限决定的理论空间分辨率约为300 nm.分析了导致分辨率降低的原因,并提出了解决方案.为实现纳米分辨的CARS显微成像打下了坚实的基础.

近海微塑料含量的相干反斯托克斯拉曼光谱成像研究

由于塑料工业的发展,微塑料成为一种主要的环境污染物。它在自然界中不易降解,对人类的生存环境及健康都存在不可忽视的潜在危险。因此,环境中微塑料的检测和分析,成为了近年来研究的热点问题。目前人们大多数采用浮选法、密度分离法、离心法等方法提取微塑料,然后放在显微镜下进行目视观察,并结合拉曼光谱分析、傅里叶红外光谱分析、高光谱成像等方法进行分析鉴别,这些方法需要较长时间的等待或预处理,且易受主观因素的影响。因此提出一种快速、准确鉴别环境中是否含有微塑料的技术是必要的。相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光谱成像技术是一种基于化学键振动的非侵入性、非破坏性且无需特殊标记的实时成像方法,由此提出使用多通道图像采集(含有白光通道成像及CARS光谱成像)的方法快速、准确鉴别环境中微塑料的分布。将直径为10μm的聚苯乙烯微球掺入到收集的海水及沙子中,模拟被微塑料污染的海水及沙子,在不作任何处理的情况下对海水及沙子进行多通道图像采集。通过多通道图像采集可以快速直观地检测到海水中聚苯乙烯微球的分布。在对沙子中的聚苯乙烯微球进行多通道图像采集的同时,采用拉曼光谱检测与之对照。在拉曼光谱检测中,聚苯乙烯微球的信号易受沙子荧光信号干扰,且只有在激光聚焦在聚苯乙烯存在的位置时,才能检测到微弱的信号。在多通道图像采集检测中,可以看到沙子中存在的聚苯乙烯微球,且采用形态学分析中先腐蚀后膨胀的开运算算法同时结合中值滤波的算法后,可以实现突出显示聚苯乙烯信号的目的。多通道图像采集可以在无任何预处理的情况下检测出海水及沙子中的微塑料,具有快速简便的优势,对实现环境中微塑料的检测具有一定的潜在应用价值。

时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中光的干涉

时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中的泵浦光和探测光采用同一波长,可以很大程度上降低成像系统对光源的要求。采用振幅矢量叠加法理论上计算了波长相同的两束光经由物镜产生的双光束干涉,分析了产生的CARS信号强度波动的原因,并提出通过调整泵浦光与探测光的偏振方向相互垂直的方案消除干涉项,这样可以实现时间分辨CARS消除非共振背景的同时,保证产生的信号稳定。

基于超连续谱光源的相干反斯托克斯拉曼散射成像理论与实验可行性研究

将超连续谱光纤激光器引入到相干反斯托克斯拉曼散射成像系统,以解决当前相干反斯托克斯拉曼散射成像系统造价昂贵、体积庞大的问题。首先分析了基于超连续谱光源的相干反斯托克斯拉曼散射成像理论及其影响因素;接着搭建了一套基于超连续谱光源的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统,并进行了成像性能测试。在物镜、功率、浓度等不同影响因素的情况下,系统测试的实验结果与数值仿真结果具有高度一致性,验证了基于超连续谱光源的相干反斯托克斯拉曼散射成像理论与实验的可行性。

利用时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射技术研究光催化产氢反应动力学

基于飞秒再生放大器及飞秒光学参量放大器输出的激光脉冲,搭建了宽带时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测试装置,并利用该装置研究了氢气与空气混合气体中氢气的相对含量,探测相对延时与CARS光谱之间的关系.通过调整延时,获得了无非共振背景干扰的氢气CARS信号.实验中测得的CARS信号强度与氢气浓度(分压)的平方呈良好的线性关系,符合CARS理论预测.同时测得的实验数据的信噪比表明:在当前的实验条件下,在氢气与空气混合气的总压为0.1MPa时,该装置可以对氢气的浓度进行测量,且其检测极限可低至0.2%.本文还利用该装置对三联吡啶苯乙炔Pt配合物-Co配合物-三乙醇胺(TEOA)的三元化学催化体系的产氢动力学行为进行了研究,通过改变pH值讨论了该催化体系的产氢动力学机制.结果表明过高的质子浓度会降低体系的产氢效率,这可能是因为在酸性条件下,作为质子和电子供体的三乙醇胺分解被抑制,电子供应中断,导致产氢反应的停止.

相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术及其在生物医学领域的应用

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)成像技术是一种具有高信号强度、高化学选择性、无需外源标记的显微成像新技术。本文在简介CARS成像基本原理的基础上,综述了CARS显微成像技术的发展、与其它技术相结合等研究新方向,以及在生物医学领域的应用进展。

宽带相干反斯托克斯光谱显微成像技术的实验研究

由于该成像系统采用的超连续谱光源,可以满足所观测样品本源分子在0~4 000cm-1内的所有拉曼振动活性模式同时共振增强,在探测光的作用下,同时产生宽带相干反斯托克斯拉曼散射信号。然后,根据不同的化学键进行光谱图像重构,可以获得反映不同化学键在样品中的分布的图像。对110nm的纯的聚苯乙烯珠所形成的具有一定厚度的薄膜,通过改变探测激光与超连续谱脉冲之间的时间重合度,测量形成的相干反斯托克斯拉曼散射信号的时间分布迹线图,通过其中的1 000cm-1的化学键强度信号进行指数衰减曲线拟合,得出具体的退相时间,与文献中已报道的三色CARS的退相时间相比,判断是否属于三色CARS。为了检验系统在实际生物学成像中存在的问题,我们开展了活体小鼠组织生物学应用成像实验,对记录的数据在2 940cm-1的CARS信号进行图像重构,获得CH化学键在组织中的分布,然后,对重构图像直接使用小波变换的去噪方式进行图像去噪,去噪后的图像具有比较清晰的轮廓,结果表明,对于对比度比较强的CARS共振信号,直接使用小波变换的去噪方式就可以获得比较好的图像效果。但是,对于信噪比比较差的共振信号,使用这种处理方法是不合适的,需要使用别的方法,先获取好的信号对比度,再根据感兴趣的化学键进行图像重构,然后,再经过小波变换对图像去噪,图像不仅会变得清晰平滑,而且,具有较好的视觉感官效果。

基于混合飞秒/皮秒相干反斯托克斯拉曼散射的动态高温燃烧场温度测量

温度测量对燃烧过程中的污染控制与节能减排具有重要意义,而实际应用中复杂的动态高温燃烧场对温度测量技术的测量精度与响应速度提出了严格的要求.相干反斯托克斯拉曼散射技术作为一种较为先进的光谱测温技术,具有较高的空间分辨率,可以在高温环境下实现准确的温度测量,具有应用于复杂燃烧场的潜力.针对复杂的动态高温燃烧场的测温需求,本文提出了一种基于二次谐波带宽压缩方法的混合飞秒/皮秒相干反斯托克斯拉曼散射测温方法,实现了对动态高温燃烧场温度的准确测量与动态响应.实验中利用标准燃烧器模拟了1700—2200 K温度范围内的动态高温燃烧场,利用该测温方法,以千赫兹的光谱采集速率,对模拟的动态火焰的温度进行了连续70 s测量.测量结果显示,该方法在高温下温度测量的相对误差小于1.2%,相对标准偏差小于1.8%,同时能动态追踪0.2 s内的温度变化过程,验证了该方法测温的准确性、稳定性以及响应速度,为复杂的动态高温燃烧场的温度测量提供了一种新的测量方案.