一种三维激光拉曼散射光谱测量系统技术方案

一种三维激光拉曼散射光谱测量系统属激光燃烧诊断技术领域，本发明专利技术中脉冲激光器系统置三维面聚焦光学系统正左方，其与45度反射镜在同一中心线上，且与三维面聚焦光学系统中心线垂直相交，脉冲延迟发生器同步输出端与激光控制器的泵浦灯外触发输入端连接；脉冲延迟发生器同步输出端与电机控制器的电机控制输入端连接；脉冲延迟发生器同步输出端与拉曼ICCD相机外触发输入端连接；拉曼ICCD相机外触发输出端与激光控制器Q开关外触发输入端连接；拉曼ICCD相机数据输出端与拉曼ICCD相机采集卡数据输入端连接，面聚焦片光体光学器在三维燃烧场中形成三维面聚焦片光体组；本发明专利技术可实现燃烧场中多物种组分、组分摩尔分数和温度的三维精准位置上的定量测量。

【技术实现步骤摘要】
一种三维激光拉曼散射光谱测量系统
本专利技术属激光燃烧诊断
，具体涉及一种三维激光拉曼散射光谱测量系统。
技术介绍
高效清洁安全燃烧是人类重要的研究课题之一。无论是在发动机(包括航空航天发动机、交通运输发动机等)、供电供热的煤系统和燃气轮机中，还是在基础研究用的各类燃烧器中的燃烧，都需要通过各种先进的燃烧诊断技术手段来探索进一步改善燃烧状况的途径和方法。由于一些燃烧体系的封闭性、瞬态性、爆炸恶劣性等问题，目前人们一般采用各种激光燃烧诊断技术来检测燃烧过程。通过这些技术可以直接观测到燃烧场燃烧状态，实现燃烧场温度、组分及组分浓度、流度和火焰结构等高时空分辨的精确测量，为燃烧理论数值模拟计算提供实验验证。通过激光自发振动拉曼散射物种光谱测量，可以实现复杂燃烧环境下的主要物种的浓度(摩尔分数)和区域温度的检测，并具有测量的非接触性、多物种测量同步性、定量性、时间(纳秒级)和空间(毫米级)分辨能力。目前它已经广泛应用于如发动机燃烧室内或某封闭或大气环境下的各种燃烧体系内。通过同步测量具有拉曼活性的气态物种(氮气、氧气、二氧化碳、碳氢燃料、氢气、一氧化碳等)的自发振动斯托克斯拉曼光谱信号，来获得气体摩尔分数，并由氮气的自发振动斯托克斯和反斯托克斯拉曼光谱信号，来获得局部空间上的温度。这些光学测量结果与数值模拟计算结果互相验证和补充，为燃烧理论和燃烧试验提供基础数据。但目前这项技术一般应用于燃烧场中某区域的点(直径约为1mm(毫米)左右)或线(直径约1mm左右，长约几十毫米)或面(长约几十毫米、宽约1mm和高约几十毫米)上的拉曼光谱成像测量，要想得到三维燃烧场空间的全部光谱信息，需要通过手工移动激光聚焦点或线或面的激发区位置，最后再按点或线或面上的矩阵数据整合处理来形成燃烧场整体物理量信息。这样首先存在测量效率低的问题，其次很难保证点与点之间或线与线之间或面与面之间的等间距，也造成了测量的非实时性问题，即燃烧场测量信息不同步问题。这种光学测量方式下得到的时空分辨率上的偏差又很难与数值模拟的计算结果相比对。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用三维激光拉曼散射光谱测量技术，首先将原始点光源激光线经过由精密微角度高速电机驱动的可旋转的反射镜，反射进入面聚焦片光体光学器中，在燃烧场环境中形成激发面，激发出的各物种拉曼光谱由具有不同波长的物种滤光片组和拉曼ICCD相机完成面阵成像。电机驱动旋转反射镜到下一个角度位置，在激发区形成的激发面与上一个角度位置上的激发面平行且尺寸相同，完成同样的面阵成像。以此类推，通过逐步旋转反射镜，在燃烧场中形成高时空分辨的互相平行且尺寸相同的一系列面聚焦激发面，再由拉曼光谱成像系统同步成像，实时燃烧场三维空间上的物种摩尔分数和温度定量测量。本专利技术由脉冲激光器系统Ⅰ、拉曼光谱面成像系统Ⅱ、三维燃烧场Ⅲ、工控机Ⅳ、三维面聚焦光学系统Ⅴ和脉冲延迟发生器1组成，其中脉冲激光器系统Ⅰ、拉曼光谱面成像系统Ⅱ、三维燃烧场Ⅲ、工控机Ⅳ、三维面聚焦光学系统Ⅴ和脉冲延迟发生器1置于同一光学平台。脉冲激光器系统Ⅰ置于三维面聚焦光学系统Ⅴ的正左方，脉冲激光器系统Ⅰ的水平中心线与三维面聚焦光学系统Ⅴ中45度反射镜24的水平中心线在同一条左右水平中心线Ⅰ4上，左右水平中心线Ⅰ4与三维面聚焦光学系统Ⅴ中的前后水平中心线26互相垂直相交。三维燃烧场Ⅲ置于拉曼光谱面成像系统Ⅱ的右方和工控机Ⅳ的左方,三维燃烧场Ⅲ中的三维面聚焦片光体组2置于三维面聚焦光学系统Ⅴ中面聚焦片光体光学器19的正后方。脉冲延迟发生器1置于脉冲激光器系统Ⅰ和拉曼光谱面成像系统Ⅱ之间。所述的脉冲延迟发生器1上设有同步输出端口Ⅰk、同步输出端口Ⅱl和同步输出端口Ⅲm。脉冲延迟发生器1的同步输出端口Ⅰk经专用电缆与脉冲激光器系统Ⅰ中激光控制器3的泵浦灯外触发输入端口o连接；脉冲延迟发生器1的同步输出端口Ⅱl经专用电缆与电机控制器23的电机控制输入端口t连接；脉冲延迟发生器1的同步输出端口Ⅲm经专用电缆与拉曼光谱面成像系统Ⅱ中拉曼ICCD相机9的外触发输入端口p连接；拉曼光谱面成像系统Ⅱ中拉曼ICCD相机9的外触发输出端口q经专用电缆与脉冲激光器系统Ⅰ中激光控制器3的Q开关外触发输入端口n连接；拉曼光谱面成像系统Ⅱ中拉曼ICCD相机9的数据输出端口r经专用电缆与工控机Ⅳ中拉曼ICCD相机采集卡16的数据输入端口s连接。三维面聚焦光学系统Ⅴ中的面聚焦片光体光学器19在三维燃烧场Ⅲ中形成三维面聚焦片光体组2，三维面聚焦光学系统Ⅴ中的激光束Ⅱ17形成面聚焦激发区域abcdefghij，即形成面聚焦片光体ⅠZ1，三维面聚焦光学系统Ⅴ中的激光束Ⅲ18形成面聚焦片光体ⅡZ2，三维面聚焦光学系统Ⅴ中的激光束Ⅳ20形成面聚焦片光体nZn。面聚焦激发区域abcdefghij中：线Aaf和线Bbe相交于点Ⅰi，线Cch和线Ddg相交于点Ⅱj，长方形面Ⅰabcd和长方形面Ⅱefgh平行且相等，并与物种滤光片组12平行，左右水平中心线Ⅱ13与长方形面Ⅰabcd、长方形面Ⅱefgh和线Eij的中心相交；长方形面Ⅲbcgf与长方形面Ⅳadhe平行且相等，并与长方形面Ⅰabcd和长方形面Ⅱefgh垂直；长方形面Ⅰabcd、长方形面Ⅱefgh和线Eij的中心与三维面聚焦光学系统Ⅴ中的前后水平中心线26垂直相交。所述的脉冲激光器系统Ⅰ由激光控制器3、激光发射器5、偏振片6和激光脉冲展宽器7组成，激光发射器5、偏振片6和激光脉冲展宽器7自左至右顺序排列，激光控制器3经专用电缆与激光发射器5连接，激光控制器3上设有Q开关外触发输入端口n和泵浦灯外触发输入端口o。激光发射器5的激光出口、偏振片6的中心和激光脉冲展宽器7的出口在同一条左右水平中心线Ⅰ4上，激光脉冲展宽器7的出口出射的激光束Ⅰ8与左右水平中心线Ⅰ4重合。所述的拉曼光谱面成像系统Ⅱ由拉曼ICCD相机9、成像镜头10、激光滤光片11和物种滤光片组12组成，拉曼ICCD相机9、成像镜头10、激光滤光片11和物种滤光片组12自左至右顺序排列，其中拉曼ICCD相机9上设有外触发输入端口p、外触发输出端口q和数据输出端口r，物种滤光片组12由六个不同中心波长的滤光片组成；拉曼ICCD相机9、成像镜头10、激光滤光片11和物种滤光片组12的中心在同一条左右水平中心线Ⅱ13上。所述的三维燃烧场Ⅲ由燃烧场环境和三维面聚焦片光体组2组成，燃烧场环境为任何一种燃烧体系，三维面聚焦片光体组2由分时形成的自左至右排列的n个面聚焦片光体ⅠZ1、面聚焦片光体ⅡZ2....面聚焦片光体nZn组成。所述的工控机Ⅳ由显示器14、主机15和拉曼ICCD相机采集卡16组成，显示器14置于主机15上，主机15内设有拉曼ICCD相机采集卡16，拉曼ICCD相机采集卡16设有数据输入端口s。所述的三维面聚焦光学系统Ⅴ由面聚焦片光体光学器19、精密电机21、电机控制器23、45度反射镜24和镜架25组成，面聚焦片光体光学器19、45度反射镜24和镜架25自后至前顺序排列，其中45度反射镜24固接于镜架25正后方。精密电机21置于镜架25的正下方，且精密电机21经输出轴22与镜架25下部竖直连接。电机控制器23置于精密电机21右边，且经专用电缆与精密电机21连接，电机控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维激光拉曼散射光谱测量系统，其特征在于：由脉冲激光器系统(Ⅰ)、拉曼光谱面成像系统(Ⅱ)、三维燃烧场(Ⅲ)、工控机(Ⅳ)、三维面聚焦光学系统(Ⅴ)和脉冲延迟发生器(1)组成，脉冲激光器系统Ⅰ(Ⅰ)、拉曼光谱面成像系统(Ⅱ)、三维燃烧场(Ⅲ)、工控机(Ⅳ)、三维面聚焦光学系统(Ⅴ)和脉冲延迟发生器(1)置于同一光学平台；脉冲激光器系统(Ⅰ)置于三维面聚焦光学系统(Ⅴ)的正左方，脉冲激光器系统(Ⅰ)的水平中心线与三维面聚焦光学系统(Ⅴ)中45度反射镜(24)的水平中心线在同一条左右水平中心线Ⅰ(4)上，左右水平中心线Ⅰ(4)与三维面聚焦光学系统(Ⅴ)中的前后水平中心线(26)互相垂直相交；三维燃烧场(Ⅲ)置于拉曼光谱面成像系统(Ⅱ)的右方和工控机(Ⅳ)的左方,三维燃烧场(Ⅲ)中的三维面聚焦片光体组(2)置于三维面聚焦光学系统(Ⅴ)中面聚焦片光体光学器(19)的正后方；脉冲延迟发生器(1)置于脉冲激光器系统(Ⅰ)和拉曼光谱面成像系统(Ⅱ)之间；所述的脉冲延迟发生器(1)上设有同步输出端口Ⅰ(k)、同步输出端口Ⅱ(l)和同步输出端口Ⅲ(m)；脉冲延迟发生器(1)的同步输出端口Ⅰ(k)经专用电缆与脉冲激光器系统(Ⅰ)中激光控制器(3)的泵浦灯外触发输入端口(o)连接；脉冲延迟发生器1的同步输出端口Ⅱl经专用电缆与电机控制器23的电机控制输入端口(t)连接；脉冲延迟发生器(1)的同步输出端口Ⅲ(m)经专用电缆与拉曼光谱面成像系统(Ⅱ)中拉曼ICCD相机(9)的外触发输入端口(p)连接；拉曼光谱面成像系统(Ⅱ)中拉曼ICCD相机(9)的外触发输出端口(q)经专用电缆与脉冲激光器系统(Ⅰ)中激光控制器(3)的Q开关外触发输入端口(n)连接；拉曼光谱面成像系统(Ⅱ)中拉曼ICCD相机(9)的数据输出端口(r)经专用电缆与工控机(Ⅳ)中拉曼ICCD相机采集卡(16)的数据输入端口(s)连接；三维面聚焦光学系统(Ⅴ)中的面聚焦片光体光学器(19)在三维燃烧场(Ⅲ)中形成三维面聚焦片光体组(2)，三维面聚焦光学系统(Ⅴ)中的激光束Ⅱ(17)形成面聚焦激发区域(abcdefghij)，即形成面聚焦片光体Ⅰ(Z1)，三维面聚焦光学系统(Ⅴ)中的激光束Ⅲ(18)形成面聚焦片光体Ⅱ(Z2)，三维面聚焦光学系统(Ⅴ)中的激光束Ⅳ(20)形成面聚焦片光体n(Zn)；面聚焦激发区域(abcdefghij)中：线A(af)和线B(be)相交于点Ⅰ(i)，线C(ch)和线D(dg)相交于点Ⅱ(j)，长方形面Ⅰ(abcd)和长方形面Ⅱ(efgh)平行且相等，并与物种滤光片组(12)平行，左右水平中心线Ⅱ(13)与长方形面Ⅰ(abcd)、长方形面Ⅱ(efgh)和线Eij)的中心相交；长方形面Ⅲ(bcgf)与长方形面Ⅳ(adhe)平行且相等，并与长方形面Ⅰ(abcd)和长方形面Ⅱ(efgh)垂直；长方形面Ⅰ(abcd)、长方形面Ⅱ(efgh)和线E(ij)的中心与三维面聚焦光学系统(Ⅴ)中的前后水平中心线(26)垂直相交。...

【技术特征摘要】
1.一种三维激光拉曼散射光谱测量系统，其特征在于：由脉冲激光器系统(Ⅰ)、拉曼光谱面成像系统(Ⅱ)、三维燃烧场(Ⅲ)、工控机(Ⅳ)、三维面聚焦光学系统(Ⅴ)和脉冲延迟发生器(1)组成，脉冲激光器系统Ⅰ(Ⅰ)、拉曼光谱面成像系统(Ⅱ)、三维燃烧场(Ⅲ)、工控机(Ⅳ)、三维面聚焦光学系统(Ⅴ)和脉冲延迟发生器(1)置于同一光学平台；脉冲激光器系统(Ⅰ)置于三维面聚焦光学系统(Ⅴ)的正左方，脉冲激光器系统(Ⅰ)的水平中心线与三维面聚焦光学系统(Ⅴ)中45度反射镜(24)的水平中心线在同一条左右水平中心线Ⅰ(4)上，左右水平中心线Ⅰ(4)与三维面聚焦光学系统(Ⅴ)中的前后水平中心线(26)互相垂直相交；三维燃烧场(Ⅲ)置于拉曼光谱面成像系统(Ⅱ)的右方和工控机(Ⅳ)的左方,三维燃烧场(Ⅲ)中的三维面聚焦片光体组(2)置于三维面聚焦光学系统(Ⅴ)中面聚焦片光体光学器(19)的正后方；脉冲延迟发生器(1)置于脉冲激光器系统(Ⅰ)和拉曼光谱面成像系统(Ⅱ)之间；所述的脉冲延迟发生器(1)上设有同步输出端口Ⅰ(k)、同步输出端口Ⅱ(l)和同步输出端口Ⅲ(m)；脉冲延迟发生器(1)的同步输出端口Ⅰ(k)经专用电缆与脉冲激光器系统(Ⅰ)中激光控制器(3)的泵浦灯外触发输入端口(o)连接；脉冲延迟发生器1的同步输出端口Ⅱl经专用电缆与电机控制器23的电机控制输入端口(t)连接；脉冲延迟发生器(1)的同步输出端口Ⅲ(m)经专用电缆与拉曼光谱面成像系统(Ⅱ)中拉曼ICCD相机(9)的外触发输入端口(p)连接；拉曼光谱面成像系统(Ⅱ)中拉曼ICCD相机(9)的外触发输出端口(q)经专用电缆与脉冲激光器系统(Ⅰ)中激光控制器(3)的Q开关外触发输入端口(n)连接；拉曼光谱面成像系统(Ⅱ)中拉曼ICCD相机(9)的数据输出端口(r)经专用电缆与工控机(Ⅳ)中拉曼ICCD相机采集卡(16)的数据输入端口(s)连接；三维面聚焦光学系统(Ⅴ)中的面聚焦片光体光学器(19)在三维燃烧场(Ⅲ)中形成三维面聚焦片光体组(2)，三维面聚焦光学系统(Ⅴ)中的激光束Ⅱ(17)形成面聚焦激发区域(abcdefghij)，即形成面聚焦片光体Ⅰ(Z1)，三维面聚焦光学系统(Ⅴ)中的激光束Ⅲ(18)形成面聚焦片光体Ⅱ(Z2)，三维面聚焦光学系统(Ⅴ)中的激光束Ⅳ(20)形成面聚焦片光体n(Zn)；面聚焦激发区域(abcdefghij)中：线A(af)和线B(be)相交于点Ⅰ(i)，线C(ch)和线D(dg)相交于点Ⅱ(j)，长方形面Ⅰ(abcd)和长方形面Ⅱ(efgh)平行且相等，并与物种滤光片组(12)平行，左右水平中心线Ⅱ(13)与长方形面Ⅰ(abcd)、长方形面Ⅱ(efgh)和线Eij)的中心相交；长方形面Ⅲ(bcgf)与长方形面Ⅳ(adhe)平行且相等，并与长方形面Ⅰ(abcd)和长方形面Ⅱ(efgh)垂直；长方形面Ⅰ(abcd)、长方形面Ⅱ(efgh)和线E(ij)的中心与三维面聚焦光学系统(...

【专利技术属性】
技术研发人员：程鹏，郭亮，赵冰，孙万臣，庄宇欣，苏岩，孙成斌，孙毅，李奉学，刘中鹏，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22