高频NO-PLIF成像测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种燃烧场的高频NO‑PLIF成像测量装置及方法，其中，该装置包括：高频激光器，用于产生重复频率为100kHz的1064nm激光以及将该1064nm激光经过三倍频后输出355nm激光，该355nm激光通过第一镜片分成相互垂直的第一束355nm激光和第二束355nm激光；种子激光器模块，用于产生822.3nm的种子激光；光参量振荡器，用于将高频激光器输入的第一束355nm激光与种子激光器模块输入的822.3nm的激光转化产生624.7nm的激光；NO‑PLIF模块，用于将光参量振荡器输入的624.7nm的激光与高频激光器输入的第二束355nm激光合成226nm的光，该226nm经过凸透镜汇聚于标气池中与NO反应产生PLIF光信号；以及成像测量模块，用于将PLIF光信号成像后进入计算机中处理得到待测燃烧场的火焰温度。

【技术实现步骤摘要】
高频NO-PLIF成像测量装置及方法
本专利技术属于燃烧诊断领域，具体地涉及一种高频NO-PLIF成像测量装置及方法。
技术介绍
燃烧是流动、传热、传质和化学反应的相互作用产生的急速、剧烈的发光发热的过程，是一种复杂的物理化学现象，通常伴随着系统性质在空间或时间上的突然变化，特别是化学成分和温度。燃烧过程是当下世界范围内能源产生的主要方式，目前世界上80％以上的能源和动力都来自燃料的燃烧，可以说燃烧对于社会的运转至关重要。尽管经过几个多世纪的发展，燃烧有了相当成熟的技术，但与燃烧相关的污染物的排放对燃烧的更广泛使用造成了困扰，在人类环保意识觉醒的当下，日益严格的污染物排放法规正考验着我们对于燃烧的深层次理解。而对燃烧过程的描述涉及热化学、化学动力学、流体力学和输运等多个分支学科，涉及的方法主要有三种：实验、计算和理论，后两种方法是通过数值解和解析解的特性来区分的。在未能完全了解燃烧机理的现在，我们可以通过燃烧诊断对燃烧的过程进行测量并对结果进行分析。长期以来，我们应用热电偶、热线风速仪和组分分析仪等接触式的测量仪器测量燃烧过程中的温度、压力及燃烧产物，这些接触式的测量仪器具有结构简单、可靠，维护方便，价格低廉等优点，但对感温元件要求较高、会对流场产生干扰并对检测结果造成影响，且只能用于测量宏观平均的物理量，缺乏足够的时间和空间的分辨率。因此为在测量中需要避免物理探针的侵入性，避免对系统的测量结果的干扰，目前普遍采用基于激光的光学方法进行燃烧诊断。基于燃气轮机燃烧产物NO的平面激光诱导荧光(PlanarLaserInducedFluorescence，PLIF)技术能够非接触的成像燃烧过程中重要中间产物分布，从而获得这些组分的二维分布，得到火焰的瞬态结构，当我们结合不同时刻或空间的变化时，可以获得火焰的发展变化规律。同时高频PLIF技术具有更高的测量精度且更普适的测量环境，突破以往在风洞中测量的限制。。燃烧诊断是一门对燃烧过程中的物质浓度、温度和流场等信息进行测量的学科，为理解燃烧中复杂的化学反应和流动过程提供实验依据，按照与待分析物接触的形式可以将常用燃烧诊断方法划分为2大类，即光谱法和取样分析法。长期以来，我们应用热电偶、热线风速仪和组分分析仪等接触式的测量仪器测量燃烧过程中的温度、压力及燃烧产物，这些接触式的测量仪器具有结构简单、可靠，维护方便，价格低廉等优点，但对感温元件要求较高、会对流场产生干扰并对检测结果造成影响，且只能用于测量宏观平均的物理量，缺乏足够的时间和空间的分辨率。因此为在测量中需要避免物理探针的侵入性，避免对系统的测量结果的干扰，目前普遍采用基于激光的光谱法进行燃烧诊断。激光光谱技术是利用检测信号与燃烧场各参量信息之间存在的物理联系，采用实验测量技术检测信号而获得燃烧场参数的方法，其本质是激光与燃烧过程中产生的粒子、分子和自由基的相互作用。从光学原理上我们可知各种线性和非线性效用会产生拉曼散射、瑞利散射、米散射、荧光等信号，这些信号携带了我们所需的燃烧场的温度、密度、组分浓度等重要信息，在对燃烧场几乎没有干扰的条件下可以准确获得瞬时一维、二维以及三维的燃烧场参数。当我们利用一束脉冲激光将特定分子(或离子)由电子基态激发至激发态，再测量分子由电子激发态弛豫放出的光子，扫描激发激光的波长使它通过分子的吸收谱带，就可以把荧光强度描绘成激发激光波长的函数，得到激发光谱。通过光谱分布，我们可以探测样品粒子的种类，从荧光的强弱，可得知粒子的浓度以及温度，利用其空间分辨性还可以测量粒子的空间浓度/温度分布。利用这一特性，PLIF技术能够实现成像燃烧过程中的重要中间产物的分布，从而实现火焰结构的可视化。目前，PLIF技术测量的突出优点有：高空间的分辨性，可以达到微米量级；快速时间响应，时间分辨最高可达纳秒量级，可对自由基等瞬态物质寿命进行检测；高灵敏度；对燃烧场干扰小。现有的NO平面激光诱导荧光(NO-PLIF)技术多采用低频重复激光，相比于高频NO-PLIF其针对不稳定性燃烧组织方式的燃烧污染物NO定量测量时时间分辨率与空间分辨率均不高。同时现有技术多用染料激光器载入C450染料溶液，产生波长为450nm左右的基频光，经频率转换单元倍频至225nm用于NO荧光诱导，但染料激光器存在激光效率低和光稳定性差、损伤阈值低、不适用于超高重复频率系统等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高频NO-PLIF成像测量装置及方法，以克服上述问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：根据本专利技术的一方面，提供了一种燃烧场的高频NO-PLIF成像测量装置，包括：高频激光器，用于产生重复频率为100kHz的1064nm激光以及将该1064nm激光经过三倍频后输出355nm激光，该355nm激光通过第一镜片分成相互垂直的第一束355nm激光和第二束355nm激光；种子激光器模块，用于产生822.3nm的种子激光；光参量振荡器，用于将高频激光器输入的第一束355nm激光与种子激光器模块输入的822.3nm的激光转化产生624.7nm的激光；NO-PLIF模块，用于将光参量振荡器输入的624.7nm的激光与高频激光器输入的第二束355nm激光合成226nm的光，该226nm经过凸透镜汇聚于标气池中与NO反应产生PLIF光信号；以及成像测量模块，用于将PLIF光信号成像后进入计算机中处理得到待测燃烧场的火焰温度。在较佳实施例中，高频激光器为Nd:YAG激光器。在较佳实施例中，第一束355nm激光经第一反射镜转向90度后进入光参量振荡器。在较佳实施例中，种子激光器模块包括半导体激光器和光电隔离器，半导体激光器用于产生波长822.3nm、功率100mW、线宽为0.01nm的半导体激光，该半导体激光经过光电隔离器处理后输出822.3nm的种子激光。在较佳实施例中，光电隔离器输出的种子激光经第二镜片反射进入光参量振荡器与355nm激光产生624.7nm激光束，第二镜片用于透射600-640nm波长的p偏振光并反射820-860nm波长的p偏振光，光参量振荡器输出的624.7nm经过第二镜片进入NO-PLIF模块。在较佳实施例中，光参量振荡器包括BBO晶体和位于BBO晶体两侧的第三镜片与第四和第五镜片，第三镜片位于BBO晶体与高频激光器模块之间，用于透射355nm波长的光并反射820-860nm和600-640nm波长的光；第四镜片靠近BBO晶体，用于透射355nm波长、820-860nm和600-640nm波长的光，第五镜片用于透射820-860nm和600-640nm波长的光并反射355nm波长的光。在较佳实施例中，624.7nm的激光与第二束355nm激光分别经过第二反射镜和第三反射镜进入NO-PLIF模块。在较佳实施例中，NO-PLIF模块包括混频晶体、凸透镜、标气池、泵和供气单元，混频晶体用于将624.7nm的激光与355nm激光合成226nm的光，供气单元用于将N2和NO混合气体提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃烧场的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，包括：/n高频激光器，用于产生重复频率为100kHz的1064nm激光以及将该1064nm激光经过三倍频后输出355nm激光，该355nm激光通过第一镜片分成相互垂直的第一束355nm激光和第二束355nm激光；/n种子激光器模块，用于产生822.3nm的种子激光；/n光参量振荡器，用于将高频激光器输入的第一束355nm激光与种子激光器模块输入的822.3nm的激光转化产生624.7nm的激光；/nNO-PLIF模块，用于将光参量振荡器输入的624.7nm的激光与高频激光器输入的第二束355nm激光合成226nm的光，该226nm经过凸透镜汇聚于标气池中与NO反应产生PLIF光信号；/n以及成像测量模块，用于将PLIF光信号成像后进入计算机中处理得到待测燃烧场的火焰温度。/n

【技术特征摘要】
1.一种燃烧场的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，包括：
高频激光器，用于产生重复频率为100kHz的1064nm激光以及将该1064nm激光经过三倍频后输出355nm激光，该355nm激光通过第一镜片分成相互垂直的第一束355nm激光和第二束355nm激光；
种子激光器模块，用于产生822.3nm的种子激光；
光参量振荡器，用于将高频激光器输入的第一束355nm激光与种子激光器模块输入的822.3nm的激光转化产生624.7nm的激光；
NO-PLIF模块，用于将光参量振荡器输入的624.7nm的激光与高频激光器输入的第二束355nm激光合成226nm的光，该226nm经过凸透镜汇聚于标气池中与NO反应产生PLIF光信号；
以及成像测量模块，用于将PLIF光信号成像后进入计算机中处理得到待测燃烧场的火焰温度。


2.如权利要求1所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，高频激光器为Nd:YAG激光器。


3.如权利要求1所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，第一束355nm激光经第一反射镜转向90度后进入光参量振荡器。


4.如权利要求3所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，种子激光器模块包括半导体激光器和光电隔离器，半导体激光器用于产生波长822.3nm、功率100mW、线宽为0.01nm的半导体激光，该半导体激光经过光电隔离器处理后输出822.3nm的种子激光。


5.如权利要求4所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，光电隔离器输出的种子激光经第二镜片反射进入光参量振荡器与355nm激光产生624.7nm激光束，第二镜片用于透射600-640nm波长的p偏振光并反射820-860nm波长的p偏振光，光参量振荡器输出的624.7nm经过第二镜片进入NO-PLIF模块。


6.如权利要求5所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，光参量振荡器包括BBO晶体和位于BBO晶体两侧的第三镜片与第四和第五镜片，第三镜片位于BBO晶体与高频激光器模块之间，用于透射355nm波长的光并反射820-860nm和600-640nm波长的光；第四镜片靠近BBO晶体，用于透射355nm波长、820-860nm和600-640nm波长的光，第五镜片用于透射820-860nm和600-640nm波长的光并反射355nm波长的光。


7.如权利要求5所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，624.7nm的激光与第二束355nm激光分别经过第二反射镜和第三反射镜进入NO-PLIF模块。


8.如权利要求5所述的高频NO-PLIF成像测量装置，其特征在于，NO-PLIF模块包括混频晶体、凸透镜、标气池、泵和供气单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘训臣，张昊原，曹健，王震，齐飞，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31