光譜儀在燃燒診斷實驗中的應用

技術介紹：

燃料燃燒是一種瞬態的化學反應動力學過程，科學家利用傳統的光電技術，結合激光技術，光譜技術，圖像處理技術用來分析燃燒場的溫度，組分等參數，對優化發動機的噴霧燃燒提高燃燒效率，減少污染物等有著重要的意義。

燃燒診斷的方法有很多種，有些是直接用高速測量燃燒的全過程，有些利用光譜儀加PMT監控某些指示化學鍵發光的過程來分析燃料配比，有些則利用激光技術，燃燒化學反應時會產生一些中間產物（如CH、OH等），這些產物會吸收激發激光并發出特征光譜信號�？茖W家分析這些熒光光譜等信息，可以分析火焰瞬時的結構，組分濃度等信息。

產品應用：

科學家通過分析多組分煤油的低溫點火性能，發現添加某些活化劑可以大大降低煤油的燃點，使其在較低溫度時能夠充分燃燒，

圖1：低溫點火測試實驗圖

上圖為相關的實驗簡圖，圖中科學家將摻有一定比例活化劑的煤油滴到變溫臺上，變溫臺可以從100度到600多度控制，高速相機拍攝液滴在變溫臺上隨溫度變化后的燃燒情況。而在燃燒時火焰發光通過光纖收集到光譜儀中，再由PMT監控發光波段隨時間變化的衰減過程。整個實驗中，監控燃燒產物OH自由基的發光波段306.5nm，光譜儀將色散位置設置到該波段，然后用PMT進行監控。監控過程中PMT高壓設置為1000V，使其處于光子計數狀態，然后連接數采，對OH發光進行實時監控掃描。

當激光引入到燃燒實驗中時，又會有很多有趣的現象發生。首先是拉曼光譜分析。

圖2：火焰燃燒的拉曼光譜分析

在燃燒的不同時刻，由于燃料從剛開始不充分燃燒，中間產物較多，到充分燃燒，再到慢慢冷卻。整個過程中各種成分的拉曼信號的分布是一個漸變的過程，我們可以利用這些信號變化來分析優化燃燒氣體的比例濃度。實驗中一般采用低重頻的Nd：YAG脈沖激光器結合ICCD來進行研究分析。

如果將染料激光器引入實驗，在Nd:YAG 激光器后面接上染料激光器，用532nm泵浦我們可獲得多個波段的激發激光，例如606nm的激光，然后經與兩束532nm激光在時域上進行調整，在滿足CARS的相位匹配條件下，我們可以得到相關的CARS信號，從而可以用來分析燃燒場的溫度和組分濃度信息。

圖3：CARS原理簡圖和實驗裝置簡圖

在燃燒過程中，燃燒不充分會產生很多中間產物，我們也可以用激光激發火焰中這些中間產物獲得熒光來分析，也就是激光誘導熒光（LIF），如果將激光經過柱面鏡等光學元件整形成很薄的一個平行平面光，這是我們稱該實驗為平面激光誘導熒光（PLIF）

圖4：PLIF實驗簡圖

實驗中，我們可以用ICCD或是高速相機拍攝例如OH分子熒光在燃燒過程中的分布情況。

圖5：采用ICCD獲得的火焰OH PLIF圖像來研究火焰內部湍流結構分布

卓立漢光可以提供燃燒診斷中的各種產品，例如光路系統搭建所需的光機產品，如柱面鏡，延時光路系統等，也提供各類光譜儀配置，例如光譜儀同PMT的組合，也提供光譜儀同各類相機的組合，特別是燃燒診斷實驗中不可或缺的ICCD相機，卓立漢光也可以非常完美的進行匹配工作。

引用文獻：

1. Zhu Jiajian, Wan Minggang, Wu Ge, Yan Bo, Tian Yifu, Feng Rong, Sun Mingbo, Chinese Journal Of  Lasers,48(4),0401005(2021).

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2. Frank JH, Kaiser SA, and Long MB,Proceedings of the Combustion Institute,29(2),2687(2002)