一種cars和tdlas共線的測(cè)溫裝置制造方法【專利摘要】本發(fā)明公開一種CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置，包括CARS單元、TDLAS單元、輸入雙色鏡、空間濾波片和輸出雙色鏡。本發(fā)明采用輸入雙色鏡與輸出雙色鏡對(duì)TDLAS技術(shù)激光ωLD和CARS技術(shù)斯托克斯光ωs進(jìn)行合束與分光，采用光束整形鏡和空間濾波片對(duì)CARS技術(shù)的泵浦光ωp和斯托克斯光ωs進(jìn)行合束與分光，實(shí)現(xiàn)了兩套測(cè)量單元發(fā)射端與接收端的共用，降低了測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜度，并避免了功率較強(qiáng)的ωp與ωs激光對(duì)TDLAS技術(shù)的濾波片與探測(cè)器的損壞。為溫度場(chǎng)參數(shù)分析提供了不同時(shí)間分辨率、不同測(cè)量精度的參數(shù)，同時(shí)有利于兩套測(cè)量系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)相互比對(duì)驗(yàn)證?！緦＠f(shuō)明】—種CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明涉及一種流場(chǎng)參數(shù)激光綜合診斷系統(tǒng)，特別是涉及利用CARS技術(shù)與TDLAS技術(shù)聯(lián)合診斷系統(tǒng)?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]CARS(CoherentAnt1-StokesRamanScattering)技術(shù)，即相干反斯托克斯拉曼散射技術(shù)。它是一種三階非線性激光光譜技術(shù)，即將泵浦光ωρ和斯托克斯光0^以相位匹配角的方式聚焦至探測(cè)區(qū)域，經(jīng)與探測(cè)介質(zhì)相互作用并以四波混頻方式產(chǎn)生反斯托克斯光(即CARS信號(hào))，通過(guò)測(cè)量CARS信號(hào)的強(qiáng)度及譜線形狀來(lái)反演探測(cè)介質(zhì)的溫度、濃度等參數(shù)信息，CARS技術(shù)是一個(gè)單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)。[0003]圖1給出了USED(Unstable-resonatorSpatiallyEnhancedDetection)CARS技術(shù)的測(cè)量光路及裝置原理圖。泵浦光ωρ和斯托克斯光以一定夾角入射至中心帶孔的光束整形鏡(3)，GJs激光從光束整形鏡(3)中心孔穿過(guò)，ωρ激光被光束整形鏡(3)反射后由高斯光束變成環(huán)形光束以滿足USEDCARS技術(shù)的相位匹配要求。ω3激光在ωρ激光的環(huán)心與ωρ平行傳播至入射透鏡(4)并聚焦于待測(cè)溫度場(chǎng)(14)，產(chǎn)生的CARS信號(hào)和入射激光經(jīng)收集透鏡(5)形成平行光束到達(dá)分束片(13)，大部分激光和(^激光被反射并由吸收池吸收。CARS信號(hào)透過(guò)分束片(13)并經(jīng)CARS濾光片(7)濾掉殘余的ω3激光和ωρ激光，然后由耦合透鏡⑶聚焦進(jìn)入CARS探測(cè)器(9)。[0004]TDLAS(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)技術(shù)，即可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)。它是基于二極管激光器的窄線寬和波長(zhǎng)快速調(diào)諧特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)組分的單條或多條吸收線的掃描測(cè)量，通過(guò)分析吸收譜線的物理參數(shù)可實(shí)現(xiàn)探測(cè)組分的溫度、組分濃度、速度等的測(cè)量，TDLAS技術(shù)測(cè)量結(jié)果是激光傳播路徑上的積分值。[0005]圖2給出了TDLAS技術(shù)的測(cè)量光路及裝置原理圖。二極管激光器發(fā)出的激光通過(guò)光纖準(zhǔn)直器(I)準(zhǔn)直后穿過(guò)待測(cè)溫度場(chǎng)(14)，經(jīng)TDLAS濾光片(11)濾除雜散光后由TDLAS探測(cè)器(12)接收。[0006]CARS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)精度高，缺點(diǎn)是單點(diǎn)測(cè)量、測(cè)量重復(fù)頻率低(約IHz~20Hz)。TDLAS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量重復(fù)頻率高(約kHz)，缺點(diǎn)是路徑積分測(cè)量。目前，為了獲得更為全面的探測(cè)介質(zhì)參數(shù)信息，通常希望采用CARS技術(shù)與TDLAS技術(shù)聯(lián)合探測(cè)方法。例如，在燃燒流場(chǎng)溫度測(cè)量方面，一方面利用CARS技術(shù)測(cè)量流場(chǎng)中某些關(guān)鍵點(diǎn)的溫度信息；另一方面采用TDLAS技術(shù)的高測(cè)量重復(fù)頻率特性，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流場(chǎng)的溫度變化情況。但是，由于CARS技術(shù)與TDLAS技術(shù)各自光路特點(diǎn)的限制，兩種技術(shù)的探測(cè)位置并不重合，進(jìn)而限制了兩種技術(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)的比對(duì)及測(cè)量結(jié)果的分析?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0007]本發(fā)明就是要提供一種CARS技術(shù)與TDLAS技術(shù)共線測(cè)溫裝置，解決二者在聯(lián)合溫度測(cè)量時(shí)探測(cè)區(qū)域不一致的問(wèn)題，使TDLAS技術(shù)激光穿過(guò)CARS技術(shù)的探測(cè)點(diǎn)，同時(shí)降低測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜度，使二者共用發(fā)射端與接收端。[0008]本發(fā)明創(chuàng)造的技術(shù)方案如下:[0009]一種CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置，包括CARS單元、TDLAS單元、輸入雙色鏡、空間濾波片和輸出雙色鏡；[0010]所述的CARS單元包括沿主光路依次共軸設(shè)置的光束整形鏡、入射透鏡、收集透鏡、CARS濾光片、CARS探測(cè)器，所述的光束整形鏡的中心設(shè)置有小孔，并傾斜設(shè)置在主光路上，待測(cè)量溫度場(chǎng)設(shè)置在入射透鏡和收集透鏡之間；[0011]TDLAS單元包括光纖準(zhǔn)直器、TDLAS濾光片和TDLAS探測(cè)器；[0012]所述的輸入雙色鏡傾斜設(shè)置在光束整形鏡前的光路上，所述光纖準(zhǔn)直器設(shè)置在輸入雙色鏡之前，所述TDLAS的ωLD激光光束與主光路共軸，所述CARS的ωs激光由輸入雙色鏡的反射面引入，并從光束整形鏡中心孔穿過(guò)，所述CARS的《。激光由光束整形鏡的反射面引入；[0013]所述的空間濾波片為中心鍍有反射膜的介質(zhì)板，所述的空間濾波片傾斜設(shè)置在收集透鏡和CARS濾光片之間的主光路上，所述經(jīng)過(guò)待測(cè)量溫度場(chǎng)的Oui光與0^光被空間濾波片反射，ωρ光和CARS信號(hào)光透過(guò)空間濾波片后，再經(jīng)濾光片濾掉ωρ光后，由耦合透鏡耦合進(jìn)CARS探測(cè)器；[0014]所述的輸出雙色鏡、TDLAS濾光片和TDLAS探測(cè)器依次設(shè)置在空間濾波片的反射光路上，所述的輸出雙色鏡傾斜設(shè)置在反射光路上；所述的光被輸出雙色鏡反射后由吸收池吸收，?LD透過(guò)輸出雙色鏡并經(jīng)TDLAS濾光片濾除雜散光后由TDLAS探測(cè)器接收。[0015]上述CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置中，空間濾波片的中心鍍有銀膜。[0016]上述CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置中，銀膜的形狀為直徑Φ8πιπι的圓形。[0017]上述CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置中，輸入雙色鏡、光束整形鏡、空間濾波片和輸出雙色鏡與光路間的夾角均為45°。[0018]上述CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置中，光束整形鏡的中心孔為Φ5πιπι。[0019]上述CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置中，CARS單元的重復(fù)頻率IHz~20Hz，所述的TDLAS單元的重復(fù)頻率為kHz級(jí)。[0020]上述CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置中，ω光為波長(zhǎng)1397.8nm的連續(xù)激光，ω3光為波長(zhǎng)607nm的脈沖激光，ωρ光為波長(zhǎng)532nm的脈沖激光。[0021]上述CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置中，TDLAS濾光片為帶通濾光片，中心波長(zhǎng)1400nm,帶寬10nm。[0022]上述CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置中，CARS濾光片為短波通濾光片，在小于490nm光波段透過(guò)率大于80%,在大于520nm波段的透過(guò)率小于I%。[0023]上述CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置中，待測(cè)量溫度場(chǎng)為燃燒流場(chǎng)。[0024]本發(fā)明具有的有益效果如下:[0025]1、本發(fā)明采用CARS技術(shù)與TDLAS技術(shù)激光共線傳輸，實(shí)現(xiàn)了相同區(qū)域溫度參數(shù)的測(cè)量，為溫度場(chǎng)參數(shù)分析提供了不同時(shí)間分辨率、不同測(cè)量精度的參數(shù)，同時(shí)有利于兩套測(cè)量系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)相互比對(duì)驗(yàn)證。[0026]2、本發(fā)明在原光路上增加輸入雙色鏡、空間濾波片和輸出雙色鏡，實(shí)現(xiàn)了兩套測(cè)量單元發(fā)射端與接收端的共用，降低了測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時(shí)避免了功率較強(qiáng)的《。與ω3激光對(duì)裝置中濾波片與探測(cè)器的損壞。【專利附圖】【附圖說(shuō)明】[0027]附圖1現(xiàn)有技術(shù)中USEDCARS溫度測(cè)量的光路及裝置原理圖；[0028]附圖2現(xiàn)有技術(shù)中TDLAS溫度測(cè)量的光路及裝置原理圖；[0029]附圖3本發(fā)明CARS與TDLAS共線溫度測(cè)量光路及裝置原理圖；[0030]附圖標(biāo)記如下:[0031]1-光纖準(zhǔn)直器，2-輸入雙色鏡，3-光束整形鏡，4-入射透鏡，5-收集透鏡，6_空間濾波片，7-CARS濾光片，8-耦合透鏡，9-CARS探測(cè)器，10-輸出雙色鏡，Il-TDLAS濾光片，12-TDLAS探測(cè)器，13-分束片，14-待測(cè)溫度場(chǎng)，15-主光路?！揪唧w實(shí)施方式】[0032]本發(fā)明裝置主要采用兩個(gè)雙色鏡——輸入雙色鏡2與輸出雙色鏡10對(duì)TDLAS技術(shù)激光ωLD和CARS技術(shù)斯托克斯光ωs進(jìn)行合束與分光，采用光束整形鏡3和空間濾波片6對(duì)CARS技術(shù)的泵浦光ωρ和斯托克斯光ω3進(jìn)行合束與分光。[0033]如圖3所示，本發(fā)明裝置主要由光纖準(zhǔn)直器1、輸入雙色鏡2、光束整形鏡3、入射透鏡4、收集透鏡5、空間濾波片6、CARS濾光片7、耦合透鏡8、CARS探測(cè)器9、輸出雙色鏡10、TDLAS濾光片11、TDLAS探測(cè)器12等器件組成。其中，標(biāo)號(hào)器件I至9沿主光路15即Qui激光方向依次排列；輸入雙色鏡2、光束整形鏡3、空間濾波片6與OJui激光成一定夾角放置，通常為45°。入射透鏡4和收集透鏡5為一對(duì)共焦的透鏡，垂直于Coui激光方向放置；標(biāo)號(hào)器件10至12沿被空間濾波片6反射的激光方向依次排列，輸出雙色鏡10與光軸方向呈一定夾角放置，TDLAS濾光片11和TDLAS探測(cè)器12垂直于光軸方向放置。[0034]裝置的具體工作過(guò)程為:Coui由光纖準(zhǔn)直器⑴發(fā)出，經(jīng)輸入雙色鏡2與共線傳播至中心帶孔的光束整形鏡3。GJui與GJs激光從孔中心穿過(guò)，泵浦光ωρ被光束整形鏡3反射后由高斯光束變成環(huán)形光束。Oui與激光在泵浦光0^的環(huán)心與ωρ平行傳播至入射透鏡4并聚焦于待測(cè)溫度場(chǎng)14，產(chǎn)生的CARS信號(hào)和入射激光經(jīng)收集透鏡5形成平行光束到達(dá)空間濾波片6。[0035]ωU)與激光被空間濾波片6反射，ωρ激光和CARS信號(hào)透過(guò)空間濾波片6,被空間濾波片6反射的GJui與GJs激光經(jīng)輸出雙色鏡10后，ω3激光被雙色鏡反射并由吸收池吸收，ωΙΒ透過(guò)輸出雙色鏡10并經(jīng)TDLAS濾光片11濾除雜散光后由TDLAS探測(cè)器12接收。透過(guò)空間濾波片6的ωρ激光和CARS信號(hào)經(jīng)CARS濾光片7濾掉殘余的ωs激光和ωρ激光，然后由耦合透鏡8聚焦進(jìn)入CARS探測(cè)器9。[0036]所述的Coui是指由TDLAS技術(shù)激光器所發(fā)出的激光，通常為連續(xù)激光。[0037]所述的0^與ωρ是指用于產(chǎn)生CARS信號(hào)的斯托克斯光與泵浦光，通常為脈沖激光。[0038]所述的輸入雙色鏡2與輸出雙色鏡10是指在一定角度下對(duì)Ouj波長(zhǎng)的激光全透、對(duì)波長(zhǎng)的激光全反。[0039]所述的光束整形鏡3是指中心帶孔的ωρ波長(zhǎng)全反鏡，中心孔的形狀通常為圓形或橢圓形，其主要作用是與從中心孔穿過(guò)，ωρ被光束整形鏡反射后由高斯光束變成環(huán)形光束。[0040]所述的入射透鏡4與收集透鏡5是指一對(duì)共焦的透鏡組。[0041]所述的空間濾波片6是指中心鍍有反射膜的平行光板，反射膜的形狀通常為圓形或橢圓形，其主要作用是位于光束中心的與被反射膜全反，而環(huán)形光束信號(hào)能夠從介質(zhì)膜的邊緣穿過(guò)空間濾波片。[0042]所述的CARS濾波片7主要作用是讓波長(zhǎng)較短的CARS信號(hào)通過(guò)，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的ωs與ωP激光被濾除。[0043]所述的CARS探測(cè)器9主要用于CARS信號(hào)的頻譜分析。[0044]所述的TDLAS濾波片11是指Ouj波長(zhǎng)的激光能夠透過(guò)，其它波長(zhǎng)的光被濾除。[0045]所述的TDLAS探測(cè)器12是指對(duì)波長(zhǎng)的激光進(jìn)行響應(yīng)并探測(cè)，測(cè)量結(jié)果用于TDLAS技術(shù)信號(hào)的分析。[0046]典型的實(shí)施例[0047]在燃燒流場(chǎng)溫度測(cè)量中，利用TDLAS技術(shù)對(duì)流場(chǎng)的路徑積分溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)需要利用CARS技術(shù)對(duì)TDLAS技術(shù)路徑積分上某些關(guān)鍵點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)量。典型的測(cè)量參數(shù)為:GJui由DFB型二極管激光器發(fā)出的1397.8nm激光(連續(xù)激光，功率約IOmW);ωρ與cos分別由Nd=YAG激光器和染料激光器發(fā)出的532nm(脈沖激光，脈寬約7ns，能量約160mJ，重頻IOHz)與607nm(脈沖激光，脈寬約7ns，能量約35mJ，重頻IOHz)的激光，產(chǎn)生的CARS信號(hào)波長(zhǎng)為473nm。[0048]主要器件的具體參數(shù)如下:[0049]雙色鏡2、10:在45。入射角下對(duì)1397.8nm激光全透，對(duì)607nm激光全反。[0050]光束整形鏡3:中心孔為圓形，Φ5ι?πι。[0051]入射透鏡4與收集透鏡5:焦距f=100mm。[0052]空間濾波片6:與入射激光成45°放置，中心反射膜為圓形銀膜，Φ8πιπι。[0053]CARS濾光片7:為短波通濾光片，在小于490nm光波段透過(guò)率大于80%，在大于520nm波段的透過(guò)率小于1%。[0054]TDLAS濾光片11:為帶通濾光片，中心波長(zhǎng)1400nm，帶寬10nm。[0055]根據(jù)圖3，具體測(cè)量過(guò)程為:[0056]1.ωu與ωs激光經(jīng)輸入雙色鏡2共線傳播至光束整形鏡3。[0057]2.在光束整形鏡(3)處，ωω與cos激光從孔中心穿過(guò)，ωρ被光束整形鏡反射后由高斯光束變成環(huán)形光束。與激光在ωρ激光的環(huán)心與(^激光平行到達(dá)入射透鏡4并聚焦于待測(cè)溫度場(chǎng)14。[0058]3.產(chǎn)生的CARS信號(hào)和入射激光通過(guò)出射透鏡5形成平行光束到達(dá)空間濾波片6，coLD與ws激光被空間濾波片6反射，ωρ激光和CARS信號(hào)透過(guò)空間濾波片6。[0059]4.被空間濾波片6反射的ωu與ωs激光經(jīng)輸出雙色鏡10后，ωs激光被雙色鏡10反射并由吸收池吸收，Coui透過(guò)雙色鏡10并經(jīng)濾光片11濾除雜散光后由探測(cè)器12接收。[0060]5.透過(guò)空間濾波片6的ωp激光和CARS信號(hào)經(jīng)CARS濾光片7濾掉殘余的ωs激光和ωρ激光，然后由耦合透鏡8聚焦進(jìn)入CARS探測(cè)器9?！緳?quán)利要求】1.一種CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置，其特征在于:包括CARS單元、TDLAS單元、輸入雙色鏡(2)、空間濾波片(6)和輸出雙色鏡(10)；所述的CARS單元包括沿主光路(15)依次共軸設(shè)置的光束整形鏡(3)、入射透鏡(4)、收集透鏡(5)、CARS濾光片(7)、CARS探測(cè)器(9)，所述的光束整形鏡(3)的中心設(shè)置有小孔，并傾斜設(shè)置在主光路(15)上；待測(cè)量溫度場(chǎng)(14)設(shè)置在入射透鏡⑷和收集透鏡(5)之間；所述的TDLAS單元包括光纖準(zhǔn)直器(I)、TDLAS濾光片(11)和TDLAS探測(cè)器(12)；所述的輸入雙色鏡(2)傾斜設(shè)置在光束整形鏡(3)前的光路上，所述光纖準(zhǔn)直器(I)設(shè)置在輸入雙色鏡(2)之前，所述TDLAS的Oui激光光束與主光路(15)共軸，所述CARS的激光由輸入雙色鏡(2)的反射面引入，并從光束整形鏡(3)中心孔穿過(guò)，所述CARS的ωρ激光由光束整形鏡(3)的反射面引入；所述的空間濾波片(6)為中心鍍有反射膜的介質(zhì)板，所述的空間濾波片(6)傾斜設(shè)置在收集透鏡(5)和CARS濾光片(7)之間的主光路上，所述經(jīng)過(guò)待測(cè)量溫度場(chǎng)(14)的Coui光與被空間濾波片(6)反射，ωρ光和CARS信號(hào)光透過(guò)空間濾波片(6)后,再經(jīng)濾光片⑵濾掉ωρ光后，由耦合透鏡⑶耦合進(jìn)CARS探測(cè)器(9)；所述的輸出雙色鏡(10)、TDLAS濾光片(11)和TDLAS探測(cè)器(12)依次設(shè)置在空間濾波片出)的反射光路上，所述的輸出雙色鏡(10)傾斜設(shè)置在反射光路上；所述的光被輸出雙色鏡(10)反射后由吸收池吸收，ωω透過(guò)輸出雙色鏡(10)并經(jīng)TDLAS濾光片(11)濾除雜散光后由TDLAS探測(cè)器(12)接收。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置，其特征在于:所述的空間濾波片(6)的中心鍍有銀膜。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置，其特征在于:所述銀膜的形狀為直徑Φ8ι?πι的圓形。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置，其特征在于:所述輸入雙色鏡(2)、光束整形鏡(3)、空間濾波片(6)和輸出雙色鏡(10)與光路間的夾角均為45°。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置，其特征在于:所述光束整形鏡⑶的中心孔為Φ5ι?πι。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置，其特征在于:所述CARS單元的重復(fù)頻率IHz?20Hz，所述的TDLAS單元的重復(fù)頻率為kHz級(jí)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置，其特征在于:所述的O111光為波長(zhǎng)1397.8nm的連續(xù)激光，所述的ω3光為波長(zhǎng)607nm的脈沖激光，ωρ光為波長(zhǎng)532nm的脈沖激光。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置，其特征在于:所述TDLAS濾光片(11)為帶通濾光片，中心波長(zhǎng)1400nm,帶寬10nm。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置，其特征在于:所述CARS濾光片(X)為短波通濾光片，在小于490nm光波段透過(guò)率大于80%,在大于520nm波段的透過(guò)率小于1%。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CARS和TDLAS共線的測(cè)溫裝置，其特征在于:所述的待測(cè)量溫度場(chǎng)為燃燒流場(chǎng)?！疚臋n編號(hào)】G01K13/00GK103926200SQ201410171720【公開日】2014年7月16日申請(qǐng)日期:2014年4月25日優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日【發(fā)明者】陶波,王晟,葉景峰,李國(guó)華,胡志云,趙新艷申請(qǐng)人:西北核技術(shù)研究所