王 楠，玄洪文，李德華，聶玉昕

1. 深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院, 廣東 深圳 518060 2. 深圳大學(xué)深圳市激光工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060 3. 中國(guó)科學(xué)院物理研究所光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

引 言

火焰的光譜和速度測(cè)量是燃燒過(guò)程診斷和推進(jìn)動(dòng)力學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容之一。在早期的研究中，激光誘導(dǎo)熒光和拉曼光譜等技術(shù)的出現(xiàn)使得流體測(cè)速得以實(shí)現(xiàn)，而激光多普勒速度測(cè)量學(xué)由于其測(cè)量精度高獲得了更為廣泛應(yīng)用。由于測(cè)量過(guò)程本身的復(fù)雜性而以及低速測(cè)量中的誤差增大使得該方法的應(yīng)用受到一定限制，于是面向低中速流體和固體材料測(cè)量的光熱偏轉(zhuǎn)光譜法[1-3]光熱偏轉(zhuǎn)光譜(PTDS)具有一定的實(shí)用價(jià)值。目前在國(guó)際上已實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰和氣體噴流的速度和溫度分布等參數(shù)的測(cè)量，Rose等使用PTDS方法用于氮?dú)鈬娏骱蜌溲跹娴乃俣葴y(cè)量[4]，Nie等將該方法用于低速流體速度和溫度等參數(shù)的測(cè)量[5]。目前國(guó)內(nèi)采用PTDS的相關(guān)研究主要針對(duì)于固體或液體[6]，對(duì)于氣體或等離子方面的研究相對(duì)較少。本文基于光熱偏轉(zhuǎn)光譜法實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤油火焰內(nèi)不同面的速度分布測(cè)量，對(duì)于火焰燃燒測(cè)量診斷和激光技術(shù)在火焰診斷中的應(yīng)用具有實(shí)用價(jià)值。

光熱偏轉(zhuǎn)光譜法測(cè)速的基本原理如圖1(a)所示。一束泵浦光沿x方向入射到被測(cè)流體(或火焰)中，由于流體中成分吸收泵浦光而形成以泵浦光中心點(diǎn)為光心的熱透鏡分布。一束探測(cè)光沿y方向(或者按照一定夾角)入射到流體中，探測(cè)光入射平面高于泵浦光入射平面，高度差設(shè)為Δz。泵浦激光在流體中產(chǎn)生的熱透鏡沿z方向移動(dòng)到達(dá)并逐漸通過(guò)探測(cè)光，探測(cè)光由于介質(zhì)折射率的改變產(chǎn)生方向偏折，如圖1(b)。通過(guò)測(cè)量探測(cè)光在高于泵浦平面距離Δz的信號(hào)偏轉(zhuǎn)相對(duì)探測(cè)光在泵浦平面信號(hào)偏轉(zhuǎn)的延遲，可以獲得熱透鏡在該段區(qū)域的飛行時(shí)間Δt。假設(shè)流體速度在這一小段距離內(nèi)是均勻的，則流體在該段區(qū)間的速度為飛行距離Δz與該飛行時(shí)間Δt的商。由于Δz是設(shè)定的已知量，所以速度測(cè)量等價(jià)于Δz距離段的飛行時(shí)間Δt的測(cè)量。如果待測(cè)流體為靜止且泵浦光為連續(xù)光時(shí)(即流動(dòng)速度為0)，泵浦光在流體中產(chǎn)生的熱透鏡固定不動(dòng)，探測(cè)光入射到熱透鏡后發(fā)生特定角度偏轉(zhuǎn)，只在入射到不同位置產(chǎn)生不同的偏轉(zhuǎn)角，通過(guò)熱透鏡中心的探測(cè)光不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)流體速度大于0時(shí)，在產(chǎn)生流動(dòng)的瞬時(shí)會(huì)使得探測(cè)光出現(xiàn)動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，連續(xù)泵浦光和流體相互作用產(chǎn)生的熱分布達(dá)到新平衡，探測(cè)光不存在偏轉(zhuǎn)。若使用脈沖光進(jìn)行泵浦，熱透鏡產(chǎn)生于特定時(shí)刻并隨流體移動(dòng)，并且周期性地產(chǎn)生和輸送熱透鏡，探測(cè)光則能獲得周期性的偏轉(zhuǎn)信號(hào)。如圖1(b)所示，熱透鏡在流體速度z方向上按照速度v移動(dòng)，在熱透鏡的上下兩端和光心位置探測(cè)光不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在透鏡上中和下中兩段發(fā)生最大響應(yīng)偏轉(zhuǎn)且方向相反，從而得到如圖1(b)所示的時(shí)域波形。對(duì)于初始位置泵浦光與探測(cè)光空間上重合于火焰中，相當(dāng)于時(shí)域波形的后半條曲線，即在光心和熱透鏡下方不偏轉(zhuǎn)，下中部位偏轉(zhuǎn)最大，探測(cè)光僅在一個(gè)方向存在偏轉(zhuǎn)，可以用此臨界曲線作為泵浦光和探測(cè)光是否重合的標(biāo)志。通過(guò)記錄探測(cè)光位于泵浦光上方Δz時(shí)的時(shí)域波形和探測(cè)光與泵浦光重合時(shí)的時(shí)域波形，取二者曲線中熱透鏡光心通過(guò)探測(cè)光的時(shí)間點(diǎn)差就可得到熱透鏡在距離Δz內(nèi)的飛行時(shí)間Δt，從而得到熱透鏡的移動(dòng)速度。

圖1 光熱偏轉(zhuǎn)光譜法泵浦探測(cè)原理示意圖(a): 示意圖；(b): 偏轉(zhuǎn)原理Fig.1 Principle of photothermal deflection spectroscopy(a): Schematic diagram;(b): Principle of phtothermal deflection spectroscopy

1 實(shí)驗(yàn)部分

自建的光熱偏轉(zhuǎn)泵浦探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。由于實(shí)驗(yàn)所用煤油為烴類化合物，燃燒的火焰中包含有CO2，OH-和H+等多種成分，此處選用短波長(zhǎng)的紫外激光進(jìn)行激發(fā)[7]。選用商用的重復(fù)頻率為10 Hz，脈寬為5 ns的355 nm三倍頻固體激光源(EKSPLA)。實(shí)驗(yàn)所用的初始泵浦光單脈沖能量為20 mJ，使用手動(dòng)升降平移臺(tái)調(diào)整激光光束高度，并使用焦距為250 mm的平凸透鏡聚焦到火焰中。探測(cè)光使用功率為2 mW的632.8 nm連續(xù)He-Ne氣體激光(北大激光)，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束系統(tǒng)后再經(jīng)過(guò)焦距為200 mm的透鏡聚焦到火焰中，探測(cè)光的位置始終固定，實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)對(duì)應(yīng)于泵浦光和探測(cè)光的焦點(diǎn)在火焰中垂直相交。燃燒原料為煤油，放置在不銹鋼燈具中，燈具放置在帶有四面通光孔的雙層防護(hù)罩中。為了降低激光超凈室空氣擾動(dòng)對(duì)火焰的影響，并且減少煙塵對(duì)激光器件的影響，在防護(hù)罩上方使用自建的抽氣系統(tǒng)將燃燒廢氣導(dǎo)到室外。為方便測(cè)量火焰內(nèi)的不同位置點(diǎn)，燈具下方使用高度和水平位置精確可調(diào)的平移臺(tái)對(duì)火焰相對(duì)激光的位置進(jìn)行移動(dòng)，從而代替同時(shí)移動(dòng)泵浦光和探測(cè)光在火焰中的位置引起的不便和降低誤差。對(duì)探測(cè)光的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行探測(cè)的元件為由四象限探測(cè)芯片(QP-100，上海歐光電子)改裝的二象限探測(cè)頭。探測(cè)頭后接自建的差分放大電路記錄探測(cè)光的偏轉(zhuǎn)信號(hào)，并在數(shù)字示波器(Tektronix DPO 4054)上顯示和記錄波形。使用泵浦光的脈沖信號(hào)觸發(fā)自制光電二極管探測(cè)器接到示波器中用于觸發(fā)接收探測(cè)光信號(hào)。

圖2 煤油火焰速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

在火焰速度測(cè)量中的空間分辨率是衡量泵浦探測(cè)裝置精度的重要參數(shù)之一，近似定義為泵浦光、探測(cè)光和熱透鏡飛行距離組成的空間交疊體積

d=DpumpDprobecosθΔz

其中空間分辨率Dpump和Dprobe分別為泵浦光和探測(cè)光的聚焦光斑直徑，θ為兩束光入射到火焰中的夾角，Δz為泵浦平面和探測(cè)平面間距。當(dāng)泵浦光和探測(cè)光同向(重合)入射到火焰中時(shí)，雖然在探測(cè)過(guò)程中將獲得最大的偏轉(zhuǎn)信號(hào)積累和信噪比，但會(huì)損失一個(gè)維度的分辨率；若兩束光垂直入射到火焰中時(shí)，系統(tǒng)獲得最高的分辨率，代價(jià)是偏轉(zhuǎn)信號(hào)微弱，信噪比較低。在此實(shí)驗(yàn)中將泵浦光和探測(cè)光垂直放置入射，以達(dá)到較高的空間分辨率。使用精密電控平移臺(tái)(Newport SMC100，步長(zhǎng)為0.1 μm)和利用刀口法測(cè)量該實(shí)驗(yàn)中泵浦光和探測(cè)光在焦點(diǎn)處的光斑直徑分別為310和140 μm。為同時(shí)保證盡量小的熱擴(kuò)散和盡量好的時(shí)間分辨率，實(shí)驗(yàn)中取泵浦和探測(cè)平面間距Δz為0.4或0.5 mm，該探測(cè)裝置的空間分辨率優(yōu)于2×10-5cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 區(qū)間速度測(cè)量

在火焰中調(diào)節(jié)泵浦光焦點(diǎn)位置獲得與探測(cè)光焦點(diǎn)重合的時(shí)域波形，得到如圖3中H0所示的偏轉(zhuǎn)波形。此時(shí)由于探測(cè)光打到熱透鏡的中心，偏轉(zhuǎn)信號(hào)是激光通過(guò)完整熱透鏡偏轉(zhuǎn)信號(hào)的一半。上下調(diào)節(jié)重合點(diǎn)可發(fā)現(xiàn)此波形位于波形畸變和反向偏轉(zhuǎn)的臨界處，其中前者對(duì)應(yīng)探測(cè)光位于偏靠熱透鏡下部，后者對(duì)應(yīng)探測(cè)光偏靠熱透鏡上部。調(diào)節(jié)泵浦光到探測(cè)光下方0.4 mm的位置，則偏轉(zhuǎn)信號(hào)如圖3中的H1所示。H1曲線位于波峰和波谷之間的相對(duì)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)于熱透鏡的中心通過(guò)探測(cè)光的時(shí)間點(diǎn)，其相對(duì)于H0曲線處的熱透鏡中心零點(diǎn)有1.2 ms的延遲，即熱透鏡中心在1.2 ms的飛行時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)了0.4 mm，則在此距離段的平均速度為0.33 m·s-1。

圖3 探測(cè)光與泵浦光重合(H0)和位于泵浦光上方(H1)時(shí)的時(shí)域偏轉(zhuǎn)波形

2.2 水平速度分布測(cè)量

測(cè)量同一水平面多個(gè)點(diǎn)的速度可得到該平面的速度分布。為了獲得更為精確的單點(diǎn)速度，可測(cè)量該點(diǎn)上下兩個(gè)距離區(qū)間段的平均速度再做平均作為該點(diǎn)的速度。如對(duì)于圖4(a)的測(cè)量，以距燈芯高度5 mm為測(cè)量原點(diǎn)0，選取0±0.4 mm的三個(gè)測(cè)量水平面，使用區(qū)間速度測(cè)量獲得原點(diǎn)平面0和-0.4 mm平面區(qū)間的平均速度以及+0.4 mm平面和原點(diǎn)平面0區(qū)間的平均速度，再進(jìn)而平均兩個(gè)速度值獲得0點(diǎn)的速度。測(cè)量得到的數(shù)據(jù)與使用拋物線形曲線擬合后的曲線較為一致。同理，分別測(cè)量可獲得距離燈芯高度為8和11 mm處的速度分布，如圖4(b)和(c)。通過(guò)圖4數(shù)據(jù)可知，在接近火焰下方的位置，同一水平面的火焰外部速度高于內(nèi)部速度；在接近火焰上方位置，同一水平面的火焰內(nèi)部速度高于外部速度；同一平面的速度分布接近于拋物線形分布。我們認(rèn)為，這與各平面中的不同位置處的燃燒物的成分和濃度有關(guān)。在靠近火焰底部時(shí)，中間的燃料集中且由于缺少助燃的氧氣尚未燃燒完全，濃度高質(zhì)量重靜止慣性大，其下方燃燒產(chǎn)生的推力小，上方阻力大，所以速度較低；而外側(cè)的較容易得到完全燃燒，揮發(fā)快，質(zhì)量輕，下方推力大，上方阻力小，速度較快。在靠近火焰上部時(shí)，隨著燃燒物的完全燃燒以及受到下面火焰的推動(dòng)使得中間的速度高于外部的火焰速度，而外焰部分由于逐漸完全燃燒轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水揮發(fā)掉了。從而推算，火焰的顏色和形狀在一定程度上是未完全燃燒的燃料濃度的分布，顏色較淺的外焰和頂焰速度高于顏色較深的內(nèi)焰和底焰。

圖4 距離火焰底部高度分別為(a) 5 mm、(b) 8 mm和 (c) 11 mm處的水平面上的火焰速度隨位置分布Fig.4 Velocity distributions of flame at heights of (a) 5 mm, (b) 8 mm, and (c) 11 mm

2.3 垂直平面速度分布測(cè)量

測(cè)量火焰同一豎直平面上不同高度點(diǎn)的速度可得到該豎直平面的速度隨高度分布規(guī)律。對(duì)距離火焰中心0±2 mm的三個(gè)豎直平面進(jìn)行速度分布測(cè)量，可得到如圖5所示的數(shù)據(jù)點(diǎn)。為增加高度測(cè)量范圍和降低數(shù)據(jù)量，使用Δz為0.5 mm的泵浦探測(cè)平面間隔，對(duì)距燈芯2～9.5 mm的各點(diǎn)測(cè)量相對(duì)時(shí)間延時(shí)波形獲得飛行時(shí)間，從而獲得各個(gè)區(qū)間段和各個(gè)點(diǎn)的速度分布。由圖5(a,b,c)可看出，豎直中軸線上靠近火焰底部的點(diǎn)速度慢于兩側(cè)，上部的速度快于兩側(cè)，同上述水平速度分布測(cè)量得到的結(jié)論一致。同平面速度相當(dāng)?shù)奈恢迷诰嚯x火焰燈芯9 mm左右，此時(shí)速度約為1.2 m·s-1。在不斷提升測(cè)量高度的過(guò)程中，火焰上方的抖動(dòng)增大，且對(duì)泵浦光的吸收減少，使得探測(cè)光偏轉(zhuǎn)信號(hào)微弱，降低了測(cè)量過(guò)程的信噪比。這主要是由于隨著燃燒的完全進(jìn)行，火焰中的主要成分為二氧化碳、水、一氧化碳和少量的其他雜質(zhì)，他們的主要吸收峰位于紅外，對(duì)它們的測(cè)量受限于激光光源。

圖5 距離豎直中軸線水平間距(a) -2 mm，(b) 0 mm和(c) 2 mm處豎直平面的火焰速度隨高度分布Fig.5 Velocity distributions of flame at vertical planes of (a) -2 mm, (b) 0 mm, and (c) 2 mm from center

2.4 泵浦擊穿對(duì)測(cè)量的影響

單脈沖能量為20 mJ的泵浦光經(jīng)過(guò)聚焦后在焦平面的功率密度約為4.5 GW·cm-2，這樣的或者更高的泵浦光能量可能會(huì)在火焰內(nèi)部擊穿對(duì)火焰的本速度產(chǎn)生擾動(dòng)。此處通過(guò)改變泵浦光能量，測(cè)量同一平面的速度分布，從而觀察泵浦能量對(duì)火焰速度的擾動(dòng)影響。選取距離燈芯高度4 mm處的平面測(cè)量速度隨位置分布。如圖6所示，對(duì)同一平面的點(diǎn)，分別采用20，40和60 mJ進(jìn)行泵浦測(cè)量其速度分布。從圖6(a,b,c)數(shù)據(jù)可看出，在40 mJ的泵浦能量時(shí)，對(duì)火焰速度的擾動(dòng)約為0.1 m·s-1，當(dāng)?shù)竭_(dá)60 mJ的泵浦時(shí)，由于擊穿對(duì)火焰的擾動(dòng)較大，約0.6 m·s-1。測(cè)量位置位于擊穿點(diǎn)上方，所以對(duì)速度的影響是正向的增加。這種擾動(dòng)對(duì)于火焰的中間或偏外部的不同位置效果是一致的。

圖6 泵浦能量為(a) 20 mJ, (b) 40 mJ和(c) 60 mJ時(shí)高度為4 mm處的火焰水平速度分布Fig.6 Velocity distributions of flame at height of 4 mm when pump energy is (a) 20 mJ, (b) 40 mJ, and (c) 60 mJ

3 結(jié) 論

基于光熱偏轉(zhuǎn)光譜法，利用自建泵浦探測(cè)裝置測(cè)量了煤油火焰不同水平面和豎直面的速度分布，得到的速度值約為0.2～1.5 m·s-1。測(cè)量得到的火焰上部和外側(cè)速度快于底部和內(nèi)部，這在一定程度上反映了燃料未完全燃燒狀態(tài)、濃度和力學(xué)場(chǎng)分布，為進(jìn)一步研究火焰燃燒過(guò)程和診斷提供一定依據(jù)。系統(tǒng)空間分辨率為2×10-5cm3并可以通過(guò)更小的泵浦光和探測(cè)光聚焦光斑以及縮短飛行距離Δz提高，這在一定程度上需要更穩(wěn)定的泵浦探測(cè)系統(tǒng)達(dá)到更高的時(shí)間分辨率和信噪比，包括能量和指向性穩(wěn)定、波長(zhǎng)更易被吸收的泵浦光源，功率更為穩(wěn)定的探測(cè)光源，信噪比好的差分放大電路。由于泵浦激光的波長(zhǎng)是固定的355 nm，并且不是位于火焰某特定成分的吸收峰，為了獲得明顯的光熱偏轉(zhuǎn)信號(hào)，需要使用較高的泵浦光單脈沖能量，這就給火焰增加了的額外的擾動(dòng)甚至擊穿。使用可調(diào)諧激光將激光波長(zhǎng)調(diào)諧至火焰的吸收峰可以極大降低泵浦單脈沖能量，提高信噪比。燃料本身的純度、燃燒過(guò)程中的擾動(dòng)和不穩(wěn)定性也是影響速度測(cè)量精度的主要因素。通過(guò)提高系統(tǒng)時(shí)間分辨率和信噪比，不但可提高空間分辨率，還將使得利用信號(hào)幅值測(cè)量火焰中的濃度分布和溫度分布信息成為可能，從而得到更為全面的火焰參數(shù)分布。