李帥瑤 張大源 高強(qiáng)? 李博 何勇 王智化

1) (天津大學(xué), 內(nèi)燃機(jī)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300072)

2) (浙江大學(xué), 能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310027)

激光診斷技術(shù)是燃燒溫度場(chǎng)無(wú)干擾在線測(cè)量的主要手段, 開(kāi)發(fā)精確的燃燒場(chǎng)溫度測(cè)量技術(shù)對(duì)于研究燃燒基礎(chǔ)問(wèn)題具有重要意義. 目前, 基于激光的燃燒場(chǎng)測(cè)溫技術(shù)大多以納秒激光作為光源, 基于飛秒激光的測(cè)溫技術(shù)相對(duì)較少. 本文開(kāi)發(fā)了一種基于飛秒激光成絲的燃燒場(chǎng)溫度測(cè)量方法. 飛秒激光在光學(xué)介質(zhì)中傳播時(shí),會(huì)形成一條具有一維長(zhǎng)度且強(qiáng)度均勻分布的光絲, 由于光絲內(nèi)的功率密度極高, 足以通過(guò)光解和激光誘導(dǎo)光化學(xué)反應(yīng)等方式將原子/分子激發(fā)到高能級(jí), 進(jìn)而向低能級(jí)躍遷時(shí)釋放熒光. 通過(guò)相機(jī)收集熒光信號(hào)即可獲得光絲的空間長(zhǎng)度, 光絲的長(zhǎng)度與光學(xué)介質(zhì)的溫度密切相關(guān), 將光絲置于已知溫度的燃燒場(chǎng)中, 可獲得不同溫度下的光絲長(zhǎng)度, 結(jié)合理論推導(dǎo), 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合, 可獲得光絲長(zhǎng)度與溫度的定量關(guān)系, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燃燒場(chǎng)溫度的測(cè)量.

1 引 言

燃燒是物理領(lǐng)域, 尤其是工程熱物理領(lǐng)域中的重要研究?jī)?nèi)容, 溫度是燃燒中的重要參數(shù), 實(shí)現(xiàn)燃燒場(chǎng)溫度的精確測(cè)量能夠優(yōu)化整個(gè)燃燒過(guò)程[1], 幫助人們更好地理解燃燒機(jī)理[2]和燃燒動(dòng)力學(xué)特性[3].隨著對(duì)燃燒領(lǐng)域研究的不斷深入, 燃燒過(guò)程正朝著瞬態(tài)和復(fù)雜的方向發(fā)展, 為了研究其豐富的物理過(guò)程, 也需要對(duì)燃燒診斷技術(shù)進(jìn)行不斷地開(kāi)發(fā)與改進(jìn).

目前, 對(duì)于溫度測(cè)量的技術(shù)相對(duì)較多, 根據(jù)其測(cè)量方式的不同, 可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量. 接觸式測(cè)量主要以熱電偶[4,5]為代表, 其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉和測(cè)溫范圍廣等優(yōu)點(diǎn). 但是這種測(cè)量方法需在待測(cè)燃燒場(chǎng)中侵入探頭, 具有干擾性, 并且在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中, 會(huì)因?yàn)榍秩霟犭娕嘉恢玫牟煌a(chǎn)生不同的熱電勢(shì). 因此, 熱電偶測(cè)溫方法在燃燒場(chǎng)中具有一定的局限性.

與接觸式測(cè)量相比, 以可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)[6?8]、激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(laser-induced fluorescence, LIF)[9,10]、激光誘導(dǎo)熱光柵光譜技術(shù)(laser-induced thermal gratings spectroscopy,LITGS)[11,12]、瑞利散射技術(shù)(Rayleigh scattering,RS)[13]、自發(fā)拉曼散射技術(shù)(spontaneous Raman scattering, SRS)[14,15]以及相干反斯托克斯拉曼散射技術(shù)(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)[16?18]等為代表的非接觸式測(cè)量技術(shù)具有對(duì)待測(cè)燃燒場(chǎng)干擾小的優(yōu)點(diǎn), 能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)在線溫度測(cè)量. TDLAS 技術(shù)具有響應(yīng)速度快和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn), 但由于其是視線積分測(cè)量, 因此通常情況下TDLAS 技術(shù)不具備空間分辨能力, 只能反演一維光學(xué)路徑上的全局溫度. 相比于TDLAS技術(shù), 雙線LIF 測(cè)溫技術(shù)具有空間分辨率高的優(yōu)點(diǎn), 其測(cè)量通過(guò)示蹤劑熒光信號(hào)強(qiáng)度的比值對(duì)于溫度的依賴性實(shí)現(xiàn)溫度的定量測(cè)量. LITGS 技術(shù)無(wú)需示蹤劑, 通過(guò)激光聚焦形成的熱光柵周期可以推導(dǎo)出燃燒場(chǎng)的溫度信息. 但LITGS 信號(hào)容易受到氣體動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化的影響, 激發(fā)激光的強(qiáng)度或頻率的波動(dòng)也會(huì)造成測(cè)量誤差, 同時(shí)該技術(shù)對(duì)于溫度的反演過(guò)于復(fù)雜. RS 技術(shù)由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單, 信噪比高和時(shí)間、空間分辨率好等優(yōu)點(diǎn), 被常用于測(cè)定湍流火焰溫度. 但RS 是一種彈性散射, 所采集的信號(hào)和入射激光的波長(zhǎng)相同, 使得這項(xiàng)技術(shù)容易受到背景散射光及各種微粒散射光的干擾; 且RS技術(shù)只能應(yīng)用于主要組分的瑞利散射截面已知的燃燒場(chǎng),非常具有局限性. 而SRS 技術(shù)是一種非彈性散射,能夠?qū)τ谌紵龍?chǎng)中的溫度進(jìn)行定量測(cè)量, 具有較高的空間分辨率. 但是這項(xiàng)技術(shù)最主要的缺點(diǎn)是信號(hào)很弱, 測(cè)量過(guò)程中易受干擾. CARS技術(shù)由于具有良好的測(cè)量精度, 已廣泛應(yīng)用于燃燒場(chǎng)的溫度測(cè)量, 并且可作為其他光學(xué)測(cè)溫技術(shù)開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn). 但CARS 技術(shù)的光路系統(tǒng)復(fù)雜, 對(duì)于實(shí)驗(yàn)條件的要求較為苛刻.

上述介紹的測(cè)量方法大多是基于納秒激光實(shí)現(xiàn)的, 隨著超快激光技術(shù)的發(fā)展, 飛秒激光診斷技術(shù)逐漸出現(xiàn), 并為燃燒診斷提供新的工具. 在這方面fs-CARS 技術(shù)逐漸應(yīng)用于燃燒場(chǎng)的溫度測(cè)量[19],但fs-CARS 技術(shù)的實(shí)驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜.

與納秒激光相比, 飛秒激光具有脈寬極短, 峰值功率極高的特點(diǎn). 當(dāng)飛秒激光能量超過(guò)臨界功率時(shí), 由于光學(xué)克爾效應(yīng)引起的自聚焦和等離子體引起的散焦效應(yīng)之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡而形成均勻穩(wěn)定的等離子體通道, 被稱為飛秒激光成絲現(xiàn)象[20]. 飛秒激光成絲現(xiàn)象目前已應(yīng)用到燃燒場(chǎng)的速度和混合分?jǐn)?shù)等方面的測(cè)量[21?23], 但在溫度測(cè)量方面相對(duì)較少.

本文從飛秒激光成絲的原理出發(fā), 推導(dǎo)出飛秒激光成絲長(zhǎng)度與溫度場(chǎng)的函數(shù)關(guān)系, 通過(guò)測(cè)量已知不同燃燒場(chǎng)溫度下的飛秒光絲長(zhǎng)度, 利用冪函數(shù)擬合方法, 確定了飛秒光絲長(zhǎng)度與溫度的關(guān)系式, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燃燒場(chǎng)溫度的測(cè)量.

2 實(shí)驗(yàn)原理

隨著近幾十年的研究, 飛秒激光成絲的物理過(guò)程已經(jīng)得到了基本的了解, 人們普遍認(rèn)為光絲是由克爾效應(yīng)引起的激光自聚焦與等離子體引起的散焦之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡所形成的[24]. 當(dāng)飛秒激光在光學(xué)介質(zhì)中傳播時(shí), 由于峰值功率極高, 會(huì)使介質(zhì)的折射率發(fā)生變化, 而飛秒激光束中心的強(qiáng)度較邊緣更高, 介質(zhì)的折射率變得更大, 此時(shí)傳輸介質(zhì)相當(dāng)于一塊凸透鏡, 使得飛秒激光產(chǎn)生自聚焦效應(yīng).當(dāng)焦點(diǎn)處激光功率密度足夠大時(shí), 飛秒激光開(kāi)始電離空氣分子產(chǎn)生等離子體, 等離子體的形成會(huì)引起折射率的負(fù)變化, 此時(shí)傳輸介質(zhì)相當(dāng)于一塊凹透鏡, 會(huì)導(dǎo)致光束散焦. 當(dāng)自聚焦和散焦之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)會(huì)形成一條肉眼可見(jiàn)的光絲, 這個(gè)現(xiàn)象被稱為飛秒激光成絲[25]. 所形成的這段飛秒光絲的長(zhǎng)短與多種激光參數(shù)、電離過(guò)程和燃燒場(chǎng)溫度有關(guān), 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 系統(tǒng)確定后, 飛秒激光和電離過(guò)程的相關(guān)參數(shù)都已確定, 其光絲的長(zhǎng)短只與燃燒場(chǎng)溫度和二階折射率有關(guān), 而在本實(shí)驗(yàn)條件下氣體的二階折射率變化極小, 因此可以將飛秒光絲的長(zhǎng)短與燃燒場(chǎng)溫度建立聯(lián)系, 其理論推導(dǎo)如下.

飛秒光絲內(nèi)等離子體的功率密度I可由如下公式表示:

式中,n2為二階非線性折射率;K為多光子電離所需的光子數(shù), 當(dāng)使用波長(zhǎng)為800 nm 的飛秒激光作為光源時(shí), 電離待測(cè)流場(chǎng)中分子約需要8 個(gè)光子,即可近似認(rèn)為K= 8;σK為多光子電離的吸收截面;tp為飛秒激光脈沖持續(xù)時(shí)間;ρa(bǔ)t為待測(cè)流場(chǎng)中的粒子數(shù)密度;Pcr為飛秒激光成絲的臨界值功率,公式為

式中,λ為入射激光波長(zhǎng), 本實(shí)驗(yàn)中λ= 800 nm;n0= 1 為線性折射率,n2為二階非線性折射率. 等離子體的電子數(shù)密度ρ可由下式表示為

燃燒場(chǎng)的溫度對(duì)于光絲的長(zhǎng)度有明顯的影響,隨著溫度的增加, 分子熱運(yùn)動(dòng)加劇, 導(dǎo)致粒子密度下降, 光絲長(zhǎng)度L由下式表示[26]為

式中,σ代表逆軔致輻射吸收光子的吸收截面;Ein為激光輸入能量;βK為多光子電離系數(shù)可由如下公式表示為

式中,h為普朗克常數(shù);ω為激光頻率;ρa(bǔ)t為待測(cè)流場(chǎng)中粒子數(shù)密度, 可通過(guò)下面的理想氣體狀態(tài)方程表示:

式中,P為壓強(qiáng);k=1.38×10?23J/K為玻爾茲曼常數(shù);T為待測(cè)燃燒場(chǎng)溫度. 綜合(1)—(6)式并進(jìn)行簡(jiǎn)化, 飛秒激光成絲的長(zhǎng)度可由下式表示:

式中,X代表與入射激光參數(shù)相關(guān)的吸收;Y代表光絲傳輸過(guò)程中由于多光子電離引起的損耗而產(chǎn)生的系數(shù);Z代表光絲傳輸過(guò)程中由于逆軔致輻射吸收引起的損耗而產(chǎn)生的系數(shù). 通過(guò)(7)式可以看出光絲的長(zhǎng)度是二階折射率n2和待測(cè)燃燒場(chǎng)溫度T的復(fù)雜函數(shù). 待測(cè)流場(chǎng)的氣體組分和溫度變化均會(huì)影響流場(chǎng)的二階折射率. 本工作中, 甲烷預(yù)混火焰的燃空當(dāng)量比的變化范圍為0.8—1.2, 待測(cè)流場(chǎng)的主要?dú)怏w組分為空氣, 其體積分?jǐn)?shù)變化為93%—89%. 根據(jù)表1 甲烷和空氣的非線性折射率[27],可計(jì)算出氣體組分變化對(duì)于n2的影響約為0.34%,根據(jù) (4)式, 可推導(dǎo)其燃空當(dāng)量比變化范圍內(nèi), 飛秒激光成絲長(zhǎng)度的變化約為0.07%. 因此, 由于二階非線性折射率導(dǎo)致的絲長(zhǎng)變化可以忽略不計(jì).

表1 不同氣體非線性折射率n2Table 1. Nonlinear refractive index n2 of different gases.

綜上, 我們認(rèn)為造成飛秒激光成絲長(zhǎng)度變化的主要因素來(lái)自于燃燒場(chǎng)溫度的變化, 而二階非線性折射率的改變對(duì)于飛秒激光成絲的長(zhǎng)度影響可以忽略, 即log(Xn2)為常數(shù), 因此飛秒光絲長(zhǎng)度與溫度的關(guān)系可簡(jiǎn)寫(xiě)成如下形式:

其中A代表激光傳輸過(guò)程中與多光子電離相關(guān)的系數(shù);B代表傳輸過(guò)程中與逆軔致輻射吸收相關(guān)的系數(shù).

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示. 飛秒激光器(Spectra-Physics公司)輸出800 nm 的基頻光, 脈寬為45 fs,重頻為1 kHz, 光斑直徑約為6 mm, 單脈沖最高激光能量為7.5 mJ. 輸出的激光通過(guò)衰減器(Thorlabs, VA-800-CONEX)來(lái)進(jìn)行能量調(diào)節(jié), 經(jīng)過(guò)焦距為300 mm 的聚焦透鏡聚焦后入射到待測(cè)流場(chǎng)中.

圖1 實(shí)驗(yàn)所用裝置及光路圖Fig. 1. Diagram of experimental equipment and light path.

用于采集信號(hào)的實(shí)驗(yàn)裝置包括ICCD(PI MAX-3)相機(jī). 其觸發(fā)信號(hào)由飛秒激光器提供. ICCD相機(jī)采用的鏡頭型號(hào)為Nikon 50 mm, 實(shí)驗(yàn)中采用的光圈為f/1.2. 鏡頭前加裝了濾光片(UG11,260—380 nm, Andover)用以獲取在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)的N2/ N+2熒光信號(hào), 并濾除激光雜散光的干擾. ICCD相機(jī)成像的空間分辨約為50 μm × 50 μm. 對(duì)于光譜測(cè)量, 熒光信號(hào)通過(guò)焦距為100 mm 的球面透鏡成像至光譜儀(Acton SP-2300i)的輸入狹縫上, 其狹縫寬度為200 μm, 將光譜儀狹縫放置在垂直于激光束的方向以記錄具有空間分辨的光譜.

本實(shí)驗(yàn)中的燃燒系統(tǒng)采用國(guó)內(nèi)外通用的McKenna 燃燒器, 此燃燒器是燃燒領(lǐng)域中的標(biāo)準(zhǔn)燃燒器, 被廣泛地應(yīng)用于燃燒的基礎(chǔ)研究和診斷技術(shù)的開(kāi)發(fā), 其主要由供氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成. 圖2(a)為McKenna 燃燒器實(shí)物圖, 其供氣系統(tǒng)由四氟乙烯搭建, 通過(guò)熱線式質(zhì)量流量計(jì)控制燃空當(dāng)量比來(lái)供給燃料. 其頂部的供氣元件主要包括一個(gè)位于內(nèi)圈直徑為60 mm 的多孔圓形燒結(jié)金屬板和位于外圈寬為10 mm 的環(huán)形多孔燒結(jié)金屬板. 實(shí)驗(yàn)中內(nèi)層通甲烷/空氣混合氣, 產(chǎn)生穩(wěn)定的層流預(yù)混火焰用于光學(xué)診斷, 外層通純氮?dú)? 用于保護(hù)內(nèi)層的燃燒流場(chǎng)防止周?chē)鷼怏w的干擾, 如圖2(b)所示, 其供氣速度為0.15 m/s.

圖2 (a) 燃燒器實(shí)物圖; (b) 甲烷/空氣層流預(yù)混火焰Fig. 2. (a) Photo of the McKenna burner; (b) laminar premixed CH4/air flame.

圖3 燃燒場(chǎng)溫度隨燃空當(dāng)量比的變化Fig. 3. Variation curves of temperature with equivalence ratio in the combustion field.

實(shí)驗(yàn)分別采用燃空當(dāng)量比為0.8, 0.9, 1.0, 1.1,1.2, 圖3 為Rabenstein 等[28]應(yīng)用上述的McKenna-燃燒器, 通過(guò)拉曼散射技術(shù)獲得了CH4/air 預(yù)混火焰燃盡區(qū)的溫度, 該溫度將作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的參考溫度.

4 結(jié)果與討論

4.1 飛秒激光成絲

首先在燃燒場(chǎng)中進(jìn)行了飛秒激光成絲的實(shí)驗(yàn),觀察到了燃燒場(chǎng)中的成絲現(xiàn)象, 如圖4(a)所示, 為燃空當(dāng)量比為0.8 的甲烷/空氣預(yù)混層流火焰中飛秒激光誘導(dǎo)成絲的單反相機(jī)拍攝照片, 圖4(b)為ICCD 成像圖. 通過(guò)觀察圖4, 可以發(fā)現(xiàn)在一定的空間范圍內(nèi), 等離子體的強(qiáng)度基本維持不變, 這說(shuō)明飛秒激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體通道具備一維均勻性.

其次, 探究了光絲中的信號(hào)來(lái)源, 測(cè)量了飛秒激光成絲的發(fā)射光譜, 圖5 是燃空當(dāng)量比為0.8 的甲烷/空氣預(yù)混層流火焰燃盡區(qū)中飛秒激光成絲的發(fā)射光譜. 發(fā)射光譜主要來(lái)自于OH, N2, CN, CH及H 原子等, 其中CH 和H 原子主要來(lái)自于CH4的光解, 而CN 是通過(guò)復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)生成, 實(shí)驗(yàn)主要獲取350 nm 左右的N2/ N+2熒光信號(hào)來(lái)代表光絲長(zhǎng)度, 之后通過(guò)飛秒光絲長(zhǎng)短反演溫度場(chǎng)信息.

圖4 (a) 甲烷/空氣預(yù)混火焰中飛秒激光誘導(dǎo)成絲單反相機(jī)拍攝照片; (b) ICCD 成像圖Fig. 4. (a) Digital camera photo and (b) ICCD camera image of femtosecond laser-induced filaments in a premixed CH4/air flame.

圖5 (a) 甲烷/空氣預(yù)混火焰中燃盡區(qū)飛秒激光成絲的發(fā)射光譜成像; (b) 發(fā)射光譜Fig. 5. (a) Emission spectral image and (b) spectral curve of femtosecond laser-induced filament in the burned region of a premixed CH4/air flame.

4.2 溫度測(cè)量

實(shí)驗(yàn)在5 種不同的已知溫度下進(jìn)行, 根據(jù)文獻(xiàn)[28]通過(guò)控制燃空當(dāng)量比獲得不同的溫度, 具體信息如表2 所列. 圖6 為不同溫度下, 利用ICCD拍攝的飛秒激光在燃燒場(chǎng)燃盡區(qū)不同溫度下的光絲長(zhǎng)度, 實(shí)驗(yàn)中所用激光能量為5 mJ, 傳播方向自左向右, 成像信號(hào)為100 幅圖片累加結(jié)果, 成像信噪比為337. 從圖6 中可以看出, 隨著溫度的降低,光絲的長(zhǎng)度明顯變長(zhǎng). 為了便于定量計(jì)算光絲長(zhǎng)度, 截取成像圖的信號(hào)區(qū)域, 對(duì)該部分進(jìn)行縱向積分處理, 得到沿激光傳播方向上的信號(hào)空間分布,如圖7 所示.

表2 不同條件下燃燒場(chǎng)的溫度信息Table 2. Flame temperatures with different equivalence ratios.

圖6 甲烷/空氣預(yù)混火焰中基于飛秒激光成絲現(xiàn)象測(cè)溫效果Fig. 6. Temperature measurement based on femtosecond laser-induced filaments in premixed CH4/air flames.

圖7中不同的顏色代表著不同溫度下獲得的光絲信號(hào)強(qiáng)度的空間分布線型, 從圖7 可以看出,不同溫度下, 信號(hào)峰值的大小基本一致, 但是成絲的空間分布隨溫度變化. 這是由于溫度升高, 粒子數(shù)密度降低, 從而導(dǎo)致激光克爾自聚焦效應(yīng)減弱,飛秒激光絲長(zhǎng)變短. 我們將線型的半高全峰寬定義為光絲的長(zhǎng)度, 并建立光絲長(zhǎng)度與溫度之間的關(guān)系曲線.

圖7 不同溫度下甲烷/空氣預(yù)混火焰燃盡區(qū)信號(hào)空間分布曲線Fig. 7. Spatial distributions of filament in the burned region of premixed CH4/air flames with different temperatures.

圖8 飛秒激光成絲長(zhǎng)度與溫度的關(guān)系Fig. 8. Relation between the length of femtosecond laser filaments and temperature.

圖8中黑色圓點(diǎn)代表實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù), 利用(8)式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行冪函數(shù)擬合. 紅色實(shí)線代表冪函數(shù)擬合的結(jié)果, 其擬合度R2為0.984, 擬合系數(shù)A= –4.44 ± 0.38,B= 1.62 ± 0.13. 在溫度為2007 K 時(shí)可算得系統(tǒng)的測(cè)量誤差為 ± 25 K,測(cè)量精度約為1.2 %. 當(dāng)溫度從1630 K 變化到2007 K 時(shí), 成絲長(zhǎng)度由4.5 mm 變化到2.8 mm,變化了約38 %, 這說(shuō)明絲長(zhǎng)對(duì)于溫度變化十分敏感. 實(shí)驗(yàn)中利用標(biāo)準(zhǔn)板(每個(gè)小格1 mm, 每個(gè)大格1 cm)對(duì)成像圖的尺寸進(jìn)行了標(biāo)定. 可算得一個(gè)像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際空間尺寸為37 μm. 實(shí)際成像系統(tǒng)的空間分辨率是通過(guò)空間分辨標(biāo)靶(USAF 1951)測(cè)量. 在本實(shí)驗(yàn)條件下, 系統(tǒng)的空間分辨率為50 μm,對(duì)應(yīng)相機(jī)約為1.4 個(gè)像素. 根據(jù)擬合公式(8), 在燃燒場(chǎng)溫度為2007 K 時(shí)光絲長(zhǎng)度改變 50 μm, 對(duì)應(yīng)燃燒場(chǎng)溫度變化17 K,即ICCD相機(jī)的測(cè)溫分辨率為17 K.目前,我們采用的ICCD相機(jī)的空間分辨力極限可達(dá)到10μm 左右,通過(guò)優(yōu)化,測(cè)溫分辨率可進(jìn)一步提高,而激光器的能量波動(dòng)可能會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成一定的影響.目前該技術(shù)適用于均勻的燃燒場(chǎng)溫度測(cè)量,在常溫至高溫未燃?xì)怏w環(huán)境下,該方法仍然具有很好的應(yīng)用潛力.

5 結(jié) 論

本文利用飛秒激光成絲實(shí)現(xiàn)了燃燒場(chǎng)中溫度的測(cè)量.實(shí)驗(yàn)采用基頻為800 nm的飛秒激光器作為光源,通過(guò)聚焦透鏡入射到甲烷/空氣預(yù)混層流火焰,在火焰燃盡區(qū)形成一條穩(wěn)定的等離子體通道.通過(guò)將等離子體信號(hào)空間分布線型的全高半峰寬定義為飛秒光絲的長(zhǎng)度,并與溫度建立聯(lián)系.根據(jù)理論推導(dǎo)公式,通過(guò)冪函數(shù)擬合得到定標(biāo)曲線,根據(jù)該曲線,可以實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量.本文驗(yàn)證了基于飛秒光絲長(zhǎng)度測(cè)量溫度的可行性,并獲得了較好的測(cè)量精度,為燃燒場(chǎng)溫度測(cè)量提供新的診斷方法.目前實(shí)驗(yàn)僅在甲烷/空氣預(yù)混層流火焰中進(jìn)行,在常溫至高溫未燃流場(chǎng)溫度測(cè)量也具有很大的應(yīng)用潛力.