陶蒙蒙 王亞民 吳昊龍 李國華 王晟 陶波 葉景峰? 馮國斌 葉錫生 陳衛(wèi)標?

1) (中國科學院上海光學與精密機械研究所,王之江激光創(chuàng)新中心,上海 201800)

2) (西北核技術(shù)研究所,激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室,西安 710024)

1 引言

在激光光譜學中,通過對某一特定分子吸收光譜特性的測量,可以實現(xiàn)對該分子所處環(huán)境參數(shù)的有效反演.由于水分子的吸收譜線強度高、分布廣,因此基于水分子吸收光譜的測量技術(shù)得到了廣泛應用.尤其是在燃燒流場中,由于水和CO2是燃燒的主要產(chǎn)物,且在傳統(tǒng)的通信波段水的吸收強度明顯強于CO2,因此通過對流場中水分子吸收特性的研究來反演流場參數(shù)已成為一種通用手段[1-3].對于1—2 μm 的近紅外波段,水的吸收譜線主要分布在三個波段,即1.11—1.16 μm,1.3—1.5 μm 和1.8—2.0 μm[4-6].其中,1.11—1.16 μm 波段由于吸收強度相對較弱,且范圍較窄,一般很少使用;1.3—1.5 μm 波段處于通信光纖的傳輸窗口位置,且相應的光源和探測器件都較為成熟,因此應用最為普遍[7].

基于水在1.3—1.5 μm 波段吸收的可調(diào)諧二極管吸收光譜技術(shù)(TDLAS)已成功應用于不同流場的溫度、組分濃度和速度的測量.水在1398 nm處有兩條相鄰的高溫吸收譜線,可由分布式反饋(DFB)激光器通過電流調(diào)諧同時掃描覆蓋,簡化了系統(tǒng)光源,因此廣泛應用于高溫環(huán)境下的流場參數(shù)測量[8].2012 年,張亮等[9]利用水在1398 nm 處的吸收線,基于多普勒頻移效應實現(xiàn)了對高速氣流的流速測量.2014 年,陶波等[10]利用水在1397.8 nm附近的吸收線分別建立了基于直接吸收法和二次諧波法的TDLAS 測量系統(tǒng),并對瞬態(tài)高溫超聲速流程和甲烷火焰的溫度開展了測量實驗.2015 年,Wang 等[11]利用水在1398 nm 附近的吸收譜線,通過24 束吸收路徑實現(xiàn)了甲烷火焰中水的溫度和濃度的同時二維反演.低溫下,水在1370 nm 處有一條相對獨立且較強的吸收譜線,該譜線在低溫流場測量中應用較為普遍.2008 年,Hunsmann 等[12]利用水在1370 nm 處的吸收譜線,通過TDLAS技術(shù)對樹葉的水蒸發(fā)速率進行了精確測量.2012 年,Witzel 等[13]利用水在1370 nm 附近的吸收線實現(xiàn)了對內(nèi)燃機中水蒸氣濃度的高速測量.

在一些實驗中,為了獲取更豐富的吸收光譜信息,往往還會使用多條吸收譜線進行超光譜測量,以實現(xiàn)多參數(shù)的同時反演.其中一種方法是使用多個DFB 激光器通過時分復用在時序上排列,并依次通過測量區(qū)域,從而獲得不同譜線處的吸收信息.2010 年,Caswell 等[14]在1.32—1.38 μm 波長內(nèi)選擇了10 條水的吸收譜線,通過時分復用技術(shù)實現(xiàn)了高壓燃氣輪機燃燒室內(nèi)水的溫度和摩爾分數(shù)的測量.2011 年,Li 等[15]利用水在1391.7,1343.3 nm 附近的三條吸收譜線實現(xiàn)了超燃沖壓發(fā)動機不同部位的流速、溫度和水的分壓的測量.2019 年,張步強等[16]基于水在1391.7,1468.9,1343.3 nm 附近的三條吸收譜線集成測量系統(tǒng),通過時分復用和波長調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)了發(fā)動機模型噴口溫度的精確測量.另外一種實現(xiàn)超光譜測量的更方便的方法是直接使用寬帶掃描光源,如傅里葉域鎖模光纖激光器(FDML)等.FDML 是一種基于半導體光放大的環(huán)形腔光纖激光器,其線寬約為0.1 nm,光譜連續(xù)掃描范圍可達100 nm,掃描速率高達數(shù)百kHz,是超光譜吸收應用的理想光源[17,18].2007 年,Kranendonk 等[19]首次報道了基于FDML的發(fā)動機吸收光譜測量實驗,在1335—1373 nm波長內(nèi)獲得了水的連續(xù)吸收光譜,并基于此反演得到了發(fā)動機流場溫度.2013 年,Caswell 等[20]使用三臺FDML,通過水的超光譜吸收實現(xiàn)了對脈沖爆震燃燒室不同位置的溫度、壓力和水的摩爾分數(shù)的測量.同年,利用相同的測量系統(tǒng),Ma 等[21]對J85 發(fā)動機出口尾焰開展了二維溫度分布測量.

事實上,與目前常用的1.3—1.5μm 波段相比,在1.8—2.0 μm 波段,水的吸收譜線更豐富,且吸收強度更高,具有很大的應用潛力.在單/雙譜線TDLAS 技術(shù)方面,2003 年,Zhou 等[22]基于HITEMP數(shù)據(jù)庫選出了10 對水在1.8 μm 附近的吸收譜線,并基于其中部分吸收線實現(xiàn)了對乙烯火焰溫度的測量.2019 年,符鵬飛等[23]選擇1877 nm 處水的吸收線搭建TDLAS 測量系統(tǒng),實現(xiàn)了對貧燃條件下不同燃燒工況的溫度和水分含量的多點分布式測量.

但是,由于受到光源的限制,1.8—2.0 μm 波段水的超光譜吸收測量鮮有報道.近年來,利用可調(diào)諧法布里-珀羅(FP)腔和光纖可飽和吸收體,課題組研制了寬帶調(diào)諧的窄線寬2 μm 波段的光纖激光器,并初步開展了空氣中水的超光譜測量實驗研究,在1856—1886 nm 約30 nm 的光譜范圍內(nèi)分辨了35 條水的吸收譜線,且測量結(jié)果與HITRAN數(shù)據(jù)庫相吻合[24-26].然而,在該激光器的波長調(diào)諧范圍內(nèi)包含大量水的低溫吸收譜線,不利于高溫流場的測量.本文在前期研究工作的基礎(chǔ)上,利用摻銩光纖的再吸收特性,通過增加增益光纖長度,使激光器輸出波長紅移到了1910—1970 nm 波段;此外,利用該激光器在空氣和酒精火焰中開展了水的超光譜吸收測量實驗,并通過寬帶吸收光譜反演得到了水的溫度信息.

2 寬帶可調(diào)諧、窄線寬2 μm 光源

2.1 光源波長掃描范圍的選擇

在本研究組前期的研究中,利用可調(diào)諧FP 腔和光纖可飽和吸收體獲得了1840—1900 nm 內(nèi)連續(xù)可調(diào)的窄線寬激光輸出[26].常溫下,該波段包含大量高強度的水的吸收譜線[4].但是,在對高溫流場進行測量時,該波段會受到周圍空氣吸收的嚴重干擾,從而影響溫度測量的準確性.圖1 所示為1.8—2.0 μm 波段在300 K 和1500 K 溫度下水的吸收線分布,在1950 nm 以上區(qū)域,常溫下水的吸收相對較弱,比較適用于高溫流場的測量.同時,為了兼顧常溫下的光路調(diào)節(jié)需求,光譜掃描范圍應適當覆蓋若干低溫吸收譜線.綜合考慮,光譜掃描范圍在1930—1970 nm 比較適宜.

圖1 單位標準大氣壓下,1.8—2.0 μm 波段在300 K 和1500 K 溫度下水的吸收線分布Fig.1.Absorption lines of water in the 1.8—2.0 μm range at 300 K and 1500 K for one standard atmosphere pressure.

2.2 光源設計

摻銩石英光纖輸出波長范圍可覆蓋1.7—2.1 μm波段[27],且其發(fā)射譜隨光纖長度的增加存在明顯的紅移現(xiàn)象[28],因此可以通過調(diào)節(jié)摻銩光纖的長度實現(xiàn)對光源的輸出光譜范圍的控制.圖2 所示為不同摻銩光纖長度下的放大自發(fā)輻射(ASE)光譜,光纖長度在4 m 左右時基本能夠滿足光譜掃描范圍要求.

圖2 不同增益光纖長度下?lián)戒A光纖的ASE 光譜圖Fig.2.ASE spectra of Tm-doped fibers at different active fiber lengths.

寬帶可調(diào)諧窄線寬摻銩光纖激光器光路結(jié)構(gòu)如圖3 所示.激光器整體上采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu),使用1.6 μm 摻鉺光纖激光器作為泵浦源,泵浦源通過一個波分復用器(WDM)耦合進入環(huán)形腔對增益光纖進行泵浦.實驗中通過優(yōu)化,選擇3.6 m TSF-9/125 光纖作為增益光纖.該光纖長度下,調(diào)節(jié)光纖FP 濾波器加載電壓,可以測量得到該濾波器的自由光譜范圍(FSR),如圖4 所示.可以看出,該FP濾波器的自由光譜范圍約為97 nm;在3.6 m增益光纖時,FP 濾波器的波長掃描范圍理論上可覆蓋1878—1975 nm.

圖3 寬帶可調(diào)諧窄線寬摻銩光纖激光器光路結(jié)構(gòu)圖 WDM,波分復用器;TDF,摻銩光纖;ISO,隔離器;FP filter,可調(diào)諧FP 濾波器;OC,輸出耦合器;FSA,光纖可飽和吸收體Fig.3.Optical path diagram of the broadband tunable narrow linewidth Tm-doped fiber laser:WDM,wavelength division multiplexer;TDF,Tm-doped fiber;ISO,isolator;FP filter,tunable FP filter;OC,output coupler;FSA,fiber saturable absorber.

圖4 光纖FP 濾波器的自由光譜范圍Fig.4.Free spectral range of the fiber FP filter.

環(huán)形腔內(nèi)的隔離器用于保證信號光在環(huán)形腔內(nèi)的單向傳輸.增益光纖中的前向信號光被隔離器阻擋,后向信號光進入光纖可飽和吸收體.實驗中,選擇0.3 m 銩鈥共摻光纖(TH512)作為光纖可飽和吸收體,實現(xiàn)對腔內(nèi)信號光線寬的壓縮.腔內(nèi)與信號光同向傳輸?shù)谋闷止馔ㄟ^一個WDM引出腔外,30%的信號光通過一個7∶3 的OC 輸出.可調(diào)諧FP 濾波器置于OC 和ISO 中間,以降低通過其的信號光功率,防止損傷.激光器的輸出波長由可調(diào)諧FP 濾波器進行選擇,并通過FSA進行線寬壓縮.

2.3 光源輸出特性

3—18 V 掃描電壓下,光源的輸出波長在1910—1970 nm 內(nèi)約60 nm 的光譜范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào).保持光譜最大值,持續(xù)掃描2 min,得到的激光光譜覆蓋范圍如圖5 所示.

圖5 激光光源輸出光譜掃描范圍Fig.5.Wavelength scanning range of the laser system.

固定電壓條件下的典型輸出光譜如圖6 所示.此時,激光器輸出光譜中心波長為1931.8 nm,3 dB 線寬約為0.07 nm,能夠滿足水的吸收光譜的測量需求.

圖6 分辨率不同的光源典型輸出光譜 (a) 1.00 nm;(b) 0.05 nmFig.6.Typical spectra of the laser system with different resolution:(a) 1.00 nm;(b) 0.05 nm.

在1931.8 nm 固定輸出波長下,激光器的功率輸出特性如圖7 所示.由于腔內(nèi)加入了FSA,會引入較大的損耗,因此該激光器泵浦閾值較高,約為430 mW.激光器整體斜率效率約為16.6%,最高輸出功率達60 mW.

圖7 激光器的輸出功率特性Fig.7.Output power of the laser system.

3 超光譜吸收應用

3.1 常溫下空氣中水的超光譜吸收

利用所設計的光源對常溫下空氣中水在1910—1965 nm 波長內(nèi)的寬帶吸收譜線進行了測量.測量中光源電壓掃描范圍為3—18 V,掃描頻率設定為20 Hz,吸收路徑長度約為58 cm.測得的典型實驗結(jié)果如圖8 所示.圖8(a)給出了重頻掃描下的連續(xù)測量結(jié)果,圖8(b)給出了半個周期內(nèi)波長單次掃描的實驗結(jié)果.可以發(fā)現(xiàn),隨著激光器的波長掃描,其輸出功率也會發(fā)生變化,疊加空氣流動對光強產(chǎn)生的干擾就形成了掃描過程中的光強基線.

通過快速傅里葉變換(FFT)濾波對圖8(b)中單次掃描獲得的吸收光譜數(shù)據(jù)去除高頻噪聲,然后基于文獻[29]中給出的信號去除法去除吸收信號基線,得到的吸收光譜信息如圖9 所示.圖中同時給出了基于HITRAN2016 數(shù)據(jù)庫計算得到的常溫、常壓下水在1910—1965 nm 光譜內(nèi)的理論吸收譜線.通過對比可以看出,實測的吸收譜線與理論模擬結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)很好的吻合,利用所設計的光源可以在1910—1965 nm 的光譜范圍內(nèi)有效分辨40 余條水的吸收譜線.

圖8 水的超光譜吸收典型測量結(jié)果 (a) 重頻掃描;(b) 單次掃描Fig.8.Typical measurements of hyperspectral absorption of water:(a) Repetitive scan;(b) single scan.

圖9 處理后的吸收光譜實測數(shù)據(jù)與理論模擬數(shù)據(jù)對比Fig.9.Comparison between the measured data of processed absorption spectrum and theoretical simulation spectrum.

通過尋峰即可得到實測吸收光譜數(shù)據(jù)中采樣點與理論模擬數(shù)據(jù)中波長之間的峰值對應關(guān)系,如圖10 所示.可以看出,激光器掃描波長與采樣點之間呈較好的線性關(guān)系,表明該激光器的波長掃描具有很好的線性度.通過對圖10 中的峰值對應關(guān)系進行插值即可實現(xiàn)對實測數(shù)據(jù)的波長轉(zhuǎn)換.

圖10 掃描過程中采樣點與激光器輸出波長的對應關(guān)系Fig.10.Relationship between sampling point and laser wavelength.

由圖9 中可以明顯地看出,常溫下,在1945 nm以上的光譜區(qū)域,水的吸收較少,且吸收強度較低,較低的信噪比導致該區(qū)域吸收光譜本底出現(xiàn)較大幅度的波動.為了消除這種慢變的本底波動對激光器線寬反演帶來的干擾,測量數(shù)據(jù)和理論模擬數(shù)據(jù)均對波長取一階導數(shù),然后通過最小殘差來判斷激光器動態(tài)掃描下的激光器線寬.

吸收光譜實測數(shù)據(jù)一階導數(shù)與不同激光線寬下理論數(shù)據(jù)一階導數(shù)的對比如圖11 所示.理論數(shù)據(jù)根據(jù)HITRAN2016 數(shù)據(jù)庫在常溫、常壓條件下生成,并通過插值與實測數(shù)據(jù)的波長實現(xiàn)一一對應.對比結(jié)果顯示,動態(tài)掃描過程中,激光器線寬約為0.06 nm,與圖6 中固定波長條件下的測試結(jié)果相當.

圖11 吸收光譜實驗數(shù)據(jù)一階導數(shù)與不同激光線寬下的理論模擬數(shù)據(jù)一階導數(shù)對比 (a) 不同激光線寬下的均方根殘差分布;(b) 1941 nm 附近的實測數(shù)據(jù)對比Fig.11.Comparison between first derivatives of the measured and theoretical absorption spectra under different laser linewidths:(a) RMSE distribution at different laser linewidths;(b) comparison of measured data around 1941 nm.

在0.06 nm 激光線寬下,利用HITRAN2016數(shù)據(jù)庫在常壓下生成不同溫度和摩爾分數(shù)的超光譜吸收數(shù)據(jù),并從中找出與實測吸收光譜最接近的一組吸收光譜,如圖12 所示.在298 K 溫度、2%摩爾分數(shù)下,實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)在1910—1965 nm范圍內(nèi)吻合較好,只有在若干強吸收譜線處出現(xiàn)了較大的殘差.由此可以得到環(huán)境溫度為298 K,與溫度計實測數(shù)據(jù)一致;空氣相對濕度為60%,與濕度計實測數(shù)據(jù)一致.

圖12 空氣中水的實測吸收光譜與理論吸收光譜對比 (a) 實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù);(b) 殘差Fig.12.Comparison between measured and theoretical absorption spectra of water in air:(a) Measured and theoretical absorption spectra;(b) residual.

3.2 酒精火焰中水的超光譜吸收

利用所設計的光源還對酒精火焰中水在2 μm波段的寬帶吸收譜線進行了測量.測量中光源電壓掃描范圍為3—10 V,掃描頻率設定為20 Hz,測得的典型實驗結(jié)果如圖13 所示.圖13(a)給出了半個周期內(nèi)波長單次掃描的實驗結(jié)果.圖13(b)給出了經(jīng)濾波、去基線處理后的實測數(shù)據(jù)與1000 K溫度下理論模擬數(shù)據(jù)的比對.可以看出,在高溫下,1950—1970 nm 范圍內(nèi)包含大量水的吸收譜線;實測高溫吸收譜線與理論模擬結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)很好的吻合,利用所設計的光源在高溫下可以在1950—1970 nm 的光譜范圍內(nèi)有效分辨近50 條水的吸收譜線.

圖13 酒精火焰中水的超光譜吸收典型測量結(jié)果 (a) 單次掃描;(b) 實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的對比Fig.13.Typical hyperspectral absorption spectrum of water in alcohol flame:(a) Single scan;(b) comparison between measured and theoretical spectra.

利用圖13(b)中的采樣點與波長對應關(guān)系即可實現(xiàn)對測量信號的波長轉(zhuǎn)換.為了屏蔽低溫吸收線的干擾,選取實測吸收光譜中的長波段數(shù)據(jù)與不同溫度下的理論模擬數(shù)據(jù)庫進行比對,并從中找出與實測吸收光譜最接近的一組吸收光譜,如圖14所示.在1220 K 溫度、8%摩爾分數(shù)下,實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)吻合較好,由此可以得到酒精火焰的溫度約為1220 K,與熱電偶實測數(shù)據(jù)相仿.另外,在1962 nm 附近有一條吸收譜線與理論模擬結(jié)果相差較大.這是由于該吸收線雖然屬于高溫線,但是在常溫下也存在較強的吸收(見圖9).因此,在整個吸收路徑上進行測量時,由于整體積分溫度低于火焰溫度,因此該譜線吸收強度會低于理論模擬值.

圖14 酒精火焰中水的實測吸收光譜與理論吸收光譜對比 (a) 實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù);(b) 殘差Fig.14.Comparison between measured and theoretical absorption spectra of water in alcohol flame:(a) Measured and theoretical absorption spectra;(b) residual.

4 結(jié)論

利用摻銩光纖的波長紅移特性,針對高溫流場測量需求,研制了在1910—1970 nm 光譜內(nèi)連續(xù)可調(diào)的窄線寬摻銩光纖激光器.利用該光源對空氣和酒精火焰中水的超光譜吸收開展了實驗測量,并通過與HITRAN2016 數(shù)據(jù)庫的比對反演了空氣和酒精火焰的溫度信息及其中水的摩爾分數(shù),驗證了2 μm 波段寬帶可調(diào)諧光源在流場參數(shù)測量中的應用可行性.事實上,在1950—1970 nm 光譜范圍內(nèi)還存在著大量CO2的吸收譜線,但是,由于在實驗環(huán)境中CO2濃度相對較低,因此測量中并未發(fā)現(xiàn)明顯的CO2吸收信號.后續(xù)可考慮通過實驗設計,利用所設計的光源實現(xiàn)對CO2的超光譜吸收測量.