光熱偏轉光譜法測量煤油火焰內的速度分布

王 楠，玄洪文，李德華，聶玉昕

1. 深圳大學物理與光電工程學院, 廣東 深圳 518060 2. 深圳大學深圳市激光工程重點實驗室，廣東 深圳 518060 3. 中國科學院物理研究所光物理重點實驗室，北京 100190

引 言

火焰的光譜和速度測量是燃燒過程診斷和推進動力學的重要研究內容之一。在早期的研究中，激光誘導熒光和拉曼光譜等技術的出現使得流體測速得以實現，而激光多普勒速度測量學由于其測量精度高獲得了更為廣泛應用。由于測量過程本身的復雜性而以及低速測量中的誤差增大使得該方法的應用受到一定限制，于是面向低中速流體和固體材料測量的光熱偏轉光譜法[1-3]光熱偏轉光譜(PTDS)具有一定的實用價值。目前在國際上已實現對火焰和氣體噴流的速度和溫度分布等參數的測量，Rose等使用PTDS方法用于氮氣噴流和氫氧焰的速度測量[4]，Nie等將該方法用于低速流體速度和溫度等參數的測量[5]。目前國內采用PTDS的相關研究主要針對于固體或液體[6]，對于氣體或等離子方面的研究相對較少。本文基于光熱偏轉光譜法實現了對煤油火焰內不同面的速度分布測量，對于火焰燃燒測量診斷和激光技術在火焰診斷中的應用具有實用價值。

光熱偏轉光譜法測速的基本原理如圖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為光心的熱透鏡分布。一束探測光沿y方向(或者按照一定夾角)入射到流體中，探測光入射平面高于泵浦光入射平面，高度差設為Δz。泵浦激光在流體中產生的熱透鏡沿z方向移動到達并逐漸通過探測光，探測光由于介質折射率的改變產生方向偏折，如圖1(b)。通過測量探測光在高于泵浦平面距離Δz的信號偏轉相對探測光在泵浦平面信號偏轉的延遲，可以獲得熱透鏡在該段區域的飛行時間Δt。假設流體速度在這一小段距離內是均勻的，則流體在該段區間的速度為飛行距離Δz與該飛行時間Δt的商。由于Δz是設定的已知量，所以速度測量等價于Δz距離段的飛行時間Δt的測量。如果待測流體為靜止且泵浦光為連續光時(即流動速度為0)，泵浦光在流體中產生的熱透鏡固定不動，探測光入射到熱透鏡后發生特定角度偏轉，只在入射到不同位置產生不同的偏轉角，通過熱透鏡中心的探測光不發生偏轉。當流體速度大于0時，在產生流動的瞬時會使得探測光出現動態偏轉，但經過一段時間后，連續泵浦光和流體相互作用產生的熱分布達到新平衡，探測光不存在偏轉。若使用脈沖光進行泵浦，熱透鏡產生于特定時刻并隨流體移動，并且周期性地產生和輸送熱透鏡，探測光則能獲得周期性的偏轉信號。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，在熱透鏡的上下兩端和光心位置探測光不發生偏轉，在透鏡上中和下中兩段發生最大響應偏轉且方向相反，從而得到如圖1(b)所示的時域波形。對于初始位置泵浦光與探測光空間上重合于火焰中，相當于時域波形的后半條曲線，即在光心和熱透鏡下方不偏轉，下中部位偏轉最大，探測光僅在一個方向存在偏轉，可以用此臨界曲線作為泵浦光和探測光是否重合的標志。通過記錄探測光位于泵浦光上方Δz時的時域波形和探測光與泵浦光重合時的時域波形，取二者曲線中熱透鏡光心通過探測光的時間點差就可得到熱透鏡在距離Δz內的飛行時間Δt，從而得到熱透鏡的移動速度。

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

1 實驗部分

自建的光熱偏轉泵浦探測實驗裝置如圖2所示。由于實驗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，此處選用短波長的紫外激光進行激發[7]。選用商用的重復頻率為10 Hz，脈寬為5 ns的355 nm三倍頻固體激光源(EKSPLA)。實驗所用的初始泵浦光單脈沖能量為20 mJ，使用手動升降平移臺調整激光光束高度，并使用焦距為250 mm的平凸透鏡聚焦到火焰中。探測光使用功率為2 mW的632.8 nm連續He-Ne氣體激光(北大激光)，通過望遠鏡擴束系統后再經過焦距為200 mm的透鏡聚焦到火焰中，探測光的位置始終固定，實驗初始狀態對應于泵浦光和探測光的焦點在火焰中垂直相交。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罩中。為了降低激光超凈室空氣擾動對火焰的影響，并且減少煙塵對激光器件的影響，在防護罩上方使用自建的抽氣系統將燃燒廢氣導到室外。為方便測量火焰內的不同位置點，燈具下方使用高度和水平位置精確可調的平移臺對火焰相對激光的位置進行移動，從而代替同時移動泵浦光和探測光在火焰中的位置引起的不便和降低誤差。對探測光的偏轉進行探測的元件為由四象限探測芯片(QP-100，上海歐光電子)改裝的二象限探測頭。探測頭后接自建的差分放大電路記錄探測光的偏轉信號，并在數字示波器(Tektronix DPO 4054)上顯示和記錄波形。使用泵浦光的脈沖信號觸發自制光電二極管探測器接到示波器中用于觸發接收探測光信號。

圖2 煤油火焰速度測量實驗裝置示意圖

在火焰速度測量中的空間分辨率是衡量泵浦探測裝置精度的重要參數之一，近似定義為泵浦光、探測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為泵浦平面和探測平面間距。當泵浦光和探測光同向(重合)入射到火焰中時，雖然在探測過程中將獲得最大的偏轉信號積累和信噪比，但會損失一個維度的分辨率；若兩束光垂直入射到火焰中時，系統獲得最高的分辨率，代價是偏轉信號微弱，信噪比較低。在此實驗中將泵浦光和探測光垂直放置入射，以達到較高的空間分辨率。使用精密電控平移臺(Newport SMC100，步長為0.1 μm)和利用刀口法測量該實驗中泵浦光和探測光在焦點處的光斑直徑分別為310和140 μm。為同時保證盡量小的熱擴散和盡量好的時間分辨率，實驗中取泵浦和探測平面間距Δz為0.4或0.5 mm，該探測裝置的空間分辨率優于2×10-5cm3。

2 結果與討論

2.1 區間速度測量

在火焰中調節泵浦光焦點位置獲得與探測光焦點重合的時域波形，得到如圖3中H0所示的偏轉波形。此時由于探測光打到熱透鏡的中心，偏轉信號是激光通過完整熱透鏡偏轉信號的一半。上下調節重合點可發現此波形位于波形畸變和反向偏轉的臨界處，其中前者對應探測光位于偏靠熱透鏡下部，后者對應探測光偏靠熱透鏡上部。調節泵浦光到探測光下方0.4 mm的位置，則偏轉信號如圖3中的H1所示。H1曲線位于波峰和波谷之間的相對零點對應于熱透鏡的中心通過探測光的時間點，其相對于H0曲線處的熱透鏡中心零點有1.2 ms的延遲，即熱透鏡中心在1.2 ms的飛行時間內經過了0.4 mm，則在此距離段的平均速度為0.33 m·s-1。

圖3 探測光與泵浦光重合(H0)和位于泵浦光上方(H1)時的時域偏轉波形

2.2 水平速度分布測量

測量同一水平面多個點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速度，可測量該點上下兩個距離區間段的平均速度再做平均作為該點的速度。如對于圖4(a)的測量，以距燈芯高度5 mm為測量原點0，選取0±0.4 mm的三個測量水平面，使用區間速度測量獲得原點平面0和-0.4 mm平面區間的平均速度以及+0.4 mm平面和原點平面0區間的平均速度，再進而平均兩個速度值獲得0點的速度。測量得到的數據與使用拋物線形曲線擬合后的曲線較為一致。同理，分別測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)。通過圖4數據可知，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部速度；在接近火焰上方位置，同一水平面的火焰內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。在靠近火焰底部時，中間的燃料集中且由于缺少助燃的氧氣尚未燃燒完全，濃度高質量重靜止慣性大，其下方燃燒產生的推力小，上方阻力大，所以速度較低；而外側的較容易得到完全燃燒，揮發快，質量輕，下方推力大，上方阻力小，速度較快。在靠近火焰上部時，隨著燃燒物的完全燃燒以及受到下面火焰的推動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化為二氧化碳和水揮發掉了。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量

測量火焰同一豎直平面上不同高度點的速度可得到該豎直平面的速度隨高度分布規律。對距離火焰中心0±2 mm的三個豎直平面進行速度分布測量，可得到如圖5所示的數據點。為增加高度測量范圍和降低數據量，使用Δz為0.5 mm的泵浦探測平面間隔，對距燈芯2～9.5 mm的各點測量相對時間延時波形獲得飛行時間，從而獲得各個區間段和各個點的速度分布。由圖5(a,b,c)可看出，豎直中軸線上靠近火焰底部的點速度慢于兩側，上部的速度快于兩側，同上述水平速度分布測量得到的結論一致。同平面速度相當的位置在距離火焰燈芯9 mm左右，此時速度約為1.2 m·s-1。在不斷提升測量高度的過程中，火焰上方的抖動增大，且對泵浦光的吸收減少，使得探測光偏轉信號微弱，降低了測量過程的信噪比。這主要是由于隨著燃燒的完全進行，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，他們的主要吸收峰位于紅外，對它們的測量受限于激光光源。

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 泵浦擊穿對測量的影響

單脈沖能量為20 mJ的泵浦光經過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在火焰內部擊穿對火焰的本速度產生擾動。此處通過改變泵浦光能量，測量同一平面的速度分布，從而觀察泵浦能量對火焰速度的擾動影響。選取距離燈芯高度4 mm處的平面測量速度隨位置分布。如圖6所示，對同一平面的點，分別采用20，40和60 mJ進行泵浦測量其速度分布。從圖6(a,b,c)數據可看出，在40 mJ的泵浦能量時，對火焰速度的擾動約為0.1 m·s-1，當到達60 mJ的泵浦時，由于擊穿對火焰的擾動較大，約0.6 m·s-1。測量位置位于擊穿點上方，所以對速度的影響是正向的增加。這種擾動對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 論

基于光熱偏轉光譜法，利用自建泵浦探測裝置測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。測量得到的火焰上部和外側速度快于底部和內部，這在一定程度上反映了燃料未完全燃燒狀態、濃度和力學場分布，為進一步研究火焰燃燒過程和診斷提供一定依據。系統空間分辨率為2×10-5cm3并可以通過更小的泵浦光和探測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定的泵浦探測系統達到更高的時間分辨率和信噪比，包括能量和指向性穩定、波長更易被吸收的泵浦光源，功率更為穩定的探測光源，信噪比好的差分放大電路。由于泵浦激光的波長是固定的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信號，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甚至擊穿。使用可調諧激光將激光波長調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、燃燒過程中的擾動和不穩定性也是影響速度測量精度的主要因素。通過提高系統時間分辨率和信噪比，不但可提高空間分辨率，還將使得利用信號幅值測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分布。