可調空間分辨USEDCARS技術研究

張振榮，李國華，胡志云，王 晟，葉景峰，陶 波，邵 珺，方波浪

西北核技術研究院激光與物質相互作用國家重點實驗室，陜西 西安 710024

引 言

相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent anti-Stokes Raman scattering, CARS)是一種四波混頻的非線性光學效應。CARS用于燃燒流場診斷時具有非常高的溫度測量精度，同時還具有很強的抗干擾能力，已經成為各種燃燒流場溫度和組分測量的重要工具[1-2]，雖然該技術已經產生并發展了半個世紀，但相關技術創新仍不斷進行[3-4]。

時空分辨力是衡量光譜診斷技術的重要指標。CARS信號強度與所測分子數密度的平方成正比，在氣體壓力不變條件下，分子數密度與介質的溫度成反比，當所探測的空間區域內存在溫度梯度時，低溫、高溫CARS信號光譜相互疊加，產生空間平均效應[5-6]，會造成CARS光譜畸變，增加擬合難度和測量不確定度。由于低溫CARS信號遠強于高溫條件下的CARS信號，因此低空間分辨條件下CARS信號通常表現出低溫特性。此外，根據CARS理論，CARS信號強度還與探測區域長度的平方成正比，高空間分辨力對應低的CARS信號強度，以及低的單脈沖光譜信噪比，進而造成測量結果不確定度的增加，或是為了提高信噪比進行多脈沖平均從而導致測量時間分辨力的下降。對于空間分布均勻燃燒流場，適當降低空間分辨，有利于增強信號強度，提高單脈沖光譜的信噪比，從而實現高的時間分辨力和更高的測量精度。但現有CARS診斷系統不具有空間分辨力調節能力，要改變測量系統的空間分辨力，需要重新調節光路，甚至需要更換部分光學元器件。

按照相位匹配方式的不同，CARS技術可分為共線CARS、交叉光束CARS(BOXCARS)和非穩腔空間增強探測(Unstable-resonator spatially enhanced detection) CARS(USEDCARS)三類。其中，共線CARS技術由于空間分辨力很低，已經很少使用； BOXCARS通過泵浦光、探測光和斯托克斯光相互交叉設置，大大提高了探測的空間分辨力，使其縱向空間分辨力達到了約1～2 mm[7-9]，甚至優于1 mm[10-11]。但BOXCARS在大幅提高空間分辨力的同時也增加了對光學系統和實驗環境的要求。要使聚焦后的三束激光精確地交匯于測量點，需要極為精密的光學調節機構，而且在光路優化調節已經完成的情況下，由于測試環境中氣體溫度和密度的變化導致的折射率變化、實驗環境中的振動等都會使光束傳播路線發生偏移導致相位失配。這會使得CARS信號強度減弱甚至消失。

與BOXCARS相比，USEDCARS具有易于調節，對振動、擾動不敏感等優點，但USEDCARS技術的空間分辨力相對較低。當測量溫度梯度較大的燃燒流場時，會產生光譜畸變效應，造成溫度測量不確定度增大甚至難以進行光譜擬合等不足。文獻[12-13]比較分析了USEDCARS和BOXCARS技術的優缺點，認為BOXCARS技術能夠提供高的空間分辨力，但相位匹配效率較低，并對振動和氣動因素敏感，而USEDCARS技術易于準直，具有較高的相位匹配效率，并對振動等環境因素不敏感等，更適合應用于實際的大型工業燃燒裝置。

造成現有USEDCARS技術測量空間分辨力低的主要原因在于環形泵浦光的產生方式?，F有USEDCARS環形泵浦光采用空間濾波方式產生[13]，這種方式主要有兩方面的缺點： 首先，會造成激光能量損失，特別是當泵浦激光為高斯光束時，其中心最強的區域被空間濾波方式遮擋，造成激光能量較大的損失； 其次，采用空間濾波方式產生的環狀光束中心孔半徑較小，對應探測區域泵浦光與Stokes光之間的夾角很小，使激光的相互作用區域較長，測量的空間分辨力降低。

本文采用一種新的方式對泵浦激光進行了環狀光束整形，有效減小了泵浦激光的能量損失，同時還可以通過調節環狀光束的直徑實現診斷系統測量空間分辨力的連續調節。有效解決了現有USEDCARS技術泵浦激光能量損失、空間分辨力低且不易調節等不足，使USEDCARS診斷系統能夠更好地適應不同的診斷需求。

1 實驗部分

采用一組石英軸棱錐對泵浦激光進行整形，產生所需的環狀光束。如圖1所示，軸棱錐的直徑50 mm，錐角為156°，通光面鍍增透膜，透過率大于99%。兩塊軸棱錐嚴格共軸放置，軸棱錐之間的距離可連續精確調節。激光沿軸線入射至軸棱錐組，形成空心環形光束，通過調節兩個軸棱錐之間的距離可以獲得不同尺寸的環狀光束。

圖1 泵浦激光環狀光束整形Fig.1 Pump laser beam shaping system

所建立的USEDCARS系統如圖2所示，包括： Nd∶YAG激光器(Q-smart850，6 ns，532 nm，10 Hz)，寬帶染料激光器(波長607 nm，光譜寬度約190 cm-1)，光譜儀(andor SR-500i，2 400 lines·mm-1，焦距500 mm)，光譜信號采集用相機為ICCD(andor iStar)。YAG激光器輸出二倍頻532 nm激光能量約280 mJ，其中約70%的能量用于泵浦寬帶染料激光器，產生所需的607 nm寬帶Stokes激光，30%的能量用作泵浦激光。泵浦激光由軸棱錐進行光束整形產生環狀光束，并通過調節錐鏡之間的距離實現環狀光束直徑的連續調節。實驗中，泵浦光環狀光束半徑的調節范圍為3～9 mm。

圖2 可調空間分辨USEDCARS系統Fig.2 Spatial resolution adjustable USEDCARS system

環狀泵浦光經中心有一個45°斜孔的反射鏡反射，孔的直徑為6 mm，Stokes光穿過反射鏡的中心孔，并與環狀泵浦光共軸傳播，再由焦距為200 mm的透鏡聚焦于探測點，與介質相互作用產生相應的CARS信號，透鏡與反射鏡之間設置有衰減片，用于合束后激光能量的調節。

探測點上光束的橫向尺寸約為0.1 mm?？v向分辨力測量方法如圖3所示。測量分辨力時將激光能量衰減至約0.5 mJ。在探測點處放置厚度為0.1 mm的石英玻璃片，激光作用在玻璃片上，產生相應的非共振CARS信號。沿激光傳輸方向移動玻璃片，同時記錄不同位置CARS信號的強度，獲得CARS信號強度的空間分布曲線，并以此計算CARS系統的縱向空間分辨力。

圖3 USEDCARS縱向空間分辨力測量Fig.3 Schematic diagram of USEDCARS longitudinal spatial resolution measurement

2 結果與討論

2.1 空間分辨力測量結果

通過調節軸棱錐之間的距離，獲得不同半徑的環狀泵浦光束，并分別測量相應的縱向空間分辨力。圖4給出了環狀光束半徑分別為3，4，6，8和9 mm情況下得到的CARS信號強度隨空間位置變化曲線。數據擬合結果顯示，信號強度在空間上呈近高斯分布[12]。

圖4 不同分辨條件下CARS信號強度空間分布Fig.4 Spatial distribution of CARS signals intensity under different resolution

根據圖4所得CARS強度隨空間位置的分布數據，并取CARS信號總強度95%的空間區域代表CARS的縱向空間分辨力區域強度，以此計算得到相應的CARS縱向空間分辨力，如圖5所示。泵浦光內環半徑為3 mm，對應的空間分辨力為6.5 mm，這與USEDCARS常用實驗參數接近，而且傳統USEDCARS技術中還存在約50%的泵浦激光能量損失。通過增加兩個軸棱錐之間的距離，增大環狀光束半徑，當環狀光束半徑達到9 mm時，測量得到的空間分辨力為1.7 mm，這一數據與大多數BOXCARS的空間分辨力相當，可以滿足非均勻燃燒場對測量空間分辨力的需求。

圖5 不同泵浦光環狀光束半徑對應空間分辨力Fig.5 Spatial resolution with different annular pump laser beam radius

2.2 火焰中CARS光譜測量

利用所建立的可調空間分辨USEDCARS技術測量了酒精/空氣預混火焰溫度參數。其中酒精通過霧化并與空氣進行預混，空氣流量為10 L·min-1，化學配比φ=0.9?；鹧嫘螤畛式迫切?，測量點位于火焰中心距爐面高度25 mm處。通過調節USEDCARS測量系統的空間分辨力，獲得了縱向分辨力分別為6.5，4.9和1.7 mm時的單脈沖CARS光譜，如圖6所示。圖中不同空間分辨力對應的CARS光譜強度各不相同，空間分辨力與信號強度呈現強烈的負相關。信號強度主要由作用區的長度與測量區域內所測N2的分子數密度及其分布決定，由于所測區域存在較大的溫度梯度，所以低分辨條件下的CARS信號出現了嚴重的光譜畸變，并表現出明顯的低溫特性。高空間分辨條件下獲得的CARS光譜與理論光譜符合的較好，根據擬合結果可以給出測量點的溫度為1 912 K。

圖6 不同空間分辨條件下的CARS光譜Fig.6 CARS spectra with different spatial resolution conditions

與傳統USEDCARS系統相比，采用軸棱錐實現泵浦激光環狀光束整形沒有激光能量損失，同時，還可以通過調節兩個軸棱錐之間的距離，改變泵浦光環狀光束的直徑，從而實現測量空間分辨力的連續調節?？臻g參數分布均勻或溫度梯度較低的燃燒場，對診斷系統的空間分辨力要求較低，可通過減小軸棱錐之間的距離，縮小泵浦光環狀光束直徑，從而降低測量空間分辨力，以獲得高的單脈沖信號強度和信噪比，提高探測的時間分辨力； 對于溫度梯度較大的燃燒場，則可通過增加軸棱錐之間的距離，擴大泵浦光環狀光束直徑，提高空間分辨力，消除空間平均效應的影響。

3 結 論

利用了USEDCARS相位匹配效率高、環境適應性好的優點，并在此基礎上建立了一種可調空間分辨USEDCARS診斷系統。通過一組軸棱錐將泵浦激光光束整形為環狀光束，并通過調節軸棱錐之間的距離改變環狀泵浦光束直徑，從而獲得不同的空間分辨力，實現了空間分辨力在1.7～6.5 mm的連續可調。其中，高空間分辨狀態，達到了BOXCARS技術的空間分辨力，后續還將通過系統整體優化，進一步提高測量的空間分辨力。同時，空間分辨力連續可調特性使所建立的USEDCARS系統能夠更好地適應各種不同燃燒流場的測量需求。