光谱仪在燃烧诊断实验中的应用

技术介绍：

燃料燃烧是一种瞬态的化学反应动力学过程，科学家利用传统的光电技术，结合激光技术，光谱技术，图像处理技术用来分析燃烧场的温度，组分等参数，对优化发动机的喷雾燃烧提高燃烧效率，减少污染物等有着重要的意义。

燃烧诊断的方法有很多种，有些是直接用高速测量燃烧的全过程，有些利用光谱仪加PMT监控某些指示化学键发光的过程来分析燃料配比，有些则利用激光技术，燃烧化学反应时会产生一些中间产物（如CH、OH等），这些产物会吸收激发激光并发出特征光谱信号。科学家分析这些荧光光谱等信息，可以分析火焰瞬时的结构，组分浓度等信息。

产品应用：

科学家通过分析多组分煤油的低温点火性能，发现添加某些活化剂可以大大降低煤油的燃点，使其在较低温度时能够充分燃烧，

图1：低温点火测试实验图

上图为相关的实验简图，图中科学家将掺有一定比例活化剂的煤油滴到变温台上，变温台可以从100度到600多度控制，高速相机拍摄液滴在变温台上随温度变化后的燃烧情况。而在燃烧时火焰发光通过光纤收集到光谱仪中，再由PMT监控发光波段随时间变化的衰减过程。整个实验中，监控燃烧产物OH自由基的发光波段306.5nm，光谱仪将色散位置设置到该波段，然后用PMT进行监控。监控过程中PMT高压设置为1000V，使其处于光子计数状态，然后连接数采，对OH发光进行实时监控扫描。

当激光引入到燃烧实验中时，又会有很多有趣的现象发生。首先是拉曼光谱分析。

图2：火焰燃烧的拉曼光谱分析

在燃烧的不同时刻，由于燃料从刚开始不充分燃烧，中间产物较多，到充分燃烧，再到慢慢冷却。整个过程中各种成分的拉曼信号的分布是一个渐变的过程，我们可以利用这些信号变化来分析优化燃烧气体的比例浓度。实验中一般采用低重频的Nd：YAG脉冲激光器结合ICCD来进行研究分析。

如果将染料激光器引入实验，在Nd:YAG 激光器后面接上染料激光器，用532nm泵浦我们可获得多个波段的激发激光，例如606nm的激光，然后经与两束532nm激光在时域上进行调整，在满足CARS的相位匹配条件下，我们可以得到相关的CARS信号，从而可以用来分析燃烧场的温度和组分浓度信息。

图3：CARS原理简图和实验装置简图

在燃烧过程中，燃烧不充分会产生很多中间产物，我们也可以用激光激发火焰中这些中间产物获得荧光来分析，也就是激光诱导荧光（LIF），如果将激光经过柱面镜等光学元件整形成很薄的一个平行平面光，这是我们称该实验为平面激光诱导荧光（PLIF）

图4：PLIF实验简图

实验中，我们可以用ICCD或是高速相机拍摄例如OH分子荧光在燃烧过程中的分布情况。

图5：采用ICCD获得的火焰OH PLIF图像来研究火焰内部湍流结构分布

卓立汉光可以提供燃烧诊断中的各种产品，例如光路系统搭建所需的光机产品，如柱面镜，延时光路系统等，也提供各类光谱仪配置，例如光谱仪同PMT的组合，也提供光谱仪同各类相机的组合，特别是燃烧诊断实验中不可或缺的ICCD相机，卓立汉光也可以非常完美的进行匹配工作。

引用文献：

1. Zhu Jiajian, Wan Minggang, Wu Ge, Yan Bo, Tian Yifu, Feng Rong, Sun Mingbo, Chinese Journal Of  Lasers,48(4),0401005(2021).

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2. Frank JH, Kaiser SA, and Long MB,Proceedings of the Combustion Institute,29(2),2687(2002)