圖1. 基于空氣激光的單光束相干轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測溫技術(shù)的基本原理

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和代爾夫特理工大學(xué)等單位合作，利用空氣激光，發(fā)展了單發(fā)次、單光束相干轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測溫技術(shù)，并在不同溫度下展示了其千赫茲測溫能力，測量精度達(dá)到小于2.3%的水平。相關(guān)成果以“Single-Shot Single-Beam Coherent Raman Scattering Thermometry Based on Optically Induced Air Lasing”為題發(fā)表于Light: Science & Applications。

燃燒場溫度、組分和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的測量對(duì)于化石能源的清潔高效利用以及航天發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化都具有重要意義。相干拉曼散射光譜技術(shù)具有非接觸測量、空間分辨率高、測溫準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，因此在燃燒診斷領(lǐng)域備受青睞。現(xiàn)有的相干拉曼測溫技術(shù)，通常需要對(duì)多束激光進(jìn)行波長調(diào)諧和精密的時(shí)空控制。然而，高溫高壓燃燒場中往往存在嚴(yán)重的折射率梯度和湍流，容易引起光束偏折和相位失配，導(dǎo)致拉曼信號(hào)劇烈抖動(dòng)甚至消失。因此，發(fā)展單光束、高幀頻相干拉曼測溫技術(shù)對(duì)于復(fù)雜燃燒環(huán)境的診斷具有重要意義。

研究團(tuán)隊(duì)以超塊強(qiáng)光場驅(qū)動(dòng)的空氣激光為探測光，發(fā)展了單光束相干拉曼測溫技術(shù)，其基本原理如圖1所示。一束高能量飛秒激光泵浦氮?dú)猱a(chǎn)生高亮度、窄線寬、與泵浦光同向傳輸?shù)目諝饧す?。?dāng)空氣激光與飛秒泵浦光一起聚焦到測溫區(qū)，飛秒激光將激發(fā)氧分子形成相干轉(zhuǎn)動(dòng)波包。由于空氣激光光譜非常細(xì)銳，將其作為探針，能夠分辨不同轉(zhuǎn)動(dòng)的拉曼躍遷，從而形成由一系列轉(zhuǎn)動(dòng)特征峰構(gòu)成的相干拉曼光譜。各轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼峰的相對(duì)強(qiáng)度與轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)的粒子數(shù)分布密切相關(guān)，而初始轉(zhuǎn)動(dòng)布居取決于系統(tǒng)溫度，因此通過測量轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜便可以獲得溫度信息。

此外，研究團(tuán)隊(duì)基于空氣激光輔助的單光束相干拉曼測溫技術(shù)，在不同溫度的氣體中進(jìn)行了1 kHz幀頻單發(fā)測量的實(shí)驗(yàn)演示。圖2展示了不同溫度下測量的相干轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜。根據(jù)相干拉曼散射理論模型對(duì)實(shí)驗(yàn)光譜進(jìn)行擬合，便可以得到系統(tǒng)的溫度。研究者在1秒鐘內(nèi)連續(xù)采集了1000幀拉曼光譜，并對(duì)這些單次測量的光譜進(jìn)行擬合，得到相應(yīng)的最佳擬合溫度。圖3(a)和(b)展示了該單發(fā)次、單光束相干轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測溫儀在室溫(294 K)和高溫(773 K)下的測量結(jié)果。從這些結(jié)果，不僅獲得了單次測量的精度和準(zhǔn)確度，而且表明該技術(shù)具備以千赫茲幀頻監(jiān)控溫度變化的能力。該測溫儀在不同溫度下的不準(zhǔn)確度和精度如圖3(c)所示。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)測量的氣體溫度范圍內(nèi)，其測量精度均小于2.3%，證實(shí)了單光束拉曼測溫技術(shù)的高穩(wěn)定性。然而，由于理論模型的簡化等因素，測溫的準(zhǔn)確度有待進(jìn)一步提高。

圖2. 不同溫度下測量的相干轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜(黑色圓圈)和最佳擬合光譜(實(shí)線)

圖3. 單發(fā)次、單光束相干轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測溫儀在室溫(294 K)和高溫(773 K)條件下獲得的1000幀單次測量結(jié)果及其在不同溫度下測量的不準(zhǔn)確度和精度

在該技術(shù)中，空氣激光是進(jìn)行相干拉曼測溫的重要探針。除了細(xì)銳的頻譜，空氣激光還具有獨(dú)特的時(shí)空特性?？臻g上，空氣激光與泵浦光天然重疊，無需額外調(diào)節(jié)，抗抖動(dòng)、抗湍流能力強(qiáng)。時(shí)間上，空氣激光天然滯后于泵浦光，因此能夠有效抑制非共振背景，獲得高信噪比的相干拉曼信號(hào)。空氣激光這些獨(dú)特的時(shí)-頻-空特性，是實(shí)現(xiàn)單光束、千赫茲測溫的重要基礎(chǔ)。該單光束、高幀頻相干拉曼測溫技術(shù)克服了傳統(tǒng)相干拉曼測溫技術(shù)中多光束時(shí)空精密控制的難題，為高溫、高壓、高湍流極端環(huán)境的燃燒診斷提供了一種簡單有效的途徑，在瞬態(tài)反應(yīng)流和等離子體的快速診斷方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、青促會(huì)優(yōu)秀會(huì)員等項(xiàng)目的支持。

審核編輯 黃宇