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专利名称：基于激光自发拉曼散射线成像的光学诊断系统的制作方法
技术领域：
本发明属激光光谱测试技术领域，具体涉及利用激光自发拉曼散射线成像定量测量气体浓度。
背景技术：
自发拉曼散射(Spontaneous Raman Scattering, SRS)可在各种燃烧场(如发动机、燃烧器和火焰等)中同步定量测量主要物质，如N2、02、H2O, CO2和碳氢化合物等气体的浓度信息。由于这种基于激光的燃烧诊断技术具有非接触性和时空分辨的特征，已被广泛应用于对各种复杂环境下燃烧过程的研究中。但目前国内外都是先将激光束用聚焦镜聚焦形成束腰(长Imm左右)，并将其放于被探测区域上，然后再由光学收集系统将该束腰上的拉曼散射光收集并聚焦到光谱仪中色散，最后成像在CCD上被采集记录。显然，如果想探测其它区域上的物理信息，必须同时移动聚焦镜和光收集系统的位置，或者移动燃烧装置的位置，这就造成了在具有湍流和浓度变化的燃烧场中多点检测非实时性问题。另外，在燃烧过程的SRS实验中，一般采用脉冲激光作为激发光源，一方面是因为脉冲激光输出能量较大，另一方面需与具有时序关系的燃烧系统(如发动机)进行工作循环上的同步，具有循环分辨能力，而且不影响整体燃烧过程。可是气态的SRS信号非常弱 (约为激发光强的10_12)，为了得到高质量的SRS数据必须提高脉冲激光的能量来改善系统的信噪比。但是过高的脉冲激光会造成聚焦区域上的气体裂解、激光束路径上的光学元件和石英密封窗口的损坏以及直接点燃可燃待测气体。目前，还没有一种能解决以上两方面问题的光学诊断系统。

发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光自发拉曼散射线成像的光学诊断系统。本发明由激光器1、激光脉冲整形器2、气样池3、截止器4、全反镜5、线光源收集器 6、滤光片7、光谱仪8、ICXD9和测控机10组成，其中激光脉冲整形器2置于激光器1和气样池3之间，激光脉冲整形器2中激光扩束器A的平凹透镜I 11中心与激光器1的入射光在同一条直线上；激光脉冲整形器2中激光缩束器C的平凹透镜II 23的中心与气样池3的激光入射石英窗口四中心在同一条直线上；气样池3的激光出射石英窗口 27 —端置有截止器4 ；全反镜5呈45°角置于气样池3的散射光输出石英窗口观出口和线光源收集器6 的平凸透镜III 35端之间；滤光片7置于线光源收集器6的凹凸透镜31端和光谱仪8的入口之间，滤光片7、凹凸透镜31和光谱仪8入口的中心在同一条直线上；光谱仪8的出口分别与ICXD9和测控机10的入口连接；ICXD9还分别与激光器1、测控机10连接。激光脉冲整形器2由激光扩束器A、激光脉冲展宽器B和激光缩束器C组成，其中激光扩束器A由平凹透镜I 11和平凸透镜I 12组成，平凹透镜I 11和平凸透镜I 12的中心在同一条直线上；激光脉冲展宽器B由45°角入射反射镜I 13、0°角入射反射镜I 14、 45°角入射反射镜II 15、0°角入射反射镜II 16、0°角入射反射镜III 17、0°角入射反射镜IV 18,45°角入射分束镜I 19、45°角入射反射镜III20和45°角入射分束镜II 21组成，由 45°角入射反射镜I 13、0°角入射反射镜II 16和45°角入射分束镜II 21构成第一光学环腔，其中0°角入射反射镜II 16置于入射激光的前方，45°角入射反射镜I 13置于0° 角入射反射镜II 16反射光的前方，45°角入射分束镜II 21置于输入激光q与45°角入射反射镜I 13反射光的交汇处；由0°角入射反射镜IV 18、0°角入射反射镜I 14、0°角入射反射镜III17、45°角入射反射镜II 15和45°角入射分束镜I 19构成第二光学环腔，其中45°角入射反射镜III 20置于45°角入射反射镜I 13反射光的前方；0°角入射反射镜 IV 18置于45°角入射反射镜III 20反射光的前方；0°角入射反射镜I 14置于0°角入射反射镜IV 18反射光的前方；0°角入射反射镜III 17置于0°角入射反射镜I 14反射光的前方；45°角入射反射镜II 15置于0°角入射反射镜III17反射光的前方；45°角入射分束镜I 19置于45°角入射反射镜III 20反射光和45°角入射反射镜II 15反射光的交汇处； 激光缩束器C由平凸镜22和平凹透镜II 23组成，平凸透镜II 22和平凹透镜II 23的中心在同一条直线上；激光扩束器A中的平凸镜12与激光脉冲展宽器B中的0°角入射反射镜 II 16的中心在同一条直线上；激光缩束器C中的平凸透镜II 22置于激光脉冲展宽器B中的45°角入射反射镜II 15反射光的前方；激光脉冲展宽器B中的45°角入射反射镜II 15 反射光与激光缩束器C中的平凸透镜II 22中心在同一条直线上。气样池3由气体入口 24、气体出口 25、气样池盖沈、激光出射石英窗口 27、散射光输出石英窗口 28、激光入射石英窗口四和气样池主体30组成，其中激光入射石英窗口四设于气样池主体30 —侧，激光出射石英窗口 27设于气样池主体30另一侧，散射光输出石英窗口观固接于气样池主体30中部，气样池盖沈设于气样池主体30上部，气体入口 M 和气体出口 25固接于气样池盖沈顶端。线光源收集器6由平凸透镜III35、消色差凹凸透镜II 34、消色差凹凸透镜I 33、双凸透镜32和凹凸透镜31组成，其中平凸透镜III 35、消色差凹凸透镜II 34、消色差凹凸透镜 I 33、双凸透镜32和凹凸透镜31依次排列，其中心在同一条直线上。采用本发明能有效避免气体裂解、光学元件和石英窗口损坏及可燃气体点燃等现象的发生，有效提高弱的拉曼散射信噪比。设计的扩束器和缩束器可以将8mm直径的原始激光在IOm后的激发区内形成Imm直径的平行激发光源。设计了一套组合消色差透镜组， 可以最大限度地将66mm长的散射光束缩小10倍变为6. 6mm高的实像，与CCD的最大纵向高度匹配。使用CXD内配的DDG 可实现激光器与IC⑶之间的时序同步。采用本发明能有效避免气体裂解、光学元件和石英窗口损坏及可燃气体点燃等现象的发生，有效提高弱的拉曼散射信噪比，通过多通道气体拉曼光谱实验证明本发明可应用于光学发动机中混合气浓度多区域上同步的定量测定。


图1为基于激光自发拉曼散射线成像的光学诊断系统的结构示意2为激光扩束器的结构示意3激光脉冲展宽器结构示意4为激光缩束器的结构示意5为气体样池结构示意图
图6为线光源收集器结构示意图其中A-代表激光扩束器；B-代表激光脉冲展宽器；C-代表激光缩束器；1.激光器2.激光脉冲整形器 3.气样池 4.截止器 5.全反镜 6.线光源收集器 7.滤光片 8.光谱仪9. ICXD 10.测控机 11.平凹透镜I 12.平凸透镜I 13. 45°角入射反射镜I 14. 0°角入射反射镜I 15. 45°角入射反射镜II 16. 0°角入射反射镜II 17.0°角入射反射镜III 18.0°角入射反射镜IV 19.45°角入射分束镜I 20.45°角入射反射镜III21. 45°角入射分束镜II 22.平凸透镜II 23.平凹透镜II 24.气体入口 25.气体出口 26.气样池盖27.激光出射石英窗口 28.散射光输出石英窗口 29.激光入射石英窗口 30.气样池主体 31.凹凸透镜 32.双凸透镜 33.消色差凹凸透镜I 34.消色差凹凸透镜II 35.平凸透镜III q_输入激光D-输出激光图7为5% CO2和95% N2混合下三维拉曼光谱曲线示意图其中X轴代表波长，Y轴代表光子数，Z轴代表通道数
具体实施例方式图1示出了利用激光诱导气体SRS光学诊断系统的结构。SRS光源采用的激光器1为白俄罗斯LOTIS LII公司的LS-2137U型调Q的闪光灯泵浦Nd: YAG激光器。选取波长为532nm(纳米)，频率为IOHz (赫兹)的脉冲激光输出。当泵浦灯能在40J(焦尔)时，激光器输出稳定的400mj (毫焦尔)能量、峰值功率约0. 4GW(吉瓦)、半高宽(Full width at halfmaximum intensity, FWHM)为 6. 5ns (纳秒)的尖脉冲激光，光束发散角小于lmrad (毫弧度)，光斑直径为8mm (毫米)。所使用的激光扩束器A如图2所示，可以将8mm直径的光束扩束到16mm。所使用的激光脉冲展宽器B具有两个光学环腔如图3所示，其中，45 °角入射分束镜1121的反射率为48%，45°角入射分束镜I 19的反射率为51 %。所有45°入射反射镜的反射率为99. 5%，所有0°入射反射镜的反射率为99. 0%。45°角入射分束镜II 21和0°角入射反射镜II 16之间的中心距为0. 82m, 0°角入射反射镜II 16和45°角入射反射镜I 13之间的中心距为0.93m，45°角入射反射镜 I 13和45°角入射分束镜II 21之间的中心距为0.2m，45°角入射分束镜II 21和45°角入射反射镜III20之间的中心距为0. 4m, 45°角入射反射镜III20和45°角入射分束镜I 19 之间的中心距为0. Im,45°角入射分束镜I 19和0°角入射反射镜IV 18之间的中心距为 0.8m，0°角入射反射镜IV 18和0°角入射反射镜I 14之间的中心距为0. 88m，0°角入射反射镜I 14和0°角入射反射镜11117之间的中心距为0.86!11，0°角入射反射镜III 17和 45°角入射反射镜II 15之间的中心距为0.85m，45°角入射反射镜II 15和45°角入射分束镜I 19之间的中心距为0.455m。通过计算第一光学环腔的延迟时间约为6. 5ns，刚好等于原激光的FWHM。第二光学环腔的延迟时间约为13. 2ns，比例接近于理想的1 2。所使用的激光缩束器C如图4所示。可以将16mm直径的光束缩束到1mm。所使用的气样池如图5所示。它允许充入5个大气压的混合气体，有激光出射石英窗口 27、散射光输出石英窗口观和激光入射石英窗口四。所使用的线光源收集器可以将长66mm的散射光缩小10倍，并具有消色差功能。所使用的全反镜5，目的是完全模拟实际光学发动机上的光路形式。
所使用的光谱仪8为美国Bruker公司的Surespectrum 500is/sm型成像光谱仪， 其采用了 Czerny-Turner (车尔尼-特纳)光路结构，主要特点是它可以按纵向空间位置进行复合光的色散，即光谱仪8狭缝纵向位置与C⑶像面的纵向位置一一对应，允许多通道光谱信号采集。实验中，狭缝调整到200 μ m，光栅选用150g/mm。所使用的ICCD9为英国Andor公司的iStar DH 720-18F-03增强型CCD，CCD传感器尺寸为256像素(纵向)X IOM像素(横向)，最小像素为^μπιΧ^μπι。它与光谱仪 8联合使用。其内部配有数字延迟发生器DDG ，通过测控计算机完成三台设备间的时序控制及采集分析光谱信号。实验中，增益设置到200，门脉宽为40ns。实验结果及分析1.相同压力不同混合气浓度下的多通道光谱数据在气样池中充入3kgf/cm2的不同浓度下的(X)2和N2混合气体。图7示出了 5% CO2和95% N2混合时的原始三维拉曼光谱曲线。表1示出了在该压力下，两种气体峰面积的标准偏差ASTD_ro2和Astm2随不同配比浓度的变化情况。每个峰值面积的标准偏差都是在 10个探测区域上的统计数据。表1在3kgf/cm2压力下6种实验条件下2种气体SRS光谱峰面积的标准偏差
权利要求
1.一种基于激光自发拉曼散射线成像的光学诊断系统，其特征在于由激光器(1)、激光脉冲整形器O)、气样池(3)、截止器0)、全反镜(5)、线光源收集器(6)、滤光片(7)、光谱仪(8)、ICXD(9)和测控机(10)组成，其中激光脉冲整形器⑵置于激光器(1)和气样池 (3)之间，激光脉冲整形器O)中激光扩束器(A)的平凹透镜I (11)中心与激光器(1)的入射光在同一条直线上；激光脉冲整形器( 中激光缩束器(C)的平凹透镜II (23)的中心与气样池C3)的激光入射石英窗口 09)中心在同一条直线上；气样池C3)的激光出射石英窗口 (XT) 一端置有截止器；全反镜( 呈45°角置于气样池(3)的散射光输出石英窗口 08)出口和线光源收集器(6)的平凸透镜III (35)端之间；滤光片(7)置于线光源收集器(6)的凹凸透镜(31)端和光谱仪(8)的入口之间，滤光片(7)、凹凸透镜(31)和光谱仪 ⑶入口的中心在同一条直线上；光谱仪⑶的出口分别与I(XD(9)和测控机(10)的入口连接；ICCD(9)还分别与激光器(1)、测控机(10)连接。
2.按权利要求1所述的基于激光自发拉曼散射线成像的光学诊断系统，其特征在于所述的激光脉冲整形器O)由激光扩束器(A)、激光脉冲展宽器(B)和激光缩束器(C)组成， 其中激光扩束器㈧由平凹透镜I (11)和平凸透镜I (12)组成，平凹透镜I (11)和平凸透镜I (12)的中心在同一条直线上；激光脉冲展宽器(B)由45°角入射反射镜I (13)、 0°角入射反射镜I (14)、45°角入射反射镜II (15),0°角入射反射镜II (16),0°角入射反射镜III(17)、0°角入射反射镜IV (18)、45°角入射分束镜I (19)、45°角入射反射镜 III 00)和45°角入射分束镜II 组成，由45°角入射反射镜I (13)、0°角入射反射镜II (16)和45°角入射分束镜II (21)构成第一光学环腔，其中0°角入射反射镜II (16) 置于入射激光的前方，45°角入射反射镜I (13)置于0°角入射反射镜II (16)反射光的前方，45°角入射分束镜II (21)置于输入激光(q)与45°角入射反射镜I (13)反射光的交汇处；由0°角入射反射镜IV (18)、0°角入射反射镜I (14)、0°角入射反射镜III (17)、 45°角入射反射镜II (1 和45°角入射分束镜I (19)构成第二光学环腔，其中45°角入射反射镜III (20)置于45°角入射反射镜I (13)反射光的前方；0°角入射反射镜IV (18) 置于45°角入射反射镜III 00)反射光的前方；0°角入射反射镜I (14)置于0°角入射反射镜IV (18)反射光的前方；0°角入射反射镜III (17)置于0°角入射反射镜I (14)反射光的前方；45°角入射反射镜II (15)置于0°角入射反射镜III (17)反射光的前方；45°角入射分束镜I (19)置于45°角入射反射镜III (20)反射光和45°角入射反射镜II (15)反射光的交汇处；激光缩束器(C)由平凸镜0 和平凹透镜II (23)组成，平凸透镜II (22) 和平凹透镜II (23)的中心在同一条直线上；激光扩束器(A)中的平凸镜(1 与激光脉冲展宽器(B)中的0°角入射反射镜II (16)的中心在同一条直线上；激光缩束器(C)中的平凸透镜II (22)置于激光脉冲展宽器(B)中的45°角入射反射镜II (15)反射光的前方；激光脉冲展宽器(B)中的45°角入射反射镜II (15)反射光与激光缩束器(C)中的平凸透镜 II (22)中心在同一条直线上。
3.按权利要求1所述的基于激光自发拉曼散射线成像的光学诊断系统，其特征在于所述的气样池(3)由气体入口(M)、气体出口(25)、气样池盖( )、激光出射石英窗口(27)、 散射光输出石英窗口( )、激光入射石英窗口 09)和气样池主体(30)组成，其中激光入射石英窗口 09)设于气样池主体(30) —侧，激光出射石英窗口、2Τ)设于气样池主体(30) 另一侧，散射光输出石英窗口 08)固接于气样池主体(30)中部，气样池盖06)设于气样池主体(30)上部，气体入口 04)和气体出口 0 固接于气样池盖06)顶端。
4.按权利要求1所述的基于激光自发拉曼散射线成像的光学诊断系统，其特征在于所述的线光源收集器(6)由平凸透镜III (35)、消色差凹凸透镜II (34)、消色差凹凸透镜I(33)、双凸透镜(32)和凹凸透镜(31)组成，其中平凸透镜III (35)、消色差凹凸透镜II(34)、消色差凹凸透镜I (33)、双凸透镜(32)和凹凸透镜(31)依次排列，其中心在同一条直线上。
全文摘要
基于激光自发拉曼散射线成像的光学诊断系统属激光光谱测试技术领域，本发明中激光脉冲整形器置于激光器和气样池之间，气样池的激光出射石英窗口一端置有截止器；全反镜呈45°角置于气样池的散射光输出石英窗口出口和线光源收集器之间；滤光片置于线光源收集器和光谱仪的入口之间，光谱仪的出口分别与ICCD和测控机的入口连接；ICCD还分别与激光器、测控机连接；采用本发明能有效避免气体裂解、光学元件和石英窗口损坏及可燃气体点燃等现象的发生，能有效提高弱的拉曼散射信噪比，通过多通道气体拉曼光谱实验证明本发明可应用于光学发动机中混合气浓度多区域上同步的定量测定。
文档编号G01N21/65GK102495041SQ20111040636
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者任锐, 李华, 李晓冰, 王伟东, 王有坤, 程鹏, 蒋俊光, 郭英男, 高印寒 申请人:吉林大学