[发明专利]一种基于光学互相关的时间选通装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及喷雾场雾化过程的测量装置及方法。

背景技术

由于发动机雾化过程是在密闭气缸内的快速、间歇的动态过程。受到缸内压力、温度、气流的影响，整个喷雾雾化过程分为初次雾化、二次雾化及进一步的分裂雾化。现代发动机喷射压力成倍提高、喷射时间相当短<4ms，燃料喷雾速度大于气缸内环境音速，由此产生的激波等现象使得燃料喷雾雾化过程更为复杂。这使得通常的测试技术均无法对燃料的雾化情况进行准确地测量。

图1和图2表示一个激光脉冲经过散射介质后的情形。从图中可以看到，入射激光脉冲在时间上被分解成三部分，分别对应于入射激光在散射介质中的三种不同传播方式。一种是空间上沿着入射光方向直接穿透介质，时间上也是最先穿透散射介质，称为弹道光子(ballisticphotons)。弹道光子带有介质内部结构最丰富的信息，比如它的强度变化反映了光传播方向上吸收的积分效应，它的相位变化反映了其在散射介质中经历的光程；另外一种散射方向大致与入射光同向，被称为蛇行光子(snakephotons)，它透过散射介质的时间要晚一些，相对于弹道光子有一定延时，但也携带有关于散射介质较为丰富的信息，反映了沿着光入射方向上的散射介质的一些散射特性；最后透过散射介质的那部分激光脉冲，同时也是最大部分的激光脉冲，经过了在散射介质中的多次散射，其散射角度比较大，经过的距离也比较长，因此带有散射介质作为一个整体的、宏观的散射特性，被称为散射光子(diffusephotons)。要对散射介质内部细节成像，弹道光子是最优的选择。但一般而言，由于越往散射介质深处，单次散射发生的几率就越小，所以这种光子就比较弱，并且其所能探测的深度有限。提高该方法的成像效率，就要把其他的光子都去掉。最可行的方法就是在时域上引入光学快门，使得只有弹道光子和蛇形光子通过，而把散射光子挡住。这种快门技术的关键是利用参考光脉冲实现时间上的严格同步，进而控制光学快门的开与关，即所谓的时间选通。

发明内容

本发明是为了实现在喷雾场测量过程中的时间选通，从而提供一种用于喷雾场测量的时间选通装置及方法。

一种基于光学互相关的时间选通装置，它包括分束片2、斩波器3、七号透镜7、一号透镜8、光学延迟部件13、二号透镜16、滤光片10、六号透镜11、探测器12、锁相放大器17和计算机19；

超短激光脉冲经分束片2分为第一路光和第二路光，所述第一路光经光学延迟部件13延迟后入射至二号透镜16，经二号透镜16聚焦至非线性晶体9；

所述第二路光经斩波器3斩波后入射至七号透镜7，经七号透镜7聚焦至喷雾场20，经喷雾场20出射的激光入射至一号透镜8，经所述一号透镜8聚焦至非线性晶体9，且与二号透镜16聚焦位置相同；

滤波片10位于非线性晶体9后，用于对透射出的激光进行滤波；六号透镜11位于滤波片10后，用于将滤波片10滤波后的光聚焦至探测器12；

探测器12用于探测接收到的激光的光强，所述探测器12的电信号输出端与锁相放大器17的光强信号输入端连接；所述锁相放大器17与计算机进行数据交互；斩波器3的控制信号输入端与锁相放大器17的控制信号输出端连接。

基于上述装置的一种基于光学互相关的时间选通方法，该方法具体为：

超短激光脉冲经光学分束片2分为两路，其中一路经过延迟线后聚焦至非线性光学晶体9；

另一路经斩波后先入射至喷雾场20，由喷雾场20出射的脉冲也聚焦至非线性光学晶体9的同一位置；

调节入射至非线性光学晶体9上该两路光的入射角，使得两路光在空间上满足相位匹配条件，当调节延迟线使得两路光脉冲同时到达非线性光学晶体时，由于非线性光学效应的存在，会在空间特定方向上出射二次谐波信号，该二次谐波信号反映了两路光的相关信息；通过滤波片滤除基频光后记录该二次谐波信号，并反推出喷雾场出射的光子信息。

本发明在测试装置中，利用光学互相关技术来消除喷雾场对测试光的散射对喷雾场测试产生的影响，利用该效应实现对喷雾场出射的弹道光子、蛇形光子及散射光子等的时间选通。

附图说明

图1是背景技术中散射介质对激光脉冲的作用示意图；

图2是背景技术中通过散射介质后的激光脉冲时域分布示意图；

图3是本发明装置的结构示意图；

具体实施方式