[实用新型]一种偏振式气体拉曼光谱测量系统

说明书

一种偏振式气体拉曼光谱测量系统属激光燃烧诊断技术领域，本实用新型中偏振生成系统、水平偏振拉曼系统和垂直偏振拉曼系统前后放置，激光器系统置水平偏振拉曼系统左边，偏振分解系统置水平偏振拉曼系统右边，测控系统置垂直偏振拉曼系统右边；燃烧区位于偏振生成系统和激光收集器之间；水平中心线Ⅱ与水平中心线Ⅰ垂直相交于45度反射镜中心；水平中心线Ⅱ与水平中心线Ⅳ垂直交于燃烧区中心；水平中心线Ⅲ与水平中心线Ⅳ垂直交于偏振光分束棱镜中心。本实用新型通过原始激光的偏振特性处理技术和两种偏振散射光的分解及同步接收和相减技术，去除了荧光干扰并最大化了气体拉曼散射信号，实现燃烧场气体物种摩尔分数和温度高精度定量检测。

技术领域

本实用新型属激光燃烧诊断技术领域，具体涉及一种偏振式气体拉曼光谱测量系统。

背景技术

高效清洁安全燃烧是人类重要的研究课题之一。无论是在发动机(包括航空航天发动机、交通运输发动机等)、供电供热的煤系统和燃气轮机中，还是在基础研究用的各类燃烧器中的燃烧，都需要通过各种先进的燃烧诊断技术手段来探索进一步改善燃烧状况的途径和方法。由于一些燃烧体系的封闭性、瞬态性、爆炸恶劣性等问题，目前人们一般采用各种激光燃烧诊断技术来检测燃烧过程。通过这些技术可以直接观测到燃烧场燃烧状态，实现燃烧场温度、组分及组分浓度、流度和火焰结构等高时空分辨的精确测量，为燃烧理论数值模拟计算提供实验验证。

通过激光自发振动拉曼散射物种光谱测量，可以实现复杂燃烧环境下的主要物种的浓度(摩尔分数)和区域温度的检测，并具有测量的非接触性、多物种测量同步性、定量性、时间(纳秒级)和空间(毫米级)分辨能力。目前它已经广泛应用于如发动机燃烧室内或某封闭或大气环境下的各种燃烧体系内。通过同步测量具有拉曼活性的气态物种(氮气、氧气、二氧化碳、碳氢燃料、氢气、一氧化碳等)的自发振动斯托克斯拉曼光谱信号，来获得气体摩尔分数，并由氮气的自发振动斯托克斯和反斯托克斯拉曼光谱信号，来获得局部空间上的温度。这些光学测量结果与数值模拟计算结果互相验证和补充，为燃烧理论和燃烧试验提供基础数据。

但目前这项测量技术在较多的应用中没有考虑气体的偏振特性对气体拉曼光谱测量结果的影响，造成激光诱导气体荧光严重干扰非常弱的气体拉曼信号，使得定量测量非常困难，尤其当激发光源在紫外区时基本测量不到气体拉曼光谱信号。即使这项测量技术在各种应用中考虑了气体偏振特性的影响，但都没有从原始激光的偏振态处理技术和接收偏振散射光技术两个方面同步结合来完成气体拉曼光谱的精确定量测量。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种利用原始激光进行偏振态变技术和偏振散射光分解及光谱接收技术相结合来完成激光自发振动拉曼散射精确定量测量气体摩尔分数技术。通过一个零级1/2波片和沃拉斯顿棱镜将原始激光变成垂直偏振(p偏振)和水平偏振(s偏振)的两束激发光源，这两束激光去激发燃烧场中待测各气态物种后形成这两种偏振状态的散射光，再由一个偏振光分束棱镜分成这两种偏振方向的散射光，并由两套相同设置的拉曼光谱成像系统同步接收，最后用垂直偏振拉曼光谱信号减去水平偏振拉曼信号得到没有荧光干扰的最大化的气态物种拉曼光谱信号，从而实现燃烧场环境的混合气体摩尔分数和区域温度的光谱检测。