航空发动机光学测量方法 激光多普勒(LDV)测速 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 激光诱导荧光(LIF)测温 激光散斑测量应变 激光多普勒测速 激光多普勒测速原理：用一束单色激光照射到随流体一起运 动的微粒上，测出其散射光相对入射光的频率偏移，即多普 勒频移，进而确定流速。 静止光源S发出频率为f0的单色光，入射到与被测流体一起运 动(速度为 )的微粒P上，经过一次多普勒效应，微粒接收到 的光频为 经过二次多普勒效应，探测器D处接收到的散射光频为 常采用差频法测量多普勒频移，即将入射光与散射光混频， 两束光“混频”产生的拍频信号的频率就是多普勒频移。 多普勒频移为 多普勒频移与粒子在 方向上的投影速度成正 比。 参考光束型多普勒测速双散射光束型多普勒测速 检测散射光和入射光之间的频移检测两束散射光之间的频差 激光多普勒测速 双散射光束型多普勒测速原理 激光多普勒测速 采用左图标注多普勒频移表 示为 两束频率同为f的入射光经运动微粒散射进入探测器，光频分 别为f+fD1和f+fD2，两光波叠加实现拍频干涉，当速度V如图 中所示方向时，干涉光拍频与多普勒频移相等，为 激光多普勒测速 采用Bragg Cell对光频进行调制 光电探测器接收到的信号为E所 示的调制信号，信号频率即为 多普勒频移，对应于粒子速 度。 双散射光束型多普勒测速原理 激光多普勒测速 公司型号精度测速范围测量范围可重复性 德国ElovisSpeed 0.05 %0m/min4800m/ min 500mm+/- 20mm 英国PtotonSLM2002000.05%0.8m/min10000m/ min 200mm0.02% 新加坡舜宇SLV-S02v2 调谐v2使v1-v2=v v ：介质内某一拉曼散射的频移值 v 与 v3 相互作用，产生相干信号光束 v4=v3(v1-v2)=v3v 第四束波的空间方向 k4=k3 (k1-k2) 原理 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 原理 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 Pump Stokes ProbeCARS 频率为vp=v1的泵浦束和频率为vs=v2的探测束（即由泵浦束 频率与拉曼频移之差而成的斯托克斯束）借助几何匹配技 术被混频。激光通过三阶非线性极化率同介质相互作用产 生频率为va的振荡偏振，并发出CARS信号。 CARS相位匹配原理 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 气体固液 反斯托克斯拉曼光产生时的波矢匹配角 气体：三束波按同一方向实现相位匹配作用 固/液体：两入射光成一定夹角入射时才可实现相位匹配 三阶非线性极化率的表达式： 其中：c光速； 自由空间介质的介电常数；光束相交区长度；光束强度 其中： 、 为组分第j阶跃迁谐振极化率的实、虚分量，这些组分的拉曼谐振 j正是要被检测； 为非谐振电子背景极化率。 其中：N为待测组分的数密度； 为引起j阶跃迁能级间的相对布居差。 CARS信号强度与谱特征 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 假设气相介质的折射率为1，单色激光源、频率va的CARS信 号强度为 CARS光强及介质三阶非线性极化率表达式构成了CARS技术 的理论基础，给出了将CARS信号与基本物理量相联系的途 径。 CARS信号强度与谱特征 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 待测的燃烧产物组分特征正是根据CARS谱的特征形状（ 信号强度随频率的变化）和辐射强度来测量。 温度信息：三阶非线性极化率正比于CARS过程所涉及的 能级间粒子数密度差，而粒子数的布居与温度密切相关， 在热力学平衡状态下，服从玻尔兹曼分布，这是CARS测 温的基础。 浓度信息：基于CARS信号的强度。非共振CARS信号的作 用，组分浓度在一定范围内对光谱线型有明显影响。 温度与各频率处光强呈非线性关系，光强分布(线型)还与压 力、微分散射截面以及谱线加宽、激光线宽等多种因素相关 ，所以CARS信号的分析处理将是一项艰巨工作。 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 1) Nd:YAG激光器发出的532nm激光在BS1上分为两束，反射光作为CARS 泵浦光，而透射光则作为染料激光的泵浦光源。 2) 经M1、M2反射的CARS泵浦光和染料激光在打有45度斜孔的环形反射 镜AM处会合，染料激光从中心斜孔穿过，而泵浦光则通过反射而成为一 个环形光束，染料激光位于环形光束的中心。 实验装置原理图 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 3) 通过AM调制后的两束激光，由透镜L1聚焦到测量点。在焦点附近两束 激光的重合区域即为CARS的测量区域。 4) 从样品中出射的激光和信号光首先经过与L1共焦的透镜L2准直，而后平 行射向双色镜DM。DM又称为短波通，其作用是将大部分激光滤除。剩 余的激光和信号光再经过干涉滤波片F，滤除激光。 实验装置原理图 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 5) 信号被最终送入光纤前，还需要对其进行空间滤波。 6) 信号光被光纤传送到光谱仪后，ICCD在光谱仪的出口对光谱成像，而 后送入计算机处理。 实验装置原理图 N2分子的Q支CARS光谱 (a)实验谱 (b)计算谱 注：因氮是供气燃烧的主要组分，且在燃烧过程中保持不变，故为理想的温度指 示器。 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 CARS测温高温火焰(1730C) 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 EKSPLA CARS光谱仪 除了CARS光谱仪外，不同CARS应用需要搭建不同的CARS 测试结构，因此此类产品大多属于定制。 1 李麦亮. 激光光谱诊断技术及其在发动机燃烧研究中的应用D. 国防科学技术 大学, 2004. 2 刘正帆. 基于光纤束的相干反斯托克斯拉曼散射显微内窥成像系统研究D. 北 京理工大学, 2015. 3 赵阳. 飞秒CARS在分子超快动力学与气体燃烧测温中的应用研究D. 哈尔滨工 业大学, 2015. 4 5 http:/www.aerospacelab-journal.org/sites/www.aerospacelab-journal.org/files/Al1- 11.pdf. 6 7 Roy S, Gord J R, Patnaik A K. Recent advances in coherent anti-Stokes Raman scattering spectroscopy: Fundamental developments and applications in reacting flowsJ. Progress in Energy and Combustion Science, 2010, 36(2): 280-306. 8 Bohlin A, et al. Development of two-beam femtosecond/picosecond one-dimensional rotational coherent anti-Stokes Raman spectroscopy: Time-resolved probing of flame wall interactionsJ. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(3): 3723-3730. 9 Slipchenko M N, Cheng J X. Nonlinear Raman Spectroscopy: Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS)M. Encyclopedia of Biophysics. Springer Berlin Heidelberg, 2013: 1744-1750. 参考文献 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 激光诱导荧光(LIF)测温 原理 利用一束脉冲激光将特定分子（或离子）由电子基态激发 至激发态，稍后测量分子由电子激发态驰豫放出的光子， 扫描激发激光的波长使它通过分子的吸收谱带，就可以把 荧光强度描绘成激发激光波长的函数，得到荧光激发光 谱。 从荧光的分布，可以探测样品粒子的种类；从荧光的强弱 ，可得知粒子的浓度以及温度；利用其空间分辨性还可以 测量粒子的空间浓度/温度分布。 与普通的荧光光谱技术相比，具有更高的灵敏度、信噪比 和光谱分辨率等优点，而且测量样品时无需进行复杂的预 处理，便于在线分析。 激光诱导荧光(LIF)测温 高空间分辨：可达到微米量级。 快速时间响应：时间分辨最高可达纳秒量级，可对自由基 等瞬态物质寿命进行检测。 高灵敏度：探测下限最高可达106个粒子/cm3。 干扰小：通过激光激发，而不涉及接触式的探针等器件， 对等离子体，燃烧等干扰相对较小。 原理 LIF 检测系统主要包括激光器、检测光路、光电探测器、 信号处理模块。 目前常用的激光器是气体激光器，该类激光器结构简单、 价格低廉，对应于这些激光器的发射波长，有很多商品化 的荧光探针。 激光诱导荧光检测器为正交型，即入射光、流动池和荧光 检测三者相互垂直。 激光诱导荧光(LIF)测温 LIF检测系统 激光器（光源） 荧光检测器 激光诱导荧光(LIF)测温 LIF分类 Text Text Text Text Text Text 测量目的 测量物质 液体LIF 气体LIF 燃烧LIF 测量手段 示踪LIF 产物分析LIF 浓度测量 温度测量 LIF分类 激光诱导荧光(LIF)测温 实验装置原理图 1) Nd:YAG输出的532mn的激光进入染料激光器。 当激发光源波长落在200600nm范围内时，能够对自由基的 电子态进行激发，这是目前的染料激光器及激光倍频器配合 后容易覆盖的区域，因此实际上可见光和紫外光激发荧光光 谱在燃烧诊断中应用比较广泛。 激光诱导荧光(LIF)测温 实验装置原理图 2) 倍频器输出的紫外激光经过扩束，由柱面镜和长焦透镜组 成的透镜组整形为截面为0.215mm2片光。 将光束调制成有一定宽度的片光源而不是聚焦，是为了在保 持一定空间分辨能力的同时，方便透镜及光纤对准测量区域 ，并且保证激光处于线性激发区域。 3) ICCD被安装在光谱仪出口，对光谱进行成像。 激光诱导荧光(LIF)测温 LIF检测系统 PLIF平面激光诱导荧光火焰燃 烧检测系统(Planar Laser Induced Fluorescence Flame Analyzer) 提供信息： 燃料激光诱导荧光(LIF) 成像， 空气-燃料混合 火焰前锋可视化成像 火焰自由基分布(OH, NO, CH .) 火焰结构和稳定性 火焰和碳烟的温度 碳烟浓度和初级粒径 激光诱导荧光(LIF)测温 公司型号检测项目特点说明 丹麦Dantec Dynamics Combustion LIF 燃烧自由基的成 像；火焰前端可 视化；燃油分配 结合PIV或瑞利测 温进行多参数测量 激光诱导荧光测火 焰温度属于一项技 术，没有现成产品 ，需要定制。 美国Laser Technology Inc. 浓度和速度测 量PLIF系统 浓度场、温度场 测量 与PIV系统无缝集 成，满足速度与浓 度同时测量 商用产品技术参数 1 李麦亮. 激光光谱诊断技术及其在发动机燃烧研究中的应用D. 国防科学技术 大学, 2004. 2 http:/www.forbrf.lth.se/english/research/measurement-methods/laser-induced