激光光谱学在燃烧诊断中的应用
煤炭、石油、天然气及其他燃料在把温暖、光明和力量带给人类的同时,也严重地污染着大气、影响着全球的气候变化甚至一个国家的政治和经济的发展。因此,燃烧过程的诊断和控制构成了燃烧科学的重要内容。现在,每当人们提到燃烧科学时,总是将经济效益、安全和环境保护等问题放在一起加以考虑。前两个间题可以通过优化燃烧设备设计、改进燃料配方、采取节能措施以及光学成像的方法来解决,而最后一个问题则是要靠提高燃烧诊断水平和控制燃烧过程的精密技术来解决。研究人员认为:传统的测量科学限制了燃烧诊断科学的发展,而激光的出现和激光光谱学技术则极大地推动了燃烧诊断科学的发展。以激光为基础的燃烧诊断可以测量燃烧过程所包含的成分、浓度、浓度分布、燃烧物质的流量、速度和温度及其分布等。在测量过程中可以做到多波长、多样品和多参数测量。燃烧的激光光谱诊断是一种非破坏性和无障碍的测量,它既具有极高的空间分辨能力、时间分辨能力和光谱分辨能力,又具有较高的探测灵敏度。把激光光谱技术和先进的计算机科学相结合既可以监视燃烧过程,也可以对燃烧过程进行理论模拟研究。自发拉曼散射(SRS)、激光诱导荧光(LIF)、相干反斯托克斯拉曼散射(CARs)以及简并的四波混频(DFWM)等光谱技术在燃烧诊断中有重要应用。
SRS技术
拉曼散射是研究分子结构的重要方法,利用它可以确定多原子分子,特别是有机化合物的固有频率。如果分子的固有频率是已知的,那么利用拉曼散射可以进行成分分析和分子结构研究。在自发拉曼光谱中,拉曼信号的强弱线性地决定于激光强度和样品的浓度。然而,由于分子的拉曼散射截面非常小,拉曼信号就十分微弱。因此,自发拉曼散射常用于火焰中主要成分的研究(如燃料、氧化物、主要消耗气体和空气中的NZ等)。对燃烧过程中的不十分耀眼的火焰研究来说,这种技术十分有用。拉曼散射技术在燃烧诊断中也有它的局限性,这主要是由于拉曼散射信一号太弱和容易受到荧光的干扰所致。
LIF技术
在用激光激励分子时,分一子因吸收一个光子而到达较高的激发态。当它从激发态回到基态时,就会产生自发辐射而发射荧光,这就是激光诱导荧光(LIF)。激光诱导荧光牵涉到的是分子的真实的激发态,相比较而言,它是一个更加灵敏的光谱技术,其探测灵敏度可以达到10-9。在燃烧过程中,有些要测量的成分是瞬态的中间产物,含量非常小。LIF技术恰恰适合探测这种类型的样品。利用荧光激发光谱可以研究分子的激发和结构；利用分子的荧光色散光谱可以研究分子的动力学过程。
人们可以通过分析分子样品的激发光谱来推导其基态的玻尔兹曼温度；如果人们可以估计在激发条件下原子或分子的布居分布,就可以利用所观察到的荧光光谱再推一导气体的温度。另外,还可以通过观测分子对激光激发的瞬态和稳态的响应来研究能量转移和化学过程。
CARS技术
大能量、高峰值功率的可调谐脉冲激光器的发展,使得以非线性混频过程为基础的相干反斯托克斯拉曼散射(CARs)技术能够十分有效地用于分子光谱学研究。
与自发拉曼散射相比,CARS光谱有如下优点:①CARS光谱发射强度高,其信号类似于低强度的激光辐射,效率可达10-2,因而是一种高灵敏度的实验方法；②CARS信号是一个非常清晰的光束,不需要单色仪的分光就可以比较容易地单独地测量,并能够得到比较高的收集效率；③CARS信号光束的波长是在入射光的短波方向,而荧光的波长一般在入射光的长波方向,用一个干涉滤光片就可以消除荧光干扰,极大地减少了荧光干扰。
现在,CARS技术已被广泛地应用于燃烧诊断,包括简单的燃烧环境或者复杂的燃烧环境。用这种技术可以逐点测量燃烧温度,也可以测量主要样品的浓度等。
DFWM技术
20世纪80年代,非线性光学得到了突飞猛进的发展,而相位复共扼光学是非线性光学的一个新分支。相位复共扼光学采用非线性光学方法对电磁场进行实时空间和时间信息处理。相位复共扼光学意指对光波的相位信息进行空间和时间上的处理。当它通过光波与物质的非线性相互作用来实现时,就称为非线性光学相位复共扼。它在数学上等价于对复空间振幅进行复共扼运算,
因此相位复共扼波等价于时间反演波。
