超快强场激光在燃烧场中的传输特性和非线性光谱研究

发布时间：2017-09-14 16:07

  本文关键词：超快强场激光在燃烧场中的传输特性和非线性光谱研究

  更多相关文章： 飞秒激光成丝 光丝诱导荧光 燃烧分析 阈值功率 钳制强度 光致解离 自发辐射放大

【摘要】：燃烧分析对于理解燃料燃烧反应机理,设计高效、绿色的燃烧系统极其重要。光学方法,特别是基于激光光谱的分析方法,因其具有实时、高灵敏度、无创探测能力,经常被应用于燃烧中间产物的分布的监测。但是大部分激光光谱技术由于受到探测种类对泵浦激光波长选择特性的限制,每次只能探测一种中间产物。本论文将飞秒激光成丝概念引入到燃烧科学领域,提出了一种全新的燃烧诊断技术。飞秒激光在光学介质中传播时,因受到克尔自聚焦效应和等离子的散焦效应的共同作用,会产生成丝现象。光丝核区的激光强度可以达到1013~1014 W/cm2,在如此高的激光强度下分子可以同时吸收多个光子被激发至高激发态,发射特征荧光光谱。因而,原理上仅仅利用一台激光器就可以同时探测多种分子。本论文主要特色工作和创新成果如下:1.探讨了利用飞秒激光成丝进行燃烧分析的可行性,展示了光丝诱导非线性光谱技术可同时传感探测多种燃烧中间产物的能力。在激光传播的侧向方向测量了飞秒激光光丝与酒精灯火焰相互作用诱导的非线性光谱,同时发现多种被光丝激发的中间产物如C2、CH、OH、NH、CN和N2自由基以及原子C和H等的“指纹”荧光光谱线;沿着火焰燃烧中心轴向调整光丝与火焰相互作用位置,测量了不同位置的火焰光丝诱导荧光光谱,发现随着与灯芯距离的增加,中间产物的荧光强度先增大再减小,这与扩散型火焰的中间产物的分布特征是吻合的。2.测量了飞秒激光在火焰内部成丝的阈值功率和钳制强度。通过观测激光焦点移动与入射激光功率的关系,获得了波长800 nm,脉宽35 fs的飞秒激光在火焰内部成丝的阈值功率,发现其数值大约是同等空气条件下的四分之一;利用飞秒激光光丝核区的高强度特性,在火焰内部插入一片金属箔片用光丝在箔片表面打孔,通过测量小孔的尺寸和透过小孔的激光能量,计算得到火焰内部飞秒激光光丝的钳制强度,该值约为空气条件下的二分之一。3.在酒精灯火焰中观测到光丝诱导荧光自发辐射放大现象。后向收集光丝诱导火焰非线性荧光,发现随着激光能量的增加,来自于中间产物CN分子振动跃迁2 2B X?????在388 nm处的荧光强度呈指数增加,而来自于中间产物C2分子Swan带在474 nm处荧光强度呈线性增加;固定激光能量,调整火焰的位置来改变光丝与火焰相互作用的长度,发现中间产物CN分子在388 nm处荧光强度依然可以产生这种指数增加的行为。4.研究了光丝诱导火焰荧光机理。测量了火焰内部纳秒激光诱导击穿光谱及其火焰本身自发发射光谱,通过与飞秒激光光丝诱导火焰非线性光谱相比较,发现飞秒激光光丝诱导火焰荧光主要来源于光丝对中间产物的直接激发作用而非来自于光丝对母体分子的解离效应。综上所述,我们研究了飞秒激光在火焰中的非线性传输特性,提出了一种全新的、可应用于燃烧分析的非线性光谱技术。我们发现火焰燃烧场中光丝诱导的非线性光谱包含丰富的燃烧中间产物信息,展示了该项技术用于燃烧分析的可行性;定量测量了飞秒激光光丝在火焰内部成丝的阈值功率以及光丝的钳制强度,深入理解飞秒激光光丝与火焰相互作用物理机理;展示了后向测量光丝酒精灯阵列火焰内诱导荧光光谱中间产物CN分子荧光自发辐射放大现象,该实验观察为实际燃烧系统中克服荧光淬灭提供了新的途径,具有重要意义;与纳秒激光诱导击穿光谱、火焰自发发射光谱相比较,发现光丝在火焰内部诱导的荧光主要来自于光丝对中间产物的激发作用。本论文的工作拓展了飞秒激光光丝的应用领域,为光丝诱导非线性光谱技术对实际燃烧系统的应用于燃烧分析做了有益的探索。
【关键词】：飞秒激光成丝 光丝诱导荧光 燃烧分析 阈值功率 钳制强度 光致解离 自发辐射放大
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN249;TK16
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-42
• 1.1 燃烧和激光燃烧分析技术介绍12-22
• 1.1.1 燃烧分析背景介绍12-15
• 1.1.2 几种常用的激光燃烧分析技术介绍15-22
• 1.2 飞秒激光光丝简介22-39
• 1.2.1 激光发展历史22-24
• 1.2.2 飞秒激光光丝介绍24-39
• 1.3 本论文的主要工作39-42
• 第2章 飞秒激光光丝诱导火焰荧光光谱研究42-50
• 引言42-43
• 2.1 光丝诱导火焰荧光光谱测量43-46
• 2.2 光丝诱导火焰非线性光谱中间产物分布46-48
• 2.3 本章小结48-50
• 第3章 飞秒激光在燃烧场中成丝阈值功率及钳制强度50-62
• 引言50-51
• 3.1 飞秒激光光丝阈值功率与钳制强度测量方法介绍51-52
• 3.1.1 飞秒激光光丝阈值功率测量方法介绍51-52
• 3.1.2 飞秒激光光丝钳制强度测量方法介绍52
• 3.2 飞秒激光在乙醇火焰中成丝阈值功率与钳制强度的测量52-59
• 3.2.1 飞秒激光成丝阈值功率测量52-57
• 3.2.2 飞秒激光光丝钳制强度测量57-59
• 3.3 本章小结59-62
• 第4章 燃烧场中光丝诱导荧光自发辐射放大现象62-74
• 引言62-63
• 4.1 飞秒激光成丝诱导激射行为介绍63-65
• 4.1.1 飞秒激光成丝诱导前向激射行为介绍63-65
• 4.1.2 飞秒激光成丝诱导后向激射行为的介绍65
• 4.2 飞秒激光成丝在火焰中诱导荧光自发辐射放大现象研究65-72
• 4.3 本章小结72-74
• 第5章 飞秒激光光丝诱导火焰荧光机理研究74-84
• 引言74
• 5.1 实验装置74-75
• 5.2 酒精灯火焰的飞秒激光光丝诱导非线性光谱75-78
• 5.3 酒精灯火焰的纳秒激光诱导击穿光谱78-80
• 5.4 酒精灯火焰的自发发射光谱80
• 5.5 不同光谱技术应用于燃烧分析的比较80-82
• 5.6 本章小结82-84
• 第6章 总结84-86
• 参考文献86-98
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果98-100
• 致谢100-101

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本文编号：850959