1、，第14周，第17周，現(xiàn)代熱測試技術(shù)A，流體可視化技術(shù)簡介激光診斷技術(shù)在發(fā)動機(jī)研究中的應(yīng)用，激光誘導(dǎo)熒光測量技術(shù)LIF什么是LIF激光誘導(dǎo)熒光激光：高能量，小傳播能量損失誘導(dǎo)，觸發(fā)熒光：熒光信號用于測量瞬態(tài)物質(zhì)，而激光(通過受激輻射發(fā)射的光放大，激光)是指通過受激輻射放大和必要的反饋共振產(chǎn)生準(zhǔn)直、單色和相干光束的過程和儀器。激光是20世紀(jì)以來人類繼原子能、計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體之后的又一偉大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最精確的尺”和“最明亮的光”。它的亮度大約是陽光的100億倍。熒光：當(dāng)常溫物質(zhì)受到一定波長的入射光(通常是紫外線或x射線)照射時，它吸收光能并進(jìn)入激發(fā)態(tài)，同時立即下降到低能態(tài)并激發(fā)光(在

2、可見光波段，波長通常比入射光的波長長)；一旦入射光停止，發(fā)光現(xiàn)象立即消失。具有這種特性的出射光稱為熒光。激光誘導(dǎo)熒光光譜法使用脈沖激光將特定分子(或離子)從電子基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)，然后測量電子激發(fā)態(tài)釋放的光子，并掃描激發(fā)激光的波長以使其穿過分子的吸收帶，從而可以將熒光強(qiáng)度描述為激光波長的函數(shù)，并且可以獲得激發(fā)光譜。熒光光譜功能可以從熒光分布中檢測樣品顆粒的種類；從熒光的強(qiáng)度，我們可以知道顆粒的濃度和溫度；空間分辨率也可用于測量粒子的空間濃度和溫度分布。與普通熒光光譜法相比，它具有靈敏度高、信噪比高、光譜分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，并且便于在線分析，無需在測量樣品時進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)熱處理。激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)的原理和

3、熒光特性因熒光物質(zhì)的種類、環(huán)境溫度、壓力和周圍大氣而異。當(dāng)滿足某些條件時，許多物理參數(shù)，包括濃度、溫度和組成，可以通過熒光強(qiáng)度獲得。激光能量越強(qiáng)，熒光強(qiáng)度越大。理論上，熒光強(qiáng)度和光致發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)該是線性的。然而，基態(tài)分子的數(shù)量是有限的。當(dāng)激發(fā)強(qiáng)度達(dá)到一定水平時，所有能被激發(fā)的分子都可能被激發(fā)。此時，當(dāng)激發(fā)強(qiáng)度再次增加時，沒有足夠的分子能夠被激發(fā)，并且熒光強(qiáng)度將不會線性增加。這種現(xiàn)象被稱為熒光飽和。為了在應(yīng)用中獲得更高的精度，激光誘導(dǎo)熒光實(shí)驗(yàn)通常在激光能量不飽和的線性區(qū)域進(jìn)行，但飽和狀態(tài)下的激光誘導(dǎo)熒光受激光能量吸收和衰減的影響較小，因此在一些實(shí)驗(yàn)中具有一定的優(yōu)勢，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行選擇。課堂演

4、示實(shí)驗(yàn)，水羅丹明6g，片狀光學(xué)，激光，nd: YAG激光，波長532nm，最大輸出功率(mW)，1501.2，線寬(nm)，10-5，偏振比，100:1，lif，LIF測量技術(shù)的突出優(yōu)勢，高空間分辨率：可達(dá)微米級?？焖贂r間響應(yīng)：時間分辨率可達(dá)納秒，可檢測自由基等瞬態(tài)物質(zhì)的壽命。高靈敏度：檢測限可達(dá)106個粒子/cm3。小干擾：激光激發(fā)不涉及接觸探針和其他設(shè)備，對等離子體和燃燒的干擾相對較小。主動探測：它與被探測系統(tǒng)中的電子密度(ne)和電子溫度(Te)關(guān)系不大，但主要與被探測物種的濃度有關(guān)。熒光分離的主要難點(diǎn)對于一些目前很少檢測到的物種，熒光分離需要一定的光譜基礎(chǔ)。對于濃度低于ppm的物質(zhì)，熒

5、光可能較弱。自由基的絕對濃度測量需要仔細(xì)校準(zhǔn)。染料激光器的維護(hù)要求很高。淬火評定特別是在猝滅、溫度和壓力方面，對各種示蹤劑熒光特性(如熒光量子效率函數(shù)和吸收截面系數(shù))的基礎(chǔ)研究缺乏廣泛和完整的數(shù)據(jù)支持。目前，大部分LIF濃度實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度大多在95%-80%之間，缸內(nèi)燃燒試驗(yàn)的誤差通常在90%以上，即使經(jīng)過相關(guān)校正，也是由于溫度不均勻性等因素的干擾。因此，迫切需要進(jìn)一步研究提高激光誘導(dǎo)熒光測試精度和擴(kuò)展激光誘導(dǎo)熒光測試能力。LIF系統(tǒng)的硬件組成，LIF中的核心器件，熒光檢測器，激光器(光源)，各部件對應(yīng)的功能光源：提供穩(wěn)定的窄線寬脈沖激光器；光學(xué)元件：光路調(diào)整、光路轉(zhuǎn)換、雜散光過濾等；熒光檢測器

6、檢測激光誘導(dǎo)熒光的強(qiáng)度和分布；同步控制器：控制激光器和探測器的定時，捕捉目標(biāo)物種的熒光；采集軟件：采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理；校準(zhǔn)設(shè)備：校準(zhǔn)羥基和其他自由基，以獲得絕對濃度。激光光源簡介隨著光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種工作物質(zhì)和工作模式的激光器不斷出現(xiàn)。按工作波段分類：紅外和遠(yuǎn)紅外激光器、可見光激光器、紫外和真空紫外激光器以及x光激光器。按工作方式分類：連續(xù)激光、脈沖激光和超短脈沖激光。根據(jù)激光器的工作材料，它們分為固態(tài)激光器、氣體激光器、染料激光器和半導(dǎo)體激光器。激光器分類固體激光器是一種以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃為工作物質(zhì)的激光器。常用的固體工作物質(zhì)還有紅寶石、藍(lán)寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石(Nd3:

7、YAG)等。固態(tài)激光器的特點(diǎn)是輸出能量大(可達(dá)數(shù)萬焦耳)、峰值功率比高(連續(xù)功率可達(dá)幾千瓦、脈沖峰值功率可達(dá)幾千兆瓦、幾十太瓦)、結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用。廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域。如鉆孔、焊接、劃線、微調(diào)、激光測距、雷達(dá)、制導(dǎo)、激光視網(wǎng)膜凝固、全息攝影、激光存儲、大容量通信等。釹：釔鋁石榴石激光器具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：低閾值和優(yōu)異的熱性能，使其適用于連續(xù)和高重復(fù)率的操作。Nd3:YAG是唯一一種在室溫下可以連續(xù)工作的實(shí)用固體工作物質(zhì)。在中小功率脈沖裝置中，特別是在高重復(fù)頻率脈沖裝置中，目前使用的釹：釔鋁石榴石的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他固體工作物質(zhì)?？梢哉f，釹3:釔鋁石榴石自問世以來已得到廣泛應(yīng)用，

8、并長期繁榮。氣體激光器是一種使用氣體或蒸汽作為工作物質(zhì)的激光器。與其他類型的激光器相比，氣體激光器的突出優(yōu)點(diǎn)是輸出光束質(zhì)量好(單色性、相干性、光束方向和穩(wěn)定性等)。)。因此，它被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防和科學(xué)研究。三種典型的氣體激光器：氦-氖激光器，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、光束質(zhì)量好、工作可靠、易于制造等優(yōu)點(diǎn)，仍是應(yīng)用最廣泛的氣體激光器。主要譜線為紅光(632.8納米)、黃光(594納米)、綠光(543納米)和橙光(606納米、612納米)。CO2氣體激光器，二氧化碳(CO2)激光器，是一種以CO2氣體分子為工作物質(zhì)的氣體激光器。激光波長為10.6米和9.6米.優(yōu)點(diǎn)：能連續(xù)工作，脈沖，輸出大

9、，效率高。其能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)(2025)，連續(xù)輸出功率可達(dá)10000瓦，脈沖輸出能量可達(dá)10000焦耳，脈沖寬度可壓縮至納秒。它廣泛應(yīng)用于材料加工、通訊、雷達(dá)、化學(xué)反應(yīng)誘導(dǎo)、外科手術(shù)等。它還可用于激光誘導(dǎo)熱核反應(yīng)、激光同位素分離和激光武器等。氬氣體激光器，離子激光器：一種氣體激光器，通過激發(fā)氣體離子不同激發(fā)態(tài)之間的躍遷來工作。氬激光器的激光譜線豐富，主要分布在藍(lán)綠色區(qū)域，其中0.4880米藍(lán)光和0.5145米綠光最強(qiáng)。氬激光器可以連續(xù)工作或處于脈沖狀態(tài)。連續(xù)功率通常為幾瓦至幾十瓦，最高功率可達(dá)一百瓦以上。它是目前可見光區(qū)連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。它已廣泛應(yīng)用于全息照相、信息處理、光譜分析、

10、醫(yī)療和工業(yè)處理等許多領(lǐng)域。染料激光器，染料激光器由于其輸出激光波長是可調(diào)的，有些染料激光器的波長可以調(diào)節(jié)到數(shù)百納米而受到重視；激光脈沖寬度可以非常窄。目前，染料激光產(chǎn)生的超短脈沖寬度可以壓縮到飛秒(1015秒)。染料激光器的輸出功率大，可與固體激光器相比，但價(jià)格便宜，同一樣品的輸出功率僅為固體激光器的千分之一。染料激光器的工作物質(zhì)具有良好的均勻性等優(yōu)良的光學(xué)品質(zhì)。它已廣泛應(yīng)用于光化學(xué)、光生物學(xué)、光譜學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、同位素分離、全息攝影和光通信。半導(dǎo)體激光器：使用半導(dǎo)體材料作為激光工作物質(zhì)的激光器。它具有超小型、高效率、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、運(yùn)行速度快等一系列優(yōu)點(diǎn)。它是目前光通信領(lǐng)域中最重要的光源

11、，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光盤、VCD、DVD播放器、電腦光驅(qū)、激光打印機(jī)、全息照相術(shù)、激光準(zhǔn)直、測距、醫(yī)療等諸多方面。其他激光準(zhǔn)分子激光：如ArF，193nm，用于光刻機(jī)。自由電子激光：工作物質(zhì)是自由電子束，使用電子加速器。a，輸出激光波長可以在很寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，原則上，它可以從厘米波調(diào)諧到真空紫外?？梢垣@得極高的光功率輸出。它將在激光同位素分離、激光核聚變、光化學(xué)、激光光譜學(xué)和激光武器等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，自由電子激光器仍處于試驗(yàn)階段?；瘜W(xué)激光器：化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為激光，輸出的激光波長豐富、功率大、能量高。光纖激光器。、氦-氖激光氬離子激光銅蒸氣激光釹：釔鋁石榴石激光紅寶石激光玻璃激光鋁

12、鎵砷激光鎵銦磷砷激光，632納米，1.15毫瓦連續(xù)可控激光器514納米通過AOM，488納米520瓦連續(xù)可控激光器510納米通過AOM，100瓦脈沖在578納米=1040納米，f=1.06m米(532納米)1000瓦脈沖在520千赫茲，連續(xù)=10納米，F(xiàn)=30赫茲694納米小連續(xù)體，重量輕，620納米，50毫瓦，小連續(xù)體，重量輕，平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，PLIF(平面激光誘導(dǎo)熒光)流場照明系統(tǒng)：以確保激光光源的光強(qiáng)能使示蹤粒子被清晰地拍攝和記錄。 切片光源的厚度小于2毫米，以確保只記錄在一片光中運(yùn)動的粒子。當(dāng)測量流體的表面速度時，可以使用激光柱狀光；然而，在測量流體內(nèi)部的二維流場時，需要使用激光

13、片狀光源，并使用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)元件(柱面鏡、球面鏡、柱面鏡使光束向某一方向發(fā)散，球面鏡控制片狀光的厚度)將激光束轉(zhuǎn)換成片狀光源。兩個脈沖光源之間的時間間隔可以調(diào)整，具體設(shè)置應(yīng)根據(jù)測量的速度進(jìn)行選擇。光路要求片狀光源和照相機(jī)相互垂直。在緊湊型透鏡組合設(shè)計(jì)中，使用柱面透鏡和球面透鏡的組合來控制片狀光源的厚度和展開角度。結(jié)合實(shí)例，從液體濃度測量、火焰自由基濃度測量和溫度測量三個方面介紹LIF在發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用。濃度、粒徑、速度、溫度、LIF濃度場測量技術(shù)、激光熒光染料，如羅丹明B、羅丹明6G、熒光素鈉等。在氬離子激光照射下被激發(fā)發(fā)出熒光，熒光強(qiáng)度主要受入射光強(qiáng)度和熒光物質(zhì)濃度的影響。燃燒過程中中間產(chǎn)物的

14、濃度分布特征，即火焰中羥基、碳?xì)浠衔锖脱趸茸杂苫臐舛确植迹诘蜐舛葧r，熒光強(qiáng)度與濃度呈線性關(guān)系。熒光強(qiáng)度濃度特征校正曲線：測量不同濃度和激光功率下的熒光強(qiáng)度、強(qiáng)度和強(qiáng)度的校正曲線。提供信息：-燃料激光誘導(dǎo)熒光成像，空燃比分布，粒子索特平均直徑分布。-火焰前沿表面的可視化-火焰自由基(羥基、一氧化氮、甲烷等)的分布。)-火焰結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性-火焰和煙炱的溫度-煙炱濃度和初級粒子尺寸，對于LIf信號，它可以用比爾蘭伯特定律來描述：e=2.718281828，其中：If是熒光信號強(qiáng)度；是量子效率)；熒光物質(zhì)；I0是入射光線；是熒光物質(zhì)的摩爾吸收系數(shù)(摩爾吸收c是熒光物質(zhì)的濃度h是光程長度或厚度，

15、即光程系數(shù))，其中：AD是光接收系統(tǒng)的器件光學(xué)常數(shù)；Am是反射率的修正系數(shù)。因?yàn)楹团c熒光物質(zhì)的物理性質(zhì)有關(guān)，這兩個參數(shù)可以表示為溫度T和波長的函數(shù)，即，*=F(T)，而F隨波長和溫度的影響而變化。建立實(shí)驗(yàn)室光學(xué)系統(tǒng)后，確定了光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)，即AD和Am，因此AD和Am可以用k表示。這樣，公式可以進(jìn)一步簡化為：在高能激光條件下，熒光激發(fā)達(dá)到飽和狀態(tài)，在飽和激光能量(大于100 mJ/脈沖)的作用下，激光能量變化和不均勻性的影響， 熒光產(chǎn)生效率和激光在光路中的能力損失(即，由于吸收導(dǎo)致的通過率降低)在熒光產(chǎn)生時保持不變，并且不會隨著這些參數(shù)的變化而變化。 因此，公式可進(jìn)一步簡化為：但對于噴霧場中氣相濃度的量化過程，當(dāng)溫度超過500K時，噴霧氣相部分的熒光強(qiáng)度將迅速降低。人們認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因是溫度的升高導(dǎo)致熒光吸收效率的急劇增加，600K是一個拐點(diǎn)。環(huán)境溫度對熒光強(qiáng)度的影響表現(xiàn)出先上升后下降的差異。事實(shí)上，KF校準(zhǔn)對于LIF技術(shù)來說是一個非常復(fù)雜的過程。在使用LIF技術(shù)的初始階段，人們通常在建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后將K作為常數(shù)。然而，隨著科技的發(fā)展，研究者們把K系數(shù)變成了一個