天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室, 天津 300072
激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种广泛应用于科学和工程方面的元素分析技术。 LIBS测量一些微量元素时存在探测极限高的不足, 因此增强LIBS信号强度, 降低元素探测极限, 对扩展其应用范围有着重要的意义。 为了实现LIBS光谱信号的增强, 提出多次放电增强激光诱导击穿光谱方法, 并以固体铝合金材料为例进行了光谱信号强度增强的研究。 实验发现, 激光作用在铝合金材料上烧蚀样品产生等离子体并溅射到样品上方高压放电电极所在区域, 该区域在等离子体产生之后50 μs之内均可以诱导高压电极放电。 因此采用高频脉冲电源可以实现一次LIBS产生的等离子体诱导电极多次放电。 多次放电会对等离子体进行多次激发, 同时多次放电对等离子的加热作用会延缓等离子体冷却速率从而延长等离子体的持续时间, 两者共同作用可以增强LIBS光谱信号强度, 进而降低LIBS对微量元素的探测极限。 使用频率为100 kHz的高频直流脉冲电源, 利用数字延迟脉冲发生器同步激光与高压电源, 在激光过后3.6 μs触发高压放电, 一次LIBS产生的等离子体可以诱导电极5次放电, 即对等离子体进行5次激发和加热。 利用光谱仪对5次放电等离子体光谱进行积分测量。 实验结果表明: 使用多次放电增强之后, 等离子体持续时间得到大幅延长, 光谱信号强度得到大幅增强, 其中, Mg Ⅱ (~279 nm)的信号强度可以增强约48倍, Al Ⅱ (~358 nm)的信号强度可以增强约72倍, 微量元素Mn Ⅰ (~403 nm)的信号强度增强约6.3倍, 微量元素Cu Ⅰ (~403 nm) 的信号强度增强约8.3倍。 Mn Ⅰ (~403 nm)和Cu Ⅰ (~403 nm) 的探测极限分别降低为LIBS单次放电的1/6和1/8。 多次放电增强激光诱导击穿光谱方法很好地增强了LIBS的光谱信号强度, 降低了对微量元素的探测极限, 扩展了LIBS技术的应用范围。 该方法有潜力应用到贵重物品、 稀有材料及文物的鉴定之中。
激光诱导击穿光谱 放电 光谱 信号增强 LIBS Discharge Spectrum Signal enhancement 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2633
1 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室, 天津 300072
2 国防科技大学高超声速冲压发动机技术重点实验室, 湖南 长沙 410073
放电等离子体光谱技术及激光诱导击穿光谱技术由于实验系统相对简单、 信号强, 很早就被应用于组分测量领域。 由于自由放电在时间和空间上都具有随机性, 这使得放电等离子体空间分辨光谱的精确测量变得十分困难; 而激光诱导击穿光谱技术又局限于点测量。 介绍了一种基于飞秒激光诱导的放电等离子体一维空间分辨光谱的高精度测量方法。 飞秒激光自聚焦可以形成一段丝状弱等离子体通道, 将该等离子体通道靠近高压直流脉冲电极时, 可作为高压电极放电的触发源。 这种触发方式可在规定的时刻触发高压电并诱导其沿着等离子体通道的路径击穿气体。 实验多次测量放电开始时刻与激光到达时刻的时间间隔的波动小于0.01 μs, 证实了使用本方法诱导高压放电具有很高的重复性。 由此可知, 利用飞秒激光自聚焦成丝产生的弱等离子体通道诱导高压放电, 可实现对高压放电的空间和时间的精确控制, 进而可以采集放电等离子体通道的一维空间分辨光谱。 实验结果表明, 在喷管结构主导的流场环境中, 由于喷管中纯N2与喷管外空气的组分不同, 在高空间分辨光谱中, 可以清晰地看到一维等离子体通道上不同位置的组分浓度变化情况。 在一维空间分辨光谱中将N+和O光谱信号强度与N2和O2的浓度进行关联, 可实现流场组分的一维在线诊断。 该方法不仅具有纳秒激光诱导击穿光谱技术的相同优点, 还具有一维空间分辨能力, 在组分一维精确测量方面极具优势。 同时, 该方法还有望实现高时间分辨测量, 对研究放电等离子体的时空演化过程具有重要的意义。
空间分辨光谱 一维测量 放电等离子体 飞秒激光 Spatially resolvde spectroscopy One-dimensional measurement Discharge plasma Femtosecond laser 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1340
天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室, 天津 300072
通过对平面激光诱导荧光（PLIF）图像进行分析, 可以获得湍流火焰中的火焰面密度（Σ）、 火焰刷厚度和湍流燃烧速度等关键参数, 通过二维火焰图像及火焰参数可建立三维火焰模型。 但目前二维PLIF图像能否精确反映三维火焰结构尚不明晰。 该研究用正交PLIF技术测量了甲烷/空气预混湍流火焰横截面（垂直于火焰传播方向）和纵截面（平行于火焰传播方向）上的二维OH分布, 然后通过对OH-PLIF图像的分析计算了火焰两截面的Σ, 并分别比较了不同燃烧器出口速度、 火焰不同位置和不同燃空当量比条件下, 火焰两截面的Σ的差别。 实验结果表明, 在相同条件下, 火焰纵截面的Σ均比火焰横截面的Σ偏小, 其差值大小与燃烧器出口速度, 火焰位置和燃空当量比相关。 这一现象说明, 最常采用的二维PLIF技术, 在精确反映三维火焰结构时具有一定的局限性。
荧光光谱 预混湍流火焰 火焰面密度 正交PLIF Fluorescence spectroscopy Turbulent premixed flames Flame surface density Orthogonal PLIF 光谱学与光谱分析
2020, 40(9): 2968
1 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室, 天津 300072
2 天津大学环境科学与工程学院, 天津 300072
实现火焰反应区和不同中间组分的在线二维瞬态成像, 在湍流燃烧的基础研究中具有十分重要的意义。 用Nd∶YAG激光器的5倍频输出(2128 nm)作为光源, 通过激光光解诱导荧光技术在甲烷/空气预混火焰中, 成功实现了火焰反应区的瞬态成像, 并首次采用该技术实现了CH3的在线瞬态成像测量。 分析了该方法同其他荧光标示物在反应区二维瞬态成像方法的优势, 并研究了火焰燃烧过程中其他燃烧中间产物和不同燃空比对CH3单脉冲成像的影响, 讨论了现有条件下该技术的应用范围。 根据实验结果, 在燃空比Φ=12的条件下, 在反应区我们获得了信噪比约为8的单脉冲成像, 分析火焰中CH3的单脉冲成像结果可知火焰燃空比在10～14之间时, 或者火焰中CH3的浓度大于93×1015 molecules·cm-3信噪比较好。 该项技术在动力机械及其他研究领域的应用有十分重要的参考价值。Using Laser Photodissociation-Induced Fluorescence
激光光解 荧光 成像 反应区 甲基 Laser photodissociation Imaging Fluorescence Reaction zone Methyl radical 光谱学与光谱分析
2017, 37(6): 1799
1 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室, 天津 300072
2 天津大学环境科学与工程学院, 天津 300072
激光诱导击穿光谱技术(LIBS)作为一种新型光谱分析方法, 近年来被逐渐应用于燃烧诊断领域。 在甲烷/空气混合气中建立了一套LIBS测试系统, 利用H, O, N不同特征谱线强度比实现了对甲烷、 空气燃空当量比的定量测量。 在“门控”模式下, 比较分析了H656/O777与H656/N746这两种定标曲线对燃空当量比的测量效果, 发现H656/O777可以实现更好的预测精度与更高的灵敏度;“非门控”模式可以利用更多的谱线强度比(H656/O777, H656/N+500, H656/N+567和H656/N746)进行标定测量, 其中H656/O777的测试效果最好。 比较分析了“门控”与“非门控”两种检测模式对标定测量的影响: “门控”检测模式在拟合优度与预测精度方面都要略优于“非门控”模式。 此外, 在保持聚焦点能量密度相同的情况下, 研究了1 064, 532和355 nm三种不同激光波长对H, O和N特征谱线及H656/O777标定曲线斜率的影响: H, O和N特征谱线强度、 信噪比以及H656/O777标定曲线的斜率均随激光波长的增加而增加。 在三种波长中, 1 064 nm的激光最适合作为LIBS技术的光源, 定量测量甲烷/空气混合气当量比。 最后, 分别从等离子体电子密度、 温度对谱线强度与分布函数的影响方面, 对以上实验结果给出理论上分析与说明。
激光诱导击穿光谱 燃空当量比 门控模式 激光波长 电子密度 电子温度 Laser-induced breakdown spectroscopy Equivalence ratio Gated mode Laser wavelength Electron density Electron temperature 光谱学与光谱分析
2015, 35(11): 2990
