等离子体状态参数测量是研究等离子体特性, 开展等离子体模拟再入环境、 等离子体隐身、 等离子体减阻以及边界层控制等研究的重要基础。 利用等离子体射流的自发辐射光谱, 提出了一种基于光学多普勒频移效应的等离子体超声速射流测速的方法。 首先, 测量了等离子体中Ar原子产生的自发辐射光谱, 选择696.54 nm的特征谱线, 作为等离子体发生器测速实验的运动光源; 其次, 使用光谱仪、 传能光纤、 EMCCD相机和高光谱分辨法布里-珀罗（F-P）干涉仪, 设计了高温等离子体速度测量光路; 最后, 在氩壁稳电弧等离子体发生器上, 开展了超声速射流速度测量实验。 实验中, 同一测点的Ar原子产生的自发辐射光谱, 分别被与等离子体射流运动方向成49°和90°夹角的收集透镜收集进入光谱仪, 经光谱仪分光后仅保留特征谱线696.54 nm附近自发辐射光进入传能光纤, 从而消除其他波长的自发辐射光的影响; 光谱仪输出的特征辐射光谱, 经光纤传输及透镜整形成平行光后, 精细度30、 自由光谱范围6.6 GHz的F-P干涉仪, 形成多光束干涉圆环, 并由EMCCD相机采集, 实现对特征谱线的超高精度分辨; 根据多普勒原理, 不同角度收集的同一测点处Ar 696.54 nm特征谱线的频移将有所不同, EMCCD采集的干涉圆环半径也将不同, 通过测量同一级次不同收集方向特征谱线形成的干涉圆环半径改变量, 可测得高温等离子体射流流动速度。 针对同一喷管开展了两车对比试验, 实验测得两车射流轴向速度分别为791和783 m·s-1, 具有较好的重复性。 结果表明基于多普勒效应, 利用高温气体自发辐射光谱, 结合高光谱分辨F-P干涉仪, 能够实现高温等离子体射流速度的精确测量, 该方法属于非接触测量, 不干扰流场, 尤其适用于传统传感器难以应用的高温流场测量。

激光诱导荧光(LIF)技术具有非扰动、实时原位测量、组分选择性强、灵敏度好、时空分辨率高等优点,可用于燃烧诊断中测量火焰的重要特征参数。介绍了LIF技术的原理及其在燃烧诊断中的应用,重点阐述了LIF技术在成像火焰瞬时结构、定量测量组分浓度、混合场温度、火焰温度和流场速度方面的研究进展,讨论了LIF技术在测量燃烧流场参数时的技术特点和挑战,展望了高速平面LIF、体LIF和多场同步测量方面的发展趋势。

构建了高斯脉冲激光线刻蚀能量密度分布模型,研究了激光功率和脉冲数对化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)金刚石表面上的点/线尺寸的影响规律,得到了能量在材料表面的扩散机理及刻蚀面组分,并在此基础上进行了激光面刻蚀。结果表明:高斯单脉冲激光作用下刻蚀轮廓近似为高斯曲面,间接证明了激光束在材料表面作用的能量呈高斯分布,且刻蚀面由金刚石、石墨和杂化物质构成,CVD金刚石表面的脉冲点刻蚀深度和宽度都随着激光功率和脉冲数的增大而增大。激光功率对CVD金刚石表面线刻蚀程度的影响较大,当功率值增大12W时,刻蚀宽度和侧面扫入深度分别增大23.32μm和346.04μm;激光扫描速度则对CVD金刚石表面线刻蚀程度的影响相对较小,当扫描速度增大49.8mm/s时,刻蚀宽度和侧面扫入深度分别减小了6.35μm和70μm。在功率为3W、扫描速度为50mm/s和扫描间距为2μm的条件下进行了激光面刻蚀,刻蚀深度为9.71μm,表面粗糙度为1.10μm。

常规CARS采用凸透镜聚焦多束激光于空间一点, 在满足相位匹配条件下产生携带该点温度信息的CARS信号。 常规CARS一次只能测量一个空间点的温度, 难以满足燃烧流场深入研究需要。 为了提高CARS测量能力, 使得CARS在一次测量中获得更多信息, 提出了线CARS测量方法。 线CARS测量方法在常规CARS基础上采用柱面凸透镜替换普通凸透镜, 使得聚焦位置由焦点变为焦线。 由于焦线上的点大部分满足相位匹配关系, 因此可以同时获得多点CARS信号。 后续光路同样采用柱面凸透镜替换普通凸透镜, 通过光谱仪和ICCD相机将CARS信号传输至计算机, 解析出聚焦线上CARS信号对应的温度信息, 实现CARS测量能力由“点”到“线”的提升。 基于平面火焰炉的燃烧实验结果表明: 线CARS可以一次有效测量200个空间点的温度信息, 空间测量长度约3.6 mm, 空间分辨率约18 μm, 测量结果相对不确定度优于7%, 在保持测量精度的同时有效丰富了单次测量信息。