可调半导体激光光谱技术（TDLAS）可实现温度、 组分浓度等多参数同时测量, 具有体积小、 响应速度快、 环境适应性高等优点, 逐渐成为燃烧流场诊断的主要手段之一。 TDLAS光谱测量常采用直接吸收技术和波长调制技术, 其中强度归一化的波长调制技术, 适合存在振动、 湍流等致光束偏转效应和强辐射本底等恶劣应用环境条件的燃气轮机流场参数测量。 基于TDLAS技术, 开展了1f归一化波长调制技术燃气轮机燃烧室温度、 组分浓度参数测量方法研究和实验室验证工作, 并在某燃气轮机单喷嘴台架进行了冷态、 热态试验验证, 实现了燃气轮机燃烧室沿气流方向温度及H2O、 CH4浓度二维分布测量。 采用1f归一化波长调制技术抑制台架振动、 热辐射背景噪声, 采用1 392, 1 469和1 343 nm蝶形封装的DFB激光器, 三支激光器的出光方式为时分复用, 选取H2O的7 185.6, 6 807.83和7 444.3 cm-1处的吸收线, 两两组合使用, 测量热态下一定范围内的温度和H2O浓度; 采用1 654 nm蝶形封装的DFB激光器, 选取CH4的6 046.96 cm-1处的吸收线进行冷态CH4浓度测量。 实验室对测量系统可靠性进行验证, 配置4%~6%范围内的CH4气体进行测量并与实际值对比, 浓度测量最大相对偏差为3.72%; 在高温炉中设定900~1 500 K范围内的温度台阶, 充入纯水汽, 计算不同设定温度和压力下的温度和浓度测量值, 温度测量最大相对偏差3.07%, 浓度测量最大相对偏差为-2.00%, 验证了该测量系统的可靠性。 台架燃气轮机实验中, 集成了一套小型化测量仪器, 设计多束激光收发一体的测量结构。 实验采用两个电动位移台, 搭载测量结构, 每间隔5 mm逐点移动采样, 对燃气轮机燃烧室300 mm×60 mm的燃烧区域进行测量, 获取了若干工况下冷热态结果。 通过双三次插值的方法绘制分辨率为0.5 mm的二维流场分布图, 结果分别反映了测量区域范围内CH4和火焰分布的真实状态。 为燃气轮机喷嘴燃料、 空气掺混情况和燃烧特性研究提供了新的研究方法和技术手段。

随着半导体激光器的发展, 可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术有了巨大的进步, 应用领域迅速扩大。已经有超过1000种TDLAS仪器应用于连续排放监测以及工业过程控制等领域, 每年全球出售的TDLAS气体检测仪器占据了红外气体传感检测仪器总数的5%~10%。运用TDLAS技术, 已经完成了几十种气体分子的高选择性、高灵敏度的连续在线测量, 实现了不同领域气体浓度、温度、流速、压力等参数的高精度探测, 为各领域的发展提供了重要的技术保障。本文综述了TDLAS技术气体检测的原理以及最近的应用研究进展, 主要从大气环境监测、工业过程监测、深海溶解气体探测、人体呼吸气体测量、流场诊断以及液态水测量六个应用领域进行介绍。

可调谐激光吸收光谱(TDLAS)技术作为一种先进的光谱检测手段已经被广泛应用于燃烧流场和风洞环境的过程诊断中, 它可以实现流场温度、组分浓度、气流速度等多参数的在线精确测量。介绍了TDLAS技术的基本原理及其在流场参数测量领域的发展历程, 总结了近几年来在超燃冲压发动机、航空涡轮发动机以及超声速风洞等流场参数测量方面所开展的TDLAS应用实例, 着重介绍了在实验室和外场环境中就流速的高精度测量、燃烧场温度和组分的连续监测、场分布的准确反演所做的研究工作。同时概述了激光吸收光谱流场诊断技术的发展水平、目前已经取得的最新研究进展以及还存在的相关问题, 最后展望了TDLAS技术在流场诊断领域的应用前景和未来的发展趋势。

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。

可调谐半导体激光吸收光谱技术作为一种稳健的非接触测量技术，在燃烧和推进等恶劣流场的诊断中具有广泛的应用。开发了一种基于水吸收的可调谐半导体激光传感器，用于同时测量超声速地面测试设备的温度和速度，应用扫描波长吸收谱和免标定的波长调制谱可实现绝对测量。传感器在2.5 kg/s质量流量的直连式超燃试验台上开展了工程试验研究，试验马赫数为2.0，总压为5.3~5.7 atm(1 atm=1.01325×105 Pa)，总温为1100 K~1700 K，速度和温度的测量结果与模型预测值具有较好的一致性，验证了传感器设计的有效性，为工程应用提供了有力的技术支撑。