1 中国科学技术大学国家同步辐射实验室，安徽 合肥 230029
2 中国科学院大学物理科学学院，北京 101408
3 合肥工业大学物理学院，安徽 合肥 230009
4 安徽大学化学化工学院，安徽 合肥 230601
红外光谱有着广泛的应用。合肥红外自由电子激光装置能够为用户提供高亮度的中/远红外辐射，为高水平的红外研究提供基础条件。自由电子激光和实验站之间需要用光束线连接起来，以便在完成红外辐射高效输送的同时进行聚焦、诊断等。本文介绍了合肥红外自由电子激光装置红外光束线的设计与性能，主要包括光束线的总体要求、设计方案和布局、光学设计、光斑演化、光束传输、激光的分束取样、激光宏脉冲的在线同步测量、激光光谱的在线同步测量等。调试结果表明，设计达到了预期指标，整个光束线可以稳定运行。
激光光学 光束线 自由电子激光 中/远红外 激光诊断
1 西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西 西安 710028
2 上海交通大学四川研究院，四川 成都 610200
基于羟基标记示踪速度测量技术，研究了基于该技术中激光光解水产生的OH-进行温度测量的双色平面激光诱导荧光（PLIF）方法和荧光强度测温方法，进而开发了一种新的速度、温度同时测量技术，并在电加热流场及超燃冲压发动机流场进行了测量验证。在室温至900 K的温度范围内，与热电偶温度测量结果比，基于光解OH-的双色PLIF温度测量的平均标准偏差为12.1 K，基于光解OH-荧光强度的温度测量最大偏差为16.8 K，速度测量不确定度在1%以内。在超燃冲压发动机流场中，利用CARS温度测量数据作为温度测量标定点，获得了标记线上温度、速度的同时测量结果，其中所得温度与CARS温度测量结果的最大偏差为44 K。
测量 速度温度同时测量 羟基示踪 光解离 激光诊断 光学学报
2023, 43(17): 1712001
1 中国民航大学 航空工程学院，天津300300
2 中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津300300
温度场作为一种状态监测参数，在大型工业装备状态监测领域有着广泛应用，纹影法作为一种流场可视化方法，是进行空间温度场测量的有效手段。传统纹影法一般通过直接测量光线偏折角重构空间折射率场，进而解算温度场，然而光线偏折角一般非常微小，直接测量会产生较大的测量误差。因此，本文提出一种采用干涉条纹的纹影偏折角放大方法，从而提高空间温度场重构精度。首先，测量激光通过双缝后将形成干涉条纹以代替传统背景纹影法的随机散斑图案；接着，通过视觉的方法测量干涉条纹穿越非均匀温度空间后所产生的条纹偏移，并基于该偏移量解算光线偏折角；然后，通过阿贝尔逆变换的方法解算空间折射率场的分布情况，进而获取空间温度场，最后，通过仿真与实验对本文所提方法的有效性及测量精度进而了验证。实验结果表明：与传统的背景纹影法相比，温度场重构误差下降约30%。本文所提的干涉条纹纹影法可有效提高纹影测量精度，拓展纹影温度测量的应用范围。
纹影法 轴对称温度场 干涉条纹 激光诊断 schlieren method axisymmetric temperature field interference fringe laser-diagnose technology
1 西北工业大学 动力与能源学院, 陕西 西安 710072
2 西北核技术研究院 激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024
针对流场二维速度矢量分布测量的需求, 提出了利用交叉标记显示的光路设置实现羟基分子标记示踪速度矢量的方法。该技术中通过将标记激光束和显示激光片交叉布置, 在激光片平面内形成交叉标记点用于流场示踪。与传统的交叉网格实现速度矢量测量的方式相比, 该方法简化了实验光路, 有利于在恶劣环境中的应用, 并且得到的标记为近似圆点, 标记位置的识别更加方便。通过对交叉标记显示产生的标记点图像的位置进行模拟识别运算, 获得了影响标记点位置识别精度的因素和规律。利用单标记点实验设置, 获得了射流火焰流场速度矢量及其浮动值, 结果显示在存在火焰OH背景干扰的情况下, 速度测量不确定度小于2.2 m/s; 利用柱面透镜阵列, 实现了3×20个标记点的速度矢量分布测量。研究结果表明了交叉标记显示方法进行分子标记速度测量的可行性。
激光诊断 速度矢量测量 羟基分子标记示踪 交叉标记显示 laser diagnostics velocity vector measurement hydroxyl tagging velocimetry crossed tagging and displaying
1 哈尔滨工业大学 理学院 物理系, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学 可调谐激光技术重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150080
平面激光诱导荧光是一种高时间和空间分辨率、非接触的激光诊断技术, 是研究流场和燃烧场的重要技术手段。高速PLIF技术相对于现有的低速PLIF技术具有众多优势, 高超声速飞行器、燃烧场、空气声学和等离子体等领域的发展, 需要重复频率在10 kHz以上的高速PLIF技术对湍流场和反应场进行研究, 以掌握其反应过程并进行优化。高重频、大能量脉冲激光器的缺乏是限制高速PLIF技术实现的主要原因。针对高速PLIF技术及其光源的发展状况做了全面的综述, 对比说明了不同类型激光光源的特点, 并对脉冲串激光器作为高速激光诊断光源的前景进行了展望。
激光诊断 平面激光诱导荧光 固体激光器 脉冲串 laser diagnostic planar laser induced fluorescence solid-state laser pulse burst 红外与激光工程
2017, 46(12): 1205001
1 西北工业大学 动力与能源学院, 陕西 西安 710072
2 西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024
针对在发动机实验环境中羟基分子标记示踪速度测量技术受到的强振动干扰问题, 通过实验研究分析了标记激光与不同流场作用时产生的辐射光谱特性, 设计了在实验中同时拍摄标记基准图像和移动图像的振动干扰抑制方法。对于一般流场, 在实验中实时拍摄标记激光瑞利散射作为标记基准图像, 而对于含有煤油大分子碳氢燃料的流场甚至是CH4燃烧场, 用标记激光诱导燃料在OH荧光辐射波段的辐射光作为标记基准图像。在超燃发动机的速度测量应用尝试表明, 两种方案均可以达到抑制振动的目的。在相对干净的流场区域, 前者得到的标记激光图像会受到壁面散射等干扰, 基准位置提取不确定度约为0.06 mm。在流场中未燃燃料含量比较丰富的区域, 后者能够得到清晰的标记基准图像, 基准位置提取不确定度可以降至0.03 mm, 与采用平均方法得到的基准位置提取不确定度相当。
激光诊断 羟基分子标记示踪 速度测量 振动干扰 超燃冲压发动机 laser diagnostic Hydroxyl Tagging Velocimetry(HTV) velocity measurement vibration disturbance Scramjet engine
1 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
2 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
研制了多功能、高精度的激光参数精密诊断系统, 整个诊断系统由基频光诊断模块、三倍频光诊断模块、在线损伤检测模块、开放式频率转换组件以及相应的辅助单元组成, 在系统控制软件调度下自动完成频率转换组件前后的光束近场、远场、能量、波前和脉冲波形等激光参数的精密测量以及数据采集、储存和处理, 为激光装置负载能力提升和相关关键单元技术的研究提供准确可靠的数据。
激光诊断 脉冲能量 近场 远场 高功率激光 laser diagnostics pulse energy near field far field high power laser 红外与激光工程
2016, 45(12): 1217008
1 中国科学院 西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
3 中国科学院大学, 北京 100049
通过分析激光聚变中近背向散射光的收集方式, 提出了采用金属环形椭球镜有效收集神光-Ⅲ主机装置的近背向散射光并测量其能量份额的方法。给出了椭球镜参数的设计方法。大口径椭球镜采用4块拼接形式, 便于进入入口为φ1.0 m的靶室; 镜体采用超硬铝材、三角形减重槽设计, 实现了高稳定性、轻量化。介绍了光学系统总体结构, 并对其集光效果进行了模拟评价。分析了镜体设计中的关键问题, 并提出采用点激光器阵列进行中间过程面形监测的方法, 避免了工序反复。分析了系统杂散光来源, 采取了物理隔离、光学吸收和滤光片过滤等措施降低杂散光干扰。研制的环形椭球镜外径为1 200 mm, 内径为400 mm, 最大离轴量为1 411 mm, 最大厚度为67 mm, 重量约为48 kg; 对5 mm的物方视场, 像点光斑大小约为φ1.2 mm。实验显示该近背向散射诊断系统可满足神光-Ⅲ主机背向散射诊断的需求。
激光聚变 激光诊断 光学设计 近背向散射 椭球镜 金属反射镜 点光源 laser fusion laser diagnosis optical design near backscatter ellipsoidal mirror metal mirror point light source
介绍了研制的小型脉冲高温超音速流场模拟装置。利用OH分子示踪速度测量技术,对实验室建立的小型脉冲高温超音速流场模拟装置产生的喷流速度分布进行了诊断。通过改变测量对应于喷流的空间位置光路调节,改变193 nm激光线相对于喷流的空间位置,分别得到了喷流不同区域的OH分子示踪速度图像,根据图像计算了测量位置喷流沿轴线方向的速度分量的分布情况。结果显示:喷流在压缩区的速度比在膨胀区低得多;在压缩初期区域喷流中心部分速度明显高于两侧部分,而在二次膨胀区域喷流中心部分速度低于两侧部分。
激光诊断 速度测量 分子示踪速度 超音速喷流 laser diagnosis velocity measurement hydroxyl tagging velocimetry supersonic flow
研制了一套单线羟基(OH)分子标记示踪流场速度测量系统, OH分子标记线由193 nm波长脉冲氟化氩(ArF)准分子激光束解离流场中的水分子产生, 利用脉冲染料激光倍频的约282 nm激光片显示OH分子荧光图像, 由获得的两个时间关联的OH分子标记线位置图像计算流场的速度分布。研究了空气和火焰中193 nm波长激光解离水产生的OH分子寿命, 实现了常温空气流场和高温超音速流场速度分布的测量, 并对测量结果进行了分析讨论。
光学测量 激光诊断 速度测量 OH分子示踪速度测量方法 超音速流场
