1 武汉理工大学 汽车工程学院，湖北武汉430070
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室， 吉林长春130033
针对视线效应（Line-Of-Sight，LOS）的双色激光吸收光谱（Laser Absorption Spectroscopy，LAS）火焰测温技术，研究了热化学参数的非均匀分布对碳烟火焰温度测量的影响。优先选出水汽（H2O）在1.3~3.0 μm内的6对典型吸收谱线，针对氮气伴流碳烟火焰和空气伴流碳烟火焰，利用高保真光谱数值模拟仿真系统研究了非均匀温度和浓度分布对所选6对谱线的测温结果的影响，得到了氮气伴流碳烟火焰和空气伴流碳烟火焰的非均匀性条件。对于氮气伴流碳烟火焰，仿真得到的谱线对4 029.52 cm-1/4 030.73 cm-1和5 553.86 cm-1/5 554.18 cm-1的最大相对温度偏差分别是4.72%（最小）和12.40%（最大）。空气伴流碳烟火焰的谱线对相对温度偏差有正有负，且其最大正负值均出现在δ/L=80%的非均匀条件下，谱线对5 553.86 cm-1/5 554.18 cm-1相对温差的最大正负值分别为14.43%和-2.51%；谱线对4 029.52 cm-1/4 030.73 cm-1相对温差的最大正负值分别为3.22%和-13.21%。最后，通过典型谱线对4 029.52 cm-1/4 030.73 cm-1的吸收光谱进行了实验验证。实验结果表明：在两种典型碳烟火焰中，谱线对4 029.52 cm-1/4 030.73 cm-1对热化学参数的非均匀性不敏感，可以最大程度上减弱热化学参数非均匀分布对其测温结果的影响。
激光吸收光谱技术 热化学参数非均匀分布 碳烟火焰 温度测量 laser absorption spectroscopy non-uniform distribution of thermochemical parameters sooting flame temperature measurement 光学 精密工程
2023, 31(19): 2799
上海电力大学电子与信息工程学院, 上海 200090
为了实现高分辨率的三维温度测量技术, 提出了一种基于光学相干层析的三维温度测量技术。根据气相火焰的散射特点, 建立相干测量火焰温度场的数学模型, 通过数值模拟两种雷诺数(Re=10 000, 20 000)下的Sandia Flame D三维温度场, 以及光学相干层析在上述两种工况下测量的三维温度场。模拟结果表明：在设定的模拟条件下, 对于低湍流程度火焰, 光学相干层析相干长度小于火焰最小尺度, 三维温度场测量具有一定的可行性。这将为光学相干层析测量三维温度场分布提供理论依据。
气相火焰 三维温度测量 光学相干层析 Rayleigh散射 高空间分辨率 gas phase flame three-dimensional temperature measurement optical coherence tomography Rayleigh scattering high spatial resolution
1 武汉理工大学光纤传感技术与网络国家工程研究中心, 湖北 武汉 430070
2 武汉理工大学信息工程学院, 湖北 武汉 430070
3 武汉理工大学机电工程学院, 湖北 武汉 430070
海洋温度监测对于研究和保护海洋生态环境具有重要价值, 在防止海洋自然灾害的发生方面有着极重要的实际意义。传统的电传感器远距离供电难, 且难以满足大规模传感网络的复用需求。基于弱光纤光栅阵列的干涉式传感系统平台, 提出了运用相位生成载波(Phase Generated Carrier, PGC)算法解调温度信号的干涉式高精度温度传感方法。在26.00~30.00 ℃的范围内连续升温测量, 温度相位灵敏度为1 132.6 rad/℃, 皮尔逊平方相关系数R2为0.999 3, 理论上温度灵敏度可以达到0.000 1 ℃。结果表明, 将常规用来解调动态信号的方法应用到温度这种准静态信号的解调中, 能实现高灵敏度探测, 在海洋温度监测应用中有较好的应用潜力。
光纤传感 弱光纤光栅阵列 温度测量 相位生成载波 干涉仪 optical fiber sensing weak fiber grating array temperature measurement phase generated carrier interferometer
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 同济大学物理科学与工程学院，上海 200092
采用单脉冲飞秒激光辐照单晶硅片和铜板，在材料表面产生烧蚀，并激发黑体辐射光谱。利用ICCD在纳秒尺度对激光诱导等离子体的辐射光谱进行测量，使用最小二乘法将采集光谱与普朗克曲线进行拟合，并用有限差分热扩散模型对温度变化曲线进行拟合，证明了黑体辐射法测量飞秒激光加工材料表面激光诱导等离子体温度的有效性。采用单脉冲激光（中心波长1030 nm，脉宽184 fs，1 mJ单脉冲能量）分别加工单晶硅片和铜板表面，测量了纳秒尺度时间分辨的激光诱导等离子体温度。对于单晶硅片和铜板，测量到以零时刻为中心的平均温度分别为231000 K和226000 K，衰减弛豫时间分别为4.41 ns和2.97 ns。
测量 激光材料加工 超快激光 光谱学 黑体辐射 温度测量 中国激光
2023, 50(24): 2402204
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，四川 绵阳 621000
为提高超燃冲压发动机扩张段温度测量精度和测量结果的稳定性，笔者基于可调谐半导体吸收光谱技术（TDLAS），选取5个低态能级不同且分布均匀的近红外H2O吸收线，采用玻尔兹曼图法测温。采用集成的五波长测量系统，在实验室高温炉上设定1000~1600 K的温度台阶，选用不同波长数目组合计算分析，五波长的温度偏差均在1%之内，优于其他数目的波长组合。在发动机实验中，测量了超燃冲压发动机扩张段横截面16路线的平均温度，实现了发动机点火、燃烧和熄火宽温度范围的监测；对比了相同工况下的两次实验，结果显示，工况A和工况B下重复实验的平均偏差分别为17 K和7 K，重复性较好，体现该测量方法在发动机测量中的稳定性。该温度测量方法可广泛应用于发动机及工业过程的燃烧流场领域，为计算燃烧效率、改进燃烧过程提供数据支撑，具有重要的工程应用价值。
光谱学 可调谐半导体吸收光谱技术 玻尔兹曼图 温度测量 中国激光
2023, 50(19): 1911004
1 国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学信息通信学院，湖北 武汉 430034
3 国防科技大学南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
4 高能激光技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410073
高功率光纤激光器中的热效应是影响激光器稳定运行的重要因素。为了增加高功率光纤激光器的稳定性，对高功率光纤激光器的纤芯温度进行测量至关重要。本文首先介绍了利用光纤光栅与光频域反射技术测量增益光纤纤芯温度的方法，分析了不同光纤激光器与放大器纤芯温度分布的测量结果。而后介绍了纤芯温度分布式在线测量方法在高功率光纤激光器热效应与非线性效应调控等方面的应用，为高功率光纤激光器性能提升研究提供了参考。
高功率光纤激光器 纤芯温度测量 光纤传感 光频域反射技术 光学学报
2023, 43(17): 1714006
1 天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387
2 天津市光电检测技术与系统重点实验室，天津 300387
3 天津工业大学工程实训中心，天津 300387
针对干涉型光纤传感器，提出一种利用虚拟干涉仪实现灵敏度可调控的光学游标增敏方法，并将其应用于光纤法布里-珀罗（FP）温度传感器的增敏测量中。通过将拉锥光纤插入封有UV胶的毛细管中制得所设计的温度传感器，利用UV胶在不同温度下的体积膨胀与收缩改变FP腔长，使其干涉谱发生漂移，从而实现温度测量。根据干涉公式得到虚拟干涉谱，该虚拟干涉谱与温度传感器干涉谱叠加后产生并联式光学游标效应，通过测量叠加谱包络的漂移实现温度的增敏测量。在分析游标增敏原理的基础上，通过改变双腔长度，对游标包络的放大情况进行了仿真，制备出温度传感器样品，通过实验实现了多种温度灵敏度的调控，验证了该增敏方法的可行性。该游标增敏方法避免了实体参考干涉仪引入的误差，且灵敏度调控更加灵活和准确，具有较好的应用前景。
传感器 光纤传感器 法布里-珀罗干涉仪 游标效应 温度测量 中国激光
2023, 50(13): 1310002
1 河南理工大学机械与动力工程学院，河南 焦作 454000
2 中国科学院半导体研究所，北京 100083
3 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
以高功率散裂靶测温需要为牵引，设计并制备了一种基于飞秒光纤光栅的高温传感阵列。采用飞秒激光刻写的光纤光栅和管式封装方法，扩大并提升了传感器的测温范围和机械强度。研究并优化了涉及退火步骤、退火时间、退火温度在内的退火工艺，并进行多次退火（800 ℃，20 h）处理，提高了光纤布拉格光栅的稳定性。通过对其进行标定测试，获得了温度-波长的精确拟合函数。结果表明，传感器在100~500 ℃温度范围内的精度达±0.2 ℃。经过现场测试，该传感器可实现对高功率散裂靶温度的精确测试。
光纤布拉格光栅 高温传感器 高精度 温度测量 激光与光电子学进展
2023, 60(11): 1106032
