航空发动机光学测试方法

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 原理
4 3 1 2 3
k4 k3 k1 k2
p p
Pump
a
CARS
s
Probe Stokes
1 3
a 21 2 1

频率为vp=v1的泵浦束和频率为vs=v2的探测束（即由泵浦束 频率与拉曼频移之差而成的斯托克斯束）借助几何匹配技 术被混频。激光通过三阶非线性极化率同介质相互作用产 生频率为va的振荡偏振，并发出CARS信号。
f D1 f D 2 2V cos sin 2 4 4 2V sin 2
激光多普勒测速 双散射光束型多普勒测速原理
采用Bragg Cell对光频进行调制
光电探测器接收到的信号为E所 示的调制信号，信号频率即为 多普勒频移，对应于粒子速度。
激光多普勒测速 商用产品技术参数
CARS光强及介质三阶非线性极化率表达式构成了CARS技术 的理论基础，给出了将CARS信号与基本物理量相联系的途径。
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 CARS信号强度与谱特征
• 待测的燃烧产物组分特征正是根据CARS谱的特征形状 （信号强度随频率的变化）和辐射强度来测量。 • 温度信息：三阶非线性极化率正比于CARS过程所涉及的 能级间粒子数密度差，而粒子数的布居与温度密切相关， 在热力学平衡状态下，服从玻尔兹曼分布，这是CARS测 温的基础。 • 浓度信息：基于CARS信号的强度。非共振CARS信号的作 用，组分浓度在一定范围内对光谱线型有明显影响。
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 参考文献
[1] 李麦亮. 激光光谱诊断技术及其在发动机燃烧研究中的应用[D]. 国防科学技术 大学, 2004. [2] 刘正帆. 基于光纤束的相干反斯托克斯拉曼散射显微内窥成像系统研究[D]. 北 京理工大学, 2015. [3] 赵阳. 飞秒CARS在分子超快动力学与气体燃烧测温中的应用研究[D]. 哈尔滨工 业大学, 2015. [4] http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9783527628148.hoc028/pdf. [5] http://www.aerospacelab-journal.org/sites/www.aerospacelab-journal.org/files/Al111.pdf. [6] http://www.oplanchina.com/channel_1044.html. [7] Roy S, Gord J R, Patnaik A K. Recent advances in coherent anti-Stokes Raman scattering spectroscopy: Fundamental developments and applications in reacting flows[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2010, 36(2): 280-306. [8] Bohlin A, et al. Development of two-beam femtosecond/picosecond one-dimensional rotational coherent anti-Stokes Raman spectroscopy: Time-resolved probing of flame wall interactions[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(3): 3723-3730. [9] Slipchenko M N, Cheng J X. Nonlinear Raman Spectroscopy: Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS)[M]. Encyclopedia of Biophysics. Springer Berlin Heidelberg, 2013: 1744-1750.
激光多普勒测速 多普勒频移为
f f D f 0 1 v p (es e0 )
多普勒频移与粒子在 es e0 方向上的投影速度成正比。

常采用差频法测量多普勒频移，即将入射光与散射光混频， 两束光“混频”产生的拍频信号的频率就是多普勒频移。
参考光束型多普勒测速 检测散射光和入射光之间的频移
双散射光束型多普勒测速 检测两束散射光之间的频差
激光多普勒测速 双散射光束型多普勒测速原理 采用左图标注多普勒频移表 示为 2V fD cos sin 2 两束频率同为f的入射光经运动微粒散射进入探测器，光频分 别为f+fD1和f+fD2，两光波叠加实现拍频干涉，当速度V如图 中所示方向时，干涉光拍频与多普勒频移相等，为
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 CARS测温——高温火焰(1730°C)
N2分子的Q支CARS光谱 (a)实验谱 (b)计算谱 注：因氮是供气燃烧的主要组分，且在燃烧过程中保持不变，故为理想的温度指 示器。
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 EKSPLA CARS光谱仪
除了CARS光谱仪外，不同CARS应用需要搭建不同的CARS 测试结构，因此此类产品大多属于定制。
4) 从样品wenku.baidu.com出射的激光和信号光首先经过与L1共焦的透镜L2准直，而后平 行射向双色镜DM。DM又称为短波通，其作用是将大部分激光滤除。剩 余的激光和信号光再经过干涉滤波片F，滤除激光。
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 实验装置原理图
5) 信号被最终送入光纤前，还需要对其进行空间滤波。 6) 信号光被光纤传送到光谱仪后，ICCD在光谱仪的出口对光谱成像，而 后送入计算机处理。
振动频率范围0.3 Hz～100 kHz ±0.5 ppm Max: 4m/s
激光多普勒测速 参考文献
[1] http://www.dantecdynamics.com/docs/products-and-services/generalliterature/Laser_Doppler_Anemometry_318.pdf. [2] LDV.pdf.（附件） [3] LDA.text.pdf. （附件） [4] 李秀明. 用于弹丸速度测量的激光多普勒测速技术研究[D]. 天津大学, 2014. [5] 王蒙蒙. 基于激光多普勒测速方法的聚合物熔体拉伸流动行为研究[D]. 华南理 工大学, 2013. [6] 张艳艳, 巩轲, 何淑芳, 等. 激光多普勒测速技术进展[J]. 激光與紅外, 2010, 40(11): 1157-1162. [7] http://www.protonproducts.com. [8] http://www.elovis.de/de/produkte/produkt_2/uspeed.html. [9] http://www.sunnyoptical.com/001013001/p47.html. [10] http://www.protonproducts.com/products/sl-series/slm-series/. [11] https://www.onosokki.co.jp/CHN/hp_c/products/keisoku/soundvib/lv3800.htm. [12] http://www.optodyne.com/opnew5/DownloadFile/mcv5000web.pdf. [13] http://www.polytec.com/us/products/speed-and-length-sensors/.
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 原理
• 两束强单色激光：v1, v2 v1：固定频率；v2：可调谐，假设v1>v2 • 调谐v2使v1-v2=Δv Δv ：介质内某一拉曼散射的频移值 • Δv 与 v3 相互作用，产生相干信号光束 v4=v3±(v1-v2)=v3±Δv • 第四束波的空间方向 k4 =k3 ± ( k1 - k2 )
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 概述 • 1965年，Maker和Terhune首先发现相干反斯托克斯效应 (CARS)，使CARS技术应用于高分辨分子振动光谱和温度、 浓度测试的研究。 • 气相CARS研究的一个应用是对于燃烧体系中温度和浓度的 测量。
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 原理 • CARS是一种特殊的四波混频效应。 • 特点：三束入射光波中，两束入射光的差频与待测介质的拉 曼跃迁能级间隔产生共振，从而使三次非线性电极化率得到 共振增强，并产生第四束向高频方向移动的相干波信号，频 移值正好等于介质拉曼光谱频移值。
j K j
2 j j
2 4 2 j j
j Kj
j
2 4 2 j j
Kj
2 4 0c 4 N j T
h s4 j
j
j T 为引起j阶跃迁能级间的相对布居差。 其中：N为待测组分的数密度；
公司
德国Elovis
型号
μSpeed
精度
± 0.05 %
测速范围
0m/min~±4800m/ min
测量范围
500mm+/20mm
可重复性
英国Ptoton
新加坡舜宇 德国Polytec 丹麦Dantec Dynamics
SLM200200
SLV-S02 LSV-300 LDA
0.05%
<1.00% 小于 0.05%
a 2 3 I p Is l 2 c 0 0 自由空间介质的介电常数；光束相交区长度；光束强度 I 其中：c光速； l
Ia
三阶非线性极化率的表达式：
j
3 j i j nr
其中： 、 为组分第j阶跃迁谐振极化率的实、虚分量，这些组分的拉曼谐振 j正是要被检测； nr 为非谐振电子背景极化率。
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 概述 • 自发拉曼散射光强很弱，测量不便。 • 实验研究发现，随着激光功率的提高，由强激光电场诱导的 二次以上的高阶极化现象越来越显著。 • 产生了一些新的拉曼散射现象：受激拉曼散射、受激拉曼增 益散射与逆拉曼散射、相干斯托克斯拉曼散射与反斯托克斯 拉曼散射、拉曼诱导克尔效应等。 • 这些新的拉曼散射共同特点是信号强度大，比自发拉曼散射 光强提高109量级。 • 用相干拉曼散射进行光谱测量，发现了一些用自发拉曼散射 无法发现的光谱信息。
0.8m/min~10000m/ min
Max: 10m/s，速度 分辨率1um/s 0~±7,100 m/min 0 ... 99 km 0~supersonic
200mm
0.5m~20m
0.02%
小于0.02% centimeters ~meters 165mm Max: 30m
日本ONOSOKKI LV-3800 美国Optodyne MCV-5000
a 2 p s p
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 CARS相位匹配原理 • 气体：三束波按同一方向实现相位匹配作用 • 固/液体：两入射光成一定夹角入射时才可实现相位匹配
气体
固液
反斯托克斯拉曼光产生时的波矢匹配角
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 CARS信号强度与谱特征 假设气相介质的折射率为1，单色激光源、频率va的CARS信 号强度为 3 2
温度与各频率处光强呈非线性关系，光强分布(线型)还与压力、 微分散射截面以及谱线加宽、激光线宽等多种因素相关，所 以CARS信号的分析处理将是一项艰巨工作。
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 实验装置原理图
1) Nd:YAG激光器发出的532nm激光在BS1上分为两束，反射光作为CARS 泵浦光，而透射光则作为染料激光的泵浦光源。
航空发动机光学测量方法
激光多普勒(LDV)测速 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 激光诱导荧光(LIF)测温 激光散斑测量应变
激光多普勒测速 激光多普勒测速原理：用一束单色激光照射到随流体一起运 动的微粒上，测出其散射光相对入射光的频率偏移，即多普 勒频移，进而确定流速。
静止光源S发出频率为f0的单色光，入射到与被测流体一起运 动(速度为 v p )的微粒P上，经过一次多普勒效应，微粒接收到 的光频为 f f 0 (1 v p e0 / c) 经过二次多普勒效应，探测器D处接收到的散射光频为 f D f0 (1 v p (es e0 ) / c)
2) 经M1、M2反射的CARS泵浦光和染料激光在打有45度斜孔的环形反射 镜AM处会合，染料激光从中心斜孔穿过，而泵浦光则通过反射而成为一 个环形光束，染料激光位于环形光束的中心。
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 实验装置原理图
3) 通过AM调制后的两束激光，由透镜L1聚焦到测量点。在焦点附近两束 激光的重合区域即为CARS的测量区域。