燃燒中的超高速時(shí)間分辨SRS光譜

介紹在燃燒中，直到最近只有兩種時(shí)間光選通方案可用于提高時(shí)間分辨自發(fā)拉曼散射 (SRS) 光譜的信噪比 (SNR)。有問題的光學(xué)背景噪聲可以通過帶有圖像增強(qiáng)器的電子選通或使用機(jī)械快門來(lái)消除。不幸的是，這些傳統(tǒng)方法都有其缺點(diǎn)。

例如，圖像增強(qiáng)器通過 <2 納秒的選通能力提供出色的光學(xué)背景噪聲抑制，但具有一些固有的局限性，例如圖像質(zhì)量較差和動(dòng)態(tài)范圍較低。另一方面，雖然帶有旋轉(zhuǎn)光學(xué)斬波器的高速機(jī)械快門能夠在不降低檢測(cè)系統(tǒng) CCD 量子效率 (QE) 的情況下提供更寬的動(dòng)態(tài)范圍，但其30 Hz 速度和 ~10 μs 選通還不夠。用于抑制噪聲，并可能導(dǎo)致高達(dá) 50% 的傳輸損耗。

2010 年，俄亥俄州航空航天研究所的 Jun Kojima 博士與 David Fischer 博士和 Quang-Viet Nguyen 博士(NASA Glenn 研究中心)合作，描述了一種 SRS 架構(gòu)*，該架構(gòu)采用在子幀中運(yùn)行的幀傳輸CCD突發(fā)門控模式實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨燃燒診斷。1這項(xiàng)專利技術(shù)能夠以微秒快門速度(<5 微秒)實(shí)現(xiàn)全電子光學(xué)選通，而不會(huì)影響光學(xué)吞吐量或圖像保真度。小島博士在該方法中使用了 Princeton Instruments ProEM? 電子倍增 CCD (EMCCD) 相機(jī)。

當(dāng)與一對(duì)正交偏振激發(fā)激光器結(jié)合使用時(shí)，上述技術(shù)可測(cè)量受光學(xué)背景噪聲污染最小的單次振動(dòng)拉曼散射。盡管如此，其相對(duì)較長(zhǎng)的選通(約 5 微秒)在光學(xué)背景抑制方面仍有改進(jìn)的空間。

最近，Kojima 博士開發(fā)了另一種先進(jìn)技術(shù)，用于測(cè)量燃燒中的時(shí)間分辨 SRS 光譜(見圖 1)。本文概述了這種新方法，它提供了更高的信噪比并允許超高速觀察燃燒動(dòng)態(tài)。

測(cè)量時(shí)間分辨自發(fā)拉曼散射的新方法

小島博士的新實(shí)驗(yàn)裝置如圖 2 所示。與之前報(bào)道的技術(shù)相比，它以更快的門控(<2 納秒)、更寬的動(dòng)態(tài)范圍和更高的燃燒靈敏度來(lái)測(cè)量拉曼散射，從而可以通過新引入的方法觀察火焰不穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)。 Princeton Instruments 增強(qiáng)型 emICCD 相機(jī)可跟上最新的 10 kHz 激光器。

圖 2.實(shí)驗(yàn)裝置展示了采用 Nd:YAG 脈沖激光器(532 nm、88 ns 脈沖寬度、10 kHz 重復(fù)率)和與鏡頭攝譜儀耦合的 Princeton Instruments PI-MAX4:512EM 相機(jī)的高速激光拉曼診斷系統(tǒng)。由 J. Kojima(OAI/NASA)提供。

此處，使用二次諧波 Nd:YAG 脈沖激光器作為激發(fā)源 (200 W)，并以10 kHz 重復(fù)率操作來(lái)詢問火焰。散射光由光纖耦合透鏡光學(xué)器件收集，并傳輸至配備有普林斯頓儀器公司 (Princeton Instruments) 的PI-MAX?4:512EM 相機(jī)的體積透射透鏡光譜儀。

為了提高信噪比，圖像增強(qiáng)器以 10 kHz 的速率運(yùn)行，以與高速激光保持同步，并以90 納秒的速度選通以消除光學(xué)火焰發(fā)射背景，而 EMCCD 以 1 kHz 的速率運(yùn)行(即 10 次激光射擊累積)，使用 Princeton Instruments LightField? 軟件中的特殊功能，可以定制 CCD 尺寸和讀出速度。這種自定義檢測(cè)設(shè)置有效地使診斷系統(tǒng)能夠在不犧牲必要的 kHz 數(shù)據(jù)速率的情況下達(dá)到 NASA 設(shè)施有史以來(lái)的最高信號(hào)水平。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)

Princeton Instruments 的新型PI-MAX4 emICCD (見圖 3)相機(jī)通過光纖將EMCCD 耦合到圖像增強(qiáng)器，充分利用了 EMCCD 和 ICCD 的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。這種創(chuàng)新的 emICCD 技術(shù)使新相機(jī)能夠提供無(wú)與倫比的精度、真正的單光子檢測(cè)、智能和速度的組合。

圖3 . 全新 Princeton Instruments PI-MAX4:512EM 是市場(chǎng)上首款采用革命性 emICCD 技術(shù)的科學(xué)相機(jī)。PI-MAX4:512EM采用前照式EMCCD;PI-MAX4:512EMB 使用背照式 EMCCD。

PI -MAX4 emICCD相機(jī)的背照式 EMCCD 擁有95% 的峰值 QE，可實(shí)現(xiàn)所有 ICCD 相機(jī)中最高的信號(hào)吞吐量。此外，通過光纖將 EMCCD 連接到圖像增強(qiáng)器，圖像增強(qiáng)器和探測(cè)器之間的光通量比透鏡耦合配置高 6 倍。因此，emICCD 提供所有門控成像和光譜探測(cè)器中最高的信噪比 (SNR)。

這些新型 emICCD 相機(jī)通過智能編程圖像增強(qiáng)器和 EMCCD 之間的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)卓越的線性度和動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)于燃燒等定量成像和光譜應(yīng)用至關(guān)重要。同時(shí)，它們真正的單光子探測(cè)能力確保了缺光應(yīng)用所需的高靈敏度。類似示波器的用戶界面(見圖 4)甚至可以記住完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。此外，由于在特殊的定制芯片模式下運(yùn)行時(shí)能夠每秒采集 10,000 個(gè)光譜，Princeton Instruments 的 emICCD 相機(jī)可以捕獲來(lái)自下一代激光器的每個(gè)脈沖。

圖4 . 類似示波器的用戶界面增強(qiáng)了 Princeton Instruments 的 emICCD 相機(jī)的實(shí)用性。

結(jié)果

高速激光光譜測(cè)量是使用圖 2 所示的診斷設(shè)備在俄亥俄州克利夫蘭市 NASA 格倫研究中心的大氣壓燃燒診斷 (APCD) 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。圖 5a 顯示了火焰的特寫。圖 5b 顯示了在貧燃料氫空氣火焰尖端測(cè)量的燃燒物質(zhì)(氧氣、氮?dú)夂退魵?自發(fā)拉曼散射隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)像素區(qū)域(1至512)對(duì)應(yīng)于486至680nm的波長(zhǎng)區(qū)域。

圖5a?；鹧嫣貙?。 圖 5b。使用配備 PI-MAX4:512EM 的高速拉曼診斷設(shè)備，在振蕩貧燃料氫氣-空氣火焰中以 1 kHz 采樣率在一秒內(nèi)記錄時(shí)間序列斯托克斯拉曼散射光譜。由 J. Kojima 和 D. Fischer(OAI/NASA)提供。

圖 5b 中的信號(hào)可見度明顯高于之前報(bào)告的此類數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)中可以清楚地看出，由于火焰與周圍空氣夾帶的相互作用，火焰以一定頻率(此處為~46 Hz)振蕩。

仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，純旋轉(zhuǎn)帶與O? 和 N?光譜呈反相關(guān)。這是因?yàn)榧冃D(zhuǎn)帶是火焰標(biāo)記(高溫)，與這兩種物質(zhì)相反，這兩種物質(zhì)在較高溫度下會(huì)降低其峰值強(qiáng)度。當(dāng)觀察到火焰時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較高濃度的燃燒產(chǎn)物水蒸氣 (H?O)。重要的是，使用高速拉曼光譜以物種解析的方式表征火焰動(dòng)力學(xué)。

未來(lái)發(fā)展方向

最近使用一種新的診斷設(shè)備來(lái)測(cè)量每個(gè)單獨(dú)分子物種的動(dòng)態(tài)，而不是簡(jiǎn)單地獲取大量信息(例如壓力)，這表明了對(duì)燃燒中的物種進(jìn)行溫度和頻率分析的可能性。最終，這種潛在的應(yīng)用可能成為不同溫度和壓力下燃油-空氣比動(dòng)態(tài)的診斷工具。

科學(xué)探測(cè)器技術(shù)的進(jìn)步，例如PI-MAX4 emICCD相機(jī)能夠在<1 納秒的時(shí)間內(nèi)排除所有光學(xué)背景噪聲，從而提高燃燒中時(shí)間分辨自發(fā)拉曼散射光譜的信噪比，繼續(xù)擴(kuò)展該領(lǐng)域的研究范圍區(qū)域。


審核編輯 黃宇