測試技術LIF 課件

1、第14周第17周現(xiàn)代熱工測試技術A流體可視化技術概論激光診斷技術在發(fā)動機研究中的應用激光誘導熒光測量技術LIF什么是LIF激光誘導熒光(LIF)：Laser-induced fluorescence Laser：高能量，傳播能量損失小 Induced：引起，觸發(fā) Fluorescence：熒光信號，用于瞬態(tài)物質(zhì)的測量激光（Light amplification by stimulated emission of Radiation，LASER）是指窄幅頻率的光輻射線，通過受激輻射放大和必要的反饋共振，產(chǎn) 生準直、單色、相干光束的過程及儀器。激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體后，人類的

2、又一 個重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。 它的亮度約為太陽光的100億倍。熒光：當某種常溫物質(zhì)經(jīng)某種波長的入射光（通常是紫外線或X射線）照射，吸收光能后進入激發(fā)態(tài)，并且立即降到低能級 態(tài)并同時激發(fā)出光線（通常波長比入射光的波長要長，在可見 光波段）；而且一旦停止入射光，發(fā)光現(xiàn)象也隨之立即消失。 具有這種性質(zhì)的出射光就被稱為熒光。激光誘導熒光光譜利用一束脈沖激光將特定分子（或離子）由電子基態(tài)激發(fā)至激發(fā)態(tài)， 稍后測量分子由電子激發(fā)態(tài)馳豫放出的光子，掃描激發(fā)激光的波長使它通 過分子的吸收譜帶，就可以把熒光強度描繪成激光波長的的函數(shù)，得到激 發(fā)光譜（Excitend spec

3、troscopy）。熒光光譜的作用從熒光的分布，可以探測樣品粒子的種類；從熒光的強弱，可得知粒 子的濃度以及溫度；利用其空間分辨率性還可以測量粒子的空間濃度、溫 度的分布。與普通的熒光光譜技術相比，具有更高的靈敏度、信噪比和光譜分辨 率等優(yōu)點，而且測量樣品時無需進行復雜的預熱處理，便于在線分析。LIF技術的原理熒光的特性隨熒光物質(zhì)的種類、環(huán)境溫度、壓力以及周圍物質(zhì)氛圍的不同而呈現(xiàn)出較大的差異。在滿足一定條件時，通過熒光的強度可以得到包括 濃度，溫度、組分在內(nèi)的多種物理參數(shù)。激光能量越強，熒光強度越大，理論上熒光強度與激發(fā)光強度應為線性 關系。但是處于基態(tài)的分子數(shù)量是有限的，當激發(fā)光強到一定程度

4、時，可能 導致所有可以被激發(fā)的分子都被激發(fā)了，此時再增強激發(fā)光強度也無充足的 分子可被激發(fā)，熒光強度不會再線性的增長，這種現(xiàn)象稱為熒光的飽和。在 應用中為了獲得較高的精度，一般在激光能量達不到飽和的線性區(qū)域?qū)嵤?LIF實驗，但是飽和狀態(tài)的LIF受激光能量吸收衰減的影響較小，因此在部分 實驗中也具有一定的優(yōu)勢，需要根據(jù)實驗目的進行選擇。課堂演示實驗Water + Rhodamine 6GSheet OpticslaserNd：YAG Laser波長532nm最大輸出功率(mW)150光斑模式TEM00縱模單工作方式CW發(fā)散角(全角)100:1LIF測量技術的突出優(yōu)點高空間分辨：可達到微米量級。快

5、速時間響應：時間分辨最高可達納秒量級，可對自由基等瞬態(tài)物質(zhì)壽命進行檢測。高靈敏度：探測下限最高可達106個粒子/cm3。 干擾?。和ㄟ^激光激發(fā)，而不涉及接觸式的探針等器件，對等離子體，燃燒等干擾相對較小。主動式檢測：與被檢測體系中電子密度（ne）、電子溫度（Te）關系不大，主要被測物種濃度相關。LIF的主要困難對于一些目前不常檢測的物種，其熒光分離需要一定的光譜基礎。 對于濃度在ppm級以下的的物質(zhì)熒光可能較弱。 對自由基的絕對濃度測量，需要仔細的標定。 對染料激光器維護要求較高。 淬熄現(xiàn)象的評估、溫度和壓力的影響、示蹤劑分解等影響定量測量精度的因素。尤其是在淬熄、溫度和壓力的影響方面，對各種

6、示蹤劑熒光特性（熒光量子效率函數(shù)和吸收截面系數(shù)等物理量）的基礎研究尚 缺乏寬范圍和完備的數(shù)據(jù)支持。目前，多數(shù)LIF濃度實驗的精度大多 在95%-80%之間，其中缸內(nèi)燃燒測試由于受到溫度不均勻和其他因素 的干擾，即使經(jīng)過相關修正，誤差通常也在90%以上。因此在提高LIF 測試精度、拓展LIF測試能力方面還亟待深入研究。LIF系統(tǒng)硬件組成LIF中的核心器件熒光檢測器激光器（光源）各部件相應功能光源：提供窄線寬穩(wěn)定的脈沖激光；光學組件：光路調(diào)整，光路轉(zhuǎn)換，過濾雜散光等作用；熒光探測器：檢測激光誘導熒光強度及分布；同步控制器：控制激光與探測器時序，以捕捉目標物種的熒光；采集軟件：采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行

7、處理；標定設備：對OH等自由基進行標定，獲得絕對濃度光源Introduction of laser隨著光學技術的不斷發(fā)展，各種工作物質(zhì)、運轉(zhuǎn)方式的激光器不斷出現(xiàn)。按工作波段分類：紅外和遠紅外激光器、可見光激光 器、紫外和真空紫外激光器、X射線激光器。按運轉(zhuǎn)方式分類：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈 沖激光器。按激光器工作物質(zhì)分類：固體激光器、氣體激光器、 染料激光器和半導體激光器。激光器的分類Solid laser固體激光器是以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃作為工作物質(zhì) 的激光器。常采用的固體工作物質(zhì)仍然是紅寶石、藍寶石、釹玻璃、 摻釹釔鋁石榴石(Nd3:YAG)等三種 。固體激光器的特點：輸出能量大

8、(可達數(shù)萬焦耳)，峰值功 率高(連續(xù)功率可達數(shù)千瓦，脈沖峰值功率可達千兆瓦、幾 十太瓦)，結(jié)構(gòu)緊湊，牢固耐用。廣泛應用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、科研等方面，例如打孔、 焊接、劃片、微調(diào)、激光測距、雷達、制導、激光視網(wǎng)膜 凝結(jié)、全息照相、激光存儲、大容量通信等。Nd:YAG Laser突出優(yōu)點：閾值低和具有優(yōu)良的熱學性質(zhì)，這就使得它適于連續(xù)和高重復率工作。 Nd3:YAG是目前能在室溫下連續(xù)工作的唯一實用的固體工作 物質(zhì)，在中小功率脈沖器件中，特別是在高重復率的脈沖器 件中，目前應用Nd3:YAG的量，遠遠超過其它固體工作物質(zhì)?？梢哉f， Nd3:YAG從出現(xiàn)至今，大量使用，長盛不衰。Gas laser

9、氣體激光器是以氣體或蒸氣作為工作物質(zhì)的激光器。與其它種類的激光器相比較，氣體激光器的突出優(yōu)點:輸出光束的 質(zhì)量好(單色性、相干性、光束方向和穩(wěn)定性等)。因此，在工農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)、國防和科學研究中，都有廣泛的應用。 三種典型氣體激光器：He-Ne激光器：具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、光束質(zhì)量好、工作可靠 和制造容易等優(yōu)點，至今仍然是應用最廣泛的一種氣體激光器。主 要譜線是紅光(632.8nm)，黃光(594nm)、綠光(543nm)和橙光(606nm、612nm)CO2 Gas laser二氧化碳(CO2)激光器：是以CO2氣體分子作為工作物質(zhì)的氣體激光器。其激光波長為10.6m和9.6m。優(yōu)點：它既能連

10、續(xù)工作，又能脈沖工作，輸出大，效率高。它的能 量轉(zhuǎn)換效率高達(20 25)，連續(xù)輸出功率可達萬瓦量級，脈沖輸出 能量可達萬焦耳，脈沖寬度可壓縮到毫微秒。 被廣泛用于材料加工、通信、雷達、誘發(fā)化學反應、外科手術等方面，還可用于激光引發(fā)熱核反應，激光分離同位素以及激光武器等。Ar Gas laser離子(Ar)激光器：以氣態(tài)離子的不同激發(fā)態(tài)之間的激發(fā)躍遷進行工作的氣體激光器。Ar激光器的激光譜線很豐富，主要分布在藍綠光區(qū)，其中，以0.4880m藍光和0.5145m綠光兩條譜線最強。Ar激光器既可以連續(xù)工作，又可以脈沖狀態(tài)運轉(zhuǎn)。連續(xù)功率一般 為幾瓦到幾十瓦，高者可達一百多瓦，是目前在可見光區(qū)連續(xù)輸出

11、 功率最高的氣體激光器。 它已廣泛應用于全息照相，信息處理，光譜分析及醫(yī)療和工業(yè)加工等許多領域 。Dye laser染料激光器受到人們重視的原因是：輸出激光波長可調(diào)諧，某些染料激光波長可調(diào)寬度達上百毫微米；激光脈沖寬度可以很窄，目前，由染料激光器產(chǎn)生的超短脈沖寬度 可壓縮至飛秒(1015秒)量級；染料激光器的輸出功率大，可與固體激光器比擬，但價格便宜，同 樣的輸出功率，它只是固體激光器的千分之一；染料激光器工作物質(zhì)具有均勻性好等優(yōu)良的光學質(zhì)量。 它在光化學、光生物學、光譜學、化學動力學、同位素分離、全息照 相和光通信中，正獲得日益廣泛的重要應用 。Semiconductor laser半導體激

12、光器：以半導體材料作為激光工作物質(zhì)的激光器。它具有超小型、高效率、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜以及可以高速工 作等一系列優(yōu)點。 它是目前光通信領域內(nèi)使用的最重要光源，并且在CD、VCD、 DVD播放機、計算機光盤驅(qū)動器、激光打印機、全息照相、激光準直、測距、及醫(yī)療等許多方面都獲得了重要應用。Other lasers準分子激光器：如ArF，193nm，用于光刻機。 自由電子激光器：工作物質(zhì)是自由電子束，利用電子加速器 。A輸出的激光波長可在相當寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，原則上可從厘米波一直調(diào)諧到真空紫外。可以獲得極高的光功率輸出。 將在激光分離同位素、激光核聚變、光化學、激光光譜和激光武 器等方面有著重大的應用

13、前景。目前，自由電子激光器仍處于試 驗階段。AA化學激光器：將化學能直接轉(zhuǎn)換成激光 、輸出的激光波長豐富 、高功率、高能量激光輸出 。光纖激光器。氣體激光固體激光半導體激光種類激光波長功率發(fā)光形式其他He-Ne 氦-氖激光 Ar 氬離子激光 Cu 銅蒸汽激光Nd：YAG 激光 紅寶石激光 玻璃激光Al Ga As 激光Ga In P As 激光632nm, 1.15m50mW連續(xù)通過 AOM 可控制激光514 nm, 488 nm520W連續(xù)通過 AOM 可控制激光510 nm, 578 nm100W脈沖 =1040ns,f =520kHz1.06m(532 nm)1000W脈沖、連續(xù) =10

14、ns,f =30Hz694 nm1000W脈沖 =1ms,f =1Hz1.06m100KW脈沖 =0.1ns683 nm50mW連續(xù)體型小、重量輕620 nm50mW連續(xù)體型小、重量輕平面激光誘導熒光技術PLIF （Planar Laser Induced Fluorescence）流場照明系統(tǒng)：要保證激光片光源光強可以使示蹤粒子能被清晰拍攝記錄。一般片光源厚度小于2mm以保證只記錄一層片光內(nèi)運動的粒子。 當測量流體表面流速的時候，可以采用激光柱狀光；但如果對 流體內(nèi)部二維流場測量時，則要采用激光片狀光源，用適當?shù)?光學元件（柱面鏡 + 球面鏡，柱面鏡使光束在某方向發(fā)散，球 面鏡則用于控制片光

15、的厚度）把激光光束轉(zhuǎn)變?yōu)槠庠?。兩個 脈沖片光源之間的時間間隔可以調(diào)節(jié)，具體設置應基于被測量 速度來選擇。光學通路要求片光源和照相機之間相互垂直。球透鏡光腰柱透鏡緊湊透鏡組合設計采用柱透鏡和球透鏡的 組合提供片光源厚度和擴 展角度的控制以下將分別從液體濃度測量、火焰自由基濃度測量以及溫度測量三個方面舉例介紹LIF在發(fā)動機領域內(nèi)的應用。濃度粒徑速度溫度LIF濃度場測量技術激光熒光染料，如羅丹明B、羅丹明6G、熒光素鈉等物質(zhì)的水溶解液，在氬離子激光照射下，受激發(fā)出熒光，熒光的光強主要受入射光光強和熒光物質(zhì)濃度的影響。燃燒過程中的中間產(chǎn)物的濃度分布特性，即火焰自由基的濃度分 布，如羥基OH，碳氫CH

16、，氮氧化物NO。在低濃度時，熒光光強與濃度成線性關系。 熒光光強濃度特性校正曲線：不同濃度、激光器功率下，熒光光強的實測校正曲線。提供信息：-燃料激光誘導熒光成像、空燃比分布、粒子索特平均直徑SMD分布。-火焰前鋒面可視化成像-火焰自由基分布（OH，NO，CH等）-火焰結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性-火焰和碳煙的溫度-碳煙濃度和初級粒徑對于LIF的信號來說，可以用Beerlambert定律來描述：e=2.718281828其中：If為熒光信號強度；為熒光物質(zhì)的量子吸收率（Quantum Efficiency）；I0為入射光光線；為熒光物質(zhì)的摩爾吸收系數(shù)（Molar Absorptionc為熒光物質(zhì)濃度h為光學通

17、路長度或厚度，即光程Coefficient）其中：AD為受光系統(tǒng)的裝置光學定數(shù)；Am為反射率的補正系數(shù)。因為和都與熒光物質(zhì)的本身物性有關，因此可以將這兩個參數(shù)用溫度T和波長的函數(shù)來表示，即*=F(T, )，F(xiàn)隨波長和溫度的影響而變化。 而光學系統(tǒng)的參數(shù)即AD和Am也是在一個實驗室光學系統(tǒng)搭建完成之后就已 經(jīng)決定了的，因此可以將AD和Am用K來表示。 這樣，公式就可以進一步簡化為在高能量激光條件下，熒光激發(fā)達到飽和條件，在飽和激光能量的作用下（超過100mJ/Pulse）激光能量的變化和不均勻、熒光產(chǎn)生效率和激光在光程 內(nèi)產(chǎn)生的能力損失（即由于吸收導致的通過率降低）對于熒光產(chǎn)生的影響基 本保持不

18、變，并不會隨著這些參數(shù)的變化而變化，因此公式可以進一步簡化 為：但是對于噴霧場氣相濃度的量化過程而言，當溫度超過500K時，噴霧的氣相部分熒光強度會快速降低，人們認為導致這種現(xiàn)象的原因是溫度升高造 成對熒光吸收效率的急劇升高，而600K則是一個拐點。環(huán)境溫度對于熒光強 度的影響呈現(xiàn)先上升后下降的區(qū)別。實際上，對于LIF技術來說，KF的標定是一個非常復雜的過程。在LIF技術被使用的初期，人們通過將實驗系統(tǒng)設置好之后，通常將K取為一個常數(shù)，但是隨著技術的發(fā)展，研究人員將K系數(shù)變成 了一個函數(shù)，由于光學系統(tǒng)及熒光劑物性的差別，每個實驗室的K 系數(shù)函數(shù)都是不同的。入射光波長與激發(fā)波長的Tradeoff

19、Rhodemine B532nmRhodemine 6G能夠作為燃油熒光添加劑的先決條件常用示蹤劑特性柴油的激發(fā)曲線近年來LIF技術應用于缸內(nèi)混合氣研究簡況對上表所述的研究進行總結(jié)可得出PLIF實驗研究具有以下特點：（1）紫外波段高能脈沖極光世界常用的激光，其中Nd:Yag激光器和準分子激光器燃油分布測試中是主流；燃料激光器等較昂貴的激光器多用于對 燃燒組分進行測量；（2）在針對燃料的測量中，酮類、小分子芳香烴是常用的示蹤劑；（3）定量研究多采用異辛烷或正庚烷等純凈物作為汽油的替代物，采用 十二烷或十六烷作為柴油的替代物，從而避免汽油或柴油中部分物質(zhì)熒光 特性復雜帶來的影響。LIF火焰測量技術通過光學的非接觸的方法對 火焰中的溫度、組份及自由 基進行測量是研究火焰燃燒 機理重要手段，目前能夠測量： 溫度高濃度組份N2, O2,CO, H2, 和 H