本文關(guān)鍵詞：超快強場激光在燃燒場中的傳輸特性和非線性光譜研究

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【摘要】：燃燒分析對于理解燃料燃燒反應機理,設(shè)計高效、綠色的燃燒系統(tǒng)極其重要。光學方法,特別是基于激光光譜的分析方法,因其具有實時、高靈敏度、無創(chuàng)探測能力,經(jīng)常被應用于燃燒中間產(chǎn)物的分布的監(jiān)測。但是大部分激光光譜技術(shù)由于受到探測種類對泵浦激光波長選擇特性的限制,每次只能探測一種中間產(chǎn)物。本論文將飛秒激光成絲概念引入到燃燒科學領(lǐng)域,提出了一種全新的燃燒診斷技術(shù)。飛秒激光在光學介質(zhì)中傳播時,因受到克爾自聚焦效應和等離子的散焦效應的共同作用,會產(chǎn)生成絲現(xiàn)象。光絲核區(qū)的激光強度可以達到1013~1014 W/cm2,在如此高的激光強度下分子可以同時吸收多個光子被激發(fā)至高激發(fā)態(tài),發(fā)射特征熒光光譜。因而,原理上僅僅利用一臺激光器就可以同時探測多種分子。本論文主要特色工作和創(chuàng)新成果如下:1.探討了利用飛秒激光成絲進行燃燒分析的可行性,展示了光絲誘導非線性光譜技術(shù)可同時傳感探測多種燃燒中間產(chǎn)物的能力。在激光傳播的側(cè)向方向測量了飛秒激光光絲與酒精燈火焰相互作用誘導的非線性光譜,同時發(fā)現(xiàn)多種被光絲激發(fā)的中間產(chǎn)物如C2、CH、OH、NH、CN和N2自由基以及原子C和H等的“指紋”熒光光譜線;沿著火焰燃燒中心軸向調(diào)整光絲與火焰相互作用位置,測量了不同位置的火焰光絲誘導熒光光譜,發(fā)現(xiàn)隨著與燈芯距離的增加,中間產(chǎn)物的熒光強度先增大再減小,這與擴散型火焰的中間產(chǎn)物的分布特征是吻合的。2.測量了飛秒激光在火焰內(nèi)部成絲的閾值功率和鉗制強度。通過觀測激光焦點移動與入射激光功率的關(guān)系,獲得了波長800 nm,脈寬35 fs的飛秒激光在火焰內(nèi)部成絲的閾值功率,發(fā)現(xiàn)其數(shù)值大約是同等空氣條件下的四分之一;利用飛秒激光光絲核區(qū)的高強度特性,在火焰內(nèi)部插入一片金屬箔片用光絲在箔片表面打孔,通過測量小孔的尺寸和透過小孔的激光能量,計算得到火焰內(nèi)部飛秒激光光絲的鉗制強度,該值約為空氣條件下的二分之一。3.在酒精燈火焰中觀測到光絲誘導熒光自發(fā)輻射放大現(xiàn)象。后向收集光絲誘導火焰非線性熒光,發(fā)現(xiàn)隨著激光能量的增加,來自于中間產(chǎn)物CN分子振動躍遷2 2B X?????在388 nm處的熒光強度呈指數(shù)增加,而來自于中間產(chǎn)物C2分子Swan帶在474 nm處熒光強度呈線性增加;固定激光能量,調(diào)整火焰的位置來改變光絲與火焰相互作用的長度,發(fā)現(xiàn)中間產(chǎn)物CN分子在388 nm處熒光強度依然可以產(chǎn)生這種指數(shù)增加的行為。4.研究了光絲誘導火焰熒光機理。測量了火焰內(nèi)部納秒激光誘導擊穿光譜及其火焰本身自發(fā)發(fā)射光譜,通過與飛秒激光光絲誘導火焰非線性光譜相比較,發(fā)現(xiàn)飛秒激光光絲誘導火焰熒光主要來源于光絲對中間產(chǎn)物的直接激發(fā)作用而非來自于光絲對母體分子的解離效應。綜上所述,我們研究了飛秒激光在火焰中的非線性傳輸特性,提出了一種全新的、可應用于燃燒分析的非線性光譜技術(shù)。我們發(fā)現(xiàn)火焰燃燒場中光絲誘導的非線性光譜包含豐富的燃燒中間產(chǎn)物信息,展示了該項技術(shù)用于燃燒分析的可行性;定量測量了飛秒激光光絲在火焰內(nèi)部成絲的閾值功率以及光絲的鉗制強度,深入理解飛秒激光光絲與火焰相互作用物理機理;展示了后向測量光絲酒精燈陣列火焰內(nèi)誘導熒光光譜中間產(chǎn)物CN分子熒光自發(fā)輻射放大現(xiàn)象,該實驗觀察為實際燃燒系統(tǒng)中克服熒光淬滅提供了新的途徑,具有重要意義;與納秒激光誘導擊穿光譜、火焰自發(fā)發(fā)射光譜相比較,發(fā)現(xiàn)光絲在火焰內(nèi)部誘導的熒光主要來自于光絲對中間產(chǎn)物的激發(fā)作用。本論文的工作拓展了飛秒激光光絲的應用領(lǐng)域,為光絲誘導非線性光譜技術(shù)對實際燃燒系統(tǒng)的應用于燃燒分析做了有益的探索。
【關(guān)鍵詞】：飛秒激光成絲 光絲誘導熒光 燃燒分析 閾值功率 鉗制強度 光致解離 自發(fā)輻射放大
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN249;TK16
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-42
• 1.1 燃燒和激光燃燒分析技術(shù)介紹12-22
• 1.1.1 燃燒分析背景介紹12-15
• 1.1.2 幾種常用的激光燃燒分析技術(shù)介紹15-22
• 1.2 飛秒激光光絲簡介22-39
• 1.2.1 激光發(fā)展歷史22-24
• 1.2.2 飛秒激光光絲介紹24-39
• 1.3 本論文的主要工作39-42
• 第2章 飛秒激光光絲誘導火焰熒光光譜研究42-50
• 引言42-43
• 2.1 光絲誘導火焰熒光光譜測量43-46
• 2.2 光絲誘導火焰非線性光譜中間產(chǎn)物分布46-48
• 2.3 本章小結(jié)48-50
• 第3章 飛秒激光在燃燒場中成絲閾值功率及鉗制強度50-62
• 引言50-51
• 3.1 飛秒激光光絲閾值功率與鉗制強度測量方法介紹51-52
• 3.1.1 飛秒激光光絲閾值功率測量方法介紹51-52
• 3.1.2 飛秒激光光絲鉗制強度測量方法介紹52
• 3.2 飛秒激光在乙醇火焰中成絲閾值功率與鉗制強度的測量52-59
• 3.2.1 飛秒激光成絲閾值功率測量52-57
• 3.2.2 飛秒激光光絲鉗制強度測量57-59
• 3.3 本章小結(jié)59-62
• 第4章 燃燒場中光絲誘導熒光自發(fā)輻射放大現(xiàn)象62-74
• 引言62-63
• 4.1 飛秒激光成絲誘導激射行為介紹63-65
• 4.1.1 飛秒激光成絲誘導前向激射行為介紹63-65
• 4.1.2 飛秒激光成絲誘導后向激射行為的介紹65
• 4.2 飛秒激光成絲在火焰中誘導熒光自發(fā)輻射放大現(xiàn)象研究65-72
• 4.3 本章小結(jié)72-74
• 第5章 飛秒激光光絲誘導火焰熒光機理研究74-84
• 引言74
• 5.1 實驗裝置74-75
• 5.2 酒精燈火焰的飛秒激光光絲誘導非線性光譜75-78
• 5.3 酒精燈火焰的納秒激光誘導擊穿光譜78-80
• 5.4 酒精燈火焰的自發(fā)發(fā)射光譜80
• 5.5 不同光譜技術(shù)應用于燃燒分析的比較80-82
• 5.6 本章小結(jié)82-84
• 第6章 總結(jié)84-86
• 參考文獻86-98
• 作者簡介及在學期間所取得的科研成果98-100
• 致謝100-101

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本文編號：850959