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应用方向：材料科学，环境检测，考古研究

所用产品：卓立汉光光谱仪

技术介绍

燃料燃烧是一种瞬态的化学反应动力学过程，科学家利用传统的光电技术，结合激光技术、光谱技术、图像处理技术用来分析燃烧场的温度，组分等参数，对优化发动机的喷雾燃烧提高燃烧效率，减少污染物等有着重要的意义。

燃烧诊断的方法有很多种，有些是直接用高速测量燃烧的全过程，有些利用光谱仪加 PMT 监控某些指示化学键发光的过程来分析燃料配比，有些则利用激光技术，燃烧化学反应时会产生一些中间产物（如 CH、OH 等），这些产物会吸收激发激光并发出特征光谱信号。科学家根据这些荧光光谱等信息，可以分析火焰瞬时的结构，组分浓度等信息。

产品应用

科学家通过分析多组分煤油的低温点火性能，发现添加某些活化剂可以大大降低煤油的燃点，使其在较低温度时能够充分燃烧。

图 1：低温点火测试实验图

上图为相关的实验简图，图中科学家将掺有一定比例活化剂的煤油滴到变温台上，变温台可以从 100 度到 600 多度控制，高速相机拍摄液滴在变温台上随温度变化后的燃烧情况。而在燃烧时火焰发光通过光纤收集到光谱仪中，再由 PMT 监控发光波段随时间变化的衰减过程。整个实验中，监控燃烧产物 OH 自由基的发光波段 306.5nm，光谱仪将色散位置设置到该波段，然后用 PMT 进行监控。监控过程中 PMT 高压设置为 1000V，使其处于光子计数状态，然后连接数采，对 OH 发光进行实时监控扫描。

当激光引入到燃烧实验中时，又会有很多有趣的现象发生。首先是拉曼光谱分析，在燃烧的不同时刻，由于燃料从刚开始不充分燃烧，中间产物较多，到充分燃烧，再到慢慢冷却。整个过程中各种成分的拉曼信号的分布是一个渐变的过程，我们可以利用这些信号变化来分析优化燃烧气体的比例浓度。实验中一般采用低重频的 Nd：YAG 脉冲激光器结合 ICCD 来进行研究分析。

图 2：火焰燃烧的拉曼光谱分析

如果将染料激光器引入实验，在 Nd:YAG 激光器后面接上染料激光器，用 532nm 泵浦我们可获得多个波段的激发激光，例如 606nm 的激光，然后经与两束 532nm 激光在时域上进行调整，在满足 CARS 的相位匹配条件下，我们可以得到相关的 CARS 信号，从而可以用来分析燃烧场的温度和组分浓度信息。

图 3：CARS 原理简图和实验装置简图

在燃烧过程中，燃烧不充分会产生很多中间产物，我们也可以用激光激发火焰中这些中间产物获得荧光来分析，也就是激光诱导荧光（LIF），如果将激光经过柱面镜等光学元件整形成很薄的一个平行平面光，这是我们称该实验为平面激光诱导荧光（PLIF）。

图 4：PLIF 实验简图

实验中，我们可以用 ICCD 或是高速相机拍摄例如 OH 分子荧光在燃烧过程中的分布情况。

图 5：采用 ICCD 获得的火焰 OH PLIF 图像来研究火焰内部湍流结构分布

卓立汉光可以提供燃烧诊断中的各种产品，例如光路系统搭建所需的光机产品，如柱面镜，延时光路系统等，也提供各类光谱仪配置，例如光谱仪同 PMT 的组合，也提供光谱仪同各类相机的组合，特别是燃烧诊断实验中不可或缺的 ICCD 相机，卓立汉光也可以非常完 美的进行匹配工作。

相关产品展示

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引用文献

1. Zhu Jiajian, Wan Minggang, Wu Ge, Yan Bo, Tian Yifu, Feng Rong, Sun Mingbo, Chinese Journal Of Lasers,48(4),0401005(2021).

2. Haoqiang Sheng, Xiaobin Huang, Yuan Ji, Zhengchuang Zhao,Zhijia Chen, Hong Liu,international journal of hydrogen energy,46,27207 (2021).

3. Frank JH, Kaiser SA, and Long MB,Proceedings of the Combustion Institute,29(2),2687(2002)

本文供稿

张亮

业务发展部

应用工程师张亮，硕士，毕业于华东师范大学精密光谱科学与技术国家重 点实验室。2007年加入北京卓立汉光仪器有限公司。多年来从事光谱系统及设备维护调试，有丰富的实验应用经验。目前担任光电事业部应用总监，负责产品应用拓展。 

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