基于飞秒/皮秒CARS温度测量--《哈尔滨工业大学》2015年硕士论文
基于飞秒/皮秒CARS温度测量
【摘要】：CARS(Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy),相干反斯托克斯拉曼散射,是一种可以应用于燃烧场温度测量的光谱技术,具有对燃烧场干扰小、结果分辨率高、信号采集效率高等优点。飞秒激光技术的发展促进了飞秒CARS和飞秒/皮秒CARS在测温领域的应用,飞秒CARS可以有效抑制非共振背景噪声,实现高时空分辨率的燃烧场温度测量,而基于飞秒/皮秒CARS燃烧场的测温可以实现实时探测以及瞬态温度的测量。本文以麦克斯韦方程和物质方程为基础,通过推导非线性效应方程及三阶非线性极化率得到了CARS信号光的光强表达式并确定了三束光的相位匹配关系。在此基础之上,引入飞秒/皮秒CARS概念并推导了三束光电场频域分布及加入分子响应后的CARS信号强度表达式。根据推导出的CARS信号强度表达式对影响信号强度及谱线线型的参量进行了分析,并确定了理论计算与实验数据拟合时需要用到的参量取值。实验上首先通过计算设计出三束光的相位匹配方案;之后利用飞秒激光器作为光源,利用步进电机平移台对延迟时间进行调节,利用光谱仪系统对信号采集和分析,通过整个实验系统的搭建,最终得到了燃烧场不同温度下的CARS信号。根据得到的理论计算结果,通过逐步调整拟合温度范围的策略实现了理论与实验数据的拟合,并得到了较为准确的瞬时温度测量值,拟合结果误差在预期范围之内。之后,对理论实验拟合过程中出现的误差进行了详细分析,并给出了解决方案,为未来的研究工作提供了参考。
【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2015【分类号】：O433;TN249【目录】：
摘要4-5Abstract5-8第1章 绪论8-20 1.1 课题研究的背景和意义8-9 1.2 CARS光谱的基本概念9-12 1.3 飞秒/皮秒CARS技术12-14 1.4 CARS燃烧场测温研究概况14-18
1.4.1 国外研究情况14-17
1.4.2 国内发展情况17-18 1.5 主要研究内容及结构安排18-20第2章 飞秒/皮秒CARS理论研究20-40 2.1 飞秒/皮秒CARS信号强度的推导20-31
2.1.1 CARS信号强度的推导20-25
2.1.2 泵浦光，探测光，Stokes光电场模型25-27
2.1.3 分子共振和非共振响应模型27-31 2.2 啁啾因子对于CARS信号的影响31-37 2.3 延迟时间对于CARS信号的影响37-38 2.4 温度对于CARS信号的影响38-39 2.5 本章总结39-40第3章 飞秒/皮秒CARS测温实验系统搭建40-46 3.1 实验装置40-42
3.1.1 千赫兹掺钛蓝宝石飞秒激光器40-41
3.1.2 实验延迟系统41
3.1.3 实验信号采集系统41-42 3.2 实验系统的搭建42-43 3.3 BOXCARS相位匹配43-45 3.4 本章小结45-46第4章 飞秒/皮秒CARS测温实验46-85 4.1 实验拟合方法46 4.2 理论和实验拟合结果46-73 4.3 实验结果分析73-84
4.3.1 拟合结果优劣分析73-82
4.3.2 误差产生原因分析82-84 4.4 本章小结84-85结论85-86参考文献86-92攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果92-94致谢94
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