燃烧中的超高速时间分辨SRS光谱

介绍在燃烧中，直到最近只有两种时间光选通方案可用于提高时间分辨自发拉曼散射 (SRS) 光谱的信噪比 (SNR)。有问题的光学背景噪声可以通过带有图像增强器的电子选通或使用机械快门来消除。不幸的是，这些传统方法都有其缺点。

例如，图像增强器通过 <2 纳秒的选通能力提供出色的光学背景噪声抑制，但具有一些固有的局限性，例如图像质量较差和动态范围较低。另一方面，虽然带有旋转光学斩波器的高速机械快门能够在不降低检测系统 CCD 量子效率 (QE) 的情况下提供更宽的动态范围，但其30 Hz 速度和 ~10 µs 选通还不够。用于抑制噪声，并可能导致高达 50% 的传输损耗。

2010 年，俄亥俄州航空航天研究所的 Jun Kojima 博士与 David Fischer 博士和 Quang-Viet Nguyen 博士(NASA Glenn 研究中心)合作，描述了一种 SRS 架构*，该架构采用在子帧中运行的帧传输CCD突发门控模式实现时间分辨燃烧诊断。1这项专利技术能够以微秒快门速度(<5 微秒)实现全电子光学选通，而不会影响光学吞吐量或图像保真度。小岛博士在该方法中使用了 Princeton Instruments ProEM® 电子倍增 CCD (EMCCD) 相机。

当与一对正交偏振激发激光器结合使用时，上述技术可测量受光学背景噪声污染最小的单次振动拉曼散射。尽管如此，其相对较长的选通(约 5 微秒)在光学背景抑制方面仍有改进的空间。

最近，Kojima 博士开发了另一种先进技术，用于测量燃烧中的时间分辨 SRS 光谱(见图 1)。本文概述了这种新方法，它提供了更高的信噪比并允许超高速观察燃烧动态。

测量时间分辨自发拉曼散射的新方法

小岛博士的新实验装置如图 2 所示。与之前报道的技术相比，它以更快的门控(<2 纳秒)、更宽的动态范围和更高的燃烧灵敏度来测量拉曼散射，从而可以通过新引入的方法观察火焰不稳定动力学。 Princeton Instruments 增强型 emICCD 相机可跟上最新的 10 kHz 激光器。

图 2.实验装置展示了采用 Nd:YAG 脉冲激光器(532 nm、88 ns 脉冲宽度、10 kHz 重复率)和与镜头摄谱仪耦合的 Princeton Instruments PI-MAX4:512EM 相机的高速激光拉曼诊断系统。由 J. Kojima(OAI/NASA)提供。

此处，使用二次谐波 Nd:YAG 脉冲激光器作为激发源 (200 W)，并以10 kHz 重复率操作来询问火焰。散射光由光纤耦合透镜光学器件收集，并传输至配备有普林斯顿仪器公司 (Princeton Instruments) 的PI-MAX®4:512EM 相机的体积透射透镜光谱仪。

为了提高信噪比，图像增强器以 10 kHz 的速率运行，以与高速激光保持同步，并以90 纳秒的速度选通以消除光学火焰发射背景，而 EMCCD 以 1 kHz 的速率运行(即 10 次激光射击累积)，使用 Princeton Instruments LightField® 软件中的特殊功能，可以定制 CCD 尺寸和读出速度。这种自定义检测设置有效地使诊断系统能够在不牺牲必要的 kHz 数据速率的情况下达到 NASA 设施有史以来的最高信号水平。

技术实现

Princeton Instruments 的新型PI-MAX4 emICCD (见图 3)相机通过光纤将EMCCD 耦合到图像增强器，充分利用了 EMCCD 和 ICCD 的关键优势。这种创新的 emICCD 技术使新相机能够提供无与伦比的精度、真正的单光子检测、智能和速度的组合。

图3 . 全新 Princeton Instruments PI-MAX4:512EM 是市场上首款采用革命性 emICCD 技术的科学相机。PI-MAX4:512EM采用前照式EMCCD;PI-MAX4:512EMB 使用背照式 EMCCD。

PI -MAX4 emICCD相机的背照式 EMCCD 拥有95% 的峰值 QE，可实现所有 ICCD 相机中最高的信号吞吐量。此外，通过光纤将 EMCCD 连接到图像增强器，图像增强器和探测器之间的光通量比透镜耦合配置高 6 倍。因此，emICCD 提供所有门控成像和光谱探测器中最高的信噪比 (SNR)。

这些新型 emICCD 相机通过智能编程图像增强器和 EMCCD 之间的增益来实现卓越的线性度和动态范围，对于燃烧等定量成像和光谱应用至关重要。同时，它们真正的单光子探测能力确保了缺光应用所需的高灵敏度。类似示波器的用户界面(见图 4)甚至可以记住完整的实验设置。此外，由于在特殊的定制芯片模式下运行时能够每秒采集 10,000 个光谱，Princeton Instruments 的 emICCD 相机可以捕获来自下一代激光器的每个脉冲。

图4 . 类似示波器的用户界面增强了 Princeton Instruments 的 emICCD 相机的实用性。

结果

高速激光光谱测量是使用图 2 所示的诊断设备在俄亥俄州克利夫兰市 NASA 格伦研究中心的大气压燃烧诊断 (APCD) 实验室进行的。图 5a 显示了火焰的特写。图 5b 显示了在贫燃料氢空气火焰尖端测量的燃烧物质(氧气、氮气和水蒸气)自发拉曼散射随时间变化的数据像素区域(1至512)对应于486至680nm的波长区域。

图5a。火焰特写。 图 5b。使用配备 PI-MAX4:512EM 的高速拉曼诊断设备，在振荡贫燃料氢气-空气火焰中以 1 kHz 采样率在一秒内记录时间序列斯托克斯拉曼散射光谱。由 J. Kojima 和 D. Fischer(OAI/NASA)提供。

图 5b 中的信号可见度明显高于之前报告的此类数据。从数据中可以清楚地看出，由于火焰与周围空气夹带的相互作用，火焰以一定频率(此处为~46 Hz)振荡。

仔细观察发现，纯旋转带与O₂ 和 N₂光谱呈反相关。这是因为纯旋转带是火焰标记(高温)，与这两种物质相反，这两种物质在较高温度下会降低其峰值强度。当观察到火焰时，会出现较高浓度的燃烧产物水蒸气 (H₂O)。重要的是，使用高速拉曼光谱以物种解析的方式表征火焰动力学。

未来发展方向

最近使用一种新的诊断设备来测量每个单独分子物种的动态，而不是简单地获取大量信息(例如压力)，这表明了对燃烧中的物种进行温度和频率分析的可能性。最终，这种潜在的应用可能成为不同温度和压力下燃油-空气比动态的诊断工具。

科学探测器技术的进步，例如PI-MAX4 emICCD相机能够在<1 纳秒的时间内排除所有光学背景噪声，从而提高燃烧中时间分辨自发拉曼散射光谱的信噪比，继续扩展该领域的研究范围区域。


审核编辑 黄宇