使用KURO高性能sCMOS相机进行燃烧气体的高光谱和多维CARS测量

爱丁堡大学的Brian Peterson博士的实验室利用光谱和基于激光的分析方法进行燃烧气体的流体动力学和热传递方面的研究。

对于类似汽车发动机一样的燃烧室，温度在300-400开尔文的“低温”气缸壁(冷壁)和温度达到几千开尔文的燃烧气体之间形成了陡峭的温度梯度。随着发动机技术的不断进步，发动机小型化的趋势也愈加明显。这就带来了新的问题：随着发动机变小，气缸表面与燃烧气体的相互作用和热流显著增加，导致燃烧效率降低以及燃料无法完全燃烧，产生更多大气污染。

David Escofet-Martin博士是该小组的研究助理，他致力于利用相干反斯托克斯拉曼光谱(coherent anti-Stokes Raman spectroscopy, CARS)实验对这些热流过程进行定量测量和研究。

对于燃烧过程的研究人员来说，CARS测量是极为有力的一种工具，因为其光谱数据中包含了包括温度、压力、燃烧和未燃烧燃料的数量以及不同分子数量比(例如氮和氧的摩尔比)等信息。如果在一次测量中就能对所有参数进行测定，对燃烧区的动态过程的理解就会更加全面。

图1：CARS测量示意图

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Peterson博士实验室的CARS测量装置使用钛-蓝宝石激光器产生的800纳米、35飞秒的泵浦光束和钇铝石榴石晶体激光器产生的20皮秒的探测光束，其中每个探测光束的时间延迟可以调整。泵浦和探测光束通过柱面透镜，在实验腔中产生重叠光片，因此沿着光片交叉线的所有点都可以被同时探测到。

探测光片朝向光谱仪的入口狭缝，并沿狭缝轴做物理分离。在色散之后，每个信号的光谱图像都会在相机上进行探测。在探测到的图像中，研究人员可以获得光谱信息(x轴)、空间信息(y轴)以及时间信息(传感器顶部和底部区域的两个光谱图像，通过调整探测光束的时间延迟产生)。

图2：单张测试用火焰-腔壁光谱图

挑战

CARS测量虽好，但挑战也不小。

首先，用于CARS测量的探测器必须足够大，不仅要覆盖实验的光谱带宽，还要覆盖垂直轴上的空间信息。然后，对于Peterson实验室来说，相机还必须具有足够快的读取速度、帧速才可以满足需求，因为其CARS实验通常使用50帧/秒或更高的帧速工作。

另一个让问题变得复杂的地方与信号强度的剧烈变化有关。由于温度梯度的存在，旋转CARS信号的动态范围横跨几个数量级。虽然EMCCD相机具有足够的帧速，但当通过调整电子增益提高微弱信号的信噪比时，相机的动态范围也会显著减小。

客户说

Brian Peterson博士：“相比于使用EMCCD，我们使用KURO后更好地完成了对于燃烧气体的高灵敏度、多维CARS测量。探测的动态范围显著增加，帧速也满足需求。”

解决方案

为了克服这些挑战，Peterson实验室使用了普林斯顿仪器的全套解决方案。他们将KURO 1200B背照式sCMOS相机安装在焦距为750mm的普林斯顿仪器SP2750光谱仪上。KURO 1200B的CMOS传感器具有1200×1200个像素，靶面大小满足多维测量所需的光谱和空间范围。

KURO具有大于95%的量子效率(QE)，与EMCCD类似。同时其读出噪声较低，非常适合检测微弱的信号。但在动态范围方面与KURO相比于EMCCD则具有更大的优势。在16位位深下，KURO的全幅读出速度高达41帧/秒(不使用全幅模式时更高)。

图3：KURO相机产品图

总的来说，与Peterson实验室以前的EMCCD相比，使用KURO相机显著提高了数据的动态范围，使得多维CARS测量的数据质量得到了显著提升。

审核编辑 黄宇