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脈動科技5月專刊-染料激光器和PLIF不得不說的事
Monday, May 20, 2019
                        染料激光器和PLIF不得不說的事                    

前記:燃燒是許多現代技術,如發電、供熱、運輸以及航空航天推進器等的核心。而且燃燒對于污染物排放的類型、濃度的研究和大氣環境改變的研究等也具有重要意義。工業燒嘴、工業爐、發動機以及無數這樣的研究領域都需要我們對燃燒有更加充分的了解。那么如何有效地對燃燒、流場及更多的領域進行分析呢。工欲善其事,必先利其器,激光光譜技術可謂是此類診斷分析的不二之選。                          

激光光譜技術是以激光為激勵光源的光譜測量技術,測量能力更為突出。激光具有良好的單色性、方向性、高功率密度,部分激光光源還具有調諧能力,有許多普通光源不具有的優點。與普通的寬帶光源相比,激光的單色性提高了激發的選擇能力和激發效率,這使得激發可以針對特定組分的特定能級,從而使光譜具有組分分辨能力;激光的方向性使測量可以利用激光聚焦或利用片狀激光束進行二維激發,提高了測量的空間分辨率;激光的高功率密度有利于提高探測靈敏度;激光的可調諧性則是的激發可以選擇合適的能級,豐富了激光光譜的內容,拓寬了其能夠探測的組分種類和光譜范圍。

平面激光誘導熒光(Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF技術是是一種廣泛用于液態、氣態等物質燃燒場或氣體電離場中各種組分濃度與溫度場分析的重要分析方法。使用平面激光脈沖激勵熒光來記錄瞬態流場和火焰結構的技術,利用激光對自由基和粒子的激發,通過對熒光的強度和二維空間結構的分布的分析,可以得到某些氣體分子的溫度分布,濃度分布以及火焰結構等信息。隨著圖像測量技術的發展,具有很強時空分辨能力的PLIF技術已經廣泛而深入的應用到了流動和化學反應研究當中。
 




  PLIF技術通常需要使用具有高重頻及高能量可調諧的染料激光器來反映快速變化的流場。每種被測物質都有其對應的受激熒光譜線,所以對于某一波長的激光,其線寬越窄,對應被測物質產生的熒光強度就越高。染料激光器(Dye Laser)具有可調諧、大能量、可高重頻、窄線寬(0.06cm-1),閾值低,對泵浦光適應性強的特點,且輸出紫外283nm波段的紫外光時,基頻為可見光566nm波段,為羅丹明染料的優勢波段,該波段的激光輸出能夠滿足PLIF檢測的需求。相比之下,光學參量振蕩器(Optical Parametric Oscillation, OPO)雖然也可以輸出可調諧激光,但是OPO的優勢波段為近紅外和紅外波段,且泵浦光對激光器影響較大,激光輸出不穩定,不適用于PLIF檢測。所以目前PLIF檢測主要使用可調諧的紫外波段染料激光器。





染料激光器是一種經典的單頻脈沖可調諧激光器。染料激光器的工作原理為為強激光脈沖(532nm355nm)激發特定的染料產生寬帶的熒光譜,由作為核心器件的光柵對選出特定的譜線在設定的諧振器內產生單頻的脈沖激光,該單頻激光經過進一步放大后輸出為染料激光器,內置的光柵對可以精確調諧,實現特定的精密譜線。激發不同的染料,加上染料激光器腔外的倍頻,混頻,差頻,如德國LIOP-TEC公司的染料激光器可以實現197-4500nm的線寬底至0.03 cm-1 的高能脈沖激光器!染料激光器是已知可調諧脈沖激光器線寬最窄的品質,在光譜研究領域具有不可替代的地位!

       





KHz染料激光器近年來,隨著光譜探測技術的發展,PLIF應用向著高重復頻率發展,KHz10KHz PLIF,PIV等光譜測量技術迅速發展,這個也推動染料激光器向高重復頻率方向發展。LIOP-TEC公司很早就率先研發出KHz的染料激光器LIOPSTAR-HQ. 由于高重復頻率和高脈沖能量導致的高泵浦功率和高染料激光功率,KHz染料激光器由特殊的光學諧振腔設計,特殊的染料循環系統設計。LIOPSTAR-HQ可以接受高達250KHz,150W的泵浦要求!LIOP-TEC公司率先完成了5[email protected]@10KHz的染料激光器!該KHz染料激光器首先應用在燃燒診斷的PLIF系統中!

激光染料 談到染料激光器,就不得不說一說染料激光器中染料工作壽命的問題。一般來說,染料激光器最常用的Rh6G(諾丹明6G)的壽命可以達到半年,DCM的壽命可以達到1-2年。但有的染料壽命比較短。有的染料有很強的腐蝕性,需要特殊的防腐蝕處理。染料激光器使用染料的濃度很低,比如,LIOPSTAR的振蕩級對Rh6G的濃度要求是0.14%。染料的常見染料為乙醇,丙醇或丙酮。LIOPSTAR的染料循環系統容積3-4升,這樣實際消耗的染料是有限的。
平衡染料流速(控制湍流的產生以免產生激光輸出的穩定性)及染料熱積累(會縮短染料壽命)是考量染料工作壽命與性能的關鍵點之一。
為了避免泵浦光的熱效應在染料中積累,染料的流動速度需要滿足在泵浦間隔內泵浦區域的染料完全更新,否則染料介質中可能發生熱積累,從而造成染料壽命降低及激光輸出質量降低。為了防止染料介質中發生熱積累,首先還是應當滿足染料循環熱管理要求。




常見染料列表

                                                                                                                                                 





染料激光器的泵浦源 染料激光器需要高品質的脈沖激光器泵浦源。LIOP-TEC公司德國InnoLas公司達成戰略合作,使用InnoLas公司的調Q Nd:YAG激光器作為泵浦源。InnoLas公司的燈泵浦染料泵浦激光器脈沖能量可達1400[email protected]/10Hz, 全二極管泵浦的中重復頻率激光器500mJ/532nm/100Hz, 全二極管泵浦的KHz泵浦源可達50mJ/532nm/1KHzLIOP-TEC公司染料激光器的理想泵浦源!高脈沖能量的YAG還可以同時泵浦2臺染料激光器!

 
一臺SpitLight2000泵浦2臺染料激光器及其染料和頻系統照片







本文的硬廣終于來了!

脈動科技有限公司德國LIOP-TEC公司的代理商!銷售LIOP-TEC公司染料激光器多年 現在把LIOP-TEC公司的染料激光器的特點進一步總結一下:

  1. 兩級染料結構振蕩級/預放大+放大級:

可接受泵浦能量:10-1000mJ       --雙染料循環群
效率:28% @565nm ,Rh6G染料     --可插拔染料池

染料激光器光學原理圖


兩級系統和三級系統相比較,好處在于:

  • 兩級結構染料激光器的光學結構大大簡化,有利于維護. 而為了泵浦三個染料池,YAG激光器的光需要分成三路,并且要嚴格按照一定的比例分配。

  • 兩級結構只需要兩個染料池, 染料的供應、染料泵浦的配備等都容易. 染料激光器的一個染料池需要獨立的染料供應,如循環器、管路等。

  • 由于染料激光器的各個染料池需要嚴格的光學同軸,三染料池的系統一般只能采用固定染料池的系統結構. 固定染料池結構的根本缺點在于: 染料池的清洗,更換,維護非常困難。

  • 由于重新安裝染料池需要大調光路,所以日常不可能取下染料池進行徹底清洗,簡單的清洗對于長期使用的染料池是不夠的,很容易造成染料沉淀。

2. 可插拔染料池得利于兩級染料池
  • 備用染料循環器,便于波長切換

  • 波長切換時染料液不用廢棄

  • 便于染料池清洗

  • 染料池更換時光路不用調試

3. Bethune Cell 染料池
Bethune Cell作為放大級染料池
Bethune Cell為特殊棱型結構的染料池可接受高達1000mJ泵浦能量;可得到圓的,很好染料激光光束質量。
說到這里小編都不得不感嘆LIOP-Tec的染料激光器真乃PLIF(當然不只是PLIF)的良師益友啊!

想了解上述器件的詳情嗎?快快戳閱讀原文或來電咨詢或者登陸脈動科技官網咯~

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