燃烧诊断的偏振FTIR光谱

图片来源:Leonid Ikan/Shutterstock.com

燃烧是一种粗糙但有效的从环境中释放能量的方法。这一重要的自然过程在燃气燃烧器和森林火灾中每天都能看到，而且大多被认为是理所当然的。尽管进行了广泛的研究，但关于燃烧仍然有很多东西有待了解，然而，Specac提供的红外偏振器可以用来探索燃烧化学的奥秘。

即使是简单的燃烧过程，也包括一系列尚未被完全理解的反应物之间的快速化学反应。提高燃烧效率对减少污染和浪费起着至关重要的作用，这意味着对燃烧过程有更深入的基础认识。

激光燃烧诊断

自20世纪80年代中期以来，用于应用燃烧研究的激光诊断技术已被用于测量重要参数，如物种浓度、温度、速度和粒子特性，具有在特定空间分辨率限制(10-50µm)内提供实时(<10 ns)深度数据的潜力。基于激光的红外技术是非侵入式测量，不需要任何物理探头，例如热电偶，它可以通过影响化学和物理环境来影响燃烧过程。

其他优点是由于激光辐射本身的性质。激光诊断在温度测量方面没有上限，而且它们也能够对湍流进行二维可视化，比如发生在火焰中的湍流。此外，这种测量也可以在现场进行。

激光诊断技术由非线性和线性技术组成。线性技术包括大多数化学家都能识别的技术——激光诱导荧光、吸收光谱和瑞利散射。

非线性激光技术更为专业，因为它们使用高激光功率，包括偏振光谱(PS)、激光诱导光栅光谱(LIGS)和相干反斯托克斯喇曼散射(CARS)。非线性技术都是利用物质和光之间的非线性相互作用的四波混合过程。

使用非线性激光方法的主要优点是高灵敏度和高时空分辨率。尽管这些好处是有代价的，但非线性方法更难建立，需要更复杂的数据分析。

用偏振光谱法进行燃烧分析

偏振分光镜能够探测恶劣环境中的微小物种。偏振光谱(PS)最初由Wieman和Hänsch开发^［1］作为一种无多普勒光谱方法，与饱和光谱有关，但提供了明显更好的信背景噪比。物种检测和温度测量要求激光光谱学通常依赖于找到一个特定分子的共振吸收线，并使用这个波长的激光来探测分子。问题是，许多物种参与燃烧应用，如CH₄C₂H₄C₂H₆、HCN和NH_3.，没有可访问的电子转换。

在这种情况下，偏振光谱被认为是有用的，因为这些物种在中红外光谱区域有很强的基本吸收带，尽管事实上，在这个区域的背景红外来自“热”燃烧过程可能会有抑制的问题。这就是偏振光谱学发挥作用的地方，因为信号生成为相干的、类似激光的光束，这使得收集信号并滤除任何背景辐射变得容易。PS基本上是一种没有背景的基于吸收的技术。

四波混频的优点

偏振光谱学是最简单的四波混频技术之一吗^［3］．四波混频(FWM)是非线性光学中的一种互调现象，两个或三个波长之间的相互作用产生一个或两个新的波长。

四波混频应用于偏振光谱，其中两个输入波产生一个光学频率略高的检测信号。随着输入光束之间的可变时间延迟，可以测量被检测物种的激发态寿命和退相率。

偏振光谱实验系统

燃烧分析的偏振光谱分析通常使用可调谐激光器的强泵浦光和弱探测光。必须将激光调谐到具有共同基态或激发态的目标物种的光学跃迁。当它们通过样品时，两个激光输出“交叉”，偏振泵浦光对目标物种的光泵浦光产生双折射和二色性。这样做的效果是在弱探测束中诱发可探测的极化变化。

这种变化是通过通过两个交叉偏振器监测引入的弱探测光束的泄漏来识别的(这应该会阻止所有的信号)。本质上，除非样品中的物种有效地改变了探测光束的特性，否则探测光束不应该能够通过第二个偏振器。

偏振器/偏振滤波器的使用对这项技术的成功至关重要，Specac能够提供最好的偏振元件。

Specac的红外偏振器

偏振器是一种光学过滤器，它允许特定偏振的光波通过，并阻挡其他偏振的光波。Specac偏振器由极精细的导电平行元件或放置在理想透明基材上的网格制成。

当栅格间距远小于光的波长时，与栅格平行的波矢量的光将被反射，只有与栅格垂直的波矢量的光被透射。偏振器的整体传输特性依赖于衬底，而偏振效率则依赖于偏振器的线宽、周期等设计参数。

Specac的红外偏振器

在中红外范围内，主要用于燃烧分析，最实用和最常用的偏振器是直纹或全息线栅结构。偏振效应的原理与独立的线栅相同，只是细线是在红外发射光学窗口材料的表面形成的。

Specac为通用光学物理应用提供各种全息红外线栅偏振器。这些红外偏振器是由基底上提供的，包括氟化钡(BaF)₂)、硒化锌(ZnSe)、氟化钙(CaF .₂)和溴化铊二极管(KRS-5)。

下载小册子获取更多信息

这些偏振器的工作范围为2 μm到35 μm(5000厘米)^－1到285厘米^－1)，并制造网格周期2500线/毫米，以提供特殊的消光系数和传输。

参考资料及进一步阅读

1. c·威曼;t.w. Hänsch, Phys。Rev. Lett. 36(20)(1976) 1170—1170
2. M. Aldén, J. Bood, Li Z.S.， M. Richter，利用空间和时间分辨激光诊断技术的燃烧过程可视化和理解，燃烧研究所学报33，(2011)69-97。
3. 张晓东，“基于四波混频的大模域光子晶体光纤中可见光和中红外光的高效产生”，光子学报，34 (22)，3499 (2009)

这些信息已经从Specac提供的材料中获得、审查和改编。欧洲杯足球竞彩

有关此来源的更多信息，请访问Specac。