涡动相关法作为直接观测湍流运动的方法,是研究潜热通量和CO₂通量的重要手段。本团队基于可调谐半导体激光吸收光谱技术研制了激光气体分析仪,用于涡动相关法的海气通量分析。选用7181 cm ^-1处的H₂O吸收谱线和4990 cm ^-1处的CO₂吸收谱线,利用信号采集处理技术及导数谱浓度反演方法实现100 Hz时间分辨率的目标气体浓度的计算,并根据计算结果评估得到H₂O分析仪的检测限约为8.17×10 ^-6,CO₂分析仪的检测限约为0.40×10 ^-6,时间分辨率为100 Hz。将集成的气体分析仪安装在烟台国家卫星海洋定标海上平台上进行真实的海气通量探测,并将探测结果与LICOR7500-H₂O/CO₂分析仪的测量结果进行了对比。从实验结果看,所研制的激光气体分析仪具有更高的时间分辨率,更易捕捉湍流运动的微小变化,具有广阔的应用前景。

可调半导体激光光谱技术（TDLAS）可实现温度、 组分浓度等多参数同时测量, 具有体积小、 响应速度快、 环境适应性高等优点, 逐渐成为燃烧流场诊断的主要手段之一。 TDLAS光谱测量常采用直接吸收技术和波长调制技术, 其中强度归一化的波长调制技术, 适合存在振动、 湍流等致光束偏转效应和强辐射本底等恶劣应用环境条件的燃气轮机流场参数测量。 基于TDLAS技术, 开展了1f归一化波长调制技术燃气轮机燃烧室温度、 组分浓度参数测量方法研究和实验室验证工作, 并在某燃气轮机单喷嘴台架进行了冷态、 热态试验验证, 实现了燃气轮机燃烧室沿气流方向温度及H2O、 CH4浓度二维分布测量。 采用1f归一化波长调制技术抑制台架振动、 热辐射背景噪声, 采用1 392, 1 469和1 343 nm蝶形封装的DFB激光器, 三支激光器的出光方式为时分复用, 选取H2O的7 185.6, 6 807.83和7 444.3 cm-1处的吸收线, 两两组合使用, 测量热态下一定范围内的温度和H2O浓度; 采用1 654 nm蝶形封装的DFB激光器, 选取CH4的6 046.96 cm-1处的吸收线进行冷态CH4浓度测量。 实验室对测量系统可靠性进行验证, 配置4%~6%范围内的CH4气体进行测量并与实际值对比, 浓度测量最大相对偏差为3.72%; 在高温炉中设定900~1 500 K范围内的温度台阶, 充入纯水汽, 计算不同设定温度和压力下的温度和浓度测量值, 温度测量最大相对偏差3.07%, 浓度测量最大相对偏差为-2.00%, 验证了该测量系统的可靠性。 台架燃气轮机实验中, 集成了一套小型化测量仪器, 设计多束激光收发一体的测量结构。 实验采用两个电动位移台, 搭载测量结构, 每间隔5 mm逐点移动采样, 对燃气轮机燃烧室300 mm×60 mm的燃烧区域进行测量, 获取了若干工况下冷热态结果。 通过双三次插值的方法绘制分辨率为0.5 mm的二维流场分布图, 结果分别反映了测量区域范围内CH4和火焰分布的真实状态。 为燃气轮机喷嘴燃料、 空气掺混情况和燃烧特性研究提供了新的研究方法和技术手段。

为了分析青藏高原地区甲烷浓度的垂直分布, 本文采用腔衰荡光谱技术(CRDS)设计了一套高灵敏度的球载甲烷浓度实时测量系统, 该测量系统在基于DSP的单板电路上实现腔模锁定、衰荡信号采集、光谱扫描、数据存储等功能并在DSP上实时处理衰荡信号、光谱信号和浓度等数据。本文首先介绍了CRDS测量原理与采用的光谱处理算法, 通过固定高斯线宽的方式改进光谱拟合算法, 使得浓度计算结果得到明显提升。然后, 分析了电路系统采集的衰荡信号与光谱信号, 采集的衰荡信号信噪比达62 dB, 并在实验室使用标准气体进行了标定试验, 标准气体的测量值标准差σ最大为2.2×10-9, 测量值的均方值RMS和标准气体标称值之间的校正可决系数为0.998 7。最后, 系统进行了实际试验, 在西藏鲁朗地区成功实现了从海拔3 340 m到海拔6 000 m的上升和下降过程中甲烷浓度的测量。该系统可以通过改变激光波长与光腔反射镜测量其他大气痕量气体, 进一步改进与优化的系统可以应用到大气同位素丰度的测量中。

为探索纳秒激光直接诱导不锈钢金属表面着色的工艺参数,利用纳秒激光诱导不锈钢表面着色,获得了深蓝色、黑色、灰色、粉红、绿色、紫色、金色、黄色、棕红色等多种颜色,其中棕红色在激光诱导不锈钢金属表面着色的其他研究中还未曾报道。通过测量同一激光诱导着色工艺参数下Lab色度空间中三要素的数值,可得样本的色差ΔE均小于7,色块表面颜色稳定、均匀、无损伤,获得的激光诱导工艺参数具有可重复性。该研究在汽车、电子等行业,具有较大的应用价值。

使用5 W红外飞秒激光器对牙科全瓷修复中常用的玻璃陶瓷材料VITA MARK II进行铣削加工实验,系统研究超快激光加工工艺参数对铣削效率以及铣削效果的影响,并利用5 W红外飞秒激光器实验结果对20 W红外飞秒激光器铣削效率进行模拟预估。实验结果表明,在激光重复频率为100 kHz,扫描速度为200 mm/s,扫描间距为0.01 mm的条件下,5 W红外飞秒激光器对VITA MARK II陶瓷的铣削效率最高,为0.0409 mm 3/s。加工后的VITA MARK II陶瓷粗糙度为3~5 μm,崩边量在50 μm以内,斜坡量在100 μm以内。该牙科玻璃陶瓷的激光切割阈值约为0.72 J/cm 2。推算出20 W红外飞秒激光器对VITA MARK II陶瓷的铣削效率为0.1558 mm 3/s。上述实验论证了5 W激光切割牙科玻璃陶瓷的可行性及有效性,可为20 W红外飞秒激光铣削实验样机的搭建提供参考。

以微型、低成本的PIN光电二极管为光电探测元件,研制了微型一氧化氮化学发光传感器;选取Si探测器和InGaAs探测器的5种光电元件,考察其与一氧化氮发光光谱响应及噪声的关系。结果表明:边长为1.2 mm的正方形Si探测器响应灵敏,暗电流噪声低,信噪比最低;设计的小型光腔实现了微量一氧化氮(体积分数为2×10 ^-6~2×10 ^-4)的测量,线性度为0.9993;整个系统的响应时间为0.13 s,传感器的质量小于50 g,非常适合用于工业污染源一氧化氮气体的在线监测。

搭建了一套以1.57 μm近红外半导体激光器作为本振光源的小型化被动式激光外差探测系统,并将其用于大气环境监测。为对该系统的性能进行评估,以窄线宽近红外外腔激光器岀射的光作为信号光,与本振光混频,得到系统的带宽为0.032 cm ^-1,最小可探测灵敏度为25 pW,为光电探测器暗电流噪声功率的1/68。利用该系统对大气CO₂太阳光谱信号进行测量,并反演了其中两条主要强吸收线所对应的体积分数,结果均约为396×10 ^-6,误差为7.6×10 ^-6,测量结果与实际整层大气中的CO₂柱浓度一致,验证了该系统的可行性。

露点温度是表征气体状态的一个重要参数, 针对低温环境的低露点温度精确、快速、连续、原位测量的迫切需要, 提出了可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术对水汽露点温度测量的方案。首先与安徽省气象局的冷镜式露点仪一起对比测量标准温湿度箱内的露点温度, 验证波长为1 381 nm的TDLAS系统露点温度测量的可行性及精度, 然后结合一套开放式的测量装置, 进行低温度环境(最低温度100 K)水汽露点温度原位测量。得到了实时的露点温度值, 其中TDLAS露点测量结果与冷镜式露点仪测量结果一致性较好(相差小于1 K), TDLAS测量的时间分辨率为0.83 s, 远远快于冷镜式露点仪的时间响应速度。对于更低气体温度的露点测量, 获得了与气体温度变化趋势相同的露点温度, 同时得到了随着环境温度降低, 水汽逐渐趋向饱和的结论。

可调谐激光吸收光谱(TDLAS)技术作为一种先进的光谱检测手段已经被广泛应用于燃烧流场和风洞环境的过程诊断中, 它可以实现流场温度、组分浓度、气流速度等多参数的在线精确测量。介绍了TDLAS技术的基本原理及其在流场参数测量领域的发展历程, 总结了近几年来在超燃冲压发动机、航空涡轮发动机以及超声速风洞等流场参数测量方面所开展的TDLAS应用实例, 着重介绍了在实验室和外场环境中就流速的高精度测量、燃烧场温度和组分的连续监测、场分布的准确反演所做的研究工作。同时概述了激光吸收光谱流场诊断技术的发展水平、目前已经取得的最新研究进展以及还存在的相关问题, 最后展望了TDLAS技术在流场诊断领域的应用前景和未来的发展趋势。