基于自发瑞利-布里渊散射的氮气体黏滞系数的测量

体黏滞系数是从微观角度认识气体分子黏滞性的重要参数,传统的兆赫兹声频范围的声波吸收方法无法直接应用于声波弛豫效应在千兆赫兹范围的高频领域,而瑞利-布里渊散射则能实现对声波弛豫效应在千兆赫兹的气体体黏滞系数的测量.本文测量了532 nm激光激发的常温下压强分别为1-9 bar的氮气的自发瑞利-布里渊散射光谱,利用已知温度和压强的理论模型对测量光谱进行了比较,获得了准确的散射角.利用该散射角并结合χ~2值最小原理反演得到不同压强(4—9 bar)下氮气的平均体黏滞系数为(1.46±0.14)×10~(-5)kg·m~(-1)·s~(-1),该结果与文献中利用自发瑞利-布里渊散射获得的结果和理论计算结果相近,但与相干瑞利-布里渊散射的测量结果相差明显.利用该平均体黏滞系数对氮气在不同压强下的温度进行了反演,得到各压强下的温度与实际温度的绝对误差小于2.50 K,反演温度的平均值与实际温度误差小于0.15 K,该结果证明了实验测量得到的氮气的体黏滞系数具有较高的准确性,同时也说明利用瑞利-布里渊散射反演气体参数具有较高的准确性和可靠性.     

基于自发瑞利-布里渊散射的相关参数误差对气体温度准确测量的影响

仿真了氮气在温度为298 K,压强为20265.0～810600.0 Pa下的自发瑞利-布里渊散射光谱,利用仿真光谱研究了法布里-珀罗干涉仪的仪器函数线宽、散射角、气体体黏滞系数、压强参数误差,以及存在气溶胶时米散射干扰对气体温度反演结果的影响。仿真结果显示:在仪器函数线宽偏差≤5 MHz,散射角偏差≤0.2°,体黏滞系数偏差≤0.2×10~(-5) kg·m~(-1)·s~(-1),以及压强相对误差≤3%的条件下,单个参数偏差导致的温度反演的最大绝对误差为1.7 K。米散射的相对强度为0.3～2.5时,温度反演的误差通常低于2 K。此外,还开展了在温度为298 K,压强在70927.5～709275.0 Pa范围内的侧向90°的氮气自发瑞利-布里渊散射实验,经参数优化后,根据测量光谱对温度进行反演,结果表明:实验结果与仿真分析结论具有较好的一致性,在与仿真相同的参数误差条件下,实验获得的温度绝对误差小于1.2 K。该研究对实现不同压强条件下温度的高精度绝对探测及气体状态的准确分析具有一定的参考意义。     

气体自发瑞利-布里渊散射的理论分析及压强反演

气体压力是描述体系状态的重要参数,许多物理、化学性质都与压力有关.传统侵入式的压力测量方法会对气体状态产生干扰,影响测量精度,因此需要一种无扰式的测量方法.本实验测量了压强为2,4和6 atm(1 atm=1.01325×10~5 Pa)下加入气溶胶的N2在90?散射方向的自发瑞利-布里渊散射光谱,利用卷积后的Tenti S6模型对测量光谱进行直接拟合,拟合得到的压强值总体误差小于6.0%,求和归一化的均方根误差总体小于6.5%;利用理想的Tenti S6模型对经维纳滤波器反卷积处理后的测量光谱进行拟合,拟合得到的压强值误差总体小于5.0%,求和归一化的均方根误差总体小于6.0%.通过对两种方法的详细对比,发现压强低于2 atm时,对测量光谱进行反卷积处理在一定程度上可以消除仪器函数的影响,提高测量光谱的准确性,其光谱拟合效果和压强反演精度要优于卷积光谱.而在压强高于2 atm的情况下,卷积光谱的拟合效果和压强反演精度要优于反卷积光谱.     

基于激光布里渊散射的高速气流测试技术

激光布里渊散射是由介质密度涨落引起的一种非弹性散射现象,其散射谱特征参数（频移、线宽）取决于散射角和散射介质压强、温度等参数,通过探测高速气流激光布里渊散射谱,可反演获得高速气流压强、温度等参数。介绍了基于激光布里渊散射原理的高速气流参数测试原理,设计了一种基于法布里 珀罗干涉仪的高速气流参数测试装置,搭建实验平台获取了高速氮气气流的激光布里渊散射谱。实验结果表明,通过激光布里渊散射谱获得的高速气流压强、温度值与理论值相对误差在15%以内。     

一个新型的基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR系统

报道了新型的分布式传感测量布里渊光时域反射(BOTDR)系统.布里渊散射频移和强度均依赖于温度和应变,因此,BOTDR利用光纤中的自发布里渊散射作为测量信号可以实现分布式温度和应变测量.在BOTDR中,光源采用窄谱半导体激光器,并由声光调制器调制成脉冲光,经掺铒光纤放大器放大后,注入测试光纤以产生自发布里渊散射.利用双通Mach-Zehnder干涉仪分离光纤背向散射中的自发布里渊散射与瑞利散射信号,实现了自发布里渊散射的直接检测.实验结果表明基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR方案是可行的.     

基于Fizeau干涉仪的激光雷达测温方法研究

气温是描述大气状态的基本参数之一,温度的准确测量对天气预报、气候预测及其他气象参数的反演都至关重要。激光雷达作为一种遥感仪器,已经用于气象要素的探测中（风、温度、气溶胶的光学厚度等）。目前,测温激光雷达主要有拉曼激光雷达（振动和转动）、共振荧光激光雷达和Rayleigh散射激光雷达等,拉曼激光雷达需要大功率的激光器和复杂的背景滤波器;共振荧光激光雷达无法探测平流层内的温度;基于Rayleigh散射的测温激光雷达多应用于温度的相对测量,反演温度时需要建立响应函数和校准程序;基于固体腔扫描F-P干涉仪测量大气Rayleigh散射光谱来反演温度的方法,时间分辨率较低,并且该方法在测量过程中需要运动部件,所以不利于星载。在大气低层,分子的Rayleigh散射光谱会受到Brillouin散射的影响,两种散射信号叠加形成的Rayleigh-Brillouin散射光谱不再服从Gaussian分布,直接通过测量散射光谱的半高全宽来反演温度,会产生误差。基于回波能量的方法会受到气溶胶Mie散射信号的影响,所以在对流层中该方法并不适用。为了实现对流层内温度的高精度和高时间分辨率的测量,提出利用Fizeau干涉仪和PMT阵列对对流层内分子的Rayleigh-Brillouin散射光谱进行测量,并通过插值的方法来对回波信号中气溶胶Mie散射信号进行抑制,从而使Mie散射信号对温度反演的影响较小,最后将测量光谱和理论光谱进行全光谱匹配来实现温度的反演。除此之外,还对Fizeau干涉仪的自由光谱区、固体腔几何长度、腔体反射率、扫描间隔等参数进行了优化设计。为了验证本文提出方法的可行性,利用Matlab软件建立了一套仿真模型,通过模拟表明,在不考虑云、风和水汽含量的影响时,利用该方法测量对流层内的大气温度时,测量误差小于1 K。该测温方法可以对对流层内的大气温度廓线实现高精度、高时间分辨率的测量, 在测量过程中不需要使用运动部件,有较高的使用价值,并对同类高光谱激光雷达分光系统的研究具有借鉴意义, 为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的技术方案和温度反演方法。     

光散射谱学在地球内部物质弹性波速测量中的应用与展望

高温高压下地球内部物质弹性波速的实验测量数据,可直接与地震波观测结果相结合,对地球内部的组成、状态和物质运移方式等进行反演,是了解地球深部信息的重要手段。在金刚石压砧(diamond anvil cell, DAC) 中利用布里渊散射对矿物波速进行原位测量,是人们研究地球各圈层弹性性质的重要方法。随着DAC实验技术发展,一方面,可以获得模拟地球各圈层的极高温压条件;另一方面,DAC的光学特性使得各种光学分析和测试方法得到了广泛的应用。要获得高温高压下的弹性波速,首先需要对样品腔中的实验压力和加热温度进行精确的标定和测量;其次需对散射信号进行处理,通过布里渊散射频移,求出样品中的波速;最后结合X射线技术获得的晶格常数,可由固体弹性理论解出矿物的各弹性参数。重点介绍了布里渊散射和拉曼散射等光谱学方法在弹性波速实验研究中的应用,阐述了它们在波速测量、压力和温度标定等方面的基本原理和研究进展。分析了两种光谱学定压方法(荧光光谱压标和拉曼光谱压标) 的定压方式和适用范围,以及两种主要的光谱学温标(黑体辐射温标和拉曼光谱温标) 在温度测量中的应用。最后,回顾了基于光谱学测量建立起来的布里渊散射系统对下地幔主要矿物(钙钛矿、方镁铁矿、斯石英等) 弹性波速测量取得的新成果,深入讨论了它们的地球物理意义,并对其未来的发展进行了展望。     

Rayleigh散射Doppler激光雷达风场反演方法改进

在Rayleigh散射Doppler激光雷达的风场反演过程中,除了温度、压强等因素之外,风速反演结果的 准确性还受到Mie散射信号的影响．当Mie散射信号较强时,尤其是遇到高层云或火山灰等情况,如果仍不考虑 气溶胶信号,由于温度不确定度和气溶胶信号的综合影响,风速反演结果将与真值偏差很大．本文提出了利用 激光雷达在垂直方向的测量信号同时反演后向散射比和大气温度的非线性迭代算法,并优化给出了最佳的 初始发射激光工作点．仿真试验结果表明:该方法可以准确有效地反演后向散射比;将该方法结合非线性迭代 风速反演方法,可以有效消除气溶胶后向散射信号的影响,进一步提高大气风速和温度的反演精度．     

Raman-Mie方法反演气溶胶后向散射系数

传统的Klett和Fernald反演气溶胶法依赖于消光系数和后向散射系数的假设关系,给反演结果带来误差。根据纯转动拉曼后向散射系数仅是大气温度和压强的函数,设计的Raman-Mie方法用米散射和纯转动拉曼回波信号结合探空温度和大气压强共同反演气溶胶后向散射系数。不仅消除了Klett和Fernald方法引入假设带来的误差,还可避免因几何因子修正带来的影响。最后将该方法用于实验室自行研制的拉曼-米散射激光雷达,反演出了大气气溶胶后向散射系数廓线,实验结果与Klett(Fernald)方法分别进行了比较。     

基于布里渊后向散射的海水温度与盐度同步测量研究

基于布里渊散射信号的检测可实现对海水温度等参量的监测.由于海水的布里渊频移量是关于温度和盐度的二元函数,故无法仅通过布里渊散射频移量的检测实现对海水温度和盐度两个独立变量的精确测定.研究表明布里渊信号的功率也是关于温度和盐度的二元函数,所以文章提出通过测量布里渊频移量和接收布里渊信号功率大小,通过两个二元函数反演出海水的温度与盐度数值,实现对海水温度和盐度两个独立变量的同步测量.     

光谱法诊断大气压等离子体电子密度

采用发射光谱方法对大气压氩气介质阻挡放电(DBD)系统中的电子密度进行了诊断。通过考虑放电等离子体中的各种加宽机制, 采用自编的非对称卷积程序对氩原子发射谱线的线型进行分析拟合, 再通过反卷积的方法将各种加宽机制分离开来, 最终将Stark展宽分离出来进行大气压氩气介质阻挡放电电子密度的计算。诊断结果表明, 在大气压氩气介质阻挡放电中当有三个放电丝存在, 电子温度为10000 K时, 电子密度约为4.06×1021 m-3, 诊断结果和模拟结果符合得很好。此方法不仅可以应用在大气压介质阻挡放电中, 还可以用于其他含有非氢气体的大气压等离子体电子密度的测量。     

利用拉曼散射测量燃烧场的组分浓度及温度

介绍了利用拉曼散射测量燃烧流场温度及组分浓度的物理方法和实验测量结果。利用可调谐KrF准分子激光激发振动拉曼散射（VRS）测量了甲烷－空气燃烧火焰内不同空间的主要组分分子（CH4、N2、O2、H2O等）浓度及温度,测量误差小于10％;另外用N2的拉曼谱拟合测量了火焰的温度,测量精度高于5％。在实验中采用了偏振技术及波长调谐提高了信噪比和测量精度。     

Spontaneous Raman scattering: a useful tool for investigating the afterglow of nanosecond scale discharges in air

Nanosecond scale discharges are considered an interesting way for assisting combustion by enhancing either flame stabilization or ignition. Better understanding of energy deposit and radical species production processes is still required under pressure conditions normally encountered in combustion. The purpose of the present paper is to show that spontaneous Raman scattering, seldom used to investigate nanosecond pulsed discharges, is a useful measurement method for investigating the energy deposit of these discharges. The advantage of spontaneous Raman scattering is described by analyzing N₂ and O₂ spectra during the post-discharge of a filamentary nanosecond air discharge under atmospheric pressure, using phase-locked average spectra. The main advantages of spontaneous Raman scattering measurements are that they allow line-wise probing of different species with the same experimental setup and the determination of vibrational distribution by comparison with theoretical modeling over a wide range of vibrational levels (from v=0 to v=20 for N₂). The model proposed takes into account the high level of vibrational excitation and the strong non-equilibrium observed, allowing the characterization of the vibrational relaxation over the complete post-discharge duration. Although the rotational structure is not resolved, the rotational temperature and thus translational temperature are determined with a moderate uncertainty for T above 500 K.     

Coherent light scattering spectroscopy for supersonic flow measurements

A unified discussion on coherent light scattering spectroscopy and its spectral dependence on molecular gas velocity, temperature and density is presented. The feasibility of using coherent Raman spectroscopy techniques for nonintrusive measurements of supersonic flow parameters is demonstrated and recent laboratory as well as wind tunnel experiments are reviewed. In addition, the advantages of using coherent Rayleigh-Brillouin spectroscopy for measuring high pressure flows are discussed.     

基于固体腔扫描法布里-珀罗干涉仪的大气温度绝对探测方法研究

大气温度是描述大气状态的重要基本特征参量之一.目前,基于Rayleigh散射的大气温度探测方法多应用于大气温度的相对探测,即温度反演时需要响应函数和校准程序.本文提出了利用固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪进行大气Rayleigh散射谱型的精细探测方法和残余米散射信号的抑制方法.根据Rayleigh散射谱特点,针对固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪的自由光谱区、固体腔几何长度、腔体介质类型、半高全宽、腔体反射率、扫描间隔等参数进行了优化设计.利用优化参数的固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪获取Rayleigh散射谱上离散点信息,并采用多项式插值方法获得拟合谱型,与根据标准大气模型和S6模型获得的理论谱型进行比对,大气温度探测不确定度小于0.8 K.当信噪比为10时,白天与夜晚的探测距离分别为4.5和7.9 km.该方法可实现大气温度廓线的全天时和高精度绝对探测,并对同类高光谱激光雷达分光系统研究具有借鉴意义,为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的分光系统解决方案.     

Spectral narrowing in coherent Rayleigh-Brillouin scattering

Coherent Rayleigh-Brillouin scattering is a four-wave mixing technique that provides information on various physical properties of the scattering medium in the spectral domain. Being based on density gratings generated by dipole forces, the method requires two pump beams of sufficient spectral width to span the full response bandwidth of the scattering medium. We provide experimental data on the scattered spectrum as a function of the coherence between the two pump beams and derive the corresponding pump beam spectrum. We argue that all experiments on coherent Rayleigh-Brillouin scattering to date, have, in fact, been performed in the incoherent regime and show that orders of magnitude in scattering efficiency are to be expected when the experiments are performed with bandwidth-limited picosecond laser pulses.     

On the role of experimental imperfections in constructing 1H spin diffusion NMR plots for domain size measurements

We discuss the precision of 1D chemical-shift-based ¹H spin diffusion NMR experiments as well as straightforward experimental protocols for reducing errors. The ¹H spin diffusion NMR experiments described herein are useful for samples that contain components with significant spectral overlap in the ¹H NMR spectrum and also for samples of small mass (<1 mg). We show that even in samples that display little spectral contrast, domain sizes can be determined to a relatively high degree of certainty if common experimental variability is accounted for and known. In particular, one should (1) measure flip angles to high precision (≈±1° flip angle), (2) establish a metric for phase transients to ensure their repeatability, (3) establish a reliable spectral deconvolution procedure to ascertain the deconvolved spectra of the neat components in the composite or blend spin diffusion spectrum, and (4) when possible, perform 1D chemical-shift-based ¹H spin diffusion experiments with zero total integral to partially correct for errors and uncertainties if these requirements cannot fully be implemented. We show that minimizing the degree of phase transients is not a requirement for reliable domain size measurement, but their repeatability is essential, as is knowing their contribution to the spectral offset (i.e. the J₁ coefficient). When performing experiments with zero total integral in the spin diffusion NMR spectrum with carefully measured flip angles and known phase transient effects, the largest contribution to error arises from an uncertainty in the component lineshapes which can be as high as 7%. This uncertainty can be reduced considerably if the component lineshapes deconvolved from the composite or blend spin diffusion spectra adequately match previously acquired pure component spectra.