装配垫层与间隙对爆轰加载下金属飞片运动特征的影响

采用激光干涉测速技术,研究了装配0.5mm厚泡沫垫层或空气间隙对RHT-901炸药爆轰加载下45钢飞片运动特征的影响,得到在两种装配条件下爆轰驱动飞片的自由面速度历史,对比分析了装配垫层与间隙之间的差异。实验研究发现,装配垫层和间隙对金属飞片运动特征的影响显著,主要包括速度起跳时刻、速度起跳幅值和末速度。对于炸药-金属间的装配垫层和间隙,垫层比间隙处的速度起跳时刻晚约30ns,起跳幅值高约13%,末速度低;对于金属-金属间的装配垫层和间隙,垫层处比间隙处的速度起跳时刻早约200ns,起跳幅值低约6%,末速度低。基于连续介质的应力波传播特性,对该影响规律进行了分析,通过估算爆轰产物向空气中飞散的速度,佐证了分析结果的合理性。     

含盐脱硫废水液滴群在低温烟道蒸发特性数值模拟研究

以含盐脱硫废水在某燃煤电厂330 MW机组空气预热器后烟道的喷雾蒸发过程为研究对象,采用离散相模型研究气液两相流动、传热传质和雾化液滴的蒸发,分析了烟气温度、烟气流速、脱硫废水含盐量、液滴直径对蒸发时间,喷雾含水量、蒸发质量的影响。研究表明:含盐脱硫废水蒸发末期,由于水与结晶盐的相互作用,蒸发速率减小;脱硫废水含盐量越高,蒸发越快,盐分由1.0增加至2.0%,蒸发时间减少0.02 s;液滴直径越大,蒸发结晶的固体越大,相同直径下含盐液滴蒸发时间比不含盐液滴蒸发越短;与不含盐液滴相比,液滴直径为60μm时两者完全蒸发时间基本相当,但液滴粒径180μm时,含盐液滴完全蒸发时间比不含盐液滴缩短0.3 s;温度越高,不同含盐量的液滴完全蒸发时间越接近。     

基于ZEMAX软件的短焦数字投影镜头的设计

利用ZEMAX光学软件设计了一款适用于部分2.03 cm(0.8英寸)单片DLP投影机机型的短焦(广角)数字投影镜头。该镜头结构由10片透镜组成,具有结构简单、生产成本低、易加工等特点。镜头的全视场角2w达到80,°相对孔径约为1/2.1,有效焦距约为12.7 mm,等效后截距约为37 mm,其投射比约为0.78/1,即1 m的投射距离可以投射出160.02 cm(63英寸)的画面。镜头有较好的成像质量,在分辨率极限35 lp/mm处,0.7视场以内的MTF值均大于0.35,在1/2分辨率极限处大部分视场的MTF值大于0.7,全视场畸变量的绝对值小于3%。     

基于乙烯或氢气的吸气式旋转爆轰发动机实验

基于氢气的旋转爆轰发动机研究较多,而碳氢燃料与空气混合较为困难,导致基于乙烯的旋转爆轰发动机燃烧技术难度很高.使用宽视野范围的可视化燃烧室观察旋转爆轰波的研究在国内尚未开展.在同一燃烧室内进一步开展了乙烯或氢气的吸气式旋转爆轰实验,来流总温为283~284 K,燃烧室壁面有140°石英玻璃观察窗,便于观察旋转爆轰波运动过程.空筒燃烧室爆轰环腔外径为100 mm,轴向长度为151 mm.燃料通过150个直径0.8 mm圆柱孔进入燃烧室,空气通过喉部1 mm宽的收敛扩张环缝流入环腔.高速摄影和低高频压力传感器均验证了旋转爆轰波的存在和速度值.以氢气为燃料的旋转爆轰波速度最高可达理论值的101%,爆轰波增压效应可达40%左右,乙烯旋转爆轰波速度可达理论值的89%.旋转爆轰波结构容易发生变化,不规则.氢气旋转爆轰的维持对燃烧室的结构要求比碳氢燃料要低,比乙烯旋转爆轰波更加稳定.      

深紫外分光光度检测系统的稳定性及灵敏度研究

现有的国标光度法无法直接测定流程工业中连续反应单元生产过程的污染物,主要原因是氧气在深紫外区对紫外光的吸收干扰了紫外分光光度计对目标物质的检测,导致检测结果存在一定程度偏差。因此,解决这一问题的关键核心是稳定获取深紫外区不同特征波长物质的高灵敏光度信息。在紫外分光光度计基础上加装氮气输配系统,同时设计了自动进样流通池及进样托盘以实现检测间隙自动进样功能,减少检测间隙氮气消耗。为提高仪器稳定性,分别精准控制通入仪器内部光学系统区、样品室和数据接收区三个腔体的氮气流量,数值分别为6,2和3L·min^-1,使仪器基线平直度平均值由0.108降低至0.010,较空气条件削减了90.7%。通过对比空气与氮气两种气氛下直接测定SO₄^2-的吸光度、灵敏度、灵敏度变化量和线性范围的差异,发现氮气气氛下检测结果的吸光度和灵敏度在光程b=1～100mm范围内均有提升,灵敏度变化量随b=1mm时的10.42%增大至b=100mm时30.65%,线性范围却随光程的增加由0.09g·L^-1缩短至0.03g·L^-1<...     

1.6μm相干激光测风雷达的速度标定研究

介绍了相干激光测风雷达系统中用转盘进行速度标定的方法,在实验室搭建了激光雷达速度标定装置。采用1.645μm种子注入单频脉冲激光器,在激光中心频率相对种子光移频量约62MHz、转盘直径300mm、转盘速度-47.12～47.12m/s可调、激光出射方向和转盘线速度方向夹角为36°时,采用相干探测的方法测出了多普勒频移并反演出了测量速度;数据处理过程中分别采用最大值频谱估计法和频谱对齐法计算多普勒频移和转盘速度。实验结果显示,频谱对齐法相对于最大值频谱估计法能够提高36.3%的测速精度,因此在激光雷达测风系统中采用频谱对齐法相对于常用的最大值频谱估计法测量的风速精度更高,这对提高相干激光雷达测风的风速精度提供了实验依据和参考标准,验证了频谱对齐法在激光雷达测风的数据处理中的可行性。     

近共心腔液体探测拉曼光谱系统的优化及CO2-3/HCO-3探测

海洋中碳循环研究对环境监测和资源探测有着重要意义，其中研究海水中的碳酸盐又是研究碳循环的重要环节，目前对海水中碳酸盐的测量没有直接的现场测量手段，传统海水中碳酸盐的探测主要采用间接探测方法，例如：向海水中加入磷酸，将海水中的碳酸盐转化为二氧化碳，然后再对二氧化碳进行探测。拉曼光谱作为一种可用于海水现场测量的技术，具有对海水中碳酸盐直接检测的潜力，但要在海洋探测中实际应用主要受限于灵敏度。针对海水中碳酸盐的检测需求，搭建了一套近共心腔液体拉曼光谱系统，利用软件分别对反射率为99.66%(@532 nm)、直径为25.4 mm的近共心腔的主要参数（腔镜的焦距、液体样品池两端窗片的厚度及间距）进行了模拟和优化，模拟结果显示：①对直径为25.4 mm的腔镜，焦距为25 mm时，反射次数最多；②对液体样品池光学窗片而言，厚度越小，样品池中心处的光斑越密集，总光通量越大；③液体样品池光学窗片距离越短，样品池中心处的光斑越密集，总光通量越大。基于模拟结果对近共心腔液体拉曼光谱系统优化后，在实验室配置了一系列浓度的碳酸氢根和碳酸根溶液进行测量，并对光谱进行二次微分和高斯滤波预处理，然后提取各浓度下碳酸根和碳酸氢根的峰强信息，建立定标曲线。结果显示：碳酸根、碳酸氢根的拉曼信号强度与其浓度之间线性关系良好，R2分别为0.994和0.998。按照3倍信噪比计算系统对碳酸根和碳酸氢根检测限，结果分别为0.06和0.38 mmol·L-1，检测限低于海水中碳酸根和碳酸氢根浓度（海水中碳酸根浓度约为0.2 mmol·L-1，碳酸氢根浓度约为2.0 mmol·L-1）。该系统灵敏度比目前报道的海洋现场探测拉曼光谱系统提高了10倍以上，为下一步海水中碳酸根和碳酸氢根的现场探测提供了可能。     

近共心腔液体探测拉曼光谱系统的优化及CO_3~(2-)/HCO_3~-探测

海洋中碳循环研究对环境监测和资源探测有着重要意义,其中研究海水中的碳酸盐又是研究碳循环的重要环节,目前对海水中碳酸盐的测量没有直接的现场测量手段,传统海水中碳酸盐的探测主要采用间接探测方法,例如:向海水中加入磷酸,将海水中的碳酸盐转化为二氧化碳,然后再对二氧化碳进行探测。拉曼光谱作为一种可用于海水现场测量的技术,具有对海水中碳酸盐直接检测的潜力,但要在海洋探测中实际应用主要受限于灵敏度。针对海水中碳酸盐的检测需求,搭建了一套近共心腔液体拉曼光谱系统,利用软件分别对反射率为99.66%(@532 nm)、直径为25.4 mm的近共心腔的主要参数(腔镜的焦距、液体样品池两端窗片的厚度及间距)进行了模拟和优化,模拟结果显示:①对直径为25.4 mm的腔镜,焦距为25 mm时,反射次数最多;②对液体样品池光学窗片而言,厚度越小,样品池中心处的光斑越密集,总光通量越大;③液体样品池光学窗片距离越短,样品池中心处的光斑越密集,总光通量越大。基于模拟结果对近共心腔液体拉曼光谱系统优化后,在实验室配置了一系列浓度的碳酸氢根和碳酸根溶液进行测量,并对光谱进行二次微分和高斯滤波预处理,然后提取各浓度下碳酸根和碳酸氢根的峰强信息,建立定标曲线。结果显示:碳酸根、碳酸氢根的拉曼信号强度与其浓度之间线性关系良好,R~2分别为0.994和0.998。按照3倍信噪比计算系统对碳酸根和碳酸氢根检测限,结果分别为0.06和0.38 mmol·L~(-1),检测限低于海水中碳酸根和碳酸氢根浓度(海水中碳酸根浓度约为0.2 mmol·L~(-1),碳酸氢根浓度约为2.0 mmol·L~(-1))。该系统灵敏度比目前报道的海洋现场探测拉曼光谱系统提高了10倍以上,为下一步海水中碳酸根和碳酸氢根的现场探测提供了可能。     

采用折反式成像的超短焦距投影物镜设计

为了使投影设备具有超短投影距离,实现大尺寸高清显示画面,设计了一款采用折反式成像光路的具有大相对孔径和小投射比的超短焦距投影物镜。系统使用12mm(0.47in)DMD微显示芯片,在450mm距离处实现了2032mm(80in)的投影画面,采用远心光路提高像面照度均匀性。基于微分几何原理和斯涅尔反射定律,建立自由曲面方程计算自由曲面轮廓线的离散点坐标,运用最小二乘法进行偶次非球面拟合得到非球面反射面,对大视场像差和畸变进行校正。物镜焦距为2.64mm、光学总长193mm、投射比0.25、F数1.83、视场角150°作为参数;各视场MTF值在单个像素对应的奈奎斯特频率处达到0.3以上,水平、垂直TV畸变小于0.5%,投影像面相对照度大于90%。各项指标满足系统设计要求,结构简单,易于加工和生产。     

分级火焰中喷氨脱硝的试验研究与应用

常规选择性非催化还原技术(SNCR)是在850~1100℃的烟气中喷入氨基还原剂,实现降低NO_x的目的。另外,SNCR也可以拓展到低氧的条件下,实现较高温度下脱硝,即分级火焰中喷氨技术。本文通过实验室试验及工程改造对该技术还原NO_x的影响因素进行研究,结果表明:当SR≤0.85时,温度越高NO_x排放越低,当SR0.85时,则结果相反;过量空气系数越低,喷氨脱硝效果越好,当SR0.95时,随着喷氨量增加NO_x排放反而增加;最佳氨氮比随着过量空气系数减小而降低。在改造后的75 t/h锅炉上测试,最佳喷氨位置为炉膛四角,采用OFA可降低到390 mg/m~3,使用OFA与SNCR协同,NO_x排放为138 mg/m~3,在此基础上采用分级火焰中喷氨,NO_x排放可降低到84 mg/m~3,脱硝效率提高了15.46%,且无氨逃逸。     

室温下压致铁钴镍合金的bcc→hcp相变

 本文采用高压X光衍射方法在金刚石对顶压砧中在位地（in situ）研究了Fe₆₈Co₂₄Ni₈（wt%）合金在室温下的压致bcc→hcp结构相变和直到40.5 GPa的等温压缩行为。实验结果表明该合金在常压下为bcc结构，晶格常数a₀=(0.287 0±0.000 1) nm，体积V₀=(7.119±0.007) cm³/mol，密度ρ₀=(7.981±0.008) g/cm³；在20.9 GPa附近出现bcc→hcp结构相变，两相共存压力区约10 GPa，在此区域内有晶面间距d(002)_hcp=d(110)_bcc，且原子平面(002)_hcp//(110)_bcc，hcp相比bcc相体积减小(0.33±0.02) cm³/mol；高压相hcp结构的晶格参数比值c/a=1.608±0.004；相变后原子配位数的增加使得hcp相(002)平面内及(002)平面间的最近邻原子间距比bcc相最近邻原子间距分别增大约1.6%和0.5%；用Murnaghan状态方程对实验数据进行最小二乘法拟合，得到bcc相B₀=(130±13) GPa，B₀'=12.6±0.5；hcp相V₀=(6.62±0.04) cm³/mol，B₀=(243±21) GPa，B₀'=6.8±0.3；对于该合金的bcc→fcp相变时的结构转变机制做了详细的讨论。     

喷射成形粉末高温合金FGH4095M的制备及组织特征

喷射成形是一种近净成形的在粉末冶金气体雾化制粉技术基础上发展起来的快速凝固技术. 本文采用喷射成形技术制备成分优化后的FGH4095M合金, 研究了喷射成形FGH4095M合金沉积坯的致密度、显微组织特征, 特别是研究了喷射成形高温合金组织中特殊形貌的γ’相. 研究表明, 致密度与沉积坯部位有关, 底部致密度最高, 可达99.63%, 热等静压后的致密度可达100%. 喷射成形合金组织以均匀细小的等轴晶为主, 不存在原始颗粒边界; 一次γ’ 相尺寸约为0.6-0.8 μm, 二次γ’相尺寸约为0.1-0.5 μm, 在二次γ’相的间隙中有少量尺寸约为10-20 nm的三次γ’相. 喷射成形FGH4095M 合金中的二次 γ’相中出现特殊形貌的γ’相, 这是由单个γ’颗粒分裂形成, 与沉积过程的低冷却速度有关. 分裂过程是γ’颗粒总能量降低的过程, γ’颗粒间的弹性交互作用能起到主导作用. 对分裂γ’相的等效直径进行统计, 得到γ’ 相等效直径超过0.40 μm 后, 会出现分裂趋势. 合金具备优异的拉伸性能, 室温塑性得到显著提高, 出现γ’ 相分裂的特殊形貌组织是否对合金性能的提高产生直接影响仍需进行进一步的研究.     

空气中单丝和丝阵电爆炸特性的比较

本文开展了500 J储能下、大气空气介质中微秒脉冲电流源驱动平面型铜丝阵负载电爆炸放电特性研究,并与铜单丝电爆炸进行了比较.实验中保持铜电极间距2 cm不变,选择2-16根直径100μm的铜丝组成平面型铜丝阵,同时选择直径50-400μm的单根铜丝作为对照,对电爆炸过程中负载电压、回路电流与光辐射强度进行测量,计算得到电功率、沉积能量等参数,研究质量变化对铜导体电爆炸过程的影响规律;特别地,对于相同质量下单丝与丝阵负载情况进行比较.实验结果表明,随着质量增加,单丝电爆炸气化与电离过程变缓,宏观表现为电压峰值时刻延后、半高宽增大(约0.07μs增至约0.64μs);与之不同,虽然丝阵电爆炸时刻随质量增加延后,但气化与电离持续时间变化不明显,电压峰半高宽稳定在0.11±0.01μs,且击穿发生前丝阵负载沉积能量低于同质量单丝负载.光辐射强度方面,丝阵电爆炸光辐射强度比三次同质量下单丝电爆炸分别强约28%,49%和52%.造成单丝与丝阵电爆炸过程差异的原因可能有两个方面:一是比表面积的差异使得细丝的相变过程更加迅速,表现为相同质量下细丝丝阵比粗单丝爆炸过程快;二是电热/磁流体不稳定性在丝阵与单丝中发展程度不同,表现为光强-时间曲线的差异.     

80倍中波红外连续变焦光学系统设计

基于复合式变焦系统结构,提出了一种三组元连续变焦设计数学模型.在该模型的指导下,针对中波制冷型15μm、640×512的凝视型焦平面探测器,设计了一款紧凑型高变倍比连续变焦光学系统.该系统工作波段为3.7~4.8μm,F数为4,利用该模型分配光焦度、计算初始点得到系统焦距变化范围为9~740mm,变倍比达80×.整个光学系统仅采用硅、锗两种红外材料,共八片透镜,利用二次成像方法及45°反射镜对系统进行了U型折叠,在实现100%冷屏效率的同时有效控制了横向和纵向尺寸.完成了各动组凸轮曲线的优化设计和对比分析,从光学传递函数、点列图、畸变、冷反射及环境适应特性等多方面对系统进行了分析.结果表明,该系统具有变焦轨迹平滑、冷反射抑制特性优良、成像质量佳、环境适应性好及工程可实现性等优点.该数学模型的正确性和可行性也得到了验证.     

基于微型多次反射腔的TDLAS二氧化碳测量系统

海气界面CO₂测量对于海洋科学研究具有重要意义,在目前的海洋CO₂测量仪器中,基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的设备因灵敏度高、环境适应性强等特点受到关注。TDLAS系统的体积和灵敏度通常受限于多次反射腔的大小和光程。针对海洋CO₂脱气量小且灵敏度高的测量需求,自主设计了一套微型多次反射腔,用于TDLAS系统的CO₂测量。该微型多次反射腔采用两片口径为25.4 mm、焦距为50 mm的球面反射镜,以38 mm的腔长实现了253次反射,获得了约10 m的光程,封装后的样品池体积仅有90 mL。基于该微型多次反射腔搭建了一套直接吸收TDLAS的CO₂气体浓度测量系统,通过标准气体对该系统进行了测试,检测限约为26×10-6,不同浓度气体线性相关度R2为99.986%。同时还将该系统与LGR公司生产的便携式温室气体分析仪(UGGA)进行了对比测量,结果表明二者在白天CO₂浓度波动较大和夜晚CO₂浓度变化较平稳两种情况下均表现出较好的一致性,R2大于97%。实验结果证明了系统性能,下一步将优化试验装置并进行现场应用。     

与HBr(Χ1Σ+ 1,12)碰撞的CO2(0000)转动态分布

摘要：利用受激拉曼泵浦激发HBr分子至Χ1Σ+（1,12）激发态,由相干反斯托克斯-拉曼散射(CARS)光谱确定分子的激发。通过测量CARS谱相对强度,得到了HBr分子Χ1Σ+态（1,12）能级的布居数密度为n1=0.54×1013cm-3。在一次碰撞条件下,测量碰撞前后CO2（0000,J）态的激光感应荧光强度比,得到CO2转动态的双指数分布。由二分量指数拟合得到Ta=261K的低能分布和Tb=978K的高能分布。结果表明,碰撞后约有65%的分子处于低J态,属于弹性或近弹性的弱碰撞;约有35%的分子处于高J态,属于非弹性的强碰撞。在振动-转动平动（V-RT）能量转移过程中,CO2（0000,J）态的总出现速率系数为(1.3±0.3)× 10-10 cm3 molecule-1s-1;低转动态的平均倒空速率系数为(2.9±0.8)×10-10cm3molecule-1s-1。总的出现速率系数比平均倒空速率系数小,但在量级上保持一致。对CO2 J =60-74高转动态,随着J值的增加,质心平移温度和质心平移能的平均改变增加。对低转动态,在碰撞过程中,J态既可能出现也可能被倒空,平移能的改变不易确定。     

FI-KR-FAAS空气混合吸附二次气体分隔洗脱法测定海洋生物样中的痕量铅

建立了流动注射（flow injection, FI）空气混合吸附预富集编结反应器（knotted reactor, KR）二次气体分隔洗脱法与火焰原子吸收光谱法（flame atomic absorption spectrum, FAAS）联用测定海洋生物样中的痕量铅。在预富集步骤,空气、络合剂和铅溶液在线混合,空气的引入,大大提高了铅的螯合物在KR内壁的吸附效果。在洗脱前,通入一段空气流,在洗脱过程中,即在非完全洗脱时,加入一段空气流,两段空气流的引入,大大降低了被分析物在洗脱液中的分散,提高了信号响应值,从而提高了浓集系数（enhancement factor, EF）。将空气混合吸附预富集与二次气体分隔洗脱法联用,使得KR吸附富集效果和洗脱效果达到了更高的水平。和微柱的低寿命、高反压相比,KR反压小,耐酸耐碱,寿命几乎无限长,对蠕动泵的要求很低,不易造成溶液渗漏等问题。在洗脱过程进行到第5秒时输入1 s空气流作为间隔,而不是等整个洗脱过程完成以后再输入空气流,此方法的优点是：洗脱完全,而且大大降低了被分析物在洗脱过程中的分散,吸收信号值大大增加。如果单纯地把洗脱时间降到5 s,那么洗脱会非常不完全,也就是没有洗脱干净,在管路中还会残存大量的被分析物,残存的被分析物被带入下一个样品分析中,会对整个实验造成很大的误差,所有的实验数据都将不准,失去数据利用价值。所以完全的洗脱是非常必要的,必须保证一定的洗脱时间。由于随着洗脱过程的进行,洗脱下来的被分析物呈逐渐减小的趋势,在以往洗脱方法中,等到整个洗脱过程全部进行完以后,被分析物在洗脱液中的分散已经相当严重了,导致所得到吸收信号值大大减小。在洗脱过程中插入空气流,即在非完全洗脱时插入空气流,降低了被分析物在洗脱过程中的分散,同时保证了洗脱的完全,大大提高了吸收信号峰值。优化了络合剂种类、浓度和酸度,样品富集时间和流速,空气混合吸附时的空气流速和时间,洗脱前第一次通气时间,预洗脱时间,洗脱过程中第二次通气时间等实验参数。在最佳实验条件下,铅在0.005～0.6 mg·L-1浓度范围内呈现良好的线性关系,铅的检出限（3σ）为2.2 μg·L-1。将新方法与直接火焰原子吸收法、传统的FI-KR空气混合吸附预富集普通洗脱法进行了比较,结果显示本方法的浓集系数更高。将该方法应用于海洋生物样中痕量铅的测定,测得鳝鱼、对虾、虾姑、鲟鱼、舌鳎和贻贝标准中的铅含量为0.34~1.92 μg·g-1;加标量为1.0 μg·g-1时,加标回收率为93.5%~96.4%;相对标准偏差为0.52%~2.94%。用FI-KR-FAAS空气混合吸附预富集,二次气体分隔洗脱法测定海洋生物样中的痕量铅,具有富集效果好,准确度高,精密度好,浓集系数高等优点,分析结果令人满意。     

与HBr(Χ~1Σ~+v″=1,J″=12)碰撞的CO_2(00~00)转动态分布

利用受激拉曼泵浦激发HBr分子至Χ~1Σ~+(1,12)激发态,由相干反斯托克斯-拉曼散射(CARS)光谱确定分子的激发.通过测量CARS谱相对强度,得到了HBr分子Χ~1Σ~+态(1,12)能级的布居数密度为n_1=0.54×10~(13) cm~(-3).在一次碰撞条件下,测量碰撞前后CO_2(00~00,J)态的激光感应荧光强度比,得到CO_2转动态的双指数分布.由二分量指数拟合得到T_a=261 K的低能分布和T_b=978 K的高能分布.结果表明,碰撞后约有65%的分子处于低J态,属于弹性或近弹性的弱碰撞;约有35%的分子处于高J态,属于非弹性的强碰撞.在振动-转动平动(V-RT)能量转移过程中,CO_2(00~00,J)态的总出现速率系数为(1.3±0.3)×10~(-10) cm~3 molecule~(-1)s~(-1);低转动态的平均倒空速率系数为(2.9±0.8)×10~(-10) cm~3 molecule~(-1)s~(-1).总的出现速率系数比平均倒空速率系数小,但在量级上保持一致.对CO_2 J=60-74高转动态,随着J值的增加,质心平移温度和质心平移能的平均改变增加.对低转动态,在碰撞过程中,J态既可能出现也可能被倒空,平移能的改变不易确定.     

拉曼直角反射共焦腔检测空气中二氧化碳

拉曼光谱作为一种激发光谱,采用激光作为激发光源,在气体检测中可以激发所有气体分子的拉曼信号。由于气体的分子密度低、透光度高、拉曼散射截面小,导致激发光能量的利用效率低;拉曼信号散射向四周立体空间而常规收集方法只能收集较小的空间立体角,从而造成检测限较差而不能广泛应用于气体的检测。提出了一种拉曼直角反射共焦腔用来提高气体等透明样品的拉曼检测的检测灵敏度。拉曼直角反射共焦腔利用直角反射镜将入射光反射回原方向但是光路具有空间偏移的特点,采用两个相对放置、互相平行的直角反射镜,将光束直径为0.7 mm的激光在工作直径为25.4 mm的共焦腔内10次来回反射,并采用共焦点相对放置的两个透镜将激发光聚焦到焦点,从而提高激发光能量的使用效率。拉曼散射向激光传输方向的信号被直角反射镜反射向原方向,经过透镜聚焦到焦点后和拉曼散射向激光入射方向的信号一起经过长通滤光片后传输向拉曼光谱仪,从而提高了拉曼散射信号的收集效率。以空气作为测试对象进行实验, 300 s内可以获得清晰的CO_2的拉曼光谱和N_2, O_2的精细拉曼光谱并对其强度比进行了分析,其中N_2的2 332 cm~(-1), O_2的1 557 cm~(-1), CO_2的1 388 cm~(-1)的拉曼峰的峰高比是785∶257∶1。拉曼直角反射共焦腔在常规拉曼散射激发收集光路的基础上增加了两个直角反射镜和一个聚焦镜,具有体积小,结构简单,易于调节的特点。拉曼散射向周围空间的信号强度分布与入射光的入射方向有关,在沿入射光方向及其相反方向散射信号强度最大,拉曼直角反射共焦腔设计的收集散射信号的角度与散射信号强度分布最强方向一致,并且利用了光学景深的优势,最大化的提高了拉曼散射信号收集效率。拉曼直角反射镜腔可以拓展拉曼光谱技术在气体检测中的应用,例如用于气相化学反应的原位监控、发动机燃烧过程及排放物检测、未知污染物气体分析等气体成分复杂的领域。