放電等離子體高精度空間分辨光譜測(cè)量方法

田軼夫，李 博，高 強(qiáng)*，朱志峰，朱家健，李中山

1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072 2. 國(guó)防科技大學(xué)高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410073

引 言

等離子體光譜[1]診斷技術(shù)是組分測(cè)量常用方法，具有選擇性好，靈敏度和準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。等離子體通常可以由高壓放電誘導(dǎo)[2]或激光誘導(dǎo)[3]產(chǎn)生。高壓放電誘導(dǎo)等離子體光譜診斷技術(shù)早已得到了廣泛的應(yīng)用，如火花誘導(dǎo)擊穿光譜(spark-induced breakdown spectroscopy, SIBS)[4]和介質(zhì)阻擋放電(dielectric barrier discharge, DBD)[5]技術(shù)。這類技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的等離子體信號(hào)強(qiáng)。但是由于放電在時(shí)間和空間上具有隨機(jī)性，使得等離子體的高時(shí)空分辨光譜測(cè)量變得十分困難。激光誘導(dǎo)等離子體光譜診斷技術(shù)應(yīng)用也十分廣泛，如激光誘導(dǎo)擊穿光譜(laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)技術(shù)。LIBS技術(shù)具有信號(hào)強(qiáng)、且可精確控制等離子體產(chǎn)生的時(shí)間和空間位置，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單和操作便捷的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的LIBS技術(shù)以納秒激光作為光源，所形成的等離子體在空間尺寸上是一個(gè)毫米量級(jí)的點(diǎn)，很難實(shí)現(xiàn)一維空間分辨測(cè)量。近年來隨著飛秒激光技術(shù)的不斷發(fā)展，飛秒成絲[6]現(xiàn)象的應(yīng)用為一維空間分辨的光譜測(cè)量提供了新的思路[7-9]。然而，由于飛秒激光的平均功率偏低，導(dǎo)致成絲信號(hào)偏弱，從而限制了飛秒激光的應(yīng)用。

等離子體還可以通過耦合激光和放電過程來產(chǎn)生。激光誘導(dǎo)放電可以追溯到20世紀(jì)60年代，以納秒激光作為光源，用于解決高壓電的開關(guān)需求。由于雪崩電離產(chǎn)生不連續(xù)的等離子體通道，納秒激光光源逐漸被放棄。……