基于寬帶可調諧、窄線寬摻銩光纖激光器的2 μm 波段水的超光譜吸收測量*

陶蒙蒙 王亞民 吳昊龍 李國華 王晟 陶波 葉景峰? 馮國斌 葉錫生 陳衛標?

1) (中國科學院上海光學與精密機械研究所,王之江激光創新中心,上海 201800)

2) (西北核技術研究所,激光與物質相互作用國家重點實驗室,西安 710024)

1 引言

在激光光譜學中,通過對某一特定分子吸收光譜特性的測量,可以實現對該分子所處環境參數的有效反演.由于水分子的吸收譜線強度高、分布廣,因此基于水分子吸收光譜的測量技術得到了廣泛應用.尤其是在燃燒流場中,由于水和CO2是燃燒的主要產物,且在傳統的通信波段水的吸收強度明顯強于CO2,因此通過對流場中水分子吸收特性的研究來反演流場參數已成為一種通用手段[1-3].對于1—2 μm 的近紅外波段,水的吸收譜線主要分布在三個波段,即1.11—1.16 μm,1.3—1.5 μm 和1.8—2.0 μm[4-6].其中,1.11—1.16 μm 波段由于吸收強度相對較弱,且范圍較窄,一般很少使用;1.3—1.5 μm 波段處于通信光纖的傳輸窗口位置,且相應的光源和探測器件都較為成熟,因此應用最為普遍[7].

基于水在1.3—1.5 μm 波段吸收的可調諧二極管吸收光譜技術(TDLAS)已成功應用于不同流場的溫度、組分濃度和速度的測量.水在1398 nm處有兩條相鄰的高溫吸收譜線,可由分布式反饋(DFB)激光器通過電流調諧同時掃描覆蓋,簡化了系統光源,因此廣泛應用于高溫環境下的流場參數測量[8].2012 年,張亮等[9]利用水在1398 nm 處的吸收線,基于多普勒頻移效應實現了對高速氣流的流速測量.2014 年,陶波等[10]利用水在1397.8 nm附近的吸收線分別建立了基于直接吸收法和二次諧波法的TDLAS 測量系統,并對瞬態高溫超聲速流程和甲烷火焰的溫度開展了測量實驗.2015 年,Wang 等[11]利用水在1398 nm 附近的吸收譜線,通過24 束吸收路徑實現了甲烷火焰中水的溫度和濃度的同時二維反演.低溫下,水在1370 nm 處有一條相對獨立且較強的吸收譜線,該譜線在低溫流場測量中應用較為普遍.2008 年,Hunsmann 等[12]利用水在1370 nm 處的吸收譜線,通過TDLAS技術對樹葉的水蒸發速率進行了精確測量.2012 年,Witzel 等[13]利用水在1370 nm 附近的吸收線實現了對內燃機中水蒸氣濃度的高速測量.

在一些實驗中,為了獲取更豐富的吸收光譜信息,往往還會使用多條吸收譜線進行超光譜測量,以實現多參數的同時反演.其中一種方法是使用多個DFB 激光器通過時分復用在時序上排列,并依次通過測量區域,從而獲得不同譜線處的吸收信息.2010 年,Caswell 等[14]在1.32—1.38 μm 波長內選擇了10 條水的吸收譜線,通過時分復用技術實現了高壓燃氣輪機燃燒室內水的溫度和摩爾分數的測量.2011 年,Li 等[15]利用水在1391.7,1343.3 nm 附近的三條吸收譜線實現了超燃沖壓發動機不同部位的流速、溫度和水的分壓的測量.2019 年,張步強等[16]基于水在1391.7,1468.9,1343.3 nm 附近的三條吸收譜線集成測量系統,通過時分復用和波長調制技術實現了發動機模型噴口溫度的精確測量.另外一種實現超光譜測量的更方便的方法是直接使用寬帶掃描光源,如傅里葉域鎖模光纖激光器(FDML)等.FDML 是一種基于半導體光放大的環形腔光纖激光器,其線寬約為0.1 nm,光譜連續掃描范圍可達100 nm,掃描速率高達數百kHz,是超光譜吸收應用的理想光源[17,18].2007 年,Kranendonk 等[19]首次報道了基于FDML的發動機吸收光譜測量實驗,在1335—1373 nm波長內獲得了水的連續吸收光譜,并基于此反演得到了發動機流場溫度.2013 年,Caswell 等[20]使用三臺FDML,通過水的超光譜吸收實現了對脈沖爆震燃燒室不同位置的溫度、壓力和水的摩爾分數的測量.同年,利用相同的測量系統,Ma 等[21]對J85 發動機出口尾焰開展了二維溫度分布測量.

事實上,與目前常用的1.3—1.5μm 波段相比,在1.8—2.0 μm 波段,水的吸收譜線更豐富,且吸收強度更高,具有很大的應用潛力.在單/雙譜線TDLAS 技術方面,2003 年,Zhou 等[22]基于HITEMP數據庫選出了10 對水在1.8 μm 附近的吸收譜線,并基于其中部分吸收線實現了對乙烯火焰溫度的測量.2019 年,符鵬飛等[23]選擇1877 nm 處水的吸收線搭建TDLAS 測量系統,實現了對貧燃條件下不同燃燒工況的溫度和水分含量的多點分布式測量.

但是,由于受到光源的限制,1.8—2.0 μm 波段水的超光譜吸收測量鮮有報道.近年來,利用可調諧法布里-珀羅(FP)腔和光纖可飽和吸收體,課題組研制了寬帶調諧的窄線寬2 μm 波段的光纖激光器,并初步開展了空氣中水的超光譜測量實驗研究,在1856—1886 nm 約30 nm 的光譜范圍內分辨了35 條水的吸收譜線,且測量結果與HITRAN數據庫相吻合[24-26].然而,在該激光器的波長調諧范圍內包含大量水的低溫吸收譜線,不利于高溫流場的測量.本文在前期研究工作的基礎上,利用摻銩光纖的再吸收特性,通過增加增益光纖長度,使激光器輸出波長紅移到了1910—1970 nm 波段;此外,利用該激光器在空氣和酒精火焰中開展了水的超光譜吸收測量實驗,并通過寬帶吸收光譜反演得到了水的溫度信息.

2 寬帶可調諧、窄線寬2 μm 光源

2.1 光源波長掃描范圍的選擇

在本研究組前期的研究中,利用可調諧FP 腔和光纖可飽和吸收體獲得了1840—1900 nm 內連續可調的窄線寬激光輸出[26].常溫下,該波段包含大量高強度的水的吸收譜線[4].但是,在對高溫流場進行測量時,該波段會受到周圍空氣吸收的嚴重干擾,從而影響溫度測量的準確性.圖1 所示為1.8—2.0 μm 波段在300 K 和1500 K 溫度下水的吸收線分布,在1950 nm 以上區域,常溫下水的吸收相對較弱,比較適用于高溫流場的測量.同時,為了兼顧常溫下的光路調節需求,光譜掃描范圍應適當覆蓋若干低溫吸收譜線.綜合考慮,光譜掃描范圍在1930—1970 nm 比較適宜.

圖1 單位標準大氣壓下,1.8—2.0 μm 波段在300 K 和1500 K 溫度下水的吸收線分布Fig.1.Absorption lines of water in the 1.8—2.0 μm range at 300 K and 1500 K for one standard atmosphere pressure.

2.2 光源設計

摻銩石英光纖輸出波長范圍可覆蓋1.7—2.1 μm波段[27],且其發射譜隨光纖長度的增加存在明顯的紅移現象[28],因此可以通過調節摻銩光纖的長度實現對光源的輸出光譜范圍的控制.圖2 所示為不同摻銩光纖長度下的放大自發輻射(ASE)光譜,光纖長度在4 m 左右時基本能夠滿足光譜掃描范圍要求.

圖2 不同增益光纖長度下摻銩光纖的ASE 光譜圖Fig.2.ASE spectra of Tm-doped fibers at different active fiber lengths.

寬帶可調諧窄線寬摻銩光纖激光器光路結構如圖3 所示.激光器整體上采用環形腔結構,使用1.6 μm 摻鉺光纖激光器作為泵浦源,泵浦源通過一個波分復用器(WDM)耦合進入環形腔對增益光纖進行泵浦.實驗中通過優化,選擇3.6 m TSF-9/125 光纖作為增益光纖.該光纖長度下,調節光纖FP 濾波器加載電壓,可以測量得到該濾波器的自由光譜范圍(FSR),如圖4 所示.可以看出,該FP濾波器的自由光譜范圍約為97 nm;在3.6 m增益光纖時,FP 濾波器的波長掃描范圍理論上可覆蓋1878—1975 nm.

圖3 寬帶可調諧窄線寬摻銩光纖激光器光路結構圖 WDM,波分復用器;TDF,摻銩光纖;ISO,隔離器;FP filter,可調諧FP 濾波器;OC,輸出耦合器;FSA,光纖可飽和吸收體Fig.3.Optical path diagram of the broadband tunable narrow linewidth Tm-doped fiber laser:WDM,wavelength division multiplexer;TDF,Tm-doped fiber;ISO,isolator;FP filter,tunable FP filter;OC,output coupler;FSA,fiber saturable absorber.

圖4 光纖FP 濾波器的自由光譜范圍Fig.4.Free spectral range of the fiber FP filter.

環形腔內的隔離器用于保證信號光在環形腔內的單向傳輸.增益光纖中的前向信號光被隔離器阻擋,后向信號光進入光纖可飽和吸收體.實驗中,選擇0.3 m 銩鈥共摻光纖(TH512)作為光纖可飽和吸收體,實現對腔內信號光線寬的壓縮.腔內與信號光同向傳輸的泵浦光通過一個WDM引出腔外,30%的信號光通過一個7∶3 的OC 輸出.可調諧FP 濾波器置于OC 和ISO 中間,以降低通過其的信號光功率,防止損傷.激光器的輸出波長由可調諧FP 濾波器進行選擇,并通過FSA進行線寬壓縮.

2.3 光源輸出特性

3—18 V 掃描電壓下,光源的輸出波長在1910—1970 nm 內約60 nm 的光譜范圍內連續可調.保持光譜最大值,持續掃描2 min,得到的激光光譜覆蓋范圍如圖5 所示.

圖5 激光光源輸出光譜掃描范圍Fig.5.Wavelength scanning range of the laser system.

固定電壓條件下的典型輸出光譜如圖6 所示.此時,激光器輸出光譜中心波長為1931.8 nm,3 dB 線寬約為0.07 nm,能夠滿足水的吸收光譜的測量需求.

圖6 分辨率不同的光源典型輸出光譜 (a) 1.00 nm;(b) 0.05 nmFig.6.Typical spectra of the laser system with different resolution:(a) 1.00 nm;(b) 0.05 nm.

在1931.8 nm 固定輸出波長下,激光器的功率輸出特性如圖7 所示.由于腔內加入了FSA,會引入較大的損耗,因此該激光器泵浦閾值較高,約為430 mW.激光器整體斜率效率約為16.6%,最高輸出功率達60 mW.

圖7 激光器的輸出功率特性Fig.7.Output power of the laser system.

3 超光譜吸收應用

3.1 常溫下空氣中水的超光譜吸收

利用所設計的光源對常溫下空氣中水在1910—1965 nm 波長內的寬帶吸收譜線進行了測量.測量中光源電壓掃描范圍為3—18 V,掃描頻率設定為20 Hz,吸收路徑長度約為58 cm.測得的典型實驗結果如圖8 所示.圖8(a)給出了重頻掃描下的連續測量結果,圖8(b)給出了半個周期內波長單次掃描的實驗結果.可以發現,隨著激光器的波長掃描,其輸出功率也會發生變化,疊加空氣流動對光強產生的干擾就形成了掃描過程中的光強基線.

通過快速傅里葉變換(FFT)濾波對圖8(b)中單次掃描獲得的吸收光譜數據去除高頻噪聲,然后基于文獻[29]中給出的信號去除法去除吸收信號基線,得到的吸收光譜信息如圖9 所示.圖中同時給出了基于HITRAN2016 數據庫計算得到的常溫、常壓下水在1910—1965 nm 光譜內的理論吸收譜線.通過對比可以看出,實測的吸收譜線與理論模擬結果能夠實現很好的吻合,利用所設計的光源可以在1910—1965 nm 的光譜范圍內有效分辨40 余條水的吸收譜線.

圖8 水的超光譜吸收典型測量結果 (a) 重頻掃描;(b) 單次掃描Fig.8.Typical measurements of hyperspectral absorption of water:(a) Repetitive scan;(b) single scan.

圖9 處理后的吸收光譜實測數據與理論模擬數據對比Fig.9.Comparison between the measured data of processed absorption spectrum and theoretical simulation spectrum.

通過尋峰即可得到實測吸收光譜數據中采樣點與理論模擬數據中波長之間的峰值對應關系,如圖10 所示.可以看出,激光器掃描波長與采樣點之間呈較好的線性關系,表明該激光器的波長掃描具有很好的線性度.通過對圖10 中的峰值對應關系進行插值即可實現對實測數據的波長轉換.

圖10 掃描過程中采樣點與激光器輸出波長的對應關系Fig.10.Relationship between sampling point and laser wavelength.

由圖9 中可以明顯地看出,常溫下,在1945 nm以上的光譜區域,水的吸收較少,且吸收強度較低,較低的信噪比導致該區域吸收光譜本底出現較大幅度的波動.為了消除這種慢變的本底波動對激光器線寬反演帶來的干擾,測量數據和理論模擬數據均對波長取一階導數,然后通過最小殘差來判斷激光器動態掃描下的激光器線寬.

吸收光譜實測數據一階導數與不同激光線寬下理論數據一階導數的對比如圖11 所示.理論數據根據HITRAN2016 數據庫在常溫、常壓條件下生成,并通過插值與實測數據的波長實現一一對應.對比結果顯示,動態掃描過程中,激光器線寬約為0.06 nm,與圖6 中固定波長條件下的測試結果相當.

圖11 吸收光譜實驗數據一階導數與不同激光線寬下的理論模擬數據一階導數對比 (a) 不同激光線寬下的均方根殘差分布;(b) 1941 nm 附近的實測數據對比Fig.11.Comparison between first derivatives of the measured and theoretical absorption spectra under different laser linewidths:(a) RMSE distribution at different laser linewidths;(b) comparison of measured data around 1941 nm.

在0.06 nm 激光線寬下,利用HITRAN2016數據庫在常壓下生成不同溫度和摩爾分數的超光譜吸收數據,并從中找出與實測吸收光譜最接近的一組吸收光譜,如圖12 所示.在298 K 溫度、2%摩爾分數下,實測數據與理論數據在1910—1965 nm范圍內吻合較好,只有在若干強吸收譜線處出現了較大的殘差.由此可以得到環境溫度為298 K,與溫度計實測數據一致;空氣相對濕度為60%,與濕度計實測數據一致.

圖12 空氣中水的實測吸收光譜與理論吸收光譜對比 (a) 實測數據與理論數據;(b) 殘差Fig.12.Comparison between measured and theoretical absorption spectra of water in air:(a) Measured and theoretical absorption spectra;(b) residual.

3.2 酒精火焰中水的超光譜吸收

利用所設計的光源還對酒精火焰中水在2 μm波段的寬帶吸收譜線進行了測量.測量中光源電壓掃描范圍為3—10 V,掃描頻率設定為20 Hz,測得的典型實驗結果如圖13 所示.圖13(a)給出了半個周期內波長單次掃描的實驗結果.圖13(b)給出了經濾波、去基線處理后的實測數據與1000 K溫度下理論模擬數據的比對.可以看出,在高溫下,1950—1970 nm 范圍內包含大量水的吸收譜線;實測高溫吸收譜線與理論模擬結果能夠實現很好的吻合,利用所設計的光源在高溫下可以在1950—1970 nm 的光譜范圍內有效分辨近50 條水的吸收譜線.

圖13 酒精火焰中水的超光譜吸收典型測量結果 (a) 單次掃描;(b) 實測數據與理論數據的對比Fig.13.Typical hyperspectral absorption spectrum of water in alcohol flame:(a) Single scan;(b) comparison between measured and theoretical spectra.

利用圖13(b)中的采樣點與波長對應關系即可實現對測量信號的波長轉換.為了屏蔽低溫吸收線的干擾,選取實測吸收光譜中的長波段數據與不同溫度下的理論模擬數據庫進行比對,并從中找出與實測吸收光譜最接近的一組吸收光譜,如圖14所示.在1220 K 溫度、8%摩爾分數下,實測數據與理論數據吻合較好,由此可以得到酒精火焰的溫度約為1220 K,與熱電偶實測數據相仿.另外,在1962 nm 附近有一條吸收譜線與理論模擬結果相差較大.這是由于該吸收線雖然屬于高溫線,但是在常溫下也存在較強的吸收(見圖9).因此,在整個吸收路徑上進行測量時,由于整體積分溫度低于火焰溫度,因此該譜線吸收強度會低于理論模擬值.

圖14 酒精火焰中水的實測吸收光譜與理論吸收光譜對比 (a) 實測數據與理論數據;(b) 殘差Fig.14.Comparison between measured and theoretical absorption spectra of water in alcohol flame:(a) Measured and theoretical absorption spectra;(b) residual.

4 結論

利用摻銩光纖的波長紅移特性,針對高溫流場測量需求,研制了在1910—1970 nm 光譜內連續可調的窄線寬摻銩光纖激光器.利用該光源對空氣和酒精火焰中水的超光譜吸收開展了實驗測量,并通過與HITRAN2016 數據庫的比對反演了空氣和酒精火焰的溫度信息及其中水的摩爾分數,驗證了2 μm 波段寬帶可調諧光源在流場參數測量中的應用可行性.事實上,在1950—1970 nm 光譜范圍內還存在著大量CO2的吸收譜線,但是,由于在實驗環境中CO2濃度相對較低,因此測量中并未發現明顯的CO2吸收信號.后續可考慮通過實驗設計,利用所設計的光源實現對CO2的超光譜吸收測量.