(10)申请公布号
(43)申请公布日 (21)申请号 201310684078.5
(22)申请日 2013.12.13
G01N 21/64(2006.01)
地址116023 辽宁省大连市中山路457号
(72)发明人李留成 多丽萍 金玉奇 唐书凯
李国富 王元虎 于海军 汪健
王增强 曹靖
(74)专利代理机构沈阳科苑专利商标代理有限
公司 21002
代理人刘阳
(54)发明名称
一种利用低分辨率近红外荧光光谱测量HF
(57)摘要
本发明涉及一种利用低分辨率近红外荧光谱
测量HF 高振动态粒子数分布的技术，它基于自发
辐射荧光光谱技术，是一种测量HF 分子高振动激
发态能级粒子数分布的新方法。本发明主要应用
于化学激光测试诊断技术领域，是为了简化在HF
化学激光系统中测量振动激发态粒子数分布情况
的过程而产生的，
本发明只需要将HF 基频自发辐射荧光光谱的几条P 支谱线强度进行简单的加和
即可，具有简单方便、精度高、非侵入性等特点。利
态各个能级粒子数分布的快速测量。(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书4页 附图1页
(10)申请公布号CN 104713859 A (43)申请公布日2015.06.17
C N 104713859
A
1/1页
1.一种利用低分辨率近红外荧光光谱测量HF 高振动态粒子数分布的方法，其特征在于：
（1）利用近红外光谱仪测得HF 高振动态自发辐射荧光光谱，得到HF 高振动态v=3,4,5,6,7的粒子数分布情况；
（2）仅需读取各个振转谱带P 支的P1-P6六条谱线，适合R 支谱线与
P 支谱线部分重叠的低分辨率情况。
2.按照权利要求1所述的利用低分辨率荧光光谱测量HF 高振动态粒子数分布的方法，包括近红外光谱仪、耦合光纤、信号采集计算机、振转谱线强度读取、数据处理技术，其特征在于：
其中，近红外光谱仪用于采集HF 高振动态自发辐射荧光光谱；
其中，耦合光纤用于将激光器的荧光辐射传输到近红外光谱仪，其在近红外区的波长响应度均匀；
其中，信号采集计算机用于操纵光谱仪进行采集，以及进行数据处理；
其中，振转谱线强度读取采用了峰高代替峰面积，且仅读取各个振转谱带P 支的P1-P6六条谱线；
其中，数据处理技术是指，在处理数据时，首先将(3-0,4-1,5-2,6-3,7-4)中的某个振转谱带的P1-P6谱线强度进行加和，然后除以该振动态的爱因斯坦系数，即可得到该振动能级的相对粒子数。权 利 要 求 书CN 104713859 A
一种利用低分辨率近红外荧光光谱测量HF高振动态粒子
数分布的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种化学HF激光器的光腔测量方法。利用低分辨率近红外荧光光谱测量HF高振动态粒子数分布的方法，可以用于监测HF振动激发态分子的粒子数分布情况，从而了解HF化学激光器的运转性能。
[0002] 一般高振动态HF分子主要来自于H原子与F2分子的化学反应（激发态产物HF的振动量子数v最高可以达到9），而此反应为强放热过程，会导致光腔的温度升高、热阻塞以
及小信号增益降低。当燃烧室喷嘴出口处存在大量F
2的时候，往往会导致热反应(H+F
2
)大
量发生。
[0003] 因此，通过观察高振动态HF分子的发光强度和粒子数分布情况，可以了解HF激光
器的燃烧室喷嘴产物中F
2
占多少百分比和光腔温度是否会升高导致热阻塞等，也就是说可以了解到HF化学激光器的燃烧室运行情况和光腔运行情况，从而预测其性能。
背景技术
[0004] 自从1964年第一台化学激光器问世以来，化学激光器的发展堪称突飞猛进，速度惊人，其中尤以HF化学激光器的发展最为成熟，连续波输出功率高达MW级别的美国Alpha HF化学激光器曾一度是激光武器的代名词。
[0005] HF化学激光器的主要运行原理如下：
[0006] （1）含F化合物在燃烧室中热解产生F原子，也可能会有少量F2分子，另外，在通
过喷嘴的过程中F原子也可能复合产生F
2
分子；
[0007] （2）从喷嘴中出来的F原子与加入的H2分子发生反应，产生振动激发态的HF分子
（用HF(v)表示），F+H
2
→HF(v)+H，此反应的放热量较小（31.5kcal/mol），被称为冷反应，产物HF分子的振动量子数最高可以到v=3；
[0008] （3）产生的H原子又会与F2分子发生冷反应，产生振动激发态的HF分子（用HF(v)
表示），H+F
2
→HF(v)+F，此反应的发热量很大（98.0kcal/mol），被称为热反应，产物HF分子的振动量子数最高可以到v=9；
[0009] （4）根据爱因斯坦受激辐射原理，振动激发态分子HF(v)在光腔中发生谐振，产生激光。
[0010] 根据HF化学激光器的小信号增益的计算公式，温度越高时小信号增益也会随之而降低，不利于H
F化学激光器的运转。因此很多时候我们不希望HF化学激光器的光腔温
度过高，也就是说我们不希望有过多的热反应发生，所以喷嘴出口气流中F
2
分子含量越少越好。
[0011] 由于冷反应只能将HF分子最高泵浦到v=3的振动能级，所以如果观察到HF(v=4,5,6,7等)高振动能级的辐射，则表明必定发生了较多的H+F2热反应。也就是说，根据高振动能级的粒子数分布情况，我们可以得到燃烧室产物中F2的相对含量，了解到燃烧室的运行状况。所以测量光腔中的高振动态粒子数分布情况是非常有用的。
[0012] HF基频辐射（Δv=1）位于中红外区，可以用傅里叶光谱仪测量，但是由于响应灵敏度的限制，v>=4的高振动能级的基频辐射很弱，傅里叶光谱仪测量不到，所以不适合。[0013] HF第一泛频辐射（Δv=2）位于近红外区，可以用近红外光谱仪OMA-V等进行测量，而且响应灵敏度也不错，但不幸的是该区域恰好有一个水汽的强吸收带（1.4um附近），会严重影响测量效果，因此也不适合。
[0014] HF第二泛频辐射（Δv=3）位于波长更短的近红外区，也可以用近红外光谱仪OMA-V等进行测量，而且该区域没有强吸收带，因此适合测量光腔中的高振动态粒子数分布情况，这也正是本发明所要
采用的辐射谱带系。唯一可虑的是当光谱仪分辨率不足的时候，部分P支光谱可能会与别的R支光谱重叠，对于此问题我们已解决。
[0015] 本发明正是在这样的背景下，充分考虑到HF各辐射谱带的特性而设计的一种测量光腔中高振动态粒子数分布情况的技术。该技术的基本原理如下：
[0016] 根据粒子发光强度公式I=hνAN，在波数变化不大时，可以得到粒子数N∝I/A，其中A为爱因斯坦自发辐射系数。
发明内容
[0017] 本发明的目的是提供一种利用低分辨率近红外荧光光谱测量HF高振动态粒子数分布的技术。通过该种技术，实现测量HF高振动态粒子数分布，进而考察HF激光器燃烧室和光腔运行状况的目的。
[0018] 本申请给出了一种利用低分辨率荧光光谱测量HF高振动态粒子数分布的方法，包括近红外光谱仪、耦合光纤、信号采集计算机、振转谱线强度读取、数据处理技术；[0019] 其中，近红外光谱仪用于采集HF高振动态自发辐射荧光光谱。
[0020] 其中，耦合光纤用于将激光器的荧光辐射传输到近红外光谱仪，其在近红外区的波长响应度均匀。
[0021] 其中，信号采集计算机用于操纵光谱仪进行采集，以及进行数据处理。
[0022] 其中，振转谱线强度读取采用了峰高代替峰面积，且仅读取各个振转谱带P支的P1-P6六条谱线。
[0023] 其中，数据处理技术是指，在处理数据时，首先将(3-0,4-1,5-2,6-3,7-4)中的某个振转谱带的P1-P6谱线强度进行加和，然后除以该振动态的爱因斯坦系数，即可得到该振动能级的相对粒子数。
[0024] 为实现本发明的目的，具体的技术方案如图1所示：
[0025] 首先给出光纤传输系统对波长的响应系数校正，然后利用光纤传输耦合系统将HF 化学激光器实验装置所发出的荧光耦合进入，近红外光谱仪，利用近红外光谱仪测量HF第二泛频辐射（Δv=3）光谱，再根据事先完成的光谱仪探测系统对波长的响应系数校正，即可测量计算得到高振动态HF粒子数分布情况。
[0026] 实验时，打开闸板阀，抽真空，进行不出激射光的HF化学激光实验，这时从HF化学激光器实验装置所发出的只有自发辐射发光；利用近红外光谱仪测量近红外光谱，中心波长设为990nm。所有的进气、抽空和隔断阀门用电磁阀，并通过导线连接到计算机实现远程控制。压力、温度以及其他测试参数同样输入到计算机记录和监测。
[0027] 本发明的有益效果是：
[0028] 1、本发明通过采用近红外光谱仪OMA-V测量HF第二泛频辐射（Δv=3）光谱，最终测量得到HF高振动态粒子数分布。避免了高振动态HF基频辐射强度较弱、难以测量的难题，以及高振动态HF第一泛频辐射谱带有强吸收带的难题。成功地测量了v>=4的高振动态粒子数分布状况，并与HF(v=3)的粒子数进行了对比；
[0029] 2、本发明只读取各个振动谱带的P1-P6等6条谱线，从而避开了近红外光谱仪OMA-V低分辨率条件下HF振转光谱谱带的R支和一部分P支重叠的问题。
附图说明
[0030] 图1为本发明的操作流程示意图。
[0031] 其中，1-HF化学激光器实验装置；2-光纤传输耦合系统；3-近红外光谱仪；4-光纤传输系统对波长的响应系数校正；5-光谱仪探测系统对波长的响应系数校正；6-HF第二泛频发射光谱；7-测量计算得到高振动态HF粒子数分布情况。
[0032] 图2为本发明的实施例中采集的HF第二泛频辐射（Δv=3）光谱。可以看到，由于P(7)及以上的P支谱线与下一振动态R支谱线重合，所以无法分辨，只能分开P1-P6等6条P支谱线；这就是前面所述的R
支谱线与P支谱线部分重叠的低分辨率情况。
具体实施方式
[0033] 实施例1
[0034] 一次利用低分辨率近红外荧光光谱测量HF高振动态粒子数分布的实例。[0035] 如图1所示，具体操作步骤如下：
[0036] 实验前准备：
[0037] 第一步对传输近红外光线的光纤耦合传输系统2的波长响应度进行响应系数校正4。
[0038] 第二步对近红外光谱仪OMA-V的波长响应度进行响应系数校正5。
[0039] 第三步将近红外光谱仪OMA-V的中心波长设为990nm，另外设置合适的狭缝宽度和曝光时间，确保光谱强度最大但又不会过饱和。
[0040] 实验过程：
[0041] 第四步检查HF化学激光器实验装置1，打开闸板阀，抽真空，进行不出激射光的HF 化学激光实
验，即只进行燃烧化学反应，发出荧光辐射；但没有腔镜，不会出现激光。[0042] 第五步采集HF第二泛频辐射（Δv=3）光谱6，并对得到的结果进行响应度校正，得到校正后的光谱图。
[0043] 实验结果：
[0044] 第六步将HF的（3-0）、（4-1）、（5-2）、（6-3）、（7-4）等振动跃迁谱带的P1-P6谱线分离出来，读出其谱线高度，结果如下：
[0045]
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议