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脉动科技5月专刊-染料激光器和PLIF不得不说的事

Monday, May 20, 2019

染料激光器和PLIF不得不说的事

前记：燃烧是许多现代技术，如发电、供热、运输以及航空航天推进器等的核心。而且燃烧对于污染物排放的类型、浓度的研究和大气环境改变的研究等也具有重要意义。工业烧嘴、工业炉、发动机以及无数这样的研究领域都需要我们对燃烧有更加充分的了解。那么如何有效地对燃烧、流场及更多的领域进行分析呢。工欲善其事，必先利其器，激光光谱技术可谓是此类诊断分析的不二之选。

激光光谱技术是以激光为激励光源的光谱测量技术,测量能力更为突出。激光具有良好的单色性、方向性、高功率密度，部分激光光源还具有调谐能力，有许多普通光源不具有的优点。与普通的宽带光源相比，激光的单色性提高了激发的选择能力和激发效率，这使得激发可以针对特定组分的特定能级，从而使光谱具有组分分辨能力；激光的方向性使测量可以利用激光聚焦或利用片状激光束进行二维激发，提高了测量的空间分辨率；激光的高功率密度有利于提高探测灵敏度；激光的可调谐性则是的激发可以选择合适的能级，丰富了激光光谱的内容，拓宽了其能够探测的组分种类和光谱范围。平面激光诱导荧光（Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF）技术是是一种广泛用于液态、气态等物质燃烧场或气体电离场中各种组分浓度与温度场分析的重要分析方法。使用平面激光脉冲激励荧光来记录瞬态流场和火焰结构的技术，利用激光对自由基和粒子的激发，通过对荧光的强度和二维空间结构的分布的分析，可以得到某些气体分子的温度分布，浓度分布以及火焰结构等信息。随着图像测量技术的发展，具有很强时空分辨能力的PLIF技术已经广泛而深入的应用到了流动和化学反应研究当中。

PLIF技术通常需要使用具有高重频及高能量可调谐的染料激光器来反映快速变化的流场。每种被测物质都有其对应的受激荧光谱线，所以对于某一波长的激光，其线宽越窄，对应被测物质产生的荧光强度就越高。染料激光器（Dye Laser）具有可调谐、大能量、可高重频、窄线宽(0.06cm-1)，阈值低，对泵浦光适应性强的特点，且输出紫外283nm波段的紫外光时，基频为可见光566nm波段，为罗丹明染料的优势波段，该波段的激光输出能够满足PLIF检测的需求。相比之下，光学参量振荡器（Optical Parametric Oscillation, OPO）虽然也可以输出可调谐激光，但是OPO的优势波段为近红外和红外波段，且泵浦光对激光器影响较大，激光输出不稳定，不适用于PLIF检测。所以目前PLIF检测主要使用可调谐的紫外波段染料激光器。

染料激光器是一种经典的单频脉冲可调谐激光器。染料激光器的工作原理为为强激光脉冲（532nm，355nm）激发特定的染料产生宽带的荧光谱，由作为核心器件的光栅对选出特定的谱线在设定的谐振器内产生单频的脉冲激光，该单频激光经过进一步放大后输出为染料激光器，内置的光栅对可以精确调谐，实现特定的精密谱线。激发不同的染料，加上染料激光器腔外的倍频，混频，差频，如德国LIOP-TEC公司的染料激光器可以实现197-4500nm的线宽底至0.03 cm^-1的高能脉冲激光器！染料激光器是已知可调谐脉冲激光器线宽最窄的品质，在光谱研究领域具有不可替代的地位！

KHz染料激光器。近年来，随着光谱探测技术的发展，PLIF应用向着高重复频率发展，KHz，10KHz的 PLIF,PIV等光谱测量技术迅速发展，这个也推动染料激光器向高重复频率方向发展。LIOP-TEC公司很早就率先研发出KHz的染料激光器LIOPSTAR-HQ. 由于高重复频率和高脉冲能量导致的高泵浦功率和高染料激光功率，KHz染料激光器由特殊的光学谐振腔设计，特殊的染料循环系统设计。LIOPSTAR-HQ可以接受高达250KHz,150W的泵浦要求！LIOP-TEC公司率先完成了5W@283nm@10KHz的染料激光器！该KHz染料激光器首先应用在燃烧诊断的PLIF系统中！激光染料谈到染料激光器，就不得不说一说染料激光器中染料工作寿命的问题。一般来说，染料激光器最常用的Rh6G(诺丹明6G)的寿命可以达到半年，DCM的寿命可以达到1-2年。但有的染料寿命比较短。有的染料有很强的腐蚀性，需要特殊的防腐蚀处理。染料激光器使用染料的浓度很低，比如，LIOPSTAR的振荡级对Rh6G的浓度要求是0.14%。染料的常见染料为乙醇，丙醇或丙酮。LIOPSTAR的染料循环系统容积3-4升，这样实际消耗的染料是有限的。平衡染料流速（控制湍流的产生以免产生激光输出的稳定性）及染料热积累（会缩短染料寿命）是考量染料工作寿命与性能的关键点之一。为了避免泵浦光的热效应在染料中积累，染料的流动速度需要满足在泵浦间隔内泵浦区域的染料完全更新，否则染料介质中可能发生热积累，从而造成染料寿命降低及激光输出质量降低。为了防止染料介质中发生热积累，首先还是应当满足染料循环热管理要求。

常见染料列表

染料激光器的泵浦源染料激光器需要高品质的脉冲激光器泵浦源。LIOP-TEC公司和德国InnoLas公司达成战略合作，使用InnoLas公司的调Q Nd:YAG激光器作为泵浦源。InnoLas公司的灯泵浦染料泵浦激光器脉冲能量可达1400mJ@532nm/10Hz, 全二极管泵浦的中重复频率激光器500mJ/532nm/100Hz, 全二极管泵浦的KHz泵浦源可达50mJ/532nm/1KHz是LIOP-TEC公司染料激光器的理想泵浦源！高脉冲能量的YAG还可以同时泵浦2台染料激光器！一台SpitLight2000泵浦2台染料激光器及其染料和频系统照片

本文的硬广终于来了!

脉动科技有限公司是德国LIOP-TEC公司的代理商！销售LIOP-TEC公司染料激光器多年现在把LIOP-TEC公司的染料激光器的特点进一步总结一下：

两级染料结构—振荡级/预放大+放大级:

可接受泵浦能量：10-1000mJ --双染料循环群
效率：28% @565nm ,Rh6G染料 --可插拔染料池

染料激光器光学原理图

两级系统和三级系统相比较，好处在于:

两级结构染料激光器的光学结构大大简化，有利于维护. 而为了泵浦三个染料池,YAG激光器的光需要分成三路,并且要严格按照一定的比例分配。
两级结构只需要两个染料池, 染料的供应、染料泵浦的配备等都容易. 染料激光器的一个染料池需要独立的染料供应,如循环器、管路等。
由于染料激光器的各个染料池需要严格的光学同轴,三染料池的系统一般只能采用固定染料池的系统结构. 固定染料池结构的根本缺点在于: 染料池的清洗,更换,维护非常困难。
由于重新安装染料池需要大调光路，所以日常不可能取下染料池进行彻底清洗，简单的清洗对于长期使用的染料池是不够的，很容易造成染料沉淀。

2. 可插拔染料池得利于两级染料池

备用染料循环器，便于波长切换
波长切换时染料液不用废弃
便于染料池清洗
染料池更换时光路不用调试

3. Bethune Cell 染料池
Bethune Cell作为放大级染料池
Bethune Cell为特殊棱型结构的染料池可接受高达1000mJ泵浦能量；可得到圆的，很好染料激光光束质量。
说到这里小编都不得不感叹LIOP-Tec的染料激光器真乃PLIF（当然不只是PLIF）的良师益友啊！

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