用于实验室火焰表征的双光梳光谱技术

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Dual-comb spectroscopy for the characterization of laboratory flames

　　

光学光谱学，特别是双光梳（DC）光谱学，是燃烧诊断中一种关键的、非侵入式的工具，具有高精度和免校准的优势。然而，其实施仍然具有挑战性，尤其是在中红外区域。本工作介绍了一种基于电光（EO）频率梳发生器和差频产生（DFG）的鲁棒性双光梳光谱系统的开发，专门设计用于实验室火焰的表征。该系统工作在3427.43 nm的中心波长，利用差分检测策略，实现了对McKenna燃烧器中未燃甲烷（CH4）浓度的精确、免校准测量。实验结果表明，在1 m光程长度下估计检测限为1.1 ppm，并有效解析了燃烧区域的空间浓度梯度。此外，系统的高时间分辨率使得研究人员能够识别动态燃烧不稳定性，包括自持脉动和贫燃条件下的燃料泄漏。这些发现验证了所提出的电光架构作为一种灵活且高灵敏度的先进火焰表征工具的潜力。

该研究针对实验室火焰诊断中对高精度、非侵入式测量技术的迫切需求，深入探讨了基于电光频率梳（Electro-optical, EO）与差频产生（Difference Frequency Generation, DFG）技术相结合的中红外双光梳（Dual-comb, DC）光谱系统的设计与应用。论文发表于《Sensors and Actuators B: Chemical》。

在燃烧诊断领域，传统的侵入式方法（如热电偶）会干扰燃烧过程，而现有的光学方法虽具潜力，但在近红外区域受限于弱倍频跃迁，在中红外区域则面临频率梳源稳定与灵活调控的挑战。为解决这些问题，研究人员开发了一套工作于中心波长3427.43 nm的电光双光梳光谱系统。该系统通过单一连续可调谐激光源经电光调制生成双光梳，并利用DFG转换至中红外波段，结合差分检测策略，旨在实现对McKenna燃烧器内未燃甲烷（CH₄）浓度的免校准、高灵敏度空间与时间分辨测量。

关键技术方法主要包括：采用单台连续可调谐激光器（Toptica, CTL1550）作为种子源，通过电光调制生成双光梳；利用差频产生（DFG）技术将光梳从中红外波段转换至目标吸收波段；构建基于McKenna燃烧器的火焰实验平台；以及采用射频（RF）域下转换与差分检测的数据处理策略，以消除共模噪声并实现免校准的绝对浓度反演。

研究结果部分详细阐述了系统的性能验证与应用成效：

在系统设计及实现方面，研究人员展示了基于单一激光源的电光调制架构，该架构通过精确控制调制参数，实现了对光梳重复频率和载波包络偏移频率的灵活操控，并通过DFG模块成功获得了中红外波段的双光梳输出，验证了系统硬件搭建的可行性。

在结果与讨论部分，实验数据显示，该系统在1 m光程下对甲烷的检测限达到1.1 ppm（积分时间1 s）。通过对McKenna燃烧器不同高度的轴向扫描，研究人员成功绘制了火焰中未燃甲烷的空间浓度分布图，清晰分辨出从富燃区到贫燃区的过渡梯度。此外，系统的高时间分辨率捕捉到了燃烧过程中的动态不稳定性，例如在贫燃条件下观察到的自持脉动现象以及燃料泄漏事件，证明了该系统在捕捉瞬态燃烧特征方面的卓越能力。

结论部分指出，本研究成功报道了一种利用电光频率梳发生器并结合差频产生技术的鲁棒性中红外双光梳光谱系统的开发与实施。该系统通过差分检测策略，实现了对McKenna燃烧器中未燃CH₄浓度的精确、免校准光谱测量，在1 m光程长度和1 s积分时间下达到了1.1 ppm的检测限。实验结果证实了该电光架构作为一种灵活且高灵敏度的先进火焰表征工具的巨大潜力，为燃烧动力学研究和数值模型验证提供了强有力的原位诊断手段。