介绍

在燃烧中，直到最近，只有两个时间光学选通方案可用于增加时间分辨自发拉曼散射（SRS）光谱的信噪比（SNR）。可能通过使用图像增强器的电子门控或通过使用机械快门来拒绝有问题的光学背景噪声。不幸的是，这些传统方法都有其缺点。

例如，图像增强器通过<2nsec门控能力提供优异的光背景噪声抑制，但具有若干内在限制，例如较小的图像质量和较低的动态范围。另一方面，虽然具有旋转光斩波器的高速机械快门能够在不降低检测系统的CCD的量子效率（QE）的情况下提供更宽的动态范围，但其30Hz的速度和〜10μsec的选通不够用于排除噪音，并可能导致传输损失高达50％。

2010年，俄亥俄航空航天研究所的Jun Kojima博士与David Fischer博士和Quang-Viet Nguyen博士（NASA Glenn研究中心）合作，描述了一种用于SRS的架构*，该架构采用了在子帧中运行的帧传送CCD突发门控模式，实现时间分辨燃烧诊断.1该专利技术可实现微秒快门速度（<5微秒）的全电子光门控，而不影响光通量或图像保真度。小岛博士为这种方法使用普林斯顿仪器ProEM®电子倍增CCD（EMCCD）相机。

当与一对正交极化的激发激光器一起使用时，上述技术测量了最小程度地被光学背景噪声污染的单次振动拉曼散射。尽管如此，其相对长的门控（约5微秒）在光学背景拒绝方面仍然有改进的余地。

最近，小岛博士开发了另一种用于测量燃烧中时间分辨的SRS光谱的先进技术（见图1）。 这里提供了这种新方法的概述，其提供更高的SNR并允许超高速观察燃烧动力学。

图1.俄亥俄航空航天研究所的Jun Kojima博士在NASA Glenn研究中心测试新技术。

测量时间自动拉曼散射的新方法

小岛新的实验装置如图2所示。它测量拉曼散射，具有比先前报道的技术更快的选通（<2nsec），更宽的动态范围和更高的燃烧灵敏度，允许通过新引入的观察火焰不稳定动力学 普林斯顿仪器公司加强了emICCD相机，可以跟上最新的10 kHz激光器。

图2.示出了使用Nd：YAG脉冲激光（532nm，88nsec脉冲宽度，10kHz重复频率）的高速激光拉曼诊断系统和

普林斯顿仪器PI-MAX4：512EM摄像机耦合到镜头光谱仪

这里，使用二次谐波Nd：YAG脉冲激光器作为激发源（200W），以10kHz的重复频率操作以询问火焰。 通过光纤耦合透镜光学器件收集散射光，并将其传输到配备有普林斯顿仪器公司的PI-MAX®4：512EM照相机的体积传输透镜光谱仪。

为了提高SNR，图像增强器以10kHz的速率运行，以跟上高速激光的速度，并以90ns的速度门控以切出光学火焰发射背景，而EMCCD使用普林斯顿仪器LightField®软件中的特殊功能，可实现CCD尺寸和读取速度的定制，可以实现1 kHz（即10次激光拍摄）。这种自定义检测设置有效地使诊断系统能够实现NASA设施中达到的最高信号水平，而不会牺牲必要的kHz数据速率。

启用技术

来自普林斯顿仪器公司的新型PI-MAX4：512EM（见图3）和PI-MAX4：512EMB摄像机通过将EMCCD光纤耦合到图像增强器来利用EMCCD和ICCD两者的关键优势。这款创新的PI - MAX4：512EM光谱仪倾倒镜头Op9cal光纤emICCD技术使新相机能够提供无与伦比的精确，真实的单光子检测，智能和速度的组合。

图3.普林斯顿仪器公司PI-MAX4：512EM是市场上首款利用革命性emICCD技术的科学相机。 

PI-MAX4：512EM使用前照灯EMCCD; PI-MAX4：512EMB使用背照式EMCCD。

PI-MAX4：512EMB相机的背照式EMCCD在532 nm处具有95％的QE，通常用于燃烧中的SRS光谱。 此外，通过光纤将EMCCD耦合到图像增强器在图像增强器之间提供6倍更高的光通量光纤耦合也提供比透镜耦合器件更好的SNR。

通过在图像增强器和EMCCD之间智能编程增益实现的这些新型emICCD相机的出色线性度和动态范围对于定量成像和光谱应用（如燃烧）至关重要。同时，它们的真正的单光子检测能力可确保轻型应用的高灵敏度。类似示波器的用户界面（见图4）甚至记住了完整的实验设置。此外，由于在特殊定制芯片模式下运行时获得10,000光谱/秒的能力，普林斯顿仪器的emICCD相机可以捕获下一代激光器的每个脉冲。

图4.类似示波器的用户界面增强了普林斯顿仪器公司的emICCD摄像机的实用性。

结果

使用图2所示的诊断装置，在美国俄亥俄州克利夫兰市的NASA Glenn研究中心的大气压力燃烧诊断（APCD）实验室进行高速激光光谱测量。图5a示出了火焰的特写。图5b示出了在贫燃料氢空气火焰的尖端处测量的燃烧物质（氧气，氮气和水蒸汽）的自发拉曼散射的时间变化的数据。像素区域（1至512）对应于486至680nm的波长区域。

图5b中的信号可视性明显高于以前报告的这种数据。 从数据可以看出，由于火焰与环境空气夹带的相互作用，火焰以一定的频率（这里为〜46Hz）振荡。仔细观察发现，纯旋转带与O2和N2光谱成反比。

这通过以下事实来解释：与两种物质相反，纯旋转带是火焰标记（高温），其在较高温度下降低其峰强度。 当观察到火焰时，出现较高浓度的水蒸气（H ₂ O），即燃烧产物。 使用高速拉曼光谱法以物种分辨的方式表征火焰动力学是重要的。

图5.（a）火焰特写。 （b）使用PI-MAX4：512EM的高速拉曼诊断装置，在振荡型贫乏燃料的氢空气火焰中以1kHz的采样率记录时间序列斯托克斯拉曼散射光谱。

未来方向

最近使用新的诊断装置来测量每个单独分子种类的动力学，而不是简单地获取大量信息（例如压力），这表明在燃烧中进行物质的温度和频率分析的可能性。 最终，这种潜在的应用可能成为不同温度和压力下燃油比动力学的诊断工具。

科学探测器技术的进步，如PI-MAX4：512EMB摄像机在小于1ns的情况下门控掉所有光背景噪声，从而提高燃烧中时间分辨自发拉曼散射光谱的信噪比，继续扩大研究范围 这片区域。

参考文献

1. J. Kojima, D. Fischer, and Q.-V. Nguyen, Opt. Lett.35, 9 (2010).

文章来源Princeton Instruments