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] -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F2的时候，往往会导致热反应（H+F2)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F2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丽级别的美国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F2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+H2 -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+F2 -HF(V) +F，此反应的发热量很大（98.Okcal/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HF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&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（AV=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（Av=2)位于近红外区，可以用近红外光谱仪0MA-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（AV=3)位于波长更短的近红外区，也可以用近红外光谱仪 0MA-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=hVAN，在波数变化不大时，可以得到粒子数N〇cI/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（△v=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0MA-V测量HF第二泛频辐射（Av=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 0MA-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（Av=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0MA-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0MA-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（Av=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]
【主权项】
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。
【专利摘要】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。利用本发明，可以实现HF化学激光器中高振动激发态各个能级粒子数分布的快速测量。
【IPC分类】G01N21-64
【公开号】CN104713859
【申请号】CN201310684078
【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
【申请人】中国科学院大连化学物理研究所
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2013年12月13日