使用KURO高性能sCMOS相機進行燃燒氣體的高光譜和多維CARS測量

愛丁堡大學的Brian Peterson博士的實驗室利用光譜和基于激光的分析方法進行燃燒氣體的流體動力學和熱傳遞方面的研究。

對于類似汽車發動機一樣的燃燒室，溫度在300-400開爾文的“低溫”氣缸壁(冷壁)和溫度達到幾千開爾文的燃燒氣體之間形成了陡峭的溫度梯度。隨著發動機技術的不斷進步，發動機小型化的趨勢也愈加明顯。這就帶來了新的問題：隨著發動機變小，氣缸表面與燃燒氣體的相互作用和熱流顯著增加，導致燃燒效率降低以及燃料無法完全燃燒，產生更多大氣污染。

David Escofet-Martin博士是該小組的研究助理，他致力于利用相干反斯托克斯拉曼光譜(coherent anti-Stokes Raman spectroscopy, CARS)實驗對這些熱流過程進行定量測量和研究。

對于燃燒過程的研究人員來說，CARS測量是極為有力的一種工具，因為其光譜數據中包含了包括溫度、壓力、燃燒和未燃燒燃料的數量以及不同分子數量比(例如氮和氧的摩爾比)等信息。如果在一次測量中就能對所有參數進行測定，對燃燒區的動態過程的理解就會更加全面。

圖1：CARS測量示意圖

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Peterson博士實驗室的CARS測量裝置使用鈦-藍寶石激光器產生的800納米、35飛秒的泵浦光束和釔鋁石榴石晶體激光器產生的20皮秒的探測光束，其中每個探測光束的時間延遲可以調整。泵浦和探測光束通過柱面透鏡，在實驗腔中產生重疊光片，因此沿著光片交叉線的所有點都可以被同時探測到。

探測光片朝向光譜儀的入口狹縫，并沿狹縫軸做物理分離。在色散之后，每個信號的光譜圖像都會在相機上進行探測。在探測到的圖像中，研究人員可以獲得光譜信息(x軸)、空間信息(y軸)以及時間信息(傳感器頂部和底部區域的兩個光譜圖像，通過調整探測光束的時間延遲產生)。

圖2：單張測試用火焰-腔壁光譜圖

挑戰

CARS測量雖好，但挑戰也不小。

首先，用于CARS測量的探測器必須足夠大，不僅要覆蓋實驗的光譜帶寬，還要覆蓋垂直軸上的空間信息。然后，對于Peterson實驗室來說，相機還必須具有足夠快的讀取速度、幀速才可以滿足需求，因為其CARS實驗通常使用50幀/秒或更高的幀速工作。

另一個讓問題變得復雜的地方與信號強度的劇烈變化有關。由于溫度梯度的存在，旋轉CARS信號的動態范圍橫跨幾個數量級。雖然EMCCD相機具有足夠的幀速，但當通過調整電子增益提高微弱信號的信噪比時，相機的動態范圍也會顯著減小。

客戶說

Brian Peterson博士：“相比于使用EMCCD，我們使用KURO后更好地完成了對于燃燒氣體的高靈敏度、多維CARS測量。探測的動態范圍顯著增加，幀速也滿足需求?！?/p>

解決方案

為了克服這些挑戰，Peterson實驗室使用了普林斯頓儀器的全套解決方案。他們將KURO 1200B背照式sCMOS相機安裝在焦距為750mm的普林斯頓儀器SP2750光譜儀上。KURO 1200B的CMOS傳感器具有1200×1200個像素，靶面大小滿足多維測量所需的光譜和空間范圍。

KURO具有大于95%的量子效率(QE)，與EMCCD類似。同時其讀出噪聲較低，非常適合檢測微弱的信號。但在動態范圍方面與KURO相比于EMCCD則具有更大的優勢。在16位位深下，KURO的全幅讀出速度高達41幀/秒(不使用全幅模式時更高)。

圖3：KURO相機產品圖

總的來說，與Peterson實驗室以前的EMCCD相比，使用KURO相機顯著提高了數據的動態范圍，使得多維CARS測量的數據質量得到了顯著提升。

審核編輯 黃宇