基于MHz级时间分辨的脉冲内激光技术实现NO、H2O与温度动态同步检测

（编辑推荐）本研究创新性采用脉冲内激光技术（intrapulse laser），在1914–1916 cm-1光谱范围内实现NO、H2O摩尔分数与温度的动态同步测量，时间分辨率达MHz级。通过对称翻转光谱校正低压快速通道效应（rapid passage effect），其测量结果与ICL-NO激光器、DFB-H2O激光器及激波管计算值高度吻合（平均相对差异<7%），为动态环境多参数检测提供校准自由（calibration-free）的高效解决方案。

　　

Highlight

本研究通过单台脉冲内激光（intrapulse laser）实现"一石三鸟"——同步动态检测NO、H₂O和温度。该激光以900 kHz重复频率和200 ns脉宽运行，时间分辨率媲美固定波长法，其250-400 MHz/ns的调频速率可提供0.0156–0.0197 cm^-1光谱分辨率。在NH₃氧化实验中，成功捕捉到NO/H₂O生成动态与温度波动，与化学模拟结果高度一致。

Methodology

激光吸收光谱（LAS）遵循比尔-朗伯定律（Beer-Lambert law）：透过光强I_t(ν)=E(t)+I₀(ν)·η(t)·exp[-α(ν)]，其中α(ν)=-ln[(I_t(v)-E(t))/(I₀(v)·η(t))]。研究采用Voigt函数拟合吸收线型，并通过两线测温法（two-line thermometry）反演温度。

Experimental setup

激波管（shock tube）创造的压力（0.01–1.49 bar）与温度（295–2775 K）动态范围，为验证脉冲内激光性能提供理想环境。实验配置包含四台激光器与多通道数据采集系统（图1）。

Line selection and typical spectrum

精选1914.99 cm^-1和1915.76 cm^-1的NO吸收线，结合1915.50 cm^-1的H₂O吸收线，构成"三线测量体系"。低压下观察到的快速通道效应（图3），通过对称光谱翻转法成功校正。

NO mole fraction

在激波传播过程中，脉冲内激光（900 kHz）与ICL-NO激光（280 Hz）的NO测量结果差异仅4.5%，验证了该方法在动态条件下的可靠性（图5）。

Application

NH₃氧化实验显示，脉冲内激光捕捉到的NO/H₂O生成动态与温度变化曲线（图8），与化学动力学模拟结果高度吻合，证实其在燃烧诊断（combustion diagnostics）中的实用价值。

Conclusions

该技术兼具扫描波长法的校准自由优势与固定波长法的高时间分辨率，为动态环境多参数测量开辟新途径。未来可拓展至发动机燃烧（engine autoignition）、工业排放监测（SCR NH₃ monitoring）等领域。