Development and Application of Single-Ended Picosecond Laser Diagnostics

Abstract

Light detection and ranging (lidar), a method for nonintrusive, single-ended, and range resolved measurements, has been developed and applied for combustion related diagnostics. Employing picosecond laser pulse durations and detectors providing temporal resolution on the order of picoseconds, lidar has been applied successfully for both quantitative temperature- and species concentration measurements, obtaining an ultimate range resolution of 0.46 cm.

The use of a streak camera as detector allows two-dimensional imaging in a radar-like fashion, or the possibility to extract time resolved spectral information. The experimental setup, permitting lidar measurements in the near field (<10 m), has been developed and characterized, yielding detailed knowledge of picosecond lidar (ps-lidar) and its feasibility in combustion studies.

Rayleigh scattering thermometry has been conducted in a tube furnace, various flames, and a large scale room fire experiment. The accuracy, under ambient conditions, was within 5% and the measurements were less prone to scattering off dust in the air than traditional perpendicular detection schemes. In premixed ethylene/air flames, the lidar temperatures agree very well with reference data from coherent anti-Stokes Raman Spectroscopy (CARS) measurements up to an equivalence ratio of 1.3. A filtering routine has been developed to be used for applications in which interfering scattering from particles is expected. The filtering routine was applied in the room fire measurements, which resulted in temperature images of two dimensional planes. The temperatures achieved in experiments with a methanol pool fire located in the room agree well with thermocouple measurements and computational fluid dynamics (CFD) simulations, while the signals recorded with a methane gas diffusion flame in the room are dominated by particle scattering, preventing Rayleigh thermometry, but allowing qualitative particle mapping instead.

Tunable optical parametric picosecond lasers were used for differential absorption lidar (DIAL), yielding species concentrations of acetone, ammonia, hydroxyl radical (OH), and potassium chloride (KCl). With a range resolution of 15 cm, a fractional absorption of ~5%, for example corresponding to an ammonia concentration of 40 ppm at ambient condition employing the wavelengths 212.2 and 214.5 nm, sets the detection limit.

Processes based on non-elastic light-matter interaction have been investigated for use with ps-lidar. Raman scattering from liquid samples was used for demonstration of range resolved species determination of nitromethane and hydrogen peroxide. Laser-induced fluorescence (LIF) was used in a demonstration of hydroxyl radical (OH) detection and mapping in a slot burner flame. A model for evaluation of laser-induced incandescence (LII) signals acquired with ps-lidar has been developed and demonstrated. Measurements of spatial soot volume fraction distributions yielded results that are in excellent agreement with reference measurements carried out with regular right-angle LII.

The following major conclusions can be drawn: ps-lidar is suitable for diagnostics in large scale combustion related devices, particularly devices limited to only one optical access, and, hence, it permits measurements that are currently not possible to realize in any other way, making it a very valuable asset for today’s as well as future challenges within energy science.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Föreställ dig ett stort rum med bara en liten fyrkantig, ungefär tio centimeter stor, öppning på en av väggarna. Rummet har fem meter långa väggar och är flera meter högt. Golv, tak och alla andra väggar är helt utan öppningar och är inte genomskinliga.

Man misstänker att temperaturen varierar mycket så att det kan vara varmt i en del av rummet och kallt i en annan. Därför vill man kunna få reda på temperaturen i olika delar av rummet, som en väderlekskarta över rummet med temperatur angivet för varje plats.

På samma sätt är man intresserad av att få kartor på vilka ämnen och hur mycket av dem som finns i rummet. Man misstänker att flera farliga ämnen, bland annat det illaluktande ämnet ammoniak, kan finnas i rummet. Även saltångor, som får metallföremål i rummet att rosta sönder, och sot, som är farligt att andas in och kan vara en indikation på ineffektiv förbränning, misstänks finnas i luften.

De första idéerna på hur dessa mätuppgifter ska lösas blir troligen något i stil med: häng termometrar med en halvmeters avstånd i rummet och fyll behållare med luft från olika platser i rummet och skicka till ett laboratorium för provtagning. Tyvärr visar sig dessa idéer vara oanvändbara när villkoren för mätningarna presenteras: du får inte gå in i rummet och du får inte placera någon mätutrustning där inne.

I denna avhandling presenteras en lösning på hur man stående utanför rummet ska kunna ta reda på den efterfrågade informationen. Genom att lysa med laserljus in genom den lilla öppningen och titta på det ljus som kommer tillbaks ut genom öppningen går det att göra kartor över både temperatur och vilka ämnen som finns.

Tänk på en laserpuls som en centimeterlång ljuspuls bestående av många små ljuspartiklar, som flyger genom rummet. Tiden det tar för laserpulsen att färdas till en bestämd plats i rummet och tillbaka till dig igen är enkel att förutsäga eftersom hastigheten ljuspartiklarna färdas med är enormt snabb, men också mycket väl uppmätt: ungefär trehundra miljoner meter varje sekund.

Vet man till exempel att det tar en sekund för laserpulsen att färdas till en plats och tillbaks igen så vet man att den färdats etthundrafemtio miljoner meter dit och lika långt tillbaks. Det blir väldigt korta tider som ska mätas när ljuset studsar på nära håll. Till exempel om ljuspulsen färdas tio meter och där studsar tillbaks igen så tar det bara 0,000 000 07 sekunder innan den är tillbaks.

För att ta reda på temperaturen utnyttjar man sättet som temperatur påverkar luften. När gaspartiklar blir varma så rör de sig snabbare och får mer tomrum emellan sig. Jämför med människor som står tätt packade i en tunnelbanevagn och människor som dansar. När de dansar blir de varma, rör sig snabbare och får mer tomrum emellan sig. Tänk dig ljuspulsen som en boll som ska passera förbi dessa människor. Då är det mycket större chans att lyckas passera förbi dansgolvet än tunnelbanevagnen där bollen troligtvis kommer att studsa tillbaks direkt. På samma sätt är det större chans att ljuspulsen studsar tillbaks när gaspartiklarna är kalla och mer tätt packade.

För att ta reda på vilka ämnen som finns där ljuspulsen passerat utnyttjar man en speciell egenskap som laserljus har, nämligen att färgen är väldigt välbestämd. Alla ämnen absorberar ljus med färger specifika för just det ämnet. Om man låter ljus, med en färg som ett ämne kan absorbera, färdas förbi partiklar av det ämnet så kommer ett antal av ljuspartiklarna att slukas upp av partiklarna. Genom att ändra färgen på ljuset från en färg som absorberas till en som inte absorberas av ämnet går det att ta reda på hur många partiklar av ämnet som passerats av ljuset. Det finns även andra, mer komplicerade, sätt för ljus att växelverka med partiklar, som används för att bestämma om det finns specifika ämnen, sot eller partiklar i luften som ljuspulsen färdas i.

Metoden som presenteras i avhandlingen skiljer sig på två huvudsakliga sätt från de metoder som finns sedan tidigare. Det går att mäta i ett rum med bara en öppning jämfört med andra metoder som bara går att använda på rum med flera öppningar. Dessutom går kartorna över temperatur och ämnen att göra med så noggrann rumsskala (ungefär en mätpunkt varje centimeter) så att metoden är lämplig att använda i rum som är några meter stora. Detta till skillnad från tidigare liknande metoder med en mätpunkt var hundrade meter, vilket endast är användbart för mätningar i atmosfären eller över kilometerlånga sträckor.

Användningsområdet för metoden är framförallt mätningar i stora förbränningsanläggningar, som kraftverk, industriella brännare och stora motorer, till exempel i cylindrarna på fartygsdieselmotorer. Det är uppenbart att det inte går att placera ut mängder av mätinstrument inuti dessa anläggningar. Dels på grund av de hårda fysiska påfrestningar dessa miljöer innebär för mätinstrumenten, men också för att det kan finnas rörliga delar som omöjliggör utplacering av mätinstrument.

Med möjlighet att bättre kunna karakterisera dessa anläggningar ökar möjligheten för tillverkare och operatörer att åstadkomma en effektivare och renare förbränning som i det långa loppet kan leda till mindre negativ påverkan på människa och natur.

• author: Kaldvee, Billy
• supervisor: Joakim Bood
• opponent: Prof. Dunn-Rankin, Derek, Dep. of Mechanical Engineering, University of California, Irvine, USA
• organization: Combustion Physics
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: Raman Scattering, Temporal Filtering, Picosecond Laser Diagnostics, Rayleigh Scattering, Laser-spectroscopy, DIAL, Laser Combustion Diagnostics, Lidar, Laser-induced Fluorescence, Laser-induced Incandescence, Fysicumarkivet A:2012:Kaldvee
• pages: 232 pages
• defense location: Rydbergsalen, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2012-10-19 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-383-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 7ea04344-62ca-4af2-83a9-b224ea24567f (old id 3054844)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:09:29
• date last changed: 2018-11-21 20:51:09