Combustion Diagnostics with Diode-Laser Spectroscopy Tetsuya AIZAWA Department of Mechano-Aerospace Systems Engineering, Tokyo Institute of Technology

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1 Combustion Diagnostics with Diode-Laser Spectroscopy Tetsuya AIZAWA Department of Mechano-Aerospace Systems Engineering, Tokyo Institute of Technology, , Ohokayama, Meguro-ku, Tokyo (Received September 29, 2004) This article reviews recent progress in diode-laser spectroscopy for combustion diagnostics and sensing. General advantages of diode laser as a light source for spectroscopic measurements, basic theory of absorption spectroscopy, example applications for combustion diagnostics in visible and near-infrared regions using telecommunication lasers and in mid-infrared and ultra-violet regions using newly developed laser sources are briefly reviewed, and likely directions for future research and development in the field are suggested. Key Words: Diode laser, Combustion diagnostics, Absorption and fluorescence spectroscopy

2 Fig. 1 Optical setup for diode-laser absorption measure- of OH radical in counterflow ments burner flames (Ref. 14). Fig. 2 Absorption spectrum of OH measured at different positions in methane-air premixed counterflow flame (Ref. 14).

3 Fig. 3 Temperature and OH concentration profiles in counterflow flame measured by diode-laser absorption spectroscopy (symbols) compared with numerical simulation results (lines) (Ref. 14).

4 Fig. 4 Two-dimensional diffusion flame produced using a Wolfard-Parker image obtained by raster-scan diode laser measurement (Ref. 23). Fig. 5 Experimental setup including laser system, top-view of combustion chamber (ENGINE) and detection system (OSC). DL: diode laser; BS: beam sampler; G: vibrating grating; M: metal mirror; MF: multimode fiber; L. lens; D: detector (photodiode); OSC: oscilloscope (Ref. 27). slot burner and normalized water vapor absorbance Fig. 6 Absorbance scan excerpts. A single laser scan is shown every 3 CAD and each has been smoothed to increase the clarity of the presentation (Ref. 27). とに よ り,半 導 体 レー ザ ー 分 光 で 検 出可 能 な化 学 種 が 増 験 装 置 の概 要,Fig.6に エ ン ジ ン燃 焼 室 内 で計 測 さ れ た H2Oの 吸収 ス ペ ク トル の例 を示 す.1370nmか ら1470nmに え,検 出感 度 も飛 躍 的 に向 上 す る と予 測 され る.半 導 体 レーザ ー を光 源 とす る誘 起 蛍 光 法 は,光 路 積 分 計 測 で あ わ た る 波 長 範 囲 を85μs毎 に高 速 ス キ ャ ンす る こ とに よ る とい う従 来 の 吸 収 分 光 法 の 大 きな制 約 を克 服 で きる点 り,高 圧 条 件 下 で も数 十本 のH2O吸 収線 を捉 える こ とに成 で今 後 の発 展 が期 待 され る.内 燃 機 関 や工 業 炉 な ど の実 功 して お り,こ れ らの ス ペ ク トル を解 析 す る こ とで筒 内 機 の燃 焼 診 断 及 び 制御 へ の 本 計 測 法 の応 用 も,克 服 す べ 温 度 及 びH2O濃 度 の 時 間 変化 を ク ラ ン ク角3 毎 に求 め る こ き問題 の多 い今 後 の重 要 な研 究 課 題 で あ る. とが で きる.H2O以 外 の化 学種 の測 定 も原 理 的 には光 源 で あ る半 導体 レー ザ ー の交 換 あ るい は波 長 多 重 化(マ ル チ プ 参考文献 レク シ ン グ)に よ り可 能 で あ り,将 来 的 に は 内部EGRや 着 火 タ イ ミ ング の制 御 に も応 用 で きる可 能 性 が あ る. 5. ま と め 半 導 体 レー ザ ー の 特 徴 と吸 収 分 光 法 の測 定原 理 につ い て概 説 す る と共 に,半 導 体 レー ザ ー分 光 法 に よ る燃 焼 診 断 の最 近 の研 究 例 につ い て紹 介 した.光 通信 用 を 中心 に 普 及 した 可 視 近 赤 外 域 の レー ザ ー を用 い た 安 定 化 学 種 の大 気 圧 以 下 で の 測 定 に つ い て は,既 に多 くの研 究 例 が 報 告 され,測 定 機 器 も製 品化 され て い る.今 後 は赤 外 及 び 紫外 域 で 発 振 す る新 た な レー ザ ー 光 源 の 開 発 が 進 む ご 166 1) A. C. Eckbreth: Laser Diagnosticsfor CombustionTemperatureand Species (Energy & Engineering Science Series Vol. 7, ed. A. K. Gupta and D. G. Lilley, Abacus Press, 1988). 2) J. O. Dimmock, I. Meingailis, and A. J. Strauss: Phys. Rev. Lett. 16 (1969) ) D. T. Cassidy and J. Reid: Appl. Opt. 21 (1982) ) M. G. Allen: Meas. Sci. Technol. 9 (1998) ) D. Richter, A. Fried, and F. K. Tittel (ed) : Appl. Phys. B 75 (2002). 6) P. Werle, F. Slemr, M. Gehrtz, and C. Brauchle: Appl. Phys. B 49 (1989) 99. 7) C. B. Carlisle, D. E. Cooper, and H. Prier: Appl. Opt. 28 (1989) ) M. G. Allen, K. L. Carleton, S. J. Davis, W. J. Kessler, C. E. Otis, D. A. Palombo, and D. M. Sonnenfroh: Appl. Opt. 34 (1995) レー ザ ー研 究 2005年3月

5 9) L. S. Rothman, A. Barbe, D. Chris Benner, L. R. Brown, C. Camy- Peyret, M. R. Carleer, K. Chance, C. Clerbaux, V. Dana, V. M. Devi, A. Fayt, J. -M. Flaud, R. R. Gamache, A. Goldman, D. Jacquemart, K. W. Jucks, W. J. Lafferty, J. -Y. Mandin, S. T. Massie, V. Nemtchinov, D. A. Newnham, A. Perrin, C. P. Rinsland, J. Schroeder, K. M. Smith, M. A. H. Smith, K. Tang, R. A. Toth, J. Vander Auwera, P. Varanasi, and K. Yoshino: JQSRT 82 (2003) 5. 10) K. Uehara and H. Tai: Appl. Opt. 31 (1992) ) T. Iseki, H. Tai, and K. Kimura: Meas. Sci. Technol. 11 (2000) ) K. Muta, M. Tanoura, K. Fujimura, and K. Tokuda: Proc. SPIE, 3108 (1997) ) K. Muta, M. Tanoura, K. Fujimura, and K. Tokuda: Proc. SPIE, 3108 (1997) ) T. Aizawa: Appl. Opt. 40 (2001) ) F. Capasso, J. Faist, C. Sirtori, and A. Y. Cho: Solid State Commun. 102 (1997) ) S. L. Chuang (ed) : IEEE J. Quantum Electron. 38 (2002). 17) D. G. Lancaster, R. Weidner, D. Richter, F. K. Tittel, and J. Limpert: Opt. Comm. 175 (2000) ) T. Takahashi, S. Ohara, T. Tezuka, H. Ashizawa, M. Endo, S. Yamaguchi, K. Nanri, T. Fujioka: Appl. Phys. B 78 (2004) ) D. B. Oh and A. C. Stanton: Appl. Opt. 36 (1997) ) S. D. Wehe, M. Allen, X. Liu, J. B. Jeffries, and R. K. Hanson: AIAA Technical Paper (2003). 21) J. T. C. Liu, R. K. Hanson, and J. B. Jeffries: JQSRT 72 (2002) ) V. L. Kasyutich, C. S. E. Bale, C. E. Canosa-Mas, C. Pfrang, S. Vaughan, and R. P. Wayne: Appl. Phys. B 76 (2003) ) D. J. Kane, J. S. Goldmeer, and J. S. Pilgrim: AIAA Technical Paper (2000). 24) K. A. Peterson and D. B. Oh: Opt. Lett. 24 (1999) ) H. Li, R. K. Hanson, and J. B. Jeffries: Meas. Sci. Technol. 15 (2004) ) L. A. Kranendonk, A. W. Caswell, A. M. Myers, and S. T. Sanders: SAE Technical Paper (2003). 27) L. A. Kranendonk, J. W. Walewski, T. Kim, and S. T. Sanders: Proc. Comb. Symp., 30 (2004) 1D08.

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