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相干反斯托克斯拉曼光谱系统
Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy , CARS
系统特性
相干反斯托克斯拉曼散射系统(CARS)是实现高温环境中温度测量的一种技术手段。在许多领域中有广泛应用,包括生物化学、材料科学、环境科学等。该技术能够实时获取分子相关信息,同时也适用于多种待测样品类型,包括液体、气体和固体,CARS技术也可用于组分识别和浓度测量。
CARS过程空间示意图
技术原理
CARS是一种非线性四波混频过程,即三束入射的满足一定频率和相位匹配要求的光波与介质的相互作用产生了第四束光波,该光波频率正好位于反斯托克斯谱线的频率处。由于该信号频率具备反斯托克斯拉曼散射特性,同时具有方向性,类似于弱激光,该现象被称为相干反斯托克斯拉曼散射。右下图为CARS过程的空间布局示意图,为了简化系统,泵浦光Ꞷ1与探测光Ꞷ3设计为简并状态,采用同一光源实现。从图中可以看出,信号光易于入射光分离,并且可实现较高的收集效率,这也是该技术与其他光谱技术的明显优势。因此,CARS技术在燃烧流场温度、组分探测等技术领域中得到了广泛应用。
燃烧
细胞成像与代谢研究
CARS显微镜能够提供细胞内代谢物的化学信息,例如脂质、脂肪酸等的分布和动态变化。例如,CARS技术已被用于研究细胞内脂质的积累、药物递送、细胞代谢过程等。
药物开发与临床应用
CARS显微镜在药物开发中具有重要应用,例如研究药物在组织中的分布、代谢和作用机制。CARS技术还可用于开发新型成像系统,如内窥镜和微型探针,用于临床诊断和治疗
组织成像与病理研究
CARS显微镜能够提供组织的化学对比信息,用于研究组织结构和病理变化。例如,CARS技术已被用于研究动脉粥样硬化、皮肤疾病、神经疾病等。
病理研究
发动机研发与性能优化
在航空航天、汽车等行业的发动机研发中,CARS 技术可对燃烧室内的燃烧过程进行实时监测。通过测量燃烧过程中高温气体的温度、燃料和氧化剂的浓度分布等关键参数,帮助工程师深入了解燃烧机理,优化发动机设计,提升燃烧效率,降低燃油消耗和污染物排放 。例如,在航空发动机的研发过程中,利用 CARS 技术能够精确测量燃烧室内不同位置的温度和组分浓度,为改进燃烧器设计提供依据,进而提高发动机的性能和可靠性。
CARS系统测温试验实拍
不同温度下CARS光谱示意图
生物医学
能源动力
CARS试验
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CARS TEST
能源动力系统监测
对于燃气轮机、锅炉等能源动力设备,CARS 技术可实现对燃烧过程的在线监测,及时发现燃烧不稳定、不完全燃烧等问题,保障设备的安全稳定运行,提高能源利用效率 。在大型燃气轮机的运行过程中,借助 CARS 系统可以实时监测燃烧室内的温度场和组分分布,一旦出现异常情况,能够及时调整燃烧参数,避免设备故障,降低运行成本。