Abstract

We demonstrate an all-fiber-coupled, UV, laser-induced-fluorescence (LIF) detection system of the hydroxyl radical (OH) in flames. The nanosecond-pulsed excitation of the (1,0) band of the OH A2+X2Π system at 283nm is followed by fluorescence detection from the (0,0) and (1,1) bands around 310nm. The excitation-laser beam is delivered through a 400μm core UV-grade optical fiber of up to 10m in length, and the fluorescence signal collected is transmitted through a 1.5mm core 3m long fiber onto the remote detector. Single-laser-shot planar LIF (PLIF) imaging of OH in flames is also demonstrated using fiber-based excitation. The effects of delivering intense UV beams through long optical fibers are investigated, and the system improvements for an all-fiber-coupled OH-PLIF imaging system are discussed. Development of such fiber-based diagnostics and imaging systems constitutes a major step in transitioning laser diagnostic tools from research laboratories to reacting flow facilities of practical interest.

© 2011 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. A. C. Eckbreth, Laser Diagnostics for Combustion Temperature and Species, 2nd ed. (Gordon and Breach, 1996).
  2. L. A. Melton, Appl. Opt. 22, 2224 (1983).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. C. C. Tseng, D. M. Voytovych, W. D. Kulatilaka, A. H. Bhuiyan, R. P. Lucht, C. L. Merkle, J. R. Hulka, and G. W. Jones, Exp. Fluids 46, 559 (2009).
    [CrossRef]
  4. W. D. Kulatilaka, S. V. Naik, and R. P. Lucht, AIAA J. 46, 17 (2008).
    [CrossRef]
  5. W. Schade and J. Bublitz, Environ. Sci. Technol. 30, 1451(1996).
    [CrossRef]
  6. P. S. Hsu, A. K. Patnaik, J. R. Gord, T. R. Meyer, W. D. Kulatilaka, and S. Roy, Exp. Fluids 49, 969 (2010).
    [CrossRef]
  7. R. S. Taylor, K. E. Leopold, R. K. Brimacombe, and S. Mihailov, Appl. Opt. 27, 3124 (1988).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. R. J. Bartula, J. B. Ghandhi, S. T. Sanders, E. J. Mierkiewicz, F. L. Roesler, and J. M. Harlander, Appl. Opt. 46, 8635 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. I. C. Faloona, D. Tan, R. L. Lesher, N. L. Hazen, C. L. Frame, J. B. Simpas, H. Harder, M. Martinez, P. D. Carlo, X. Ren, and W. H. Brune, J. Atmos. Chem. 47, 139 (2004).
    [CrossRef]
  10. T. E. Barber, W. G. Fisher, and E. A. Wachter, Environ. Sci. Technol. 29, 1576 (1995).
    [CrossRef]
  11. H. S. Eckhardt, K. Graubner, K.-F. Klein, T. Sun, and K. T. V. Grattan, Proc. SPIE 6083, 60830A (2006).
    [CrossRef]
  12. T. Dreier and D. J. Rakestraw, Opt. Lett. 15, 72 (1990).
    [CrossRef] [PubMed]
  13. URL: http://navier.engr.colostate.edu/tools/equil.html.
  14. M. Tamura, P. A. Berg, J. E. Harrington, J. Luque, J. B. Jeffries, G. P. Smith, and D. R. Crosley, Combust. Flame 114, 502 (1998).
    [CrossRef]
  15. T. R. Meyer, S. Roy, T. N. Anderson, J. D. Miller, V. R. Katta, R. P. Lucht, and J. R. Gord, Appl. Opt. 44, 6729 (2005).
    [CrossRef] [PubMed]

2010 (1)

P. S. Hsu, A. K. Patnaik, J. R. Gord, T. R. Meyer, W. D. Kulatilaka, and S. Roy, Exp. Fluids 49, 969 (2010).
[CrossRef]

2009 (1)

C. C. Tseng, D. M. Voytovych, W. D. Kulatilaka, A. H. Bhuiyan, R. P. Lucht, C. L. Merkle, J. R. Hulka, and G. W. Jones, Exp. Fluids 46, 559 (2009).
[CrossRef]

2008 (1)

W. D. Kulatilaka, S. V. Naik, and R. P. Lucht, AIAA J. 46, 17 (2008).
[CrossRef]

2007 (1)

2006 (1)

H. S. Eckhardt, K. Graubner, K.-F. Klein, T. Sun, and K. T. V. Grattan, Proc. SPIE 6083, 60830A (2006).
[CrossRef]

2005 (1)

2004 (1)

I. C. Faloona, D. Tan, R. L. Lesher, N. L. Hazen, C. L. Frame, J. B. Simpas, H. Harder, M. Martinez, P. D. Carlo, X. Ren, and W. H. Brune, J. Atmos. Chem. 47, 139 (2004).
[CrossRef]

1998 (1)

M. Tamura, P. A. Berg, J. E. Harrington, J. Luque, J. B. Jeffries, G. P. Smith, and D. R. Crosley, Combust. Flame 114, 502 (1998).
[CrossRef]

1996 (1)

W. Schade and J. Bublitz, Environ. Sci. Technol. 30, 1451(1996).
[CrossRef]

1995 (1)

T. E. Barber, W. G. Fisher, and E. A. Wachter, Environ. Sci. Technol. 29, 1576 (1995).
[CrossRef]

1990 (1)

1988 (1)

1983 (1)

Anderson, T. N.

Barber, T. E.

T. E. Barber, W. G. Fisher, and E. A. Wachter, Environ. Sci. Technol. 29, 1576 (1995).
[CrossRef]

Bartula, R. J.

Berg, P. A.

M. Tamura, P. A. Berg, J. E. Harrington, J. Luque, J. B. Jeffries, G. P. Smith, and D. R. Crosley, Combust. Flame 114, 502 (1998).
[CrossRef]

Bhuiyan, A. H.

C. C. Tseng, D. M. Voytovych, W. D. Kulatilaka, A. H. Bhuiyan, R. P. Lucht, C. L. Merkle, J. R. Hulka, and G. W. Jones, Exp. Fluids 46, 559 (2009).
[CrossRef]

Brimacombe, R. K.

Brune, W. H.

I. C. Faloona, D. Tan, R. L. Lesher, N. L. Hazen, C. L. Frame, J. B. Simpas, H. Harder, M. Martinez, P. D. Carlo, X. Ren, and W. H. Brune, J. Atmos. Chem. 47, 139 (2004).
[CrossRef]

Bublitz, J.

W. Schade and J. Bublitz, Environ. Sci. Technol. 30, 1451(1996).
[CrossRef]

Carlo, P. D.

I. C. Faloona, D. Tan, R. L. Lesher, N. L. Hazen, C. L. Frame, J. B. Simpas, H. Harder, M. Martinez, P. D. Carlo, X. Ren, and W. H. Brune, J. Atmos. Chem. 47, 139 (2004).
[CrossRef]

Crosley, D. R.

M. Tamura, P. A. Berg, J. E. Harrington, J. Luque, J. B. Jeffries, G. P. Smith, and D. R. Crosley, Combust. Flame 114, 502 (1998).
[CrossRef]

Dreier, T.

Eckbreth, A. C.

A. C. Eckbreth, Laser Diagnostics for Combustion Temperature and Species, 2nd ed. (Gordon and Breach, 1996).

Eckhardt, H. S.

H. S. Eckhardt, K. Graubner, K.-F. Klein, T. Sun, and K. T. V. Grattan, Proc. SPIE 6083, 60830A (2006).
[CrossRef]

Faloona, I. C.

I. C. Faloona, D. Tan, R. L. Lesher, N. L. Hazen, C. L. Frame, J. B. Simpas, H. Harder, M. Martinez, P. D. Carlo, X. Ren, and W. H. Brune, J. Atmos. Chem. 47, 139 (2004).
[CrossRef]

Fisher, W. G.

T. E. Barber, W. G. Fisher, and E. A. Wachter, Environ. Sci. Technol. 29, 1576 (1995).
[CrossRef]

Frame, C. L.

I. C. Faloona, D. Tan, R. L. Lesher, N. L. Hazen, C. L. Frame, J. B. Simpas, H. Harder, M. Martinez, P. D. Carlo, X. Ren, and W. H. Brune, J. Atmos. Chem. 47, 139 (2004).
[CrossRef]

Ghandhi, J. B.

Gord, J. R.

P. S. Hsu, A. K. Patnaik, J. R. Gord, T. R. Meyer, W. D. Kulatilaka, and S. Roy, Exp. Fluids 49, 969 (2010).
[CrossRef]

T. R. Meyer, S. Roy, T. N. Anderson, J. D. Miller, V. R. Katta, R. P. Lucht, and J. R. Gord, Appl. Opt. 44, 6729 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Grattan, K. T. V.

H. S. Eckhardt, K. Graubner, K.-F. Klein, T. Sun, and K. T. V. Grattan, Proc. SPIE 6083, 60830A (2006).
[CrossRef]

Graubner, K.

H. S. Eckhardt, K. Graubner, K.-F. Klein, T. Sun, and K. T. V. Grattan, Proc. SPIE 6083, 60830A (2006).
[CrossRef]

Harder, H.

I. C. Faloona, D. Tan, R. L. Lesher, N. L. Hazen, C. L. Frame, J. B. Simpas, H. Harder, M. Martinez, P. D. Carlo, X. Ren, and W. H. Brune, J. Atmos. Chem. 47, 139 (2004).
[CrossRef]

Harlander, J. M.

Harrington, J. E.

M. Tamura, P. A. Berg, J. E. Harrington, J. Luque, J. B. Jeffries, G. P. Smith, and D. R. Crosley, Combust. Flame 114, 502 (1998).
[CrossRef]

Hazen, N. L.

I. C. Faloona, D. Tan, R. L. Lesher, N. L. Hazen, C. L. Frame, J. B. Simpas, H. Harder, M. Martinez, P. D. Carlo, X. Ren, and W. H. Brune, J. Atmos. Chem. 47, 139 (2004).
[CrossRef]

Hsu, P. S.

P. S. Hsu, A. K. Patnaik, J. R. Gord, T. R. Meyer, W. D. Kulatilaka, and S. Roy, Exp. Fluids 49, 969 (2010).
[CrossRef]

Hulka, J. R.

C. C. Tseng, D. M. Voytovych, W. D. Kulatilaka, A. H. Bhuiyan, R. P. Lucht, C. L. Merkle, J. R. Hulka, and G. W. Jones, Exp. Fluids 46, 559 (2009).
[CrossRef]

Jeffries, J. B.

M. Tamura, P. A. Berg, J. E. Harrington, J. Luque, J. B. Jeffries, G. P. Smith, and D. R. Crosley, Combust. Flame 114, 502 (1998).
[CrossRef]

Jones, G. W.

C. C. Tseng, D. M. Voytovych, W. D. Kulatilaka, A. H. Bhuiyan, R. P. Lucht, C. L. Merkle, J. R. Hulka, and G. W. Jones, Exp. Fluids 46, 559 (2009).
[CrossRef]

Katta, V. R.

Klein, K.-F.

H. S. Eckhardt, K. Graubner, K.-F. Klein, T. Sun, and K. T. V. Grattan, Proc. SPIE 6083, 60830A (2006).
[CrossRef]

Kulatilaka, W. D.

P. S. Hsu, A. K. Patnaik, J. R. Gord, T. R. Meyer, W. D. Kulatilaka, and S. Roy, Exp. Fluids 49, 969 (2010).
[CrossRef]

C. C. Tseng, D. M. Voytovych, W. D. Kulatilaka, A. H. Bhuiyan, R. P. Lucht, C. L. Merkle, J. R. Hulka, and G. W. Jones, Exp. Fluids 46, 559 (2009).
[CrossRef]

W. D. Kulatilaka, S. V. Naik, and R. P. Lucht, AIAA J. 46, 17 (2008).
[CrossRef]

Leopold, K. E.

Lesher, R. L.

I. C. Faloona, D. Tan, R. L. Lesher, N. L. Hazen, C. L. Frame, J. B. Simpas, H. Harder, M. Martinez, P. D. Carlo, X. Ren, and W. H. Brune, J. Atmos. Chem. 47, 139 (2004).
[CrossRef]

Lucht, R. P.

C. C. Tseng, D. M. Voytovych, W. D. Kulatilaka, A. H. Bhuiyan, R. P. Lucht, C. L. Merkle, J. R. Hulka, and G. W. Jones, Exp. Fluids 46, 559 (2009).
[CrossRef]

W. D. Kulatilaka, S. V. Naik, and R. P. Lucht, AIAA J. 46, 17 (2008).
[CrossRef]

T. R. Meyer, S. Roy, T. N. Anderson, J. D. Miller, V. R. Katta, R. P. Lucht, and J. R. Gord, Appl. Opt. 44, 6729 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Luque, J.

M. Tamura, P. A. Berg, J. E. Harrington, J. Luque, J. B. Jeffries, G. P. Smith, and D. R. Crosley, Combust. Flame 114, 502 (1998).
[CrossRef]

Martinez, M.

I. C. Faloona, D. Tan, R. L. Lesher, N. L. Hazen, C. L. Frame, J. B. Simpas, H. Harder, M. Martinez, P. D. Carlo, X. Ren, and W. H. Brune, J. Atmos. Chem. 47, 139 (2004).
[CrossRef]

Melton, L. A.

Merkle, C. L.

C. C. Tseng, D. M. Voytovych, W. D. Kulatilaka, A. H. Bhuiyan, R. P. Lucht, C. L. Merkle, J. R. Hulka, and G. W. Jones, Exp. Fluids 46, 559 (2009).
[CrossRef]

Meyer, T. R.

P. S. Hsu, A. K. Patnaik, J. R. Gord, T. R. Meyer, W. D. Kulatilaka, and S. Roy, Exp. Fluids 49, 969 (2010).
[CrossRef]

T. R. Meyer, S. Roy, T. N. Anderson, J. D. Miller, V. R. Katta, R. P. Lucht, and J. R. Gord, Appl. Opt. 44, 6729 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Mierkiewicz, E. J.

Mihailov, S.

Miller, J. D.

Naik, S. V.

W. D. Kulatilaka, S. V. Naik, and R. P. Lucht, AIAA J. 46, 17 (2008).
[CrossRef]

Patnaik, A. K.

P. S. Hsu, A. K. Patnaik, J. R. Gord, T. R. Meyer, W. D. Kulatilaka, and S. Roy, Exp. Fluids 49, 969 (2010).
[CrossRef]

Rakestraw, D. J.

Ren, X.

I. C. Faloona, D. Tan, R. L. Lesher, N. L. Hazen, C. L. Frame, J. B. Simpas, H. Harder, M. Martinez, P. D. Carlo, X. Ren, and W. H. Brune, J. Atmos. Chem. 47, 139 (2004).
[CrossRef]

Roesler, F. L.

Roy, S.

P. S. Hsu, A. K. Patnaik, J. R. Gord, T. R. Meyer, W. D. Kulatilaka, and S. Roy, Exp. Fluids 49, 969 (2010).
[CrossRef]

T. R. Meyer, S. Roy, T. N. Anderson, J. D. Miller, V. R. Katta, R. P. Lucht, and J. R. Gord, Appl. Opt. 44, 6729 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Sanders, S. T.

Schade, W.

W. Schade and J. Bublitz, Environ. Sci. Technol. 30, 1451(1996).
[CrossRef]

Simpas, J. B.

I. C. Faloona, D. Tan, R. L. Lesher, N. L. Hazen, C. L. Frame, J. B. Simpas, H. Harder, M. Martinez, P. D. Carlo, X. Ren, and W. H. Brune, J. Atmos. Chem. 47, 139 (2004).
[CrossRef]

Smith, G. P.

M. Tamura, P. A. Berg, J. E. Harrington, J. Luque, J. B. Jeffries, G. P. Smith, and D. R. Crosley, Combust. Flame 114, 502 (1998).
[CrossRef]

Sun, T.

H. S. Eckhardt, K. Graubner, K.-F. Klein, T. Sun, and K. T. V. Grattan, Proc. SPIE 6083, 60830A (2006).
[CrossRef]

Tamura, M.

M. Tamura, P. A. Berg, J. E. Harrington, J. Luque, J. B. Jeffries, G. P. Smith, and D. R. Crosley, Combust. Flame 114, 502 (1998).
[CrossRef]

Tan, D.

I. C. Faloona, D. Tan, R. L. Lesher, N. L. Hazen, C. L. Frame, J. B. Simpas, H. Harder, M. Martinez, P. D. Carlo, X. Ren, and W. H. Brune, J. Atmos. Chem. 47, 139 (2004).
[CrossRef]

Taylor, R. S.

Tseng, C. C.

C. C. Tseng, D. M. Voytovych, W. D. Kulatilaka, A. H. Bhuiyan, R. P. Lucht, C. L. Merkle, J. R. Hulka, and G. W. Jones, Exp. Fluids 46, 559 (2009).
[CrossRef]

Voytovych, D. M.

C. C. Tseng, D. M. Voytovych, W. D. Kulatilaka, A. H. Bhuiyan, R. P. Lucht, C. L. Merkle, J. R. Hulka, and G. W. Jones, Exp. Fluids 46, 559 (2009).
[CrossRef]

Wachter, E. A.

T. E. Barber, W. G. Fisher, and E. A. Wachter, Environ. Sci. Technol. 29, 1576 (1995).
[CrossRef]

AIAA J. (1)

W. D. Kulatilaka, S. V. Naik, and R. P. Lucht, AIAA J. 46, 17 (2008).
[CrossRef]

Appl. Opt. (4)

Combust. Flame (1)

M. Tamura, P. A. Berg, J. E. Harrington, J. Luque, J. B. Jeffries, G. P. Smith, and D. R. Crosley, Combust. Flame 114, 502 (1998).
[CrossRef]

Environ. Sci. Technol. (2)

T. E. Barber, W. G. Fisher, and E. A. Wachter, Environ. Sci. Technol. 29, 1576 (1995).
[CrossRef]

W. Schade and J. Bublitz, Environ. Sci. Technol. 30, 1451(1996).
[CrossRef]

Exp. Fluids (2)

P. S. Hsu, A. K. Patnaik, J. R. Gord, T. R. Meyer, W. D. Kulatilaka, and S. Roy, Exp. Fluids 49, 969 (2010).
[CrossRef]

C. C. Tseng, D. M. Voytovych, W. D. Kulatilaka, A. H. Bhuiyan, R. P. Lucht, C. L. Merkle, J. R. Hulka, and G. W. Jones, Exp. Fluids 46, 559 (2009).
[CrossRef]

J. Atmos. Chem. (1)

I. C. Faloona, D. Tan, R. L. Lesher, N. L. Hazen, C. L. Frame, J. B. Simpas, H. Harder, M. Martinez, P. D. Carlo, X. Ren, and W. H. Brune, J. Atmos. Chem. 47, 139 (2004).
[CrossRef]

Opt. Lett. (1)

Proc. SPIE (1)

H. S. Eckhardt, K. Graubner, K.-F. Klein, T. Sun, and K. T. V. Grattan, Proc. SPIE 6083, 60830A (2006).
[CrossRef]

Other (2)

URL: http://navier.engr.colostate.edu/tools/equil.html.

A. C. Eckbreth, Laser Diagnostics for Combustion Temperature and Species, 2nd ed. (Gordon and Breach, 1996).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Experimental apparatus for all-fiber-coupled OH-LIF detection. PMT: photomultiplier tube.

Fig. 2
Fig. 2

Excitation scan of Q 1 ( 5 ) and Q 21 ( 5 ) lines with and without fiber coupling.

Fig. 3
Fig. 3

LIF signal as a function of flame equivalence ratio for different lengths of fibers. The equilibrium OH concentration is shown on the right axis. A representative one-sigma error bar based on experimental uncertainty is also shown.

Fig. 4
Fig. 4

(a) Single-laser-shot and (b) 32-shot-averaged OH-PLIF image of Φ = 1.7 premixed CH 4 / O 2 / N 2 flame in a 1.8 mm diameter nozzle. Shown in the inset in panel (a) is a digital photograph of the flame under investigation

Metrics