長三角G60激光聯(lián)盟導(dǎo)讀

　　據(jù)報道，研究人員開發(fā)了一種分析儀器，用超快激光準(zhǔn)確測量氫的溫度和濃度。他們的新方法有助于促進(jìn)對航天器和飛機中更綠色氫基燃料的研究。

　　研究人員開發(fā)了一種用超快激光準(zhǔn)確測量氫氣溫度和濃度的分析儀器。他們用它來研究這里的氫火焰。

　　瑞典Lule?科技大學(xué)研究團隊負(fù)責(zé)人AlexisBohlin說:“該儀器將為探測動力學(xué)過程提供強大的能力，如擴散、混合、能量傳遞和化學(xué)反應(yīng)。了解這些過程是開發(fā)更環(huán)保發(fā)動機的基礎(chǔ)?！?/p>

　　在Optica在出版集團的期刊《光學(xué)快報》上，Bohlin和來自荷蘭Delft理工大學(xué)和VrijeUniversiteitAmsterdam我的同事描述了一種新的相干拉曼光譜儀器，用于研究氫。這是可能的，因為有一種裝置可以將短（飛秒）脈沖激光的寬帶光轉(zhuǎn)換為包含廣泛波長范圍的極短超連續(xù)脈沖。

　?。╝）共振(左)和非共振(右)CRS能源路徑和費曼圖。（b）共振(藍(lán)線)和非共振(紅線)CRS信號的極化角β和γ，作為泵/斯托克斯和探測場的相對極化角(方位角)，表示單位球體上的仰角α的函數(shù)。（c）偏振敏感相關(guān)成像光譜儀示意圖。

　　研究人員已經(jīng)證明，在研究氫發(fā)動機高壓室中發(fā)現(xiàn)的相同類型的厚光學(xué)窗口后，可以進(jìn)行這種超連續(xù)體的生產(chǎn)。這一點非常重要，因為當(dāng)這些類型的光學(xué)窗口存在時，其他產(chǎn)生超寬帶激勵的方法將不起作用。

　　Bohlin說:“從可再生資源中提取富氫燃料可以對減少排放產(chǎn)生重大影響，并為緩解氣候變化做出重大貢獻(xiàn)。在與火箭和航空航天發(fā)動機非常相似的條件下，我們的新方法可以用來研究這些燃料?！?/p>

　?。╝）超寬帶NRCRS在室溫氬氣中獲得光譜(紅色曲線)，在火焰前部獲得不同的測量位置(黑色曲線)。每條曲線代表1200單激發(fā)光譜的平均值。（b）通過層流H2/從火焰前部獲得的單次純旋轉(zhuǎn)空氣擴散火焰H2CRS光譜。在sCMOS同時在檢測器的動態(tài)范圍內(nèi)檢測到多達(dá)六條旋轉(zhuǎn)線。

　　讓光進(jìn)來

　　人們對使用可再生富氫燃料的航空發(fā)動機的開發(fā)非常感興趣。除了它們的可持續(xù)性吸引力外，這些燃料還具有最高的可實現(xiàn)性——測量發(fā)動機中化學(xué)反應(yīng)的推力效率。然而，使基于氫的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)可靠一直是一個挑戰(zhàn)。這是因為富氫燃料的反應(yīng)性增加實質(zhì)上改變了燃料混合物的燃燒特性，增加了火焰溫度，減少了點火延遲時間。此外，火箭發(fā)動機中的燃燒通常難以控制，因為在太空旅行時會遇到極高的壓力和高溫。

　　“航天推進(jìn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)射和技術(shù)進(jìn)步取決于實驗和建模之間的連貫互動。”Bohlin說，“然而，在生成可靠的定量數(shù)據(jù)驗證模型方面仍存在一些挑戰(zhàn)?！?/p>

　?。╝）同時CRS測量整個火焰前沿(噴嘴上方1)mm）溫度和相對H2/N濃度。黑框表示H感興趣區(qū)域優(yōu)先擴散。（a）H2濃度從y時的50%顯著降低=0mm至y處的40%=在幾乎恒定的溫度分布表面測量3.5mm因此，厚度歸因于優(yōu)先擴散。

　　障礙之一是，實驗通常在封閉空間進(jìn)行，通過光學(xué)窗口進(jìn)出的光學(xué)信號傳輸有限。這個窗口會導(dǎo)致相干拉曼光譜所需的超連續(xù)光譜脈沖在通過玻璃時被拉長。為了克服這個問題，研究人員開發(fā)了一種方法，通過厚光學(xué)窗口傳輸飛秒脈沖激光，然后使用一種叫做激光誘導(dǎo)成絲的過程，將其轉(zhuǎn)換為超連續(xù)光譜脈沖，以保持另一側(cè)的連貫性。

　　研究氫火焰

　　為了展示這種新儀器，研究人員建立了一個飛秒激光束，具有產(chǎn)生超連續(xù)譜的理想特性。然后，他們使用它來分析相干拉曼光譜，通過刺激氫分子和測量其旋轉(zhuǎn)運動。它們可以在廣泛的溫度和濃度范圍內(nèi)可靠地測量氫，并分析氫/空氣擴散火焰，這類似于燃燒富氫燃料時看到的火焰。

　　研究人員現(xiàn)在正在使用他們的儀器詳細(xì)分析湍流氫火焰，希望在燃燒過程中有新的發(fā)現(xiàn)。為了研究和測試火箭發(fā)動機，科學(xué)家們正在探索這種技術(shù)的局限性，并希望用氫火焰來測試封閉的微壓殼。

　　圖5(a)在y=6mm在火焰中獲得的單一實驗H2CRS基于氬氣中原位獲得的譜(實線)NRCRS譜(虛線)為參考，并與時域H2CRS通過擬合比較模型(虛線)Boltzmann分布。(b)同時在現(xiàn)場獲取NRCRS光譜是參考，擬合H2CRS時域模型。(c)傳統(tǒng)純旋轉(zhuǎn)N2CRS光譜和超寬帶H2CRS測量光譜的溫度分布。(d)比較異地和異地參考協(xié)議H2CRS溫度測量精度準(zhǔn)(異地)協(xié)議導(dǎo)致測溫精度H2.一致低估溫度。