超快激光准确测量氢气温度和浓度的分析仪器

　　长三角G60激光联盟导读

　　据报道，研究人员开发了一种分析仪器，用超快激光准确测量氢的温度和浓度。他们的新方法有助于促进对航天器和飞机中更绿色氢基燃料的研究。

　　研究人员开发了一种用超快激光准确测量氢气温度和浓度的分析仪器。他们用它来研究这里的氢火焰。

　　瑞典Luleå科技大学研究团队负责人AlexisBohlin说:“该仪器将为探测动力学过程提供强大的能力，如扩散、混合、能量传递和化学反应。了解这些过程是开发更环保发动机的基础。”

　　在Optica在出版集团的期刊《光学快报》上，Bohlin和来自荷兰Delft理工大学和VrijeUniversiteitAmsterdam我的同事描述了一种新的相干拉曼光谱仪器，用于研究氢。这是可能的，因为有一种装置可以将短（飞秒）脉冲激光的宽带光转换为包含广泛波长范围的极短超连续脉冲。

　　（a）共振(左)和非共振(右)CRS能源路径和费曼图。（b）共振(蓝线)和非共振(红线)CRS信号的极化角β和γ，作为泵/斯托克斯和探测场的相对极化角(方位角)，表示单位球体上的仰角α的函数。（c）偏振敏感相关成像光谱仪示意图。

　　研究人员已经证明，在研究氢发动机高压室中发现的相同类型的厚光学窗口后，可以进行这种超连续体的生产。这一点非常重要，因为当这些类型的光学窗口存在时，其他产生超宽带激励的方法将不起作用。

　　Bohlin说:“从可再生资源中提取富氢燃料可以对减少排放产生重大影响，并为缓解气候变化做出重大贡献。在与火箭和航空航天发动机非常相似的条件下，我们的新方法可以用来研究这些燃料。”

　　（a）超宽带NRCRS在室温氩气中获得光谱(红色曲线)，在火焰前部获得不同的测量位置(黑色曲线)。每条曲线代表1200单激发光谱的平均值。（b）通过层流H2/从火焰前部获得的单次纯旋转空气扩散火焰H2CRS光谱。在sCMOS同时在检测器的动态范围内检测到多达六条旋转线。

　　让光进来

　　人们对使用可再生富氢燃料的航空发动机的开发非常感兴趣。除了它们的可持续性吸引力外，这些燃料还具有最高的可实现性——测量发动机中化学反应的推力效率。然而，使基于氢的化学推进系统可靠一直是一个挑战。这是因为富氢燃料的反应性增加实质上改变了燃料混合物的燃烧特性，增加了火焰温度，减少了点火延迟时间。此外，火箭发动机中的燃烧通常难以控制，因为在太空旅行时会遇到极高的压力和高温。

　　“航天推进系统的可持续发射和技术进步取决于实验和建模之间的连贯互动。”Bohlin说，“然而，在生成可靠的定量数据验证模型方面仍存在一些挑战。”

　　（a）同时CRS测量整个火焰前沿(喷嘴上方1)mm）温度和相对H2/N浓度。黑框表示H感兴趣区域优先扩散。（a）H2浓度从y时的50%显著降低=0mm至y处的40%=在几乎恒定的温度分布表面测量3.5mm因此，厚度归因于优先扩散。

　　障碍之一是，实验通常在封闭空间进行，通过光学窗口进出的光学信号传输有限。这个窗口会导致相干拉曼光谱所需的超连续光谱脉冲在通过玻璃时被拉长。为了克服这个问题，研究人员开发了一种方法，通过厚光学窗口传输飞秒脉冲激光，然后使用一种叫做激光诱导成丝的过程，将其转换为超连续光谱脉冲，以保持另一侧的连贯性。

　　研究氢火焰

　　为了展示这种新仪器，研究人员建立了一个飞秒激光束，具有产生超连续谱的理想特性。然后，他们使用它来分析相干拉曼光谱，通过刺激氢分子和测量其旋转运动。它们可以在广泛的温度和浓度范围内可靠地测量氢，并分析氢/空气扩散火焰，这类似于燃烧富氢燃料时看到的火焰。

　　研究人员现在正在使用他们的仪器详细分析湍流氢火焰，希望在燃烧过程中有新的发现。为了研究和测试火箭发动机，科学家们正在探索这种技术的局限性，并希望用氢火焰来测试封闭的微压壳。

　　图5(a)在y=6mm在火焰中获得的单一实验H2CRS基于氩气中原位获得的谱(实线)NRCRS谱(虚线)为参考，并与时域H2CRS通过拟合比较模型(虚线)Boltzmann分布。(b)同时在现场获取NRCRS光谱是参考，拟合H2CRS时域模型。(c)传统纯旋转N2CRS光谱和超宽带H2CRS测量光谱的温度分布。(d)比较异地和异地参考协议H2CRS温度测量精度准(异地)协议导致测温精度H2.一致低估温度。