用于促进氢研究的新型激光仪器

图： 偏振敏感相干成像光谱仪示意图。OW，光学窗口；SL，球面透镜；M、 镜子；BPF，带通滤波器；PBS，偏振分束器；FR，菲涅耳菱体。插图：探头体积。探针穿过超宽带泵浦/斯托克斯光束∼灯丝末端后2mm。输入能量的增加导致灯丝向聚焦光学器件延伸（箭头方向）

       研究人员开发了一种分析仪器，使用超快激光精确测量氢气的温度和浓度。他们的新方法将有助于推进用于航天器和飞机的更绿色的氢基燃料的研究。

       “该仪器可以探测扩散、混合、能量转移和化学反应等动态过程，”该研究小组组长Alexis Bohlin说。“了解这些过程对于开发更环保的推进发动机至关重要。”

       相关研究发表在《Optics Express》，Bohlin和他的同事描述了他们用于研究氢的新型相干拉曼光谱仪器。这来源于一种将来自具有短（飞秒）脉冲的激光器的宽带光转换为极短超连续谱脉冲的装置，该脉冲包含极宽范围的波长。

       研究人员证明，这种超连续谱的产生可以在用于研究氢基发动机的高压室中发现的相同类型的厚光学窗口后进行。这很重要，因为当存在这些类型的光学窗口时，产生超宽带激发的其他方法不起作用。

       Bohlin说：“富氢燃料如果由可再生资源制成，将对减少排放产生巨大影响，并对缓解人为气候变化做出重大贡献。”。“我们的新方法可以用于在与火箭和航空发动机非常相似的条件下研究这些燃料。”

       人们对开发使用可再生富氢燃料的航空发动机非常感兴趣。除了它们的可持续性吸引力之外，这些燃料还具有最高的可实现比冲量——衡量发动机中化学反应产生推力的效率。然而，使基于氢的化学推进系统可靠一直是非常具有挑战性的。这是因为富氢燃料的反应性的增加实质上改变了燃料混合物的燃烧特性，这增加了火焰温度并减少了点火延迟时间。此外，火箭发动机中的燃烧通常很难控制，因为在太空旅行时会遇到极高的压力和高温。

        “然而，在为验证模型生成可靠的定量数据方面，仍然存在一些挑战。” Bohlin说。

       其中一个障碍是，实验通常在封闭空间中进行，通过光学窗口进出的光信号传输有限。这一窗口会导致相干拉曼光谱所需的超连续谱脉冲在穿过玻璃时被拉长。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，然后使用一种称为激光诱导的过程，将其转换为在另一侧保持相干的超连续谱脉冲。

研究氢火焰

       为了演示这种新仪器，研究人员建立了一种飞秒激光束，具有产生超连续谱的理想特性。然后，他们用它通过激发氢分子并测量其旋转跃迁来进行相干拉曼光谱分析。他们能够在广泛的温度和浓度范围内对氢气进行可靠的测量，并分析了氢/空气扩散火焰，类似于燃烧富氢燃料时所看到的火焰。

       研究人员现在正在使用他们的仪器对湍流氢火焰进行详细分析，希望对燃烧过程有新的发现。为了采用这种方法来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，并希望在封闭的微压外壳中用氢火焰进行测试。

[1] Francesco Mazza et al, Coherent Raman spectroscopy on hydrogen with in-situ generation, in-situ use, and in-situ referencing of the ultrabroadband excitation, Optics Express (2022). DOI: 10.1364/OE.465817