白皮书
利用CARS进行燃烧分析——这确实是门高深的学问
概述
太空 产业正以加速的态势腾飞——无论从字面意义还是比喻意义上都是如此。随着发射次数的增加，人们逐渐认识到，所有这些火箭发动机都必须尽可能清洁地燃烧，以最大限度地减少对大气层的负面影响。亚历克西斯·博林博士是一位顶尖的研究人员，他运用多种高意 （CARS）方法——这些方法均得益于Astrella ultrafast ——来分析各种燃烧系统。 他久经考验的技术和独到见解即将应用于瑞典吕勒奥理工大学基律纳太空 的清洁火箭推进设计研究。博林博士近期已受聘担任该校高级研究员，并将借此机会与埃斯兰格太空 现代火箭产业机构展开紧密合作。
图1：工程师们正致力于研发更高效的推进系统，以尽量减少快速发展的商业太空 行业对大气层的影响。
CARS——测量物种数量密度与温度
博林博士解释了他科研 光谱学 CARS）进行燃烧分析科研 ：“从汽车、熔炉到火箭发动机，燃烧工程师都希望提高系统效率并减少有害排放物。 每一个燃烧源都是一个复杂的化学反应器，能否成功调控燃烧条件，取决于能否首先尽可能多地了解细节。激光诊断技术具有独特的优势，能够量化反应流中的标量，且不会扰动目标测量区域，并能以极高的时空分辨率提供有用的信息。科研 CARS 技术，以尽可能高的精度和准确度绘制包括N2、O2、H2、CH4、C3H8、CO2、H2O等分子在内的有效温度和物质数密度（即浓度）分布图。
“每一个燃烧源都是一个复杂的化学反应器，要成功调控燃烧条件，首先必须尽可能多地了解其细节。”
- 亚历克西斯·博林博士 - 高级研究员，太空 实验室
卢勒奥理工大学，基律纳，瑞典
图2展示了CARS的基本原理。分子样品受到三种激光频率（波长）的照射，分别称为泵浦、斯托克斯和探测光，它们通过三阶非线性光学机制与样品相互作用，从而产生第四种波长——CARS，该信号以“类激光高意 发射出来。 当泵浦与斯托克斯频率之间的差值恰好对应于被测分子中两个能级之间的差值时，信号强度会通过共振增强效应提高多个数量级。借助这种共振增强效应，仅需单次激光激发即可高效获得样品能级光谱，其中每个光谱峰的强度既取决于物种的数密度，也取决于各物种内部能级的粒子数。 通过这种方式，CARS 可以揭示气态样品中各化学物种的含量，而光谱的形状（由纯旋转或旋转-振动跃迁构成）则反映了局部玻尔兹曼温度。
图2：驱动CARS跃迁的激发效率取决于飞秒激光脉冲的持续时间/带宽。脉冲越短，能被相干激发的跃迁就越多。图由Alexis Bohlin提供。
采用单个Ultrafast CARS
Since the goal is to map as many transitions as possible via impulsive excitation, CARS today is usually performed with ultrafast lasers pulses. Bohlin explains, “We want a femtosecond duration pulse for the pump/Stokes beam as this has a broad spectral bandwidth covering many of the energy levels of interest simultaneously. The short pulse duration < 50 fs can be considered impulsive for most diatomic- and triatomic species, and it provides the most efficient form of exciting the molecules. We then need a tunable narrowband probe pulse, i.e., a picosecond duration pulse, so that the CARS spectrum – the signal in figure 2 - consists of well-resolved spectral features of our various molecular targets. And if you can get both pulses from the same laser source, these become automatically synchronized at the measurement location, which greatly simplifies the setup, it also reduces the signal beating between closely spaced transitions shot-to-shot, and it increases signal-to-noise.”
在代尔夫特理工大学（荷兰）的实验室里，博林及其学生基于一台配置为输出35飞秒脉冲高意 Astrella 飞秒放大器，搭建了一套CARS分析系统。脉冲能量 （数毫焦耳）使他们能够将输出信号进行分束，并将其中一部分直接用作宽带泵浦/斯托克斯脉冲。 剩余部分则通过一种名为二次谐波带宽压缩器（SHBC）的装置，生成持续时间为皮秒级的脉冲。经过SHBC处理后，再使用自制的脉冲整形器将脉冲持续时间调节至约3至15皮秒的范围。
以这一CARS引擎为基础，博林及其同事成功开展了针对燃烧火焰和系统的多种研究，完善了诸如结合原位监测激发效率的纯旋转CARS等技术，开发了太空ARS和级联CARS，并运用包括自相位调制在内的尖端性能 ，在燃烧室内部（即“窗后”）生成并扩展所需的激光波长。
强调简约、精准与准确
博林（Bohlin）的CARS系统最关键的优势，或许在于其稳定性，以及相较于传统方法而言的相对简便性。在过去的几年里，博林为实现这些目标进行了创新性的改进。他表示：“我们希望开发一种通用方法，必要时可以带到燃烧现场使用，而不是那种只能在实验室里、且仅适用于可搬入实验室的小型发动机的方法。 显然，即便是测试用火箭发动机，也无法带入普通的科研 。Astrella 具简单性和稳定性，这种单一激光光源的应用，在实现便携式系统方面Astrella 巨大作用。”
在CARS性能方面，他一直致力于实现全球最高精度和准确度的测量。博林解释道：光谱学 更详细地测量实验参数不仅仅是在某些数字后面多加几个小数点，而是往往能揭示重要的新科学发现。” 作为其研究方法的一个例证，他仅通过使用由Astrella 泵浦的SHBC产生的400 nm输出光Astrella 更常见的532 nm激光波长，便将CARS成像中的点扩散函数从40微米缩小到了20微米。
他目前正在重新建立一个用于氢气火焰的“标准燃烧器”，通过该装置，将以前所未有的准确度和精确度量化标准化性能参数。通过更精确地研究氢气火焰传播的基本要素——例如陡峭的热梯度和扩散问题——他正在验证基于20世纪90年代测量数据得出的旧理论和假设。
博林采用的CARS燃烧分析方法中，近期取得的若干进展值得深入探讨。
“我们希望找到一种通用方法，必要时可以带到燃烧现场使用，而不是那种只能在实验室里、且仅适用于可搬进实验室的小型发动机的方法。”
具有太空 时间双重分辨率的测温技术
In 2020 his group published a paper [1] demonstrating simultaneous – correlated – space (1D) and time (1D) resolution obtained with a single regenerative amplifier. Most analytical Raman measurements traditionally have focused on vibrational transitions, often with rotational-vibrational resolution from smaller molecules. Instead Bohlin has used pure-rotational CARS as this provides an optimum data format for precise thermometry and imaging. In this study, the team performed 1 kHz cinematographic 1D-CARS gas-phase thermometry across an unstable premixed methane/air flame-front, achieved with a single-shot precision <1% and accuracy <3%, 1.4 mm field of view, and an excellent <20 µm line-spread function. Here the signal generation plane was relayed by a wide-field coherent imaging spectrometer onto the detector plane. This was refreshed at the same repetition rate as the Astrella amplifier system that produced the naturally synchronized femtosecond and picosecond pulses as described above – see figure 3.
图3：使用单台Astrella 生成用于CARS测温的同步飞秒泵浦/斯托克斯光束和皮秒探测光束。图由Alexis Bohlin提供。
具有原位激励效率标定功能的CARS
博林研究组的另一项重要成果是其创新的偏振高意 光谱仪，该仪器能够在同一探测器帧上同时记录共振和非共振CARS信号[2]。他解释道：“这种检测方案可用于获取关于脉冲激发效率的原位信息，而这一参数在以往的所有飞秒光谱学研究中均未被知晓。 尽管该新方案的复杂程度较高，难以广泛应用，但它为突破当前CARS已确立的准确度与精密度水平开辟了一条独特路径——CARS已被视为气相诊断的基准。凭借创新 有望真正实现免校准，并且我看到该方法将标量测定性能推向最终理想极限（即±1%精密度和±1%准确度）的前景十分明朗。”
Figure 4: A resonant and a non-resonant CARS signal are generated and detected simultaneously, on the basis of a single-laser-shot with the Astrella. The resonant CARS signal (in channel 1) carries information about the temperature and species concentration in the sample, and the non-resonant CARS signal (channel 2) maps the effective bandwidth of the femtosecond laser pulse recorded in-situ. The information is needed to push the accuracy and precision of CARS scalar determination below the dream-limit of <1% [2].
级联CARS——对数密度高度敏感
级联CARS技术将整个CARS概念又向前推进了一步，使得受激CARS信号本身成为探针脉冲，从而从样品中产生更高阶的CARS信号！对于燃烧系统中常见的多组分目标，人们原本可能会认为这会产生复杂到无法使用的光谱。然而，博林（Bohlin）的研究小组已经证明，这些光谱实际上完全适合进行计算机分析[3]。 但为何要采用一种注定会产生微弱且难以分析的信号的技术呢？他解释道：“信号强度对数密度极其敏感——其与数密度呈四次方关系。因此，这确实有助于我们实现提高CARS物种测量灵敏度的目标。例如，它可作为一种强大的激光诊断手段，在充分混合的条件下定量分析混合物组分中微小的波动。 “能够精确确定、理解并控制可燃混合物的制备过程，对于高效、清洁燃烧反应发动机的设计者而言一直至关重要。”他指出，信号强度对激光强度也极为Astrella 在此处至关Astrella 脉冲能量 包括脉冲的时间和光谱分布。
图5：同时产生的级联CARS和CARS信号被分离，并在同一框架内通过一台偏振敏感高意 光谱仪进行检测。在级联CARS中，Astrella 的稳定性对于确保在整个感兴趣的旋转光谱带内Astrella 稳定的脉冲效率Astrella [3]。
具有自压缩脉冲的超宽带CARS效应
虽然热量测量法和级联CARS法仅针对火焰中的一个或两个物种，但博林的研究团队还展示了一种能够同时监测所有与燃烧相关的主要物种（例如O₂、H₂、CH₄和CO₂）的方法。该方法利用了一种成熟的原位产生超宽带飞秒脉冲的技术。 他们利用该方法对Astrella 进行博林所称的“软压缩”：通过火焰中实际产生的飞秒激光诱导丝状化，将脉冲宽度从35飞秒压缩至约24飞秒[4]。这使他们能够探测到1200-1600 cm⁻¹的“指纹区”，该区域涵盖了上述所有化学物质的旋转-振动特征谱带。 这种压缩技术在丝状结构的后缘产生了变换极限输出，随后在丝状结构与飞秒（fs）和皮秒（ps）光束交汇约4毫米处形成了CARS探测体积。博林解释道：“原位生成超宽带脉冲是一个巨大的优势，它简化了光学设置，避免了使用额外的脉冲压缩装置和调频补偿光学元件的必要性。 例如，火箭推进装置上的监测观察窗可能是一块2.5厘米厚的玻璃。若非如此，几乎不可能容纳因如此厚窗户而产生的飞秒脉冲色散。我们能够改用高度可控的原位丝状化生成方法Astrella 惊人稳定性。”
图5：在 超宽带CARS技术中 ，火焰内部产生的脉冲覆盖了整个1200-1600 cm⁻¹波数范围，从而能够穿透厚玻璃窗进行监测，且无需进行色散补偿。图片由Alexis Bohlin提供。
“我们能够改用一种高度可控的原位纤维化生成方法，这再次印证Astrella 非凡稳定性。”
真正腾飞科研 。
总而言之，由代尔夫特理工大学亚历克西斯·博林（Alexis Bohlin）领导的科研 ，通过CARS成像 光谱学 ，成功展示了光谱学 各类火焰及燃烧源中热梯度和数密度光谱学 强大能力和广泛适用性。这些研究以提高精度和准确性为共同主题，且其实验装置均采用 Astrella 作为关键激光元件。博林将把这些方法应用于瑞典基律纳太空 、拉普兰理工大学（LTU）以及埃斯兰格太空 ，对火箭推进系统进行分析。
参考文献
1. L. Castellanos, F. Mazza, D. Kliukin, A. Bohlin,基于单再生放大器系统实现的纯旋转一维CARS时空测温技术，《光学快报》45, 4662-4665 (2020)。[编辑精选]
2. F. Mazza, L. Castellanos, D. Kliukin, A. Bohlin,高意 . 基于瞬态激发效率原位校准的高意 成像测温法，《燃烧学会会议论文集》38, 1895-1904 (2020).
3. D. Kliukin, F. Mazza, L. Castellanos, A. Bohlin, 用于气相高灵敏度数密度测定的级联高意 《光谱学》；1-9 (2021)。[特刊]。
4. F. Mazza, N. Giffioen, L. Castellanos, D. Kliukin, A. Bohlin,光谱学 原位产生的超宽带飞秒激光激发光谱学 高温旋转-振动CO₂ 光谱学 高意 光谱学 》，已于 2021 年被《燃烧与火焰》期刊录用。