Astrella CARS-Spektroskopie für umweltfreundlichere Energie und Antriebe

Die Herausforderung

Von der Stromerzeugung bis hin zu Mobilitätsanwendungen kann ein besseres Verständnis von Verbrennungsprozessen dazu beitragen, die Effizienz zu steigern und Emissionen zu senken. Ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu diesem Verständnis ist die äußerst detaillierte Kartierung der Temperatur und Chemie der Verbrennungsflamme. Modernste Laserdiagnostik zur präzisen Bestimmung skalare Größen ist erforderlich, um die Schadstoffbildung aufzuklären und Einblicke in Energieumwandlungsmechanismen zu gewinnen, die dazu beitragen können, Antriebssysteme oder andere Verbrennungstechnologien „grüner“ und nachhaltiger zu gestalten. Derzeit ist die beste Methode zur Fernmessung hoher Flammentemperaturen Coherent (CARS). Dabei handelt es sich jedoch um eine hochkomplexe Technik, die in einem Labor von einem gut ausgebildeten Laserbediener durchgeführt werden muss. Ein Team unter der Leitung von Dr. Alexis Bohlin an der Technischen Universität Delft (Niederlande) machte sich daran, eine einfachere Methode zu entwickeln, die breiter eingesetzt werden könnte. Die Coherent Astrella One-Box ultrafast Lasersystem sich als entscheidender Faktor für ihre Arbeit.

Die Lösung

Dr. Bohlin erklärt: „Die Herausforderung besteht darin, dass die beste rein rotatorische CARS-Technik sowohl Femtosekundenimpulse zur impulsiven Anregung der gasförmigen Moleküle in der Probe als auch Pikosekundenimpulse zu deren Untersuchung erfordert. Und aufgrund der hohen Temperatur der Flamme liegen die Moleküle in geringer Anzahldichte vor. Dies erfordert Laserpulse mit sehr hoher Leistung, deren Pulslänge letztlich nahezu „transformationsbegrenzt“ sein sollte und die im Wesentlichen phasenmäßig perfekt synchronisiert sein müssen. Dies mit mehreren Laserquellen zu bewerkstelligen, ist weniger praktikabel, aber dank der beeindruckenden Leistung des Astrella sahen wir eine andere Lösung, nämlich ihn als einzelne Laserquelle zu nutzen.“ In ihrem Versuchsaufbau wird die Astrella aufgeteilt: 35 % der Leistung werden zu 35-fs-Impulsen komprimiert, die für die impulsive Anregung verwendet werden (mit konstruktiven Zwei-Photonen-Paaren innerhalb der Bandbreite), während die restlichen 65 % dazu dienen, ps-Probeimpulse effizient mittels Bandbreitenkompression der zweiten Harmonischen (SHBC) zu erzeugen. Hier ermöglicht der Einsatz eines selbstgebauten 4f-Pulsformers im Durchlassmodus eine stufenlose Abstimmung der Sondenpulsdauer von etwa 2 ps bis zu etwa 15 ps, je nach Bedarf für eine optimale spektrale Auflösung verschiedener chemischer Spezies und Flammenbedingungen. Da die Pulse von einer einzigen ultrafast stammen, werden diese am Messort in der Flamme automatisch synchronisiert, und ihr hoher Energiegehalt ermöglicht eine 1D-Bildgebung durch die Bildung der fokussierten Strahlen als Lichtblätter.

Das Ergebnis

Using their pure-rotational CARS imaging method, the Bohlin group successfully obtained high spatial and temporal resolution data on the temperature of an unstable premixed methane/air flame-front. Specifically, they demonstrated 1 kHz cinematographic 1D-CARS quantitative thermometry obtained with a single-shot precision of <1% and an accuracy <3%. [1] Dr. Bohlin summarizes, “There are many diagnostic challenges for precision thermometry in the world, including ‘exotic’ examples like aerodynamic heating in shock tubes and reactive engines for launching into space. In the past, you had to somehow bring these applications to the lab, but with our streamlined system based on a single Astrella ultrafast source, it should be possible to take the instrument to the applications, with potentially game-changing implications.”

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