Astrella ermöglicht CARS-Spektroskopie mit dem Ziel umweltfreundlicherer Energie und Antriebe

Die Herausforderung

Von der Stromerzeugung bis hin zu Mobilitätsanwendungen kann ein besseres Verständnis der Verbrennungsprozesse zur Effizienzsteigerung und zu geringeren Emissionen beitragen. Ein wichtiger Schritt zum Erreichen dieses Verständnisses ist die Durchführung einer sehr detaillierten Kartierung der Verbrennungsflammentemperatur und -chemie. Modernste Laserdiagnostik zur präzisen Skalarbestimmung ist erforderlich, um die Schadstoffbildung aufzuklären und Erkenntnisse über Energieumwandlungsmechanismen zu gewinnen, die dazu beitragen können, Antriebssysteme oder andere Verbrennungstechnologien „grüner“ und nachhaltiger zu machen. Die beste Methode zur Fernsondierung hoher Flammentemperaturen ist derzeit die kohärente Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie (CARS). Dies ist jedoch eine hochkomplexe Technik, die in einem Labor von einem gut ausgebildeten Laseroperator durchgeführt werden muss. Ein Team unter der Leitung von Dr. Alexis Bohlin von der Technischen Universität Delft (Niederlande) machte sich daran, eine einfachere Methode zu entwickeln, die breiter eingesetzt werden könnte. Das Astrella One-Box-Lasersystem von Coherent mit ultraschnellem regenerativem Verstärker erwies sich als Schlüsselfaktor für ihre Arbeit.

Die Lösung

Dr. Bohlin erklärt: „Die Herausforderung besteht darin, dass die beste rein rotatorische CARS-Technik sowohl Femtosekunden-Pulse zur impulsiven Anregung der gasförmigen Moleküle in der Probe als auch Pikosekunden-Pulse zu deren Sondierung benötigt. Und wegen der hohen Temperatur der Flamme liegen die Moleküle in geringen Zahlendichten vor. Dies erfordert Laserpulse mit sehr hoher Leistung, die letztendlich eine nahezu „transformationsbegrenzte“ Pulslänge aufweisen und im Wesentlichen hinsichtlich der Phase perfekt synchronisiert sein sollten. Dies mit mehreren Laserquellen zu tun ist weniger praktikabel, aber bei der beeindruckenden Leistung des Astrella-Systems sahen wir eine andere Lösung und das war, es als eine einzige Laserquelle zu verwenden.“ In ihrem Versuchsaufbau wird die Leistung von Astrella aufgeteilt, wobei 35 % der Leistung zu 35 fs-Pulsen komprimiert und für die Impulsanregung (mit konstruktiven Zwei-Photonen-Paaren innerhalb der Bandbreite) verwendet werden, während die restlichen 65 % zur effizienten Erzeugung von ps-Sondenpulsen mit der Kompression der zweiten harmonischen Bandbreite (SHBC) genutzt werden. Hier ermöglicht die Verwendung eines selbstgebauten 4f-Pulsformers in der Transmission eine reibungslose Abstimmung der Sondenpulsdauer von etwa 2 ps bis etwa 15 ps, je nach Bedarf für eine optimale spektrale Auflösung verschiedener chemischer Spezies und Flammenbedingungen. Da die Pulse aus einer einzigen ultraschnellen Quelle stammen, werden diese automatisch am Messort in der Flamme synchronisiert und ihr hoher Energiegehalt erlaubt eine 1D-Abbildung, indem die fokussierten Strahlen als Lichtbögen ausgebildet werden.

Das Ergebnis

Mit ihrer rein rotierenden CARS-Bildgebungsmethode gelang es der Bohlin-Gruppe, räumlich und zeitlich hoch aufgelöste Daten über die Temperatur einer instabilen vorgemischten Methan/Luft-Flammenfront zu erhalten. Insbesondere demonstrierten sie die quantitative 1-kHz- 1D-CARS-Thermometrie mit einer Single-Shot-Präzision von <1 % und einer Genauigkeit von <3 %. [1] Dr. Bohlin fasst zusammen: „Es gibt viele diagnostische Herausforderungen für die Präzisionsthermometrie in der Welt, darunter ‚exotische‘ Beispiele wie aerodynamische Erwärmung in Stoßdämpferrohren und reaktive Triebwerke für den Start in den Weltraum. In der Vergangenheit musste man diese Anwendungen irgendwie ins Labor bringen, aber mit unserem optimierten System, das auf einer einzigen ultraschnellen Astrella-Quelle basiert, sollte es möglich sein, das Instrument zu den Anwendungen zu bringen, mit potenziell bahnbrechenden Auswirkungen.“

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