CARS를 통한 연소 분석 – 진정한 로켓 과학

CARS의 기본 개념은 그림 2에 나와 있습니다. 분자 샘플은 3차 비선형 광학 메커니즘을 통해 샘플과 상호 작용하는 펌프, 스토크스 및 프로브라는 3개의 레이저 주파수(파장)로 조사되어 4차 파장인 CARS를 생성하고, CARS는 "레이저와 유사한" 간섭성 신호로 전송됩니다. 펌프 및 스토크스 주파수 간의 차이는 조사된 분자의 두 에너지 레벨 간의 차이에 해당하며 신호 강도는 여러 자릿수만큼 공명하게 늘어납니다. 이러한 공명 향상을 통해 각 스펙트럼 피크의 강도가 종의 수 밀도와 각 종의 내부 에너지 수준의 개체군 모두에 의존하는 단일 레이저 샷을 사용하여 샘플의 에너지 준위 스펙트럼을 효율적으로 얻을 수 있습니다. 이러한 방식으로 CARS는 기체 샘플에 존재하는 각 화학종의 수를 알려 주고, 스펙트럼의 모양은 순수 회전 또는 회전-진동 전환으로 구성되어 로컬 볼츠만 온도를 알려 줍니다. 

단일 Ultrafast Amplifier를 사용하는 CARS

오늘날 CARS는 충동적 여기를 통해 가능한 한 많은 전환을 매핑하는 것이 목표이기 때문에 일반적으로 Ultrafast 레이저 펄스로 수행됩니다. Bohlin은 다음과 같이 설명합니다. "저희는 펌프/스토크스 빔에 대한 펨토초 지속 시간 펄스가 필요합니다. 이 펄스는 많은 관심 에너지 레벨을 동시에 포함하는 넓은 스펙트럼 대역폭을 갖기 때문입니다. 50fs 미만의 짧은 펄스 지속 시간은 대부분의 이원자 및 삼원자 종에 대해 충동적인 것으로 간주될 수 있으며 분자를 여기시키는 가장 효율적인 형태를 제공합니다. 그런 다음 조정 가능한 협대역 프로브 펄스, 즉 피코초 지속 시간 펄스가 필요하므로 CARS 스펙트럼(그림 2의 신호)은 다양한 분자 표적의 잘 분해된 스펙트럼 기능으로 구성됩니다. 또한 동일한 레이저 소스에서 두 펄스를 모두 얻을 수 있으면 측정 위치에서 이 펄스가 자동으로 동기화되어 설정이 크게 간소화되고 근접한 간격을 둔 전환 사이의 신호 박동도 샷 간에 감소하고 신호 대 잡음비가 증가합니다."

네덜란드 델프트 공과대학교에 있는 그의 연구실에서 Bohlin과 그의 학생들은 35fs 출력 펄스용으로 구성된 Coherent Astrella "원박스" 펨토초 증폭기를 기반으로 하는 CARS 분석 설정을 구축했습니다. 이 증폭기의 높은(수 밀리줄의) 펄스 에너지로 인해 출력을 분할하고 그 일부를 광대역 펌프/스토크스 펄스로 직접 사용할 수 있습니다. 그런 다음 다른 부분을 제2고조파 대역폭 압축기(SHBC)라는 장치로 피코초 지속 시간 펄스를 생성하는 데 사용합니다. SHBC를 사용한 후 자체 제작한 펄스 성형기를 사용하여 ~3-15피코초 영역에서 펄스 지속 시간을 조정합니다.

Bohlin과 동료들은 이를 기본 CARS 엔진으로 사용하여 연소 화염 및 시스템에 대한 다양한 연구를 성공적으로 수행하여 여기 효율의 현장 모니터링과 함께 순수 회전 CARS와 같은 기술을 완성하고, 시공 CARS, 캐스케이드식 CARS를 개발하고, 자기 위상 변조를 포함한 최첨단 개념을 사용하여 연소실 자체에서 "창 뒤의" 필요한 레이저 파장을 생성하고 확장합니다.

단순성, 정밀성 및 정확성 강조

아마도 Bohlin의 CARS 시스템의 가장 중요한 측면은 보다 전통적인 접근 방식에 비해 안정성과 상대적 단순성일 것입니다. 그리고 지난 몇 년 동안 Bohlin은 이러한 목적을 위해 혁신적인 개선을 이루었습니다. 그는 다음과 같이 말합니다. "실험실로 가져올 수 있는 소형 엔진에만 사용 가능한 실험실에 얽매인 방법보다는 필요한 경우 연소 현장으로 가져올 수 있는 보편적으로 적용 가능한 방법이 필요했습니다. 분명히 테스트 로켓 엔진조차 일반적인 연구실에 가져올 수 없습니다. Astrella의 단순성과 안정성과 함께 단일 레이저 소스의 사용은 휴대용 시스템을 현실로 만드는 데 큰 역할을 했습니다."

CARS 성능 측면에서 그는 목적 의식을 가지고 세계 최고의 정밀도와 정확도로 측정하는 것을 목표로 삼았습니다. Bohlin은 다음과 같이 설명합니다. "레이저 분광학의 역사는 실험 매개변수를 더 자세히 측정하는 것이 숫자에 소수점을 찍는 것이 아님을 보여 줍니다. 오히려 종종 중요하고 새로운 과학을 나타냅니다." 그의 접근 방식의 한 예로서, 그는 일반적인 532nm CARS 레이저 파장 대신 Astrella에 의해 펌핑된 SHBC의 400nm 출력을 사용하여 CARS 이미징의 점 확산 기능을 40미크론에서 20미크론으로 감소시켰습니다.

그는 지금 표준화된 성능 세부 사항이 전례 없는 정확성과 정밀도로 정량화될 H₂ 화염을 위한 "표준 버너"를 재구축하고 있습니다. 가파른 열 구배 및 확산 문제와 같은 수소 화염 전파의 기본 요소를 보다 정확하게 살펴봄으로써 1990년대에 이루어진 측정을 기반으로 한 오래된 이론과 가정을 확인하고 있습니다.

Bohlin이 배포한 CARS 연소 분석의 최근 발전 사항 중 일부는 더 자세히 살펴볼 가치가 있습니다.

여기 효율의 현장 참조를 사용하는 CARS

Bohlin 연구팀의 또 다른 중요한 발전은 동일한 검출기 프레임에서 공명 및 비공명 CARS 신호를 동시에 기록할 수 있는 혁신적인 편광 감지 간섭성 이미징 분광계입니다[2]. Bohlin은 다음과 같이 설명합니다. "이 탐지 체계는 이전의 모든 펨토초 분광학에서 알려지지 않은 충동적 여기 효율에 대한 현장 정보를 획득하는 데 사용할 수 있습니다. 이 새로운 프로토콜은 널리 사용되기에는 복잡성 수준이 상당히 높지만 이미 기상 진단의 벤치마크로 간주되는 CARS의 현재 확립된 정확도 및 정밀도 수준을 뛰어넘는 고유한 경로를 제공합니다. 이 혁신을 통해 보정이 정말 필요하지 않게 되었으며, 스칼라 결정 성능을 ±1% 정밀도와 ±1% 정확도를 제공하는 궁극적인 꿈의 한계까지 밀어붙일 수 있는 이 방법의 분명한 전망이 보입니다." 

캐스케이드식 CARS – 수 밀도에 매우 민감

캐스케이드식 CARS는 전체 CARS 개념을 한 단계 더 발전시켜 자극된 CARS 신호 자체가 샘플에서 더 높은 차수의 CARS 신호를 생성하는 프로브 펄스가 됩니다! 연소 시스템에서 발견되는 다중 종 표적의 경우, 이는 사용할 수 없는 복잡한 스펙트럼을 생성할 것으로 예상될 수 있습니다. 그러나 Bohlin의 그룹은 스펙트럼이 실제로 컴퓨터 분석에 완벽하게 적합하다는 것을 보여 주었습니다[3]. 그러나 분석하기에 약하고 다소 복잡한 신호를 생성하도록 보장된 기술을 사용하는 이유는 무엇일까요? 그는 다음과 같이 설명합니다. "신호 강도는 수 밀도에 매우 민감합니다. (수 밀도)에 따라 조정됩니다₄. 따라서 CARS 종 측정의 감도를 높이려는 저희의 사명을 실제로 지원합니다. 예를 들어 잘 혼합된 조건에서 대량 혼합물 조성의 미세한 변화까지도 정량화하는 강력한 레이저 진단 도구로 사용할 수 있습니다. 가연성 혼합물 준비 공정을 정확하게 결정, 이해 및 제어하는 능력은 효율적이고 깨끗하게 연소되는 반응 엔진 설계자들에게 항상 매우 중요했습니다." 그는 신호 강도도 레이저 강도에 매우 민감하므로 Astrella의 높은 안정성은 펄스 에너지뿐만 아니라 펄스의 시간 및 스펙트럼 프로파일 측면에서 매우 중요하다고 말합니다.