我们都知道汽车行业如何提高汽油和柴油车辆的燃油效率以减少其对环境的影响。您可能已经了解到发电公司如何将二氧化碳捕获和燃烧氢气视为降低其温室气体 (GHG) 排放的方法。但是您知道吗，不断发展的航天发射行业也在致力于研发更清洁的火箭发动机，以提高推进效率并降低有害排放物？
由于太空发射的激增，人们越来越意识到这很重要。具体而言，公共和私营部门的组织都在竞相将大量卫星发射到近地轨道 (LEO)。这些卫星“星座”的主要目的是改善和扩大我们的电信基础设施。其他组织正在制定星座计划，以便收集从跟踪天气到监控交通等各种类型的成像和传感数据。
工程师们正在研究更高效的推进系统，以尽可能减轻快速发展的商业航天发射行业对大气的影响。
当然，如果您想提高火箭发动机之类设备的性能，那么如果您知道其内部的运转细节，那真的很有帮助。吕勒奥理工大学（瑞典）的基律纳太空校区最近为进行这项研究聘请了 Alexis Bohlin 博士，他还与 Esrange 航天中心合作。
Bohlin 是激光诊断技术监测燃烧系统研究领域公认的佼佼者，尤其在采用相干反斯托克斯拉曼散射 (CARS) 光谱诊断这项复杂技术方面，他的研究更是出色。他说，“激光诊断技术可以很好地测量反应流中的标量，而不会干扰研究人员所关注的测量区域，同时由于其较高的空间和时间分辨率，能够提供更多有用信息。我的研究重点是使用 CARS 成像技术绘制有效温度和几种不同化学物质（包括 N2、O2、H2、CH4、C3H8、CO2、H2O 等）的浓度，并尽可能使其精确且准确。”
CARS 使用激光束分析从简单的氢火焰到复杂火箭发动机的燃烧源。图片来源 Alexis Bohlin。
CARS 是实验室中常见的一项技术，它采用超快激光作为光源，可以对样本的化学成分进行成像。CARS技术已经用于观察分子结构甚至针对活体组织进行 3D 成像。但火箭发动机面临的挑战是您不能把它带到实验室中，它太大了！因此像 Bohlin 这样的科学家需要找到某种方法，使CARS技术能够应用于火箭发动机的燃烧诊断。通常的CARS系统需要使用两束或者三束波长不同的激光脉冲，需要大量光学器件对光路进行精确调整和控制精确，这并不是一件简单的事情。
我们非常了解 Bohlin 博士。因为他之前在代尔夫特理工大学（荷兰）的实验室中，与他的学生使用 Coherent Astrella 一体化飞秒放大器，搭建了一套 CARS 装置。Astrella 中心波长为 800 nm，脉冲能量高达数毫焦。其输出脉冲被一分为二，其中一路直接作为CARS系统的激发光。另外一路进入二次谐波带宽压缩器 (SHBC) 后产生的皮秒脉冲，用于泵浦皮秒光学参量放大器。该参量放大器产生的可调谐的脉冲则作为 CARS 系统的另外一路激发脉冲。通过将此作为他们的基础 CARS 发动机，Bohlin 及其同事成功地对燃烧火焰和等离子体进行了各种不同的研究。
在过去几年中，Bohlin 对其 CARS 测量技术进行了创新和改进。与传统方法相比，Bohlin 实验室搭建的 CARS 系统更加简化且具有更高的稳定性。他说：“我们需要一种更加便携的系统，在必要时可以将其带到燃烧现场，而不是只能对带到实验室的小型发动机使用的实验室方法。” 这一专注促使他最近被吕勒奥理工大学基律纳空间校区招募，我们很自豪地注意到，Astrella 再次成为他强大的诊断装置的工作核心。
因此，当谈到使用 CARS 光谱研究燃烧问题时，我们可以说“这是真正的火箭科学”。
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