激光點火(Laser ignition, LI)可以精確控制點火時間和位置，并有望在貧油條件下實現(xiàn)汽車和火箭發(fā)動機(jī)以及航空渦輪的綠色燃燒，并提高排放效率。然而，實現(xiàn)完全有效和可靠的點火仍然是一個挑戰(zhàn)。在這里，吉林大學(xué)和上光所的研究人員通過超短脈沖點燃稀薄的甲烷/空氣混合物的成功率達(dá)100％的實現(xiàn)，該飛秒激光長期以來一直被認(rèn)為是不合適的燃料點火源。
激光點火(Laser ignition, LI)是有望無電極替代貧燃料/空氣混合物電子火花點火的替代方法，具有高熱效率和低有害排放物。最廣泛采用的LI方法之一是納秒激光誘導(dǎo)火花點火(nanosecond laser-induced spark ignition, ns-LISI)，其中可燃混合物經(jīng)歷多光子電離，然后雪崩擊穿，產(chǎn)生高溫高壓等離子體和沖擊波。沖擊波膨脹后，由許多原子和離子組成的熱等離子體冷卻并演化為火焰核，最后通過化學(xué)支化反應(yīng)發(fā)展為完全燃燒。但是，由ns光源引起的不可避免的逐次能量波動會導(dǎo)致?lián)舸┑碾S機(jī)性，影響反應(yīng)路線并產(chǎn)生潛在的失火現(xiàn)象。
盡管LI并不是一個新概念，但人們普遍認(rèn)為通過超短脈沖點燃稀薄混合氣很難實現(xiàn)，因為在飛秒時間尺度上不會發(fā)生雪崩擊穿，并且不會產(chǎn)生飛秒激光誘導(dǎo)的等離子體溫度比納秒激光泵浦的等離子體溫度低1-2個數(shù)量級，這兩者都降低了稀薄燃料的可燃性。確實，研究人員未能在緊密聚焦方案中使用強(qiáng)飛秒激光誘導(dǎo)的等離子火花來點燃稀薄混合物。另外，有人建議，飛秒激光可以作為輔助源，以輔助ns-LISI10中的等離子體形成和連續(xù)流控制，并在其重復(fù)率較高（≥500Hz）時提高火焰的燃燒速度和穩(wěn)定性。
在這里，來自吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院集成光電子學(xué)國家重點實驗室的Huailiang Xu教授和中國科學(xué)院上海光學(xué)與精細(xì)機(jī)械研究所高場激光物理國家重點實驗室的Ruxin Li教授領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊報告了使用強(qiáng)力飛秒激光進(jìn)行的原理性稀薄燃料燃燒的意外結(jié)果，成功率很高。他們沒有依靠非常緊密聚焦的飛秒激光束，而是采用了以貧甲烷/空氣混合物在自通道化狀態(tài)下傳播的飛秒強(qiáng)烈激光，這種自溝道技術(shù)通常被稱為飛秒激光絲化。激光燈絲中的自聚焦和等離子體散焦之間的動態(tài)平衡允許產(chǎn)生幾個瑞利范圍或更長的等離子體通道，而激光強(qiáng)度則固定在約50-100 TW cm-的水平。最近的研究表明，燃料分子可以被高強(qiáng)度的激光燈絲活化甚至破碎，從而產(chǎn)生許多燃燒中間體。特別地，長燈絲提供了沿?zé)艚z“多點”點火（以下稱為“線”點火）的可能性，這可以改善稀薄混合物的點火可靠性。此外，在飛秒激光燈絲內(nèi)部，盡管通過各種能量沉積途徑（例如多光子/隧道離子化、離解、拉曼激發(fā)和碰撞激發(fā)）確定的氣體分子的初始溫度，僅約1400K，甲烷分子的低溫氧化反應(yīng)仍會發(fā)生，這可能會引發(fā)可燃化學(xué)反應(yīng)。
圖1. 激光燈絲點火概念和超低能量閾值點火圖像
▲圖解：a. 是預(yù)混合的稀甲烷/空氣混合物流的超短激光燈絲點火的示意圖。b強(qiáng)烈的飛秒激光燈絲在不同入射激光能量下照射的甲烷/空氣混合物流的側(cè)視圖圖像
通過圖1a中所示的實驗設(shè)置，在圖1b中，研究人員顯示了由強(qiáng)飛秒激光燈絲照射到的層流預(yù)混合甲烷/空氣流的實驗記錄側(cè)視圖圖像不同的輸入激光能量，所有這些能量都高于自聚焦的臨界功率。從圖1b可以看出，當(dāng)輸入激光能量為1.2 mJ時，除了飛秒細(xì)絲沿細(xì)絲引起的熒光外，沒有觀察到火焰。也就是說，LI在這種情況下失敗了。隨著激光能量增加到1.4μmJ，燈絲上方開始出現(xiàn)弱火焰，隨著激光能量的進(jìn)一步增加，可以觀察到具有強(qiáng)光發(fā)射的火焰，從而模糊了燈絲誘導(dǎo)的熒光。
▲圖解：a. 飛秒激光燈絲點燃的火焰核動態(tài)演變的側(cè)視圖圖像。b. 在預(yù)混合的甲烷-空氣流中的等離子能量耦合以50（藍(lán)色三角形），100（綠色圓圈）和200 Hz（紅色正方形）的激光重復(fù)頻率測量。c. 在ICCD的不同時間延遲下獲得的稀薄燃料混合物的細(xì)絲誘導(dǎo)的OES光譜；插圖：OH（紅色矩形）和CH（藍(lán)點）自由基的信號強(qiáng)度，隨門控延遲而變化。
上述結(jié)果清楚地表明，當(dāng)輸入激光能量為>1.5 mJ時，在貧甲烷/空氣混合物中可以明確地獲得超短李燦，這估計比ns-LISI方案中的低一個數(shù)量級(大約幾十mJ)，能量沉積為25%，這意味著只需要亞兆焦耳的能量就可以實現(xiàn)燃料電池的燃料效率。他們測試了激光點火1.8 mJ的激光能量超過1000倍，因此獲得了100%的成功率，顯示了這種方法對點燃稀混合氣的魯棒性。本方法對各種不同化學(xué)計量比的發(fā)動機(jī)中的復(fù)雜燃燒條件具有普遍適用性。與ns-LISI方案相比，fs-LI方案具有兩個主要優(yōu)點：（i）超低點火能量，大約比ns-LISI方案小一個量級，以及（ii）100 ％點火成功率。fs-LI機(jī)制歸因于熱效應(yīng)，其原因是細(xì)絲中的激光能量沉積，隨后的燃燒化學(xué)反應(yīng)以及對線路點火效應(yīng)的魯棒性。
Hongwei Zang et al, Robust and ultralow-energy-threshold ignition of a lean mixture by an ultrashort-pulsed laser in the filamentation regime, Light: Science & Applications(2021). DOI: 10.1038/s41377-021-00496-8
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