"Этот прибор предоставит мощные возможности для исследования динамических процессов, таких как диффузия, смешивание, передача энергии и химические реакции", - сказал руководитель исследовательской группы Алексис Болин из Технологического университета Лулео в Швеции. "Понимание этих процессов имеет основополагающее значение для разработки более экологически чистых двигательных установок".

В журнале издательской группы "Оптика" Оптика Экспресс, Болин и его коллеги из Технологического университета Делфта и Амстердамского университета Врие, оба в Нидерландах, описывают свой новый прибор для когерентной рамановской спектроскопии для изучения водорода. Это стало возможным благодаря установке, которая преобразует широкополосный свет от лазера с короткими (фемтосекундными) импульсами в чрезвычайно короткие суперконтинуальные импульсы, которые содержат широкий диапазон длин волн.

Исследователи продемонстрировали, что генерация этого суперконтинуума может быть выполнена за толстым оптическим окном того же типа, что и в камерах высокого давления, используемых для изучения двигателя на основе водорода. Это важно, потому что другие методы генерации сверхширокополосного возбуждения не работают при наличии оптических окон такого типа.

"Богатое водородом топливо, изготовленное из возобновляемых ресурсов, может оказать огромное влияние на сокращение выбросов и внести значительный вклад в смягчение антропогенного изменения климата", - сказал Болин. "Наш новый метод может быть использован для изучения этих топлив в условиях, которые очень напоминают условия в ракетных и аэрокосмических двигателях".

Получение света в

Существует большой интерес к разработке аэрокосмических двигателей, работающих на возобновляемом топливе, богатом водородом. В дополнение к своей привлекательности для экологичности, эти виды топлива обладают одним из самых высоких достижимых удельных импульсов - показателем того, насколько эффективно химическая реакция в двигателе создает тягу. Однако было очень сложно сделать химические двигательные установки на основе водорода надежными. Это связано с тем, что повышенная реакционная способность топлив, богатых водородом, существенно изменяет свойства горения топливной смеси, что повышает температуру пламени и уменьшает время задержки воспламенения. Кроме того, сгорание в ракетных двигателях, как правило, очень сложно контролировать из-за чрезвычайно высоких давлений и температур, возникающих при полетах в космос.

"Развитие технологий для устойчивого запуска и аэрокосмических двигательных установок зависит от согласованного взаимодействия между экспериментами и моделированием", - сказал Болин. "Однако по-прежнему существует ряд проблем с точки зрения получения надежных количественных данных для проверки моделей".

Одним из препятствий является то, что эксперименты обычно проводятся в замкнутом пространстве с ограниченной передачей оптических сигналов внутрь и наружу через оптические окна. Это окно может привести к тому, что импульсы суперконтинуума, необходимые для когерентной рамановской спектроскопии, будут растягиваться по мере прохождения через стекло. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи разработали способ передачи фемтосекундного импульсного лазера через толстое оптическое окно, а затем использовали процесс, называемый лазерно-индуцированной филаментацией, для преобразования его в суперконтинуумные импульсы, которые остаются когерентными с другой стороны.

Изучение водородного пламени

Чтобы продемонстрировать новый прибор, исследователи настроили фемтосекундный лазерный луч с идеальными свойствами для генерации суперконтинуума. Затем они использовали его для проведения когерентной рамановской спектроскопии путем возбуждения молекул водорода и измерения их вращательных переходов. Они смогли продемонстрировать надежные измерения газообразного водорода в широком диапазоне температур и концентраций, а также проанализировали диффузионное пламя водорода/воздуха, подобное тому, которое можно было бы увидеть при сжигании богатого водородом топлива.

В настоящее время исследователи используют свой прибор для проведения детального анализа в турбулентном водородном пламени в надежде сделать новые открытия о процессе горения. С целью внедрения метода для исследований и испытаний ракетных двигателей ученые изучают ограничения метода и хотели бы протестировать его с помощью водородного пламени в закрытом корпусе со слабым давлением.