中国科学院 预混合贫甲烷/空气混合气流的超短激光丝点火示意图
不同入射激光能量下强飞秒激光丝辐照甲烷/空气混合气流的侧视图像
信用:臧宏伟、李和龙、、、、徐怀良、李如新 激光点火是贫燃料/空气混合物电子火花点火的一种有前途的无电极替代方法，具有高热效率和低有害排放
最广泛采用的激光点火方法之一是纳秒激光诱导火花点火(ns-LISI)，其中可燃混合物经历多光子电离，然后雪崩击穿，产生高温高压等离子体和冲击波
然而，由ns光源引起的不可避免的逐级能量波动导致击穿的随机性质，影响反应路线并产生潜在的不点火
虽然锂不是一个新概念，但人们普遍认为用超短飞秒激光点燃贫燃料混合物是很难实现的，因为雪崩击穿不能在飞秒时间尺度上发生，飞秒激光诱导的等离子体温度比纳秒激光泵浦的等离子体温度低1-2个数量级，这两者都降低了贫燃料的可燃性
事实上，研究人员迄今未能使用强飞秒脉冲激光点燃贫混合物
在《光科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，由中国吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室的徐怀良教授和中国科学院上海光学与精细机械研究所高场激光物理国家重点实验室的李如新教授领导的科学家团队，通过在成丝区用强飞秒激光脉冲照射贫甲烷/空气混合物，展示了飞秒激光的成功实现和鲁棒性
结果表明，用于稀薄燃烧的泵浦激光能量可以降低到∞1
能量沉积为25%，意味着只需要亚兆焦耳的能量就可以实现飞秒激光诱导发光
他们用1测试了激光点火
8兆焦耳的激光能量超过1000倍，因此获得了100%的成功率，显示了这种方法对点燃稀混合气的稳健性
本方法对各种不同化学计量比的发动机中的复杂燃烧条件具有普遍适用性
飞秒激光丝点燃火焰核动态演化的侧视图像
预混甲烷-空气流中的等离子体能量耦合，用50(蓝色三角形)、100(绿色圆圈)和200赫兹(红色正方形)的激光重复率测量
用ICCD不同时间延迟获得的贫燃料混合物的灯丝诱导发射光谱；插图:羟基(红色矩形)和CH(蓝点)自由基的信号强度是作为门延迟的函数测量的
信用:臧宏伟、李和龙、、、、徐怀良、李如新 与ns-LISI方案相比，fs-LI方案有两个主要优点:(1)超低点火能量，比ns-LISI方案小一个数量级；(2)100%点火成功率
fs-LI机制归因于灯丝中激光能量沉积的热效应，随后是燃烧化学反应，以及对线点火效应的鲁棒性，详细描述如下: “激光丝中自聚焦和等离子体散焦之间的动态平衡允许产生几个瑞利范围或鳄龙等离子体通道，激光强度限制在50-100瓦/平方厘米水平
燃料分子可以被高强度激光丝激活，甚至分裂，产生许多燃烧中间体
特别是，长灯丝提供了沿灯丝“多点”点火的可能性，称为“线”点火，这有助于提高稀混合气的点火可靠性
" “此外，在飞秒激光丝内部，尽管通过多光子/隧道电离、离解、拉曼激发和碰撞激发等各种能量沉积途径确定的气体分子的初始温度只有大约1400 K，但甲烷分子的低温氧化反应仍然会发生，这使得可燃化学反应得以引发，”他们补充说
“目前的方法，其中贫燃料混合物的超短激光点火在相对低温和厘米长的等离子体丝中工作，不仅对各种不同化学计量比的发动机中的复杂燃烧条件具有普遍适用性，而且提供了在激光-燃料相互作用后在飞秒/秒时间尺度上研究超快物理/化学过程的可能性，”科学家总结道
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