江蘇鐳射聯盟導讀：
鐳射點火(Laser ignition, LI)可以精確控制點火時間和位置，並有望在貧油條件下實現汽車和火箭發動機以及航空渦輪的綠色燃燒，並提高排放效率。然而，實現完全有效和可靠的點火仍然是一個挑戰。在這裡，吉林大學和上光所的研究人員透過超短脈衝點燃稀薄的甲烷/空氣混合物的成功率達100％的實現，該飛秒鐳射長期以來一直被認為是不合適的燃料點火源。
鐳射點火(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。最廣泛採用的LI方法之一是納秒鐳射誘導火花點火(nanosecond laser-induced spark ignition, ns-LISI)，其中可燃混合物經歷多光子電離，然後雪崩擊穿，產生高溫高壓等離子體和衝擊波。衝擊波膨脹後，由許多原子和離子組成的熱等離子體冷卻並演化為火焰核，最後透過化學支化反應發展為完全燃燒。但是，由ns光源引起的不可避免的逐次能量波動會導致擊穿的隨機性，影響反應路線併產生潛在的失火現象。
儘管LI並不是一個新概念，但人們普遍認為透過超短脈衝點燃稀薄混合氣很難實現，因為在飛秒時間尺度上不會發生雪崩擊穿，並且不會產生飛秒鐳射誘導的等離子體溫度比納秒鐳射泵浦的等離子體溫度低1-2個數量級，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飛秒鐳射誘導的等離子火花來點燃稀薄混合物。另外，有人建議，飛秒鐳射可以作為輔助源，以輔助ns-LISI10中的等離子體形成和連續流控制，並在其重複率較高（≥500Hz）時提高火焰的燃燒速度和穩定性。
在這裡，來自吉林大學電子科學與工程學院整合光電子學國家重點實驗室的Huailiang Xu教授和中國科學院上海光學與精細機械研究所高場鐳射物理國家重點實驗室的Ruxin Li教授領導的科學家團隊報告了使用強力飛秒鐳射進行的原理性稀薄燃料燃燒的意外結果，成功率很高。他們沒有依靠非常緊密聚焦的飛秒鐳射束，而是採用了以貧甲烷/空氣混合物在自通道化狀態下傳播的飛秒強烈鐳射，這種自溝道技術通常被稱為飛秒鐳射絲化。鐳射燈絲中的自聚焦和等離子體散焦之間的動態平衡允許產生幾個瑞利範圍或更長的等離子體通道，而鐳射強度則固定在約50-100 TW cm-²的水平。最近的研究表明，燃料分子可以被高強度的鐳射燈絲活化甚至破碎，從而產生許多燃燒中間體。特別地，長燈絲提供了沿燈絲“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，在飛秒鐳射燈絲內部，儘管透過各種能量沉積途徑（例如多光子/隧道離子化、離解、拉曼激發和碰撞激發）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仍會發生，這可能會引發可燃化學反應。
圖1. 鐳射燈絲點火概念和超低能量閾值點火影象
▲圖解：a. 是預混合的稀甲烷/空氣混合物流的超短鐳射燈絲點火的示意圖。b強烈的飛秒鐳射燈絲在不同入射鐳射能量下照射的甲烷/空氣混合物流的側檢視影象
透過圖1a中所示的實驗設定，在圖1b中，研究人員顯示了由強飛秒鐳射燈絲照射到的層流預混合甲烷/空氣流的實驗記錄側檢視影象不同的輸入鐳射能量，所有這些能量都高於自聚焦的臨界功率。從圖1b可以看出，當輸入鐳射能量為1.2 mJ時，除了飛秒細絲沿細絲引起的熒光外，沒有觀察到火焰。也就是說，LI在這種情況下失敗了。隨著鐳射能量增加到1.4μmJ，燈絲上方開始出現弱火焰，隨著鐳射能量的進一步增加，可以觀察到具有強光發射的火焰，從而模糊了燈絲誘導的熒光。
▲圖解：a. 飛秒鐳射燈絲點燃的火焰核動態演變的側檢視影象。b. 在預混合的甲烷-空氣流中的等離子能量耦合以50（藍色三角形），100（綠色圓圈）和200 Hz（紅色正方形）的鐳射重複頻率測量。c. 在ICCD的不同時間延遲下獲得的稀薄燃料混合物的細絲誘導的OES光譜；插圖：OH（紅色矩形）和CH（藍點）自由基的訊號強度，隨門控延遲而變化。
上述結果清楚地表明，當輸入鐳射能量為>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燃料電池的燃料效率。他們測試了鐳射點火1.8 mJ的鐳射能量超過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計量比的發動機中的複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機制歸因於熱效應，其原因是細絲中的鐳射能量沉積，隨後的燃燒化學反應以及對線路點火效應的魯棒性。
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