CN113431723B - 一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火系统及方法，属于激光点火技术领域，包括飞秒激光放大器、二分之一半波片、偏振片、介质膜高反镜、平凸透镜、燃烧器及烧蚀钽靶；烧蚀钽靶放在与燃烧器出口相切处，飞秒激光放大器产生的激光脉冲依次经过二分之一半波片、偏振片、介质膜高反镜、平凸透镜，经过平凸透镜之后在燃烧器的出口区域产生光丝。首先用聚焦透镜将飞秒激光脉冲聚焦形成光丝，聚焦到烧蚀靶表面，在燃烧气流中形成高温热等离子体，从而诱导产生火焰核，使用焦距为1m的聚焦透镜，实现远距离点火和激光点火对位置的不敏感，提高点火稳定性，并且激光脉冲对钽靶损伤小，1000个以上激光脉冲作用后还能实现100％的点火成功率。

Description

一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火系统及方法

技术领域

本发明属于激光点火技术领域，具体涉及一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火系统及方法。

背景技术

随着工业和经济的发展，能源的消耗量越来越大，污染气体的排放加剧气候和大气环境的恶性变化。发动机作为生活中重要的能源消耗器，在交通运输、工业制造和航空航天领域应用十分广泛，传统的电火花点火装置已经无法满足高效、清洁的点火要求，可控性好、稳定的激光点火受到人们的青睐，有望替代电火花点火装置。传统的纳秒激光点火，由于可以改变激光参数，点火正时、点火位置可以精确控制，并且可以实现多点点火的可行性；激光点火属于非入侵式，降低对火焰核的形成和发展，有效减少热损耗，可以提高入射激光利用率，减少最小点火能量；并且，激光点火不需要电极，避免了火花塞电极引起的淬灭效应。纳秒激光点火由于是脉冲激光聚焦在燃烧气体区域使得燃烧气体发生多光子电离，然后发生雪崩击穿，诱导燃烧气体发生燃烧化学反应形成火焰核，但是由于击穿的随机性，存在潜在的失火。

强飞秒激光在光学介质中非线性传播会形成强度均匀，狭长的高功率密度区域，称之为飞秒激光光丝，是由于克尔自聚焦和等离子体散焦之间动态平衡的结果。飞秒激光聚焦之后在燃烧气体区域形成光丝，当光丝中等离子体体积和密度达到平衡时，就会诱导火焰核的产生。飞秒激光点火可以实现100％的成功率和亚毫焦量级的最小点火激光脉冲能量(MPE)，提高了激光脉冲的稳定性，并且贫燃条件下的激光点火有效降低了有害气体的排放，实现探测fs/ps时间尺度的燃烧动力学过程。但是，飞秒激光还是很难实现长距离点火。

发明内容

为了实现飞秒激光远距离点火，本发明提供了一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火系统及方法，是利用飞秒激光光丝作用在烧蚀靶表面，产生高温热等离子体，诱导燃烧气体发生燃烧化学反应，产生火焰核。

本发明具体实施方案如下：

一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火装置，包括飞秒激光放大器1、二分之一半波片2、偏振片3、介质膜高反镜4、平凸透镜5、燃烧器7及烧蚀钽靶9；其中，烧蚀钽靶9放在与燃烧器出口相切处，飞秒激光放大器1产生的激光脉冲依次经过二分之一半波片2、偏振片3、介质膜高反镜4、平凸透镜5，经过平凸透镜5之后在燃烧器7的出口区域产生光丝，飞秒激光脉冲的能量可通过旋转半波片来实现激光能量的连续变化。

进一步地，所述点火系统还包括一维位移平台6及三维精密位移平台8，所述一维位移平台6用于固定平凸透镜5，沿激光传播方向调节平凸透镜5的位置，从而使光丝的不同位置作用于烧蚀钽靶9；所述三维精密位移平台8用于固定烧蚀钽靶9，可移动烧蚀钽靶9的位置，使光丝作用于钽靶的不同位置上。

进一步地，飞秒激光放大器1是带有震荡器的飞秒激光放大器，能产生中心波长为800nm，脉冲宽度为40fs，重复频率为1Hz-1000Hz，单脉冲能量是最大值为2.9mJ的激光脉冲。

进一步地，平凸透镜5的焦距为100cm，可产生长度为8.5cm的光丝。

进一步地，燃烧器7的出气口直径为10mm，采用燃烧器7将甲烷和空气进行预混合，气流固定在1m/s,并且用流量计控制当量比，当量比范围为0.55-1.25，实现贫燃下的燃烧.

本发明的另一目的在于提供一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火的方法，具体步骤如下：

(1)、将烧蚀钽靶夹在三维精密位移平台上，移动三维精密位移平台使烧蚀钽靶位于燃烧器的出口相切处，紧贴着燃烧器上方；

(2)、调节流量计中流量控制器甲烷显示数值为0.34,而空气显示数值为3.55，这时当量比为0.65；

(3)、飞秒激光放大器产生的飞秒激光脉冲经二分之一半波片、偏振片、高反镜和平凸透镜之后在燃烧器出口上方5mm处形成光丝，对烧蚀钽靶进行激光烧蚀点火。

与现有的点火技术相比，本发明的优点如下：

本发明的一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火系统及方法，利用光丝烧蚀钽靶产生热等离子体，诱导火焰核的产生，能实现100％的成功率，可以实现长距离点火，并且光丝的点火范围增加到约2cm，减少了点火成功率对位置的依赖性，提高点火的稳定性，此外，激光脉冲对烧蚀钽靶的损伤小，1000个激光脉冲之后点火效率仍是100％。

附图说明

图1为本发明的一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火技术的装置示意图；

图中：飞秒激光放大器1、二分之一半波片2、偏振片3、介质膜高反镜4、平凸透镜5、一维位移平台6、McKenna燃烧器7、三维精密位移平台8、烧蚀钽靶9；

其中，平凸透镜焦距为100cm，可以产生长度为8.5cm的光丝，光丝距离燃烧器出口上方5mm；燃烧器配置有用来控制甲烷/空气当量比的流量计；

图2为使用焦距为100cm的平凸透镜聚焦产生的光丝图片；

其中，所示的P1-P4是移动钽靶在光丝中的位置，都能实现100％点火效率，光丝传播方向是从左向右；

图3为一个激光脉冲作用后的坦靶的SEM照片，激光脉冲对烧蚀钽靶损伤很小，1000个脉冲作用后仍能实现100％点火；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步地说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提出了一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火系统，其装置包括飞秒激光放大器1、二分之一半波片2、偏振片3、介质膜高反镜4、平凸透镜5、一维位移平台6、McKenna燃烧器7、三维精密位移平台8、烧蚀钽靶9；激光放大器1产生的飞秒激光脉冲依次经过二分之一半波片2、偏振片3、介质膜高反镜4、平凸透镜5，经过平凸透镜之后再燃烧器7出口上方形成光丝，烧蚀钽靶9放在与燃烧器7出口相切处。试验中可以旋转二分之一半波片来实现连续调节入射激光能量，甲烷/空气的当量比可以通过流量控制器来调节。

实施例2

一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火方法，具体步骤如下：首先，将长为5cm、宽为8cm、厚度为0.1cm的烧蚀钽靶9夹在三维精密位移平台8，移动位移平台使烧蚀钽靶9放在McKenna燃烧器7出口相切处，紧贴着燃烧器上方；

然后，调节流量计中流量控制器甲烷显示数值为0.34,而空气显示数值为3.55，这时当量比为0.65；

随后，使用Spectra-Physics公司的带有振荡器的飞秒激光放大器，产生中心波长为800nm，脉宽为40fs，单脉冲最大能量为2.9mJ的飞秒激光脉冲，将工作的重复频率设为1000Hz，打开飞秒激光放大器出口，在光路中放置二分之一半波片、偏振片、高反片，以及焦距为1000mm的平凸透镜用来形成飞秒激光光丝；

其次，在平凸透镜5前用功率计来测量激光功率，可以通过旋转半波片来调节激光脉冲能量，然后将激光脉冲重复频率设置为4Hz，来进行烧蚀点火,沿着激光脉冲传播方向前后移动位移平台6，进行点火时，观察能100％点火成功率的光丝范围，长度为2cm，这样增大了点火的范围，减少了激光点火对位置的依赖性，提高了点火的稳定性。

最后，如图3所示，对一个激光脉冲作用后的钽靶进行显微观察，得到它的SEM照片，发现激光脉冲对钽靶的损伤很小，并且经过1000脉冲作用后，仍能达到100％的点火成功率。

Claims (6)

1.一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火装置，其特征在于，包括飞秒激光放大器(1)、二分之一半波片(2)、偏振片(3)、介质膜高反镜(4)、平凸透镜(5)、燃烧器(7)及烧蚀钽靶(9)；其中，烧蚀钽靶(9)放在与燃烧器(7)出口相切处，飞秒激光放大器(1)产生的激光脉冲依次经过二分之一半波片(2)、偏振片(3)、介质膜高反镜(4)及平凸透镜(5)，经过平凸透镜(5)之后在燃烧器(7)的出口区域产生光丝，飞秒激光脉冲的能量通过旋转二分之一半波片来实现激光能量的连续变化，利用飞秒激光光丝作用在烧蚀靶表面，产生高温热等离子体，诱导燃烧气体发生燃烧化学反应，产生火焰核。

2.如权利要求1所述的一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火装置，其特征在于，所述光丝烧蚀点火装置还包括一维位移平台(6)及三维精密位移平台(8)，所述一维位移平台(6)用于固定平凸透镜(5)，沿激光传播方向调节平凸透镜(5)的位置，从而使光丝的不同位置作用于烧蚀钽靶(9)；所述三维精密位移平台(8)用于固定烧蚀钽靶(9)，可移动烧蚀钽靶(9)的位置，使光丝作用于钽靶的不同位置上。

3.如权利要求1所述的一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火装置，其特征在于，飞秒激光放大器(1)是带有震荡器的飞秒激光放大器，能产生中心波长为800nm，脉冲宽度为40fs，重复频率为1Hz-1000Hz，单脉冲能量是最大值为2.9mJ的激光脉冲。

4.如权利要求1所述的一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火装置，其特征在于，平凸透镜(5)的焦距为100cm，可产生长度为8.5cm的光丝。

5.如权利要求1所述的一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火装置，其特征在于，燃烧器(7)的出气口直径为10mm，采用燃烧器(7)将甲烷和空气进行预混合，气流固定在1m/s,并且用流量计控制当量比，当量比范围为0.55-1.25，实现贫燃下的燃烧。

6.如权利要求1所述的一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火装置的点火方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)、将烧蚀钽靶夹在三维精密位移平台上，移动三维精密位移平台使烧蚀钽靶位于燃烧器的出口相切处，紧贴着燃烧器上方；

(2)、调节流量计中流量控制器甲烷显示数值为0.34,而空气显示数值为3.55，这时当量比为0.65；

(3)、飞秒激光放大器产生的飞秒激光脉冲经二分之一半波片、偏振片、高反镜和平凸透镜之后在燃烧器出口上方5mm处形成光丝，对烧蚀钽靶进行激光烧蚀点火。

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