Astrella, 친환경 에너지와추진력을 목표로 하는 CARS 분광법개발

과제

발전에서 자동차 부문까지 연소 과정을 더 잘 이해하게 되면 효율성을 높이고 배출가스를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 이해도를 높이는 중요한 한 단계가 연소 화염 온도와 화학성분의 연관성을 상세히 분석하는 것입니다. 스칼라를 정밀하게 판단할 수 있는 첨단 레이저 진단을 통해 오염물질 형성을 분석하고 에너지 변환 메커니즘에 관한 통찰을 얻으면 지속 가능한 “친환경” 추진 시스템이나 기타 연소 기술을 개발하는 데 기여할 수 있습니다. 현재 높은 화염 온도를 원격으로 정밀하게 알 수 있는 최상의 방법은 Coherent 반스토크스 라만 분광법(CARS: Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy)입니다. 그러나 이 기법은 매우 복잡해서 숙련된 레이저 조작자가 실험실에서 실시해야 합니다. 델프트 공과대학교(네덜란드)의 Alexis Bohlin 박사 연구팀에서 보다 광범위하게 배포할 수 있는 단순한 방식을 개발하기 시작했습니다. Coherent Astrella 원박스 Ultrafast 재생 증폭 레이저 시스템이 이 연구에 큰 도움이 되었습니다.

솔루션

Bohlin 박사는 "과제는 최고의 순수 회전 CARS 기술이 샘플에 있는 기체 분자의 충동적 여기를 위한 펨토초 펄스와 이들을 조사하기 위한 피코초 펄스가 모두 필요하다는 점입니다. 그리고 화염의 높은 온도 때문에 분자는 낮은 밀도로 존재합니다. 결국 펄스 길이가 “변환 한계”에 가까워야 하고, 위상의 측면에서 완벽하게 동기화되어야 합니다. 이 작업은 여러 레이저 소스로는 실용성이 떨어집니다. 그런데 Astrella는 출력이 뛰어나 단일 레이저 소스로 사용할 수 있었습니다”라고 설명합니다. 이 연구팀의 실험 환경에서는 Astrella 출력을 분할해 출력의 35%는 35 fs 펄스로 압축해 충격 진동에 사용하고(대역폭 안에 2 광자쌍이 있는 구조), 나머지 65%는 제2고조파 대역폭 압축(SHBC)으로 ps 탐침 펄스를 효율적으로 생성하는 데 사용합니다. 자체 제작 4f 펄스 성형기를 사용해 전송하면 약 2ps에서 최대 약 15ps의 시간 동안 탐침 펄스를 원활하게 조정할 수 있어 다양한 화학종과 화염 조건에서 최적의 분광 해상도를 얻을 수 있습니다. 펄스가 단일 Ultrafast 소스에서 나오기 때문에 화염 측정 위치에서 자동으로 동기화되며, 에너지 함량이 커서 집속 빔을 광 시트로 형성하여 1D-이미징이 가능합니다.

결과

Bohlin 연구팀은 자체 순수 회전 CARS 이미징 방식을 사용하여 불안전한 메탄/공기 화염 선단의 온도에 관한 뛰어난 공간 및 시간 해상도 데이터를 얻었습니다. 특히, <1%의 단발 정밀도와 <3%의 정확도로 얻은 1kHz 영화 촬영 1D-CARS 정량 온도 측정이 가능함을 입증했습니다. [1] Bohlin 박사는 “현재 정밀 온도 측정에는 해결해야 할 진단 문제가 많습니다. 우주 발사에 사용하는 충격파관과 반응성 엔진의 공력 가열 같은 ‘특이한’ 경우도 여기에 포함됩니다. 과거에는 현장 상황을 어떻게든 실험실에서 재현해야 했지만, 이제는 단일 Astrella Ultrafast 소스에 기반하는 간소화된 시스템이 있어 기기를 현장으로 가져갈 수 있습니다. 덕분에 획기적인 변화가 곧 눈 앞에 펼쳐질 것이라 확신합니다.”

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