激光點火(Laser ignition, LI)可以精確控制點火時間和位置，并有望在貧油條件下實現(xiàn)汽車和火箭發(fā)動機以及航空渦輪的綠色燃燒，并提高排放效率。然而，實現(xiàn)完全有效和可靠的點火仍然是一個挑戰(zhàn)。在這里，吉林大學(xué)和上光所的研究人員通過超短脈沖點燃稀薄的甲烷/空氣混合物的成功率達100％的實現(xiàn)，該飛秒激光長期以來一直被認為是不合適的燃料點火源。

激光點火(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。最廣泛采用的LI方法之一是納秒激光誘導(dǎo)火花點火(nanosecond laser-induced spark ignition, ns-LISI)，其中可燃混合物經(jīng)歷多光子電離，然后雪崩擊穿，產(chǎn)生高溫高壓等離子體和沖擊波。沖擊波膨脹后，由許多原子和離子組成的熱等離子體冷卻并演化為火焰核，最后通過化學(xué)支化反應(yīng)發(fā)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(dǎo)致?lián)舸┑碾S機性，影響反應(yīng)路線并產(chǎn)生潛在的失火現(xiàn)象。

盡管LI并不是一個新概念，但人們普遍認為通過超短脈沖點燃稀薄混合氣很難實現(xiàn)，因為在飛秒時間尺度上不會發(fā)生雪崩擊穿，并且不會產(chǎn)生飛秒激光誘導(dǎo)的等離子體溫度比納秒激光泵浦的等離子體溫度低1-2個數(shù)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激光誘導(dǎo)的等離子火花來點燃稀薄混合物。另外，有人建議，飛秒激光可以作為輔助源，以輔助ns-LISI10中的等離子體形成和連續(xù)流控制，并在其重復(fù)率較高（≥500Hz）時提高火焰的燃燒速度和穩(wěn)定性。

在這里，來自吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院集成光電子學(xué)國家重點實驗室的Huailiang Xu教授和中國科學(xué)院上海光學(xué)與精細機械研究所高場激光物理國家重點實驗室的Ruxin Li教授領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團隊報告了使用強力飛秒激光進行的原理性稀薄燃料燃燒的意外結(jié)果，成功率很高。他們沒有依靠非常緊密聚焦的飛秒激光束，而是采用了以貧甲烷/空氣混合物在自通道化狀態(tài)下傳播的飛秒強烈激光，這種自溝道技術(shù)通常被稱為飛秒激光絲化。激光燈絲中的自聚焦和等離子體散焦之間的動態(tài)平衡允許產(chǎn)生幾個瑞利范圍或更長的等離子體通道，而激光強度則固定在約50-100 TW cm-的水平。最近的研究表明，燃料分子可以被高強度的激光燈絲活化甚至破碎，從而產(chǎn)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，在飛秒激光燈絲內(nèi)部，盡管通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(fā)和碰撞激發(fā)）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(yīng)仍會發(fā)生，這可能會引發(fā)可燃化學(xué)反應(yīng)。

圖1. 激光燈絲點火概念和超低能量閾值點火圖像

▲圖解：a. 是預(yù)混合的稀甲烷/空氣混合物流的超短激光燈絲點火的示意圖。b強烈的飛秒激光燈絲在不同入射激光能量下照射的甲烷/空氣混合物流的側(cè)視圖圖像

通過圖1a中所示的實驗設(shè)置，在圖1b中，研究人員顯示了由強飛秒激光燈絲照射到的層流預(yù)混合甲烷/空氣流的實驗記錄側(cè)視圖圖像不同的輸入激光能量，所有這些能量都高于自聚焦的臨界功率。從圖1b可以看出，當輸入激光能量為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。隨著激光能量增加到1.4μmJ，燈絲上方開始出現(xiàn)弱火焰，隨著激光能量的進一步增加，可以觀察到具有強光發(fā)射的火焰，從而模糊了燈絲誘導(dǎo)的熒光。

▲圖解：a. 飛秒激光燈絲點燃的火焰核動態(tài)演變的側(cè)視圖圖像。b. 在預(yù)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）的激光重復(fù)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(dǎo)的OES光譜；插圖：OH（紅色矩形）和CH（藍點）自由基的信號強度，隨門控延遲而變化。

上述結(jié)果清楚地表明，當輸入激光能量為>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(shù)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(xiàn)燃料電池的燃料效率。他們測試了激光點火1.8 mJ的激光能量超過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(xué)計量比的發(fā)動機中的復(fù)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(yōu)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機制歸因于熱效應(yīng)，其原因是細絲中的激光能量沉積，隨后的燃燒化學(xué)反應(yīng)以及對線路點火效應(yīng)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