Development and Application of Non-linear Mid-infrared Laser Spectroscopy for Combustion Diagnostics

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Denna avhandlings inriktar sig i huvudsak mot utveckling och tillämpning av två nyligen framtagna optiska tekniker för förbränningsstudier. Dessa tekniker kallas mid-infrared polarisationsspektroskopi (IRPS) samt degenererad fyrvågsmixning (IR-DFWM), vilka båda är baserade på infrarött ljus med en våglängd runt 3 mikrometer, samt att teknikernas signalrespons är ickelinjära. De två teknikerna är verktyg för bestämning av ämneskoncentrationer i förbränningsförlopp, och i synnerhet ämnen som inte går att excitera med ultraviolett eller synligt ljus. Bland sådana ämnen finner man molekyler som har en nyckelroll i förbränning, såsom: kolväten, vatten, koldioxid, väteklorid, väteklorid samt vätecyanid. Med dessa lasertekniker exciterar man molekylerna till högre rotation/vibrations tillstånd och kan därigenom bestämma förekomsten av dessa ämnen med hög spatial noggrannhet utan att påverka förbränningsprocesserna samtidigt som mätningarna kan ske på plats i en naturlig förbränningsmiljö. Arbetet med IRPS har inriktat sig mot (1) koncentrationsmätningar av väteklorid, vätecyanid samt acetylen i rena och sotiga flammor i atmosfärstryck, samt även vid förbränning av kol- och biomassa, vilket genererar stora mängder partiklar och rök; (2) utveckling av kvantitativa mätningar med hänsyn taget till kollision- och quenchingeffekter samt spektralt överlapp; (3) den unika möjligheten för avbildande koncentrationsmätningar i flammor av ämnen som inte går att avbilda med laserinducerad fluorescens, med vilken man oftast använder ultraviolett ljus. I arbetet med IR-DFWM har ett nytt stråluppdelararrangemang för infraröda laserstrålar utvecklats. Detta arrangemang som underlättar linjeringsarbetet för tekniken, i synnerhet gällande fasmatchningen. Vidare har tekniken för första gången demonstrerats för mätning av acetylen och väteklorid i kalla gasflöden samt även för temperaturmätningar genom att studera vattens absorptionslinjer. Både IRPS och IR-DFWM har stor potential som verktyg för utförande av kvantitativa koncentrationsmätningar av molekyler som har avgörande roll i förbränning; i synnerhet vid studier av förbränning vid låga tryck där kollisionseffekter är mindre. Dessutom kan dessa två tekniker användas för att undersöka andra fysikaliska fenomen, såsom plasma.