激光点火(Laser ignition, LI)可以精确控制点火时间和位置，并有望在贫油条件下实现汽车和火箭发动机以及航空涡轮的绿色燃烧，并提高排放效率。然而，实现完全有效和可靠的点火仍然是一个挑战。在这里，吉林大学和上光所的研究人员通过超短脉冲点燃稀薄的甲烷/空气混合物的成功率达100％的实现，该飞秒激光长期以来一直被认为是不合适的燃料点火源。

激光点火(Laser ignition, LI)是有望无电极替代贫燃料/空气混合物电子火花点火的替代方法，具有高热效率和低有害排放物。最广泛采用的LI方法之一是纳秒激光诱导火花点火(nanosecond laser-induced spark ignition, ns-LISI)，其中可燃混合物经历多光子电离，然后雪崩击穿，产生高温高压等离子体和冲击波。冲击波膨胀后，由许多原子和离子组成的热等离子体冷却并演化为火焰核，最后通过化学支化反应发展为完全燃烧。但是，由ns光源引起的不可避免的逐次能量波动会导致击穿的随机性，影响反应路线并产生潜在的失火现象。

尽管LI并不是一个新概念，但人们普遍认为通过超短脉冲点燃稀薄混合气很难实现，因为在飞秒时间尺度上不会发生雪崩击穿，并且不会产生飞秒激光诱导的等离子体温度比纳秒激光泵浦的等离子体温度低1-2个数量级，这两者都降低了稀薄燃料的可燃性。确实，研究人员未能在紧密聚焦方案中使用强飞秒激光诱导的等离子火花来点燃稀薄混合物。另外，有人建议，飞秒激光可以作为辅助源，以辅助ns-LISI10中的等离子体形成和连续流控制，并在其重复率较高（≥500Hz）时提高火焰的燃烧速度和稳定性。

在这里，来自吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室的Huailiang Xu教授和中国科学院上海光学与精细机械研究所高场激光物理国家重点实验室的Ruxin Li教授领导的科学家团队报告了使用强力飞秒激光进行的原理性稀薄燃料燃烧的意外结果，成功率很高。他们没有依靠非常紧密聚焦的飞秒激光束，而是采用了以贫甲烷/空气混合物在自通道化状态下传播的飞秒强烈激光，这种自沟道技术通常被称为飞秒激光丝化。激光灯丝中的自聚焦和等离子体散焦之间的动态平衡允许产生几个瑞利范围或更长的等离子体通道，而激光强度则固定在约50-100 TW cm-的水平。最近的研究表明，燃料分子可以被高强度的激光灯丝活化甚至破碎，从而产生许多燃烧中间体。特别地，长灯丝提供了沿灯丝“多点”点火（以下称为“线”点火）的可能性，这可以改善稀薄混合物的点火可靠性。此外，在飞秒激光灯丝内部，尽管通过各种能量沉积途径（例如多光子/隧道离子化、离解、拉曼激发和碰撞激发）确定的气体分子的初始温度，仅约1400K，甲烷分子的低温氧化反应仍会发生，这可能会引发可燃化学反应。

图1. 激光灯丝点火概念和超低能量阈值点火图像

▲图解：a. 是预混合的稀甲烷/空气混合物流的超短激光灯丝点火的示意图。b强烈的飞秒激光灯丝在不同入射激光能量下照射的甲烷/空气混合物流的侧视图图像

通过图1a中所示的实验设置，在图1b中，研究人员显示了由强飞秒激光灯丝照射到的层流预混合甲烷/空气流的实验记录侧视图图像不同的输入激光能量，所有这些能量都高于自聚焦的临界功率。从图1b可以看出，当输入激光能量为1.2 mJ时，除了飞秒细丝沿细丝引起的荧光外，没有观察到火焰。也就是说，LI在这种情况下失败了。随着激光能量增加到1.4μmJ，灯丝上方开始出现弱火焰，随着激光能量的进一步增加，可以观察到具有强光发射的火焰，从而模糊了灯丝诱导的荧光。

▲图解：a. 飞秒激光灯丝点燃的火焰核动态演变的侧视图图像。b. 在预混合的甲烷-空气流中的等离子能量耦合以50（蓝色三角形），100（绿色圆圈）和200 Hz（红色正方形）的激光重复频率测量。c. 在ICCD的不同时间延迟下获得的稀薄燃料混合物的细丝诱导的OES光谱；插图：OH（红色矩形）和CH（蓝点）自由基的信号强度，随门控延迟而变化。

上述结果清楚地表明，当输入激光能量为>1.5 mJ时，在贫甲烷/空气混合物中可以明确地获得超短李灿，这估计比ns-LISI方案中的低一个数量级(大约几十mJ)，能量沉积为25%，这意味着只需要亚兆焦耳的能量就可以实现燃料电池的燃料效率。他们测试了激光点火1.8 mJ的激光能量超过1000倍，因此获得了100%的成功率，显示了这种方法对点燃稀混合气的鲁棒性。本方法对各种不同化学计量比的发动机中的复杂燃烧条件具有普遍适用性。与ns-LISI方案相比，fs-LI方案具有两个主要优点：（i）超低点火能量，大约比ns-LISI方案小一个量级，以及（ii）100 ％点火成功率。fs-LI机制归因于热效应，其原因是细丝中的激光能量沉积，随后的燃烧化学反应以及对线路点火效应的鲁棒性。

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