Selected laser plasma and laser thermal ignition experiments

Abstract

Das Thema dieser Diplomarbeit waren Experimente zur Erzeugung von Plasma in Luft sowie zur Zündung eines gasförmigen Ethanol-Luft-Gemisches.<br />Das erste Kapitel dieser Arbeit präsentiert kurz die Ideen und Geschichte der Laserzündung. Hierbei wird vor allem Bezug auf die wissenschaftlichen Resultate der "Laser Application Group" der Technischen Universität Wien genommen.<br />Kapitel 2 behandelt theoretische Grundlagen zur Zündung, gibt einen Überblick über verschiedene Zündtypen sowie wichtige Zünd- und Laserparameter. Für die Experimente dieser Arbeit wurden ausschließlich Festkörperlaser verwendet. Aus diesem Grund enthält dieses Kapitel auch eine kurze Einführung sowie eine Klassifikation der heutzutage erhältlichen Festkörperlaser.<br />Kapitel 3 präsentiert eine theoretische Beschreibung von Laserstrahlen mit einem Flat-Top-Strahlprofil. Um den Strahldurchmesser zu bestimmen behilft man sich des Konzeptes von Airy-Scheiben. Dieser Ansatz scheint in gewissen Situationen besser geeignet zu sein als eine Beschreibung mithilfe des Konzeptes von Gauß-Strahlen.<br />In Kapitel 4 werden die Ergebnisse von Experimente präsentiert, welche mit einem selbst-gebauten longitudinal diodengepumpten Festkörperlaser durchgeführt wurden. Dieser Laser wurde sowohl im kontinuierlichen (CW) als auch im quasi-kontinuierlichen (quasi-CW) Modus betrieben. Weiters enthält dieses Kapitel auch Bilder des Strahlquerschnitts des Lasers welche mittels einer CCD-Kamera erfasst wurden.<br />Kapitel 5 behandelt Experimente deren Thema die Zweifarben-Plasmaerzeugung war. Die Experimente wurden bei Drücken zwischen 200 mbar und 5 bar durchgeführt. Als Strahlquelle wurde ein blitzlampengepumpter, aktiv gütegeschalteter Nd:YAG-Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von 1064 nm verwendet. Zum Erzeugen der zweiten Harmonischen des Laserlichtes mit einer Wellenlänge von 532 nm wurde ein SHG (Second Harmonic Generator) verwendet. Innerhalb des SHG ist ein spezieller doppelbrechender KTP-Kristall eingebaut, welcher die Frequenzverdopplung bewirkt.<br />Thema von Kapitel 6 war die Laser-induzierte thermische Zündung von Gemischen aus Ethanol und Luft. Zweck dieser Experimente war die Bestimmung der minimalen Zündenergie (MIE) für verschiedene Drücke, Temperaturen und Ethanol-Luft-Gemischen. Als Srrahlquelle wurde ein luftgekühlter CO2-Laser (Hohlleiter) mit einer Ausgangsleistung von bis zu 34 W verwendet.<br />

The scope of the here presented diploma thesis was the analysis of different methods to eventually ignite a combustible gaseous mixture or create plasma spark, respectively. For this purpose three different approaches have been investigated.<br />In the first chapter of this diploma thesis, some basic facts about the idea and history of laser ignition are presented. The emphasis of the introduction is based on the accomplishments of the "Laser Application Group" of the Vienna University of Technology.<br />Chapter 2 outlines basic theoretical fundamentals on ignition, different ignition types, and important laser parameters. The chapter concludes with a short introduction and classification of solid-state laser.<br />In chapter 3 a laser beam with top-hat beam profile is analysed applying the concept of Airy-disks. This approach seems more realistic for this specific beam profile than the ussual theoretical description by the Gaussian formalism.<br />Chapter 4 comprises the experiments that have been carried out with a self-assembled longitudinally diode-pumped solid-state laser. This laser was operated in CW mode and quasi-CW mode and at varying operating parameters. The aim of the experiment was to create optical breakdown.<br />This chapter also includes pictures of the beam profile of this laser that were recorded with a CCC-camera.<br />In chapter 5 two-color laser-induced plasma generation has been analysed. Experiments were accomplished at pressures between 200 mbar and 5 bar. A flashlamp-pumped actively Q-switched solid-state Nd:YAG laser was employed as beam source for these experiments. For second harmonic generation of light with wavelength 532 nm a SHG (Second Harmonic Generator) with a birefringent KTP crystal was used.<br />Chapter 6 presents the results of the experiments on laser-induced thermal ignition. Within these experiments the minimum ignition energies (MIE) for ethanol-air mixtures at different pressures, temperatures and equivalence ratios have been determined. As a beam source served an air-cooled waveguide CO2-laser with an output power up to 30 W. The experiments were accomplished by means of the same combustion chamber that was used for the experiments of chapter 5.<br />