[发明专利]实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置及测量方法

权利要求书

1.一种实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置，其特征在于：包括泵浦飞秒激光器、探测飞秒激光器、分束镜、锁频控制系统、信号触发系统、太赫兹波产生装置、信号采集系统及计算机；

所述泵浦飞秒激光器和探测飞秒激光器用于产生泵浦光束和探测光束；泵浦光束和探测光束分别通过分束镜一和分束镜三分束，反射的泵浦锁频激光和探测锁频激光光束进入锁频控制系统；经分束镜一和分束镜三透射的光束再次分别被分束镜二和分束镜四分束，反射的泵浦触发激光和探测触发激光光束进入信号触发系统，产生触发信号进入信号采集系统；透过分束镜二的泵浦测试激光进入太赫兹波产生装置产生测量太赫兹脉冲及参考太赫兹脉冲；

所述信号采集系统包括信号采集系统一、信号采集系统二，透过分束镜四的探测测试激光被分束镜五分束后，反射的探测测试激光进入信号采集系统二，透射的探测测试激光进入信号采集系统一；信号采集系统输出信号被计算机所采集；

所述锁频控制系统用于保证泵浦飞秒激光器和探测飞秒激光器输出脉冲的重复频率间有一个固定的差值；

所述太赫兹波产生装置用于产生测量太赫兹波和参考太赫兹波；

所述信号采集系统用于检测通过火焰样品后的待测太赫兹波和通过参考样品池后参考太赫兹波的透射功率；具体为：

计算机输出不同采样时刻的测量太赫兹脉冲的时域光谱E_1s(t)，E_2s(t)，…，E_ns(t)和参考太赫兹脉冲的时域光谱E_1r(t)，E_2r(t)，…，E_nr(t)；

分别对测量太赫兹脉冲的时域光谱E_is(t)和参考太赫兹脉冲的时域光谱E_ir(t)进行快速傅里叶变换得到不同采样时刻测量太赫兹脉冲和参考太赫兹脉冲的频域光谱I_is(ω)和I_ir(ω)；

将测量太赫兹脉冲的频域光谱I_is(ω)与参考太赫兹脉冲的频域光谱I_ir(ω)相比得到化简后的测量火焰的复透射函数H_i(ω)的相位函数

其中，是i时刻火焰区域气体的平均复折射率，ω为频率，j为虚数单位，e为自然指数，为该时刻太赫兹脉冲通过火焰区域的平均距离，c表示真空中的光速,A_i(ω)表示复透射函数的幅值函数；

将复折射率带入求得的相位函数得到该时刻测量火焰的平均折射率

根据平均折射率得到在频率ω₀处火焰不同时刻的定频折射率其中Δt为采样时间间隔；

根据定频折射率，利用Glastone–Dale公式确定火焰平均密度

其中，上标表示稳定值,而上标()′表示脉动值，为频率为ω₀时混合物的Glastone–Dale常数，Y_k为混合气体中第k种气体组分的质量分数，G_k为混合气体中第k种气体组分的Glastone–Dale常数，G_k与入射光频率有关，但不随温度的变化而变化；

根据火焰平均密度，利用热释放率和密度间的近似关系式，获取测试火焰区域热释放脉动

其中，v是声速，γ为混合物的比热容比。

2.如权利要求1所述实时监测火焰热释放率脉动的太赫兹装置，其特征在于：所述锁频控制系统包括光电二极管一、微波放大器一、光电二极管二、微波放大器、双平衡混频器一、频率-电压转换器、双平衡混频器二、PID控制器、运算放大器一和压电式换能器；所述光电二极管一探测泵浦锁频激光的重复频率后其信号被微波放大器一放大，光电二极管二探测探测锁频激光的重复频率后其信号被微波放大器二放大，微波放大器一和微波放大器二的信号被送入双平衡混频器一，得到两束激光脉冲的重复频率差，并将频率差发送到频率-电压转换器，其输出信号作为平衡混频器二的输入，随后双平衡混频器二的输出反馈到PID控制器，然后被发送至运算放大器一，放大后的信号用来驱动位于泵浦飞秒激光器上的压电式换能器。