一種石英玻璃中羥基的檢測方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及工業(yè)檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種采用可調(diào)諧偏振激光為光源的高Q值腔內(nèi)吸收光譜技術(shù)檢測石英玻璃中羥基的檢測方法和裝置。所述檢測方法包括以下步驟：一紅外激光經(jīng)入射激光耦合輸入單元處理后入射待測石英玻璃片，之后被信號接收單元接收，通過分析不同波長下的紅外激光衰減速率得到石英玻璃中的羥基含量；所述紅外激光入射光路中包含一個由一對球面寬帶反射鏡組成的高Q值光學(xué)腔，上述兩球面寬帶反射鏡平行不共軸放置，紅外激光以布儒斯特角入射置于高Q值光學(xué)腔中間的待測石英玻璃片。本發(fā)明根據(jù)實際需求，提出了一種采用偏振紅外激光和特殊設(shè)計的高Q值腔內(nèi)吸收光譜定量檢測石英玻璃中羥基的新方法，該方法具有更高的檢測靈敏度。
【專利說明】一種石英玻璃中羥基的檢測方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種采用可調(diào)諧偏振激光為光源的高Q值腔內(nèi)吸收光譜技術(shù)檢測石英玻璃中羥基的檢測方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]石英玻璃因其高純、高透過率、熱穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，廣泛地應(yīng)用在新型電光源行業(yè)，比如鹵鎢燈、汞燈、汽車燈等等照明燈源的燈管。羥基是石英玻璃中的主要雜質(zhì)，隨著石英玻璃中羥基含量的變化，石英玻璃的性能也發(fā)生變化，石英玻璃中的羥基，會影響燈的質(zhì)量和使用壽命，羥基含量的多少是人們對光源用石英玻璃管特別關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)，如何準(zhǔn)確地檢測石英玻璃中的羥基含量對于提高石英玻璃產(chǎn)品質(zhì)量有著重要意義。
[0003]隨著羥基含量增加，石英玻璃的粘度、密度、折射率減小，紅外吸收、膨脹系數(shù)增力口。石英玻璃也是通訊用光纖主要成分，由于玻璃中羥基的存在，它將對某些波長的紅外光波形成強烈的吸收，這對于光纖通訊中光學(xué)材料的選擇是非常重要的，光纖通訊產(chǎn)業(yè)中更需要嚴(yán)格控制纖芯中羥基的含量。
[0004]由于石英玻璃中的羥基在2.73 μ m處有吸收峰，當(dāng)羥基含量越大，此處吸收值越大，峰型越典型。國家標(biāo)準(zhǔn)局《石英玻璃中羥基含量檢驗方法》的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12442-90和美國通用電氣公司(GE公司)檢測方法，都采用紅外光譜法測量石英玻璃羥基的含量，目前這兩種檢測方法得到普遍認(rèn)可，它們的理論基礎(chǔ)都是Beer-Lambert定律，技術(shù)上也類同，即通過測量石英玻璃中的羥基對波長為2.73 μ m光的吸收效應(yīng)，根據(jù)石英玻璃中羥基含量與波長2.73 μ m處光吸收的線性關(guān)系進(jìn)行定量檢測。這兩種方法通常能很好地檢測到石英玻璃中PPm量級的羥基含量，但無法實現(xiàn)更低濃度的石英玻璃中的羥基檢測，因此需要有靈敏度要高的羥基檢測技術(shù)。
[0005]另一方面,腔衰蕩(Cavity Ringdown Spectroscopy)光譜是一種近20年來快速發(fā)展的高靈敏微量氣體檢測技術(shù)。CRDS系統(tǒng)的核心是一個由一對同軸放置的具有高反射率鏡片組成的高Q值光學(xué)腔體，入射到腔體中的光被限制在腔體內(nèi)來回反射，每次反射后光因被吸收和從反射鏡部分透過而減弱。在弱吸收時，由于反射率極高，光在腔體中的反射次數(shù)可達(dá)數(shù)千次，等效吸收光程增加幾千倍。腔體中光強度的衰減為單指數(shù)衰減，衰減速率通過對腔內(nèi)光強度指數(shù)衰減曲線作非線性擬合而得到。根據(jù)光在腔中吸收介質(zhì)存在(l/τ)和不存在吸收介質(zhì)(I/Ttl)時的衰減速率差值正比于吸收介質(zhì)的濃度，選擇適當(dāng)吸收光波波長，在被測分子的光譜吸收截面σ也已被精確測定的條件下，則可以定量檢測出氣體樣品中微量分子的濃度或數(shù)密度，目前CRDS光譜技術(shù)通常用于氣體中微量成分的檢測。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明根據(jù)實際需求，提出了一種采用偏振紅外激光和特殊設(shè)計的高Q值腔內(nèi)吸收光譜定量檢測石英玻璃中羥基的新方法，與前面所述國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12442-90和美國通用電氣公司(GE公司)檢測方法相比，該方法將具有更高的檢測靈敏度。經(jīng)檢索，目前還未見采用線偏振近紅外激光結(jié)合特殊設(shè)計的高Q值腔內(nèi)吸收光譜對石英玻璃中羥基進(jìn)行定量檢測的研究報道，也未發(fā)現(xiàn)與我們類似的高Q值腔內(nèi)吸收光譜的光路設(shè)計。并與通常的CRDS光譜技術(shù)在腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計、光學(xué)設(shè)計、探測光源，以及應(yīng)用對象等方面都明顯不同。
[0007]本發(fā)明的具體方法和技術(shù)方案是:
[0008]一種石英玻璃中羥基的檢測方法，其特征在于所述檢測方法包括以下步驟:一紅外激光經(jīng)入射激光耦合輸入單元處理后入射待測石英玻璃片，之后被信號接收單元接收，通過分析不同波長下的紅外激光衰減速率得到石英玻璃中的羥基含量；所述紅外激光入射光路中包含一個由一對球面寬帶反射鏡組成的高Q值光學(xué)腔，上述兩球面寬帶反射鏡平行不共軸放置，紅外激光以布儒斯特角入射置于高Q值光學(xué)腔中間的待測石英玻璃片。
[0009]優(yōu)化地，所述紅外激光為可調(diào)諧偏振激光，通過調(diào)諧方式輸出波長為1.38μπι和1.55 μ m的紅外線偏振激光，所述高Q值光學(xué)腔中的球面寬帶反射鏡對波長1.38 μ m和1.55 μ m的光反射率相同，且大于9 9.9%,兩個球面寬帶反射鏡鍍膜面球面曲率半徑R相等，
且與腔光學(xué)長度L之間滿足關(guān)系式
【權(quán)利要求】
1.一種石英玻璃中羥基的檢測方法，其特征在于所述檢測方法包括以下步驟:一紅外激光經(jīng)入射激光耦合輸入單元處理后入射待測石英玻璃片，之后被信號接收單元接收，通過分析不同波長下的紅外激光衰減速率得到石英玻璃中的羥基含量；所述紅外激光入射光路中包含一個由一對球面寬帶反射鏡組成的高Q值光學(xué)腔，上述兩球面寬帶反射鏡平行不共軸放置，紅外激光以布儒斯特角入射置于高Q值光學(xué)腔中間的待測石英玻璃片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英玻璃中羥基的檢測方法，其特征在于所述紅外激光為可調(diào)諧偏振激光，通過調(diào)諧方式輸出波長為1.38 μ m和1.55 μ m的紅外線偏振激光，所述高Q值光學(xué)腔中的球面寬帶反射鏡對波長1.38 μ m和1.55 μ m的光反射率相同，且大于99.9%,兩個球面寬帶反射鏡鍍膜面球面曲率半徑R相等，且與腔光學(xué)長度L之間滿足關(guān)系式:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英玻璃中羥基的檢測方法，其特征在于所述待測的石英玻璃片置于高Q值光學(xué)腔的中央，石英玻璃片兩個表面的法線與球面寬帶反射鏡的軸線成布儒斯特角，兩球面寬帶反射鏡軸線之間的距離s與待測石英玻璃片的厚度d以及布儒斯特角α之間滿足關(guān)系式
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英玻璃中羥基的檢測方法，其特征在于所述檢測方法由以下步驟組成: 步驟一:將待測石英玻璃片置于高Q值光學(xué)腔的中央，先將激光調(diào)諧到波長1.55 μ m,脈沖線偏振激光經(jīng)過由透鏡組構(gòu)成的入射激光耦合單元，從前腔鏡的中心沿軸線方向入射高Q值光學(xué)腔內(nèi)，以P偏振光和布儒斯特角a L55入射待測的石英玻璃片，用紅外探測器測出后腔鏡的透射光強，據(jù)此進(jìn)行腔內(nèi)光強度指數(shù)衰減曲線擬合而得到使用1.55 μ m紅外激光在無羥基吸收時的衰蕩時間常數(shù)τ ^ ; 步驟二:然后將紅外激光波長調(diào)諧到1.38 μ m，脈沖線偏振激光經(jīng)過由透鏡組構(gòu)成的入射激光耦合單元，從前腔鏡的中心沿軸線方向入射高Q值光學(xué)腔內(nèi)，以P偏振光和布儒斯特角a L38入射待測的石英玻璃片，用紅外探測器測出后腔鏡的透射光強，據(jù)此進(jìn)行腔內(nèi)光強度指數(shù)衰減曲線擬合而得到使用1.38 μ m紅外激光在無羥基吸收時的衰蕩時間常數(shù)τ ；步驟三:根據(jù)紅外激光在腔中有羥基吸收時的衰減速率I/ τ和沒有羥基吸收時的衰減速率I/^的差值正比于吸收介質(zhì)的濃度，在1.38 μ m處羥基的光譜吸收截面σ也已被精確測定的條件下，通過下式則可以定量檢測出石英玻璃片中羥基的濃度N:
5.一種石英玻璃中羥基的光譜檢測裝置，其特征在于所述檢測裝置包括依次設(shè)置的一紅外激光器，一組透鏡組成的入射激光耦合輸入單元，以及由光探測器、高速數(shù)據(jù)采集卡組`成的信號接收單元和數(shù)據(jù)分析單元，該檢測裝置包括一個由一對球面寬帶高反射率光學(xué)反射鏡組成的高Q值光學(xué)腔，上述兩反射鏡平行不共軸設(shè)置，待測石英玻璃片置于高Q值光學(xué)腔的中央。
【文檔編號】G01N21/39GK103954587SQ201410100800
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】周衛(wèi)東, 吳志偉 申請人:浙江師范大學(xué)
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