一種石英玻璃中羥基的檢測(cè)方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及工業(yè)檢測(cè)【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(cè)石英玻璃中羥基的檢測(cè)方法和裝置。所述檢測(cè)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(cè)石英玻璃片，之后被信號(hào)接收單元接收，通過分析不同波長(zhǎng)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(gè)由一對(duì)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(cè)石英玻璃片。本發(fā)明根據(jù)實(shí)際需求，提出了一種采用偏振紅外激光和特殊設(shè)計(jì)的高Q值腔內(nèi)吸收光譜定量檢測(cè)石英玻璃中羥基的新方法，該方法具有更高的檢測(cè)靈敏度。
【專利說明】一種石英玻璃中羥基的檢測(cè)方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)檢測(cè)【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(cè)石英玻璃中羥基的檢測(cè)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(huì)影響燈的質(zhì)量和使用壽命，羥基含量的多少是人們對(duì)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(cè)石英玻璃中的羥基含量對(duì)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(duì)某些波長(zhǎng)的紅外光波形成強(qiáng)烈的吸收，這對(duì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局《石英玻璃中羥基含量檢驗(yàn)方法》的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12442-90和美國(guó)通用電氣公司(GE公司)檢測(cè)方法，都采用紅外光譜法測(cè)量石英玻璃羥基的含量，目前這兩種檢測(cè)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(cè)量石英玻璃中的羥基對(duì)波長(zhǎng)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(zhǎng)2.73 μ m處光吸收的線性關(guān)系進(jìn)行定量檢測(cè)。這兩種方法通常能很好地檢測(cè)到石英玻璃中PPm量級(jí)的羥基含量，但無法實(shí)現(xiàn)更低濃度的石英玻璃中的羥基檢測(cè)，因此需要有靈敏度要高的羥基檢測(cè)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(cè)技術(shù)。CRDS系統(tǒng)的核心是一個(gè)由一對(duì)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(shí)，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(qiáng)度的衰減為單指數(shù)衰減，衰減速率通過對(duì)腔內(nèi)光強(qiáng)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(shí)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(zhǎng)，在被測(cè)分子的光譜吸收截面σ也已被精確測(cè)定的條件下，則可以定量檢測(cè)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(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明根據(jù)實(shí)際需求，提出了一種采用偏振紅外激光和特殊設(shè)計(jì)的高Q值腔內(nèi)吸收光譜定量檢測(cè)石英玻璃中羥基的新方法，與前面所述國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12442-90和美國(guó)通用電氣公司(GE公司)檢測(cè)方法相比，該方法將具有更高的檢測(cè)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(jì)的高Q值腔內(nèi)吸收光譜對(duì)石英玻璃中羥基進(jìn)行定量檢測(cè)的研究報(bào)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(jì)。并與通常的CRDS光譜技術(shù)在腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光學(xué)設(shè)計(jì)、探測(cè)光源，以及應(yīng)用對(duì)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(cè)方法，其特征在于所述檢測(cè)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(cè)石英玻璃片，之后被信號(hào)接收單元接收，通過分析不同波長(zhǎng)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(gè)由一對(duì)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(cè)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(zhǎng)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(duì)波長(zhǎng)1.38 μ m和1.55 μ m的光反射率相同，且大于9 9.9%,兩個(gè)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(zhǎng)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(cè)方法，其特征在于所述檢測(cè)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(cè)石英玻璃片，之后被信號(hào)接收單元接收，通過分析不同波長(zhǎng)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(gè)由一對(duì)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(cè)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(cè)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(zhǎng)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(duì)波長(zhǎng)1.38 μ m和1.55 μ m的光反射率相同，且大于99.9%,兩個(gè)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(zhǎng)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(cè)方法，其特征在于所述待測(cè)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(gè)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(cè)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(cè)方法，其特征在于所述檢測(cè)方法由以下步驟組成: 步驟一:將待測(cè)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(zhǎng)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(cè)的石英玻璃片，用紅外探測(cè)器測(cè)出后腔鏡的透射光強(qiáng)，據(jù)此進(jìn)行腔內(nèi)光強(qiáng)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(shí)的衰蕩時(shí)間常數(shù)τ ^ ; 步驟二:然后將紅外激光波長(zhǎng)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(cè)的石英玻璃片，用紅外探測(cè)器測(cè)出后腔鏡的透射光強(qiáng)，據(jù)此進(jìn)行腔內(nèi)光強(qiáng)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(shí)的衰蕩時(shí)間常數(shù)τ ；步驟三:根據(jù)紅外激光在腔中有羥基吸收時(shí)的衰減速率I/ τ和沒有羥基吸收時(shí)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(cè)定的條件下，通過下式則可以定量檢測(cè)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(cè)裝置，其特征在于所述檢測(cè)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(cè)器、高速數(shù)據(jù)采集卡組`成的信號(hào)接收單元和數(shù)據(jù)分析單元，該檢測(cè)裝置包括一個(gè)由一對(duì)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(cè)石英玻璃片置于高Q值光學(xué)腔的中央。
【文檔編號(hào)】G01N21/39GK103954587SQ201410100800
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)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(qǐng)人:浙江師范大學(xué)