CN103954587A - 一种石英玻璃中羟基的检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业检测技术领域，具体是一种采用可调谐偏振激光为光源的高Q值腔内吸收光谱技术检测石英玻璃中羟基的检测方法和装置。所述检测方法包括以下步骤：一红外激光经入射激光耦合输入单元处理后入射待测石英玻璃片，之后被信号接收单元接收，通过分析不同波长下的红外激光衰减速率得到石英玻璃中的羟基含量；所述红外激光入射光路中包含一个由一对球面宽带反射镜组成的高Q值光学腔，上述两球面宽带反射镜平行不共轴放置，红外激光以布儒斯特角入射置于高Q值光学腔中间的待测石英玻璃片。本发明根据实际需求，提出了一种采用偏振红外激光和特殊设计的高Q值腔内吸收光谱定量检测石英玻璃中羟基的新方法，该方法具有更高的检测灵敏度。

Description

一种石英玻璃中羟基的检测方法和装置

技术领域

本发明涉及工业检测技术领域，具体是一种采用可调谐偏振激光为光源的高Q值腔内吸收光谱技术检测石英玻璃中羟基的检测方法和装置。

背景技术

石英玻璃因其高纯、高透过率、热稳定性好等一系列优良的物理和化学性质，广泛地应用在新型电光源行业，比如卤钨灯、汞灯、汽车灯等等照明灯源的灯管。羟基是石英玻璃中的主要杂质，随着石英玻璃中羟基含量的变化，石英玻璃的性能也发生变化，石英玻璃中的羟基，会影响灯的质量和使用寿命，羟基含量的多少是人们对光源用石英玻璃管特别关注的技术指标，如何准确地检测石英玻璃中的羟基含量对于提高石英玻璃产品质量有着重要意义。

随着羟基含量增加，石英玻璃的粘度、密度、折射率减小，红外吸收、膨胀系数增加。石英玻璃也是通讯用光纤主要成分，由于玻璃中羟基的存在，它将对某些波长的红外光波形成强烈的吸收，这对于光纤通讯中光学材料的选择是非常重要的，光纤通讯产业中更需要严格控制纤芯中羟基的含量。

由于石英玻璃中的羟基在2.73μm处有吸收峰，当羟基含量越大，此处吸收值越大，峰型越典型。国家标准局《石英玻璃中羟基含量检验方法》的国家标准GB/T12442-90和美国通用电气公司(GE公司)检测方法，都采用红外光谱法测量石英玻璃羟基的含量,目前这两种检测方法得到普遍认可，它们的理论基础都是Beer-Lambert定律，技术上也类同，即通过测量石英玻璃中的羟基对波长为2.73μm光的吸收效应，根据石英玻璃中羟基含量与波长2.73μm处光吸收的线性关系进行定量检测。这两种方法通常能很好地检测到石英玻璃中ppm量级的羟基含量，但无法实现更低浓度的石英玻璃中的羟基检测，因此需要有灵敏度要高的羟基检测技术。

另一方面，腔衰荡（Cavity Ringdown Spectroscopy）光谱是一种近20年来快速发展的高灵敏微量气体检测技术。CRDS系统的核心是一个由一对同轴放置的具有高反射率镜片组成的高Q值光学腔体，入射到腔体中的光被限制在腔体内来回反射，每次反射后光因被吸收和从反射镜部分透过而减弱。在弱吸收时，由于反射率极高，光在腔体中的反射次数可达数千次，等效吸收光程增加几千倍。腔体中光强度的衰减为单指数衰减，衰减速率通过对腔内光强度指数衰减曲线作非线性拟合而得到。根据光在腔中吸收介质存在(1/τ)和不存在吸收介质(1/τ₀)时的衰减速率差值正比于吸收介质的浓度，选择适当吸收光波波长，在被测分子的光谱吸收截面σ也已被精确测定的条件下，则可以定量检测出气体样品中微量分子的浓度或数密度，目前CRDS光谱技术通常用于气体中微量成分的检测。

发明内容

本发明根据实际需求，提出了一种采用偏振红外激光和特殊设计的高Q值腔内吸收光谱定量检测石英玻璃中羟基的新方法，与前面所述国家标准GB/T12442-90和美国通用电气公司(GE公司)检测方法相比，该方法将具有更高的检测灵敏度。经检索，目前还未见采用线偏振近红外激光结合特殊设计的高Q值腔内吸收光谱对石英玻璃中羟基进行定量检测的研究报道，也未发现与我们类似的高Q值腔内吸收光谱的光路设计。并与通常的CRDS光谱技术在腔的结构设计、光学设计、探测光源，以及应用对象等方面都明显不同。

本发明的具体方法和技术方案是：

一种石英玻璃中羟基的检测方法，其特征在于所述检测方法包括以下步骤：一红外激光经入射激光耦合输入单元处理后入射待测石英玻璃片，之后被信号接收单元接收，通过分析不同波长下的红外激光衰减速率得到石英玻璃中的羟基含量；所述红外激光入射光路中包含一个由一对球面宽带反射镜组成的高Q值光学腔，上述两球面宽带反射镜平行不共轴放置，红外激光以布儒斯特角入射置于高Q值光学腔中间的待测石英玻璃片。

优化地，所述红外激光为可调谐偏振激光，通过调谐方式输出波长为1.38μm和1.55μm的红外线偏振激光，所述高Q值光学腔中的球面宽带反射镜对波长1.38μm和1.55μm的光反射率相同，且大于99.9%,两个球面宽带反射镜镀膜面球面曲率半径R相等，且与腔光学长度L之间满足关系式：

优化地，所述待测石英玻璃置于高Q值光学腔的中央，石英玻璃两个表面的法线与反射镜的轴线成布儒斯特角，两腔镜轴线之间的距离s与待测石英玻璃片的厚度d以及布儒斯特角α之间满足关系式：式中β是光以布儒斯特角α入射石英玻璃片时的折射角。

更进一步地，所述检测方法由以下步骤组成：

步骤一：将待测石英玻璃片置于高Q值光学腔的中央，先将激光调谐到波长1.55μm，脉冲线偏振激光经过由透镜组构成的入射激光耦合单元，从前腔镜的中心沿轴线方向入射高Q值光学腔内，以p偏振光和布儒斯特角α_1.55入射待测石英玻璃，用红外探测器测出后腔镜的透射光强，据此进行腔内光强度指数衰减曲线拟合而得到使用1.55μm红外激光在无羟基吸收时的衰荡时间常数τ₀；

步骤二：然后将红外激光波长调谐到1.38μm，脉冲线偏振激光经过由透镜组构成的入射激光耦合单元，从前腔镜的中心沿轴线方向入射高Q值光学腔内，以p偏振光和布儒斯特角α_1.38入射待测石英玻璃，用红外探测器测出后腔镜的透射光强，据此进行腔内光强度指数衰减曲线拟合而得到使用1.38μm红外激光在无羟基吸收时的衰荡时间常数τ；

步骤三：根据红外激光在腔中有羟基吸收时的衰减速率1/τ和没有羟基吸收时的衰减速率1/τ₀的差值正比于吸收介质的浓度，在1.38μm处羟基的光谱吸收截面σ也已被精确测定的条件下，通过下式则可以定量检测出石英玻璃中羟基的浓度N：

$\mathrm{\α}=\frac{L}{{\mathrm{cl}}_s}(\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1})=\mathrm{\σN}$

这里α为1.38μm处石英玻璃中羟基的吸收系数，c为光速，L为光腔长度，l_s为样品与光重叠的长度，σ为1.38μm处石英玻璃中羟基光吸收截面，N为石英玻璃中羟基分子浓度或数密度。

一种石英玻璃中羟基的光谱检测装置，其特征在于所述检测装置包括一红外激光器，一组透镜组成的入射激光耦合输入单元，以及由光探测器、高速数据采集卡组成的信号接收单元和数据分析单元，该检测装置包括一个由一对球面宽带高反射率光学反射镜组成的高Q值光学腔，上述两反射镜平行不共轴设置，待测石英玻璃片置于高Q值光学腔的中央。

待测石英玻璃置于腔的中央，为了避免石英表面对入射激光反射造成的损耗，入射激光采用线偏振光，且石英玻璃两个表面的法线与反射镜的轴线成布儒斯特角。?

运用本发明检测装置进行的检测过程如下：

脉冲线偏振激光经过由透镜组构成的入射激光耦合单元从一个腔镜（前腔镜）的中心沿轴线方向入射高Q值腔内，以p偏振光和布儒斯特角入射待测石英玻璃，根据布儒斯特定律，没有羟基吸收时，p偏振光将无损耗地透射待测石英玻璃片，并沿轴线方向入射另一个腔镜（后腔镜）的中心，这时只有很少的一部分光透射通过高反射腔镜溢出（取决于腔镜透过率），大部分光将沿原路反射，再次以布儒斯特角入射待测石英玻璃片，无损耗透射石英玻璃片后回到前腔镜，这样一来耦合进入腔内的红外偏振激光，将被限制在腔内来回反射。有羟基吸收时，每次反射后光因被吸收和从反射镜部分透过而减弱。与前面所述的腔衰荡光谱技术类似，在弱吸收时，由于反射率极高，光在腔体中的反射次数可达数千次，多次通过石英玻璃，增加吸收光程，有利于提高检测灵敏度。腔体中光强度的衰减为单指数衰减，衰减速率通过对腔内光强度指数衰减曲线作非线性拟合而得到。根据光在腔中有羟基吸收时的衰减速率(1/τ)和没有羟基吸收吸收介质(1/τ₀)时的衰减速率差值正比于吸收介质的浓度，选择1.38μm吸收光波波长，在1.38μm处羟基的光谱吸收截面σ也已被精确测定的条件下，则可以定量检测出石英玻璃中羟基的浓度。

附图说明

图1为本发明石英玻璃中羟基的高灵敏光谱检测装置结构示意图。

图2为本发明非共轴的高Q值光学腔结构图。

图3为无羟基吸收时腔内光衰减过程示意图。

其中：1、激光器，2、光隔离器，3、光耦合透镜组，4、球面高反射镜一，5、待测石英玻璃片，6、球面高反射镜二，7、聚光透镜，8、光探测器，9、数据采集卡与计算机。

具体的实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1、图2所示，石英玻璃中羟基的高灵敏光谱检测装置，包括一非共轴高Q值光学腔、可调谐的线偏振红外激光、一组透镜组成的入射激光耦合输入单元，以及由光探测器、高速数据采集卡组成的信号接收单元和数据分析单元。所述的光谱检测装置采用一非共轴的高Q值光学腔，采用可调谐线偏振激光为检测光，并且激光以布儒斯特角入射置于腔中间的待测石英玻璃片。

激光器1发出线偏振红外激光，经过光隔离器2，进入由光耦合透镜组3组成的入射激光耦合输入单元，进入由球面高反射镜一4和球面高反射镜二6组成的非共轴的高Q值光学腔，高Q值光学腔中间设有待测石英玻璃片，再经透光透镜7进入光探测器8，在经数据采集卡与计算机9计算得出石英玻璃中的羟基浓度。

所述的非共轴的高Q值光学腔包括一对球面宽带高反射率光学反射镜组成，即球面高反射镜一4和球面高反射镜二6，反射镜对波长1.38μm和1.55μm的光反射率相同，且都大于99.9%,两反射镜镀膜面球面曲率半径R相等，且与腔光学长度L之间满足关系式：

$0<{(1-\frac{L}{R})}^2<1;$

所述的非共轴的高Q值光学腔中两反射镜轴线平行放置，但不共轴。

所述的可调谐的线偏振红外激光，可以通过调谐方式输出波长为1.38μm和1.55μm的红外线偏振激光。

进一步地，待测石英玻璃置于腔的中央，为了避免石英表面对入射激光反射造成的损耗，入射激光采用P偏振光，且石英玻璃两个表面的法线与反射镜的轴线成布儒斯特角。两腔镜轴线之间的距离s与待测石英玻璃片的厚度d以及布儒斯特角α之间满足关系式式中β是光以布儒斯特角α入射石英玻璃片时的折射角。

在后腔镜光的出射处，放置一快速响应的光探测器，检测在腔内光强通过后腔镜的透射光，分别测出光在1.38μm和1.55μm处光的衰荡曲线。可以采用近红外探测器，其0.9μm-1.7μm近红外光波段具有高灵敏度和纳秒量级的快响应时间。工作时，石英玻璃先切割成两面平行的玻璃片，并抛光以避免表面散射。

将加工好的厚度为10mm的石英玻璃置于腔的中央，先将激光调谐到波长1.55μm，脉冲线偏振激光经过由透镜组构成的入射激光耦合单元从一个腔镜（前腔镜）的中心沿轴线方向入射高Q值腔内，以p偏振光和布儒斯特角α_1.55入射待测石英玻璃，这里α是以波长1.55μm激光入射石英玻璃的布儒斯特角。这时没有羟基吸收，根据布儒斯特定律，p偏振光将无损耗地透射待测石英玻璃片，并沿轴线方向入射另一个腔镜（后腔镜）的中心，这时只有很少的一部分光透射通过高反射腔镜溢出（取决于腔镜透过率），大部分光将沿原路反射，再次以布儒斯特角α_1.55入射待测石英玻璃片，无损耗透射石英玻璃片后回到前腔镜，这样一来耦合进入腔内的近红外偏振激光，将被限制在腔内来回反射，腔体中光强度的衰减为单指数衰减，用红外探测器测出后腔镜的透射光强，则可以得到如图3所示的腔内光的衰荡过程，其衰减速率可以通过对腔内光强度指数衰减曲线拟合而得到，这样拟合所测曲线就得到使用1.55μm光在无羟基吸收时（吸收可忽略）的衰荡时间常数τ₀。若采用反射率R=99.95%的反射镜，腔的光学长度为1米，忽略其他损耗（比如说腔镜的吸收、散射等），理论上其衰荡时间 ${\mathrm{\&tau;}}_0=\frac{L}{c(1-R)}\&ap;6.667$ 微秒。

然后将激光波长调谐到1.38μm，并同样地耦合到腔内，以p偏振光和布儒斯特角α_1.38入射待测石英玻璃，这里α_1.38是以波长1.38μm激光入射石英玻璃的布儒斯特角。当石英玻璃中羟基浓度较低时，羟基对1.38μm光有弱吸收，腔体中光强度的衰减仍然为单指数衰减，但衰减变快，我们可以同样地用红外探测器测出后腔镜的透射光强，则可以得到有羟基吸收时腔内光的衰荡过程，同样通过拟合所测曲线就得到有羟基吸收时的腔内光的衰荡时间常数τ。

根据光在腔中有羟基吸收时（采用1.38μm探测光）的衰减速率(1/τ)和没有羟基吸收时（采用1.55μm探测光）的衰减速率(1/τ₀)的差值正比于吸收介质的浓度，在1.38μm处羟基的光谱吸收截面σ也已被精确测定的条件下，通过下式则可以定量检测出石英玻璃中羟基的浓度N。

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{L}{{\mathrm{cl}}_s}(\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_0}-\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_1})=\mathrm{\&sigma;N}$

这里α为1.38μm处石英玻璃中羟基的吸收系数，c为光速，L为光腔长度，l_s为样品与光重叠的长度，σ为1.38μm处石英玻璃中羟基光吸收截面，N为石英玻璃中羟基分子浓度或数密度。衰减速率依据前述方法，通过对腔内光强度指数衰减曲线拟合而得到。

石英玻璃中1.38μm处羟基光吸收截面σ，可以先根据Beer-Lambert定律，通过实验方便地精确测定，然后根据所测的τ和τ₀，定量检测出对石英玻璃中微量羟基浓度N。

Claims (5)

1.一种石英玻璃中羟基的检测方法，其特征在于所述检测方法包括以下步骤：一红外激光经入射激光耦合输入单元处理后入射待测石英玻璃片，之后被信号接收单元接收，通过分析不同波长下的红外激光衰减速率得到石英玻璃中的羟基含量；所述红外激光入射光路中包含一个由一对球面宽带反射镜组成的高Q值光学腔，上述两球面宽带反射镜平行不共轴放置，红外激光以布儒斯特角入射置于高Q值光学腔中间的待测石英玻璃片。

2.根据权利要求1所述的石英玻璃中羟基的检测方法，其特征在于所述红外激光为可调谐偏振激光，通过调谐方式输出波长为1.38μm和1.55μm的红外线偏振激光，所述高Q值光学腔中的球面宽带反射镜对波长1.38μm和1.55μm的光反射率相同，且大于99.9%,两个球面宽带反射镜镀膜面球面曲率半径R相等，且与腔光学长度L之间满足关系式：

3.根据权利要求1所述的石英玻璃中羟基的检测方法，其特征在于所述待测的石英玻璃片置于高Q值光学腔的中央，石英玻璃片两个表面的法线与球面宽带反射镜的轴线成布儒斯特角，两球面宽带反射镜轴线之间的距离s与待测石英玻璃片的厚度d以及布儒斯特角α之间满足关系式：式中β是光以布儒斯特角α入射石英玻璃片时的折射角。

4.根据权利要求1所述的石英玻璃中羟基的检测方法，其特征在于所述检测方法由以下步骤组成：

步骤一：将待测石英玻璃片置于高Q值光学腔的中央，先将激光调谐到波长1.55μm，脉冲线偏振激光经过由透镜组构成的入射激光耦合单元，从前腔镜的中心沿轴线方向入射高Q值光学腔内，以p偏振光和布儒斯特角α_1.55入射待测的石英玻璃片，用红外探测器测出后腔镜的透射光强，据此进行腔内光强度指数衰减曲线拟合而得到使用1.55μm红外激光在无羟基吸收时的衰荡时间常数τ₀；

步骤二：然后将红外激光波长调谐到1.38μm，脉冲线偏振激光经过由透镜组构成的入射激光耦合单元，从前腔镜的中心沿轴线方向入射高Q值光学腔内，以p偏振光和布儒斯特角α_1.38入射待测的石英玻璃片，用红外探测器测出后腔镜的透射光强，据此进行腔内光强度指数衰减曲线拟合而得到使用1.38μm红外激光在无羟基吸收时的衰荡时间常数τ；

步骤三：根据红外激光在腔中有羟基吸收时的衰减速率1/τ和没有羟基吸收时的衰减速率1/τ₀的差值正比于吸收介质的浓度，在1.38μm处羟基的光谱吸收截面σ也已被精确测定的条件下，通过下式则可以定量检测出石英玻璃片中羟基的浓度N：

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{L}{{\mathrm{cl}}_s}(\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_0}-\frac{1}{{\mathrm{\&tau;}}_1})=\mathrm{\&sigma;N}$

这里α为1.38μm处石英玻璃中羟基的吸收系数，c为光速，L为光腔长度，l_s为样品与光重叠的长度，σ为1.38μm处石英玻璃中羟基光吸收截面，N为石英玻璃中羟基分子浓度或数密度。

5.一种石英玻璃中羟基的光谱检测装置，其特征在于所述检测装置包括依次设置的一红外激光器，一组透镜组成的入射激光耦合输入单元，以及由光探测器、高速数据采集卡组成的信号接收单元和数据分析单元，该检测装置包括一个由一对球面宽带高反射率光学反射镜组成的高Q值光学腔，上述两反射镜平行不共轴设置，待测石英玻璃片置于高Q值光学腔的中央。