一种石英玻璃中羟基含量的无损检测方法与流程

本发明涉及一种玻璃检测领域，特别是涉及一种石英玻璃中羟基含量的无损检测方法。

背景技术

石英玻璃由于其具有高纯度、低的热导率，极好的抗热振性，很高的变形温度和软化温度，宽的光学透过能力等其它材料所不具备的综合性能，被广泛应用于电光源、红外光学、激光工程和航天工程等多个领域。

石英玻璃是由单一[sio4]组成的玻璃，羟基(oh)是石英玻璃的主要杂质成分，是影响石英玻璃性能的重要因素。应用于电光源领域，羟基含量高将严重影响电光源的使用寿命，因此应控制减小羟基含量；应用于红外光学领域，因羟基在2.73μm处产生强烈吸收，影响红外波段的光谱透过率，因此应控制减小羟基含量；应用于激光工程和航天工程领域，羟基在石英玻璃结构中起到了缓冲的作用，使得玻璃在受到激光或者宇宙射线辐照时，玻璃不易损坏，提高了其抗激光和宇宙射线辐照损伤的能力，因此应控制提高羟基含量，因此，石英玻璃中的羟基含量检测和控制非常重要。

gb/t12442-90石英玻璃中羟基含量检测方法是以石英玻璃在2.73μm处的透过率作为测试依据的。从石英玻璃的光谱透过率曲线可以看出石英玻璃的羟基吸收峰在2.73μm处为最大，对羟基含量比较敏感，易于测试，这是标准选定2.73μm波长为测试波长的主要原因，但为了使其吸收峰值在可显示的范围内，此标准规定了测试样品的厚度，其中，合成石英玻璃厚度为0.4-0.7mm，气炼石英玻璃厚度为0.8-3.0mm，电熔石英玻璃厚度为1.6-10.0mm，以使试样在2.73μm处的透过率在10％～80％(吸光度在1.0～0.1)的范围内。

因此，为了测试石英玻璃产品的羟基含量，需要对产品进行取样并加工到指定的厚度范围，尤其是合成石英玻璃因其羟基含量较高，在检测合成石英玻璃时，需要将其加工到0.4～0.7mm的厚度，样品非常薄，较难加工，而且取样过程会对产品造成损坏。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于，提供一种石英玻璃中羟基含量的无损检测方法，拓宽了对石英玻璃检测样品的厚度限制，使某些产品不需要破坏样品取样就可以测定其羟基含量，该方法在实现无损检测的同时，大大提高了检测效率。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

依据本发明提出的一种石英玻璃中羟基含量的无损检测方法，包括：

获取石英玻璃中羟基在1.38μm、2.22μm和/或2.73μm处的消光系数ε1.38μm、ε2.22μm和/或ε2.73μm；

根据第一公式，计算，得到待测石英玻璃中的羟基含量，

其中，所述的第一公式为，

式中，

c为待测石英玻璃的羟基含量，

ε为石英玻璃中羟基在1.38μm、2.22μm、2.73μm处的消光系数ε1.38μm、ε2.22μm、ε2.73μm，

d为待测石英玻璃的厚度，

m为羟基的摩尔质量，

ρ为石英玻璃的密度，

t0为待测石英玻璃中羟基在1.38μm、2.22μm、2.73μm处的基线光谱透过率t0，1.38μm、t0，2.22μm、t0，2.73μm，

t为待测石英玻璃中羟基在1.38μm、2.22μm、2.73μm处的吸收峰光谱透过率t1.38μm、t2.22μm、t2.73μm。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的石英玻璃中羟基含量的无损检测方法，其中所述的获取石英玻璃中羟基在1.38μm、2.22μm和/或2.73μm处的消光系数ε1.38μm、ε2.22μm和/或ε2.73μm中，ε1.38μm的获取方法包括，

获取石英玻璃中羟基在2.73μm处的消光系数ε2.73μm；

根据第二公式，计算，得到石英玻璃中羟基在1.38μm处的消光系数ε1.38μm，

其中，所述第二公式为，

式中，

t′0，2.73μm为石英玻璃中羟基在2.73μm处的基线光谱透过率，

t′2.73μm为石英玻璃中羟基在2.73μm处的吸收峰光谱透过率，

t′0，1.38μm为石英玻璃中羟基在1.38μm处的基线光谱透过率，

t′1.38μm为石英玻璃中羟基在1.38μm处的吸收峰光谱透过率。

优选的，前述的石英玻璃中羟基含量的无损检测方法，其中所述的获取石英玻璃中羟基在1.38μm、2.22μm和/或2.73μm处的消光系数ε1.38μm、ε2.22μm和/或ε2.73μm中，ε2.22μm的获取方法包括，

获取石英玻璃中羟基在2.73μm处的消光系数ε2.73μm；

根据第三公式，计算，得到石英玻璃中羟基在2.22μm处的消光系数ε2.22μm，

其中，所述第三公式为，

式中，

t′0，2.73μm为石英玻璃中羟基在2.73μm处的基线光谱透过率，

t′2.73μm为石英玻璃中羟基在2.73μm处的吸收峰光谱透过率，

t′0，2.22μm为石英玻璃中羟基在2.22μm处的基线光谱透过率，

t′2.22μm为石英玻璃中羟基在2.22μm处的吸收峰光谱透过率。

优选的，前述的石英玻璃中羟基含量的无损检测方法，其中所述的根据第一公式，计算，得到待测石英玻璃中的羟基含量，包括，

获取待测石英玻璃的光谱透过率曲线，

选择吸收峰峰位2.73μm、2.22μm和1.38μm中t大于或等于1％，且，t0-t大于或等于1％的峰位作为计算峰位，

将所述计算峰位的基线光谱透过率、吸收峰光谱透过率、样品厚度和消光系数代入所述的第一公式，计算，得到待测石英玻璃中的羟基含量。

根据所述第一公式，计算，得到待测石英玻璃中羟基的含量。

借由上述技术方案，本发明石英玻璃中羟基含量的无损检测方法至少具有下列优点：

1、现有技术中，为了测定石英玻璃中的羟基含量，需要将待测石英玻璃加工(切割、打磨、抛光等方法)至预设厚度范围，然而该预设厚度非常薄，不易加工，且，加工过程中容易对待测石英玻璃造成损坏，测定过程复杂，且增加了羟基含量测定的难度。

本发明提供的石英玻璃中羟基含量的无损检测方法，无需将待测石英玻璃加工至预设厚度，即可得到待测石英玻璃中羟基的含量，简化了石英玻璃中羟基含量的测定步骤，降低了羟基含量测定的难度。

2、现有技术中，将待测石英玻璃加工至预设厚度范围后对羟基含量进行测定，计算得到的羟基含量为加工后待测石英玻璃中羟基的含量，因此，对待测石英玻璃中羟基含量造成误差。

本发明提供的石英玻璃中羟基含量的无损检测方法，无需对待测石英玻璃进行加工，计算得到的羟基含量为实际厚度下石英玻璃中羟基的含量，提高了测定结果的准确性。

3、在石英玻璃的性能检测中，通常需要对石英玻璃进行多种参数的检测，且某些参数的检测为破坏性的，如激光损伤阈值检测。

现有技术中石英玻璃羟基含量的检测方法，需要制备薄样品，则检测过程为破坏性的，此时将无法获得该样品另一同为破坏性的检测数据，只能采用另一块样品代替测试，因此，对待测样品不同参数的对比造成误差。

本发明提供的石英玻璃中羟基含量的无损检测方法，无需对待测石英玻璃进行加工，为无损检测，因此可先进行羟基含量检测，再进行其它破坏性参数检测，测得结果为同一样品数据，提高了测定结果的准确性。

4、现有技术中，仅采用石英玻璃中羟基在2.73μm处透过率进行计算。本发明提供的羟基含量的测定方法，采用石英玻璃中羟基在1.38μm、2.22μm和/或2.73μm处的透过率进行计算，克服了现有技术中的偏见。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1本发明实施例1中石英玻璃在1000nm～3200nm波长范围内的光谱透过率曲线；

图2本发明实施例2中合成石英玻璃1在1000nm～3200nm波长范围内的光谱透过率曲线；

图3本发明实施例3中合成石英玻璃2在1000nm～3200nm波长范围内的光谱透过率曲线；

图4本发明实施例4中合成石英玻璃3在1000nm～3200nm波长范围内的光谱透过率曲线。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的石英玻璃中羟基含量的无损检测方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

本发明提供了一种石英玻璃中羟基含量的无损检测方法，包括：

获取石英玻璃中羟基在1.38μm、2.22μm和/或2.73μm处的消光系数ε1.38μm、ε2.22μm和/或ε2.73μm；

本发明对消光系数的检测方法和检测设备不做具体限定，例如，消光系数的检测方法可采用《石英玻璃中羟基的消光系数》，罗宗南等，电子器件1999vol22(4)中记载的方法，消光系数的检测设备可以是可见光-近红外分光光度计，测试范围可选择1.0μm～3.2μm。本发明对待测石英玻璃的种类不作具体限定，例如，可以是电熔石英玻璃、气炼石英玻璃、合成石英玻璃或等离子合成石英玻璃等。

需要说明的是，“获取石英玻璃中羟基在1.38μm、2.22μm和/或2.73μm处的消光系数ε1.38μm、ε2.22μm和/或ε2.73μm”中的“石英玻璃”与“待测石英玻璃”的种类相同或者为同一生产批次，且，“石英玻璃”在1.38μm、2.22μm和2.73μm处均可显示完整吸收峰。此处的“石英玻璃”可以是具有特定厚度的石英玻璃，例如，人造石英玻璃(即合成石英玻璃)的厚度可以是0.4-0.7mm，气炼石英玻璃的厚度可以是0.8-3.0mm，电熔石英玻璃的厚度可以是1.6-10.0mm，等等。

根据第一公式，计算，得到待测石英玻璃中的羟基含量，

其中，所述的第一公式为，

式中，

c为待测石英玻璃的羟基含量，

ε为石英玻璃中羟基在1.38μm、2.22μm、2.73μm处的消光系数ε1.38μm、ε2.22μm、ε2.73μm，

d为待测石英玻璃的厚度，

m为羟基的摩尔质量，

ρ为石英玻璃的密度，

t0为待测石英玻璃中羟基在1.38μm、2.22μm、2.73μm处的基线光谱透过率t0，1.38μm、t0，2.22μm、t0，2.73μm，

t为待测石英玻璃中羟基在1.38μm、2.22μm、2.73μm处的吸收峰光谱透过率t1.38μm、t2.22μm、t2.73μm。

本发明中，第一公式的d即为待测石英玻璃的厚度，因此，无需对待测石英玻璃进行厚度上的加工，可采用待测石英玻璃的实际厚度进行计算。优选的，可采用精密度高的测量工具测量待测石英玻璃的厚度d，例如千分尺，以进一步提高测定结果的准确性。

需要进一步说明的是，可根据待测石英玻璃的光谱透过率曲线图中2.73μm、2.22μm和1.38μm处吸收峰的完整性，确定选用2.73μm、2.22μm和1.38μm中的哪个峰位进行计算。即，选择2.73μm、2.22μm和1.38μm中完整的吸收峰峰位的基线光谱透过率和吸收峰光谱透过率，再代入该峰位的消光系数，计算，得到待测石英玻璃的羟基含量。当2.73μm、2.22μm和1.38μm三处峰位的吸收峰均比较完整时，可选择常规峰位(如2.73μm处)进行计算。

所述第一公式中的m为羟基的摩尔质量17g/mol；ρ为石英玻璃的密度，可采用常规数值2.2g/cm³，所述的第一公式可进一步表示为：

进一步的，所述的“获取石英玻璃中羟基在1.38μm、2.22μm和/或2.73μm处的消光系数ε1.38μm、ε2.22μm和/或ε2.73μm”中，ε1.38μm的获取方法包括，

获取石英玻璃中羟基在2.73μm处的消光系数ε2.73μm；

根据第二公式，计算，得到石英玻璃中羟基在1.38μm处的消光系数ε1.38μm，

其中，所述第二公式为，

可根据本发明提出的上述第二公式，计算，得到石英玻璃中羟基在1.38μm处的消光系数ε1.38μm。

石英玻璃中羟基在2.73μm处的消光系数ε2.73μm值，国外通常采用77.5l·mol^-1·cm^-1，国内通常采用80.1l·mol^-1·cm^-1，本发明中可采用80.1l·mol^-1·cm^-1，进一步结合石英玻璃的光谱透过率曲线图中2.73μm和1.38μm处的基线光谱透过率和吸收峰光谱透过率，进行石英玻璃中羟基在1.38μm处的消光系数ε1.38μm的计算。

进一步的，所述的“获取石英玻璃中羟基在1.38μm、2.22μm和/或2.73μm处的消光系数ε1.38μm、ε2.22μm和/或ε2.73μm”中，ε2.22μm的获取方法包括，

获取石英玻璃中羟基在2.73μm处的消光系数ε2.73μm；

根据第三公式，计算，得到石英玻璃中羟基在2.22μm处的消光系数ε2.22μm，

其中，所述第三公式为，

类似的，本发明中可采用石英玻璃中羟基在2.73μm处的消光系数ε2.73μm值80.1l·mol^-1·cm^-1，进一步结合石英玻璃的光谱透过率曲线图中2.73μm和2.22μm处的基线光谱透过率和吸收峰光谱透过率，进行石英玻璃中羟基在2.22μm处的消光系数ε2.22μm的计算。

进一步的，所述的“根据第一公式，计算，得到待测石英玻璃中的羟基含量”，包括，获取待测石英玻璃的光谱透过率曲线，选择吸收峰峰位2.73μm、2.22μm和1.38μm中t(吸收峰光谱透过率)大于或等于1％，且，t0-t(基线光谱透过率-吸收峰光谱透过率)大于或等于1％的峰位作为计算峰位，将所述计算峰位的基线光谱透过率、吸收峰光谱透过率、样品厚度和消光系数代入所述的第一公式，计算，得到待测石英玻璃中的羟基含量，进一步提高了检测结果的准确性。当前述的三个或两个峰位均满足条件时，优选欲进行对比的石英玻璃常用的峰位进行检测。

本发明进一步提出了待测石英玻璃的厚度的限定规则。

因ε1.38μm和ε2.22μm数值均比ε2.73μm小很多，当选用2.22μm峰位进行计算时，待测石英玻璃的厚度检测上限是选用2.73μm峰位的倍。当选用1.38μm峰位进行计算时，待测石英玻璃的厚度检测上限是选用2.73μm峰位的倍。

实施例1

本实施例提供了一种石英玻璃中羟基在1.38μm和2.22μm处的消光系数ε1.38μm、ε2.22μm的计算方法。

本实施例中，石英玻璃为合成石英玻璃，厚度为1mm。

本实施例中石英玻璃在1000nm～3200nm波长范围内的光谱透过率曲线如图1所示。图1中2.73μm、2.22μm、1.38μm位置处的基线光谱透过率t0和吸收峰光谱透过率t见表1。

表1图1中2.73μm、2.22μm、1.38μm位置处的t0和t

本实施例中，选用石英玻璃中羟基在2.73μm处的消光系数ε2.73μm值80.1l·mol^-1·cm^-1，根据所述的第二公式，计算，得到石英玻璃中羟基在1.38μm处的消光系数ε1.38μm为0.45lmol^-1cm^-1；根据所述的第三公式，计算，得到石英玻璃中羟基在2.22μm处的消光系数ε2.22μm为1.61lmol^-1cm^-1。

进一步的，将上述计算得到的石英玻璃中羟基在1.38μm处的消光系数ε1.38μm0.45lmol^-1cm^-1或2.22μm处的消光系数ε2.22μm为1.61lmol^-1cm^-1代入所述第一公式，同时，将羟基的摩尔质量m17g/mol；石英玻璃的密度ρ2.2g/cm³代入所述第一公式，则：

当选择1.38μm处峰位进行计算时，所述第一公式可进一步表示为：

当选择2.22μm处峰位进行计算时，所述第一公式可进一步表示为：

关于待测石英玻璃的厚度的限定：

根据本实施例计算得到的消光系数ε1.38μm和ε2.22μm，当选用2.22μm峰位进行计算时，待测石英玻璃的厚度检测上限为选用2.73μm峰位的倍；当选用1.38μm峰位进行计算时，待测石英玻璃的厚度检测上限为选用2.73μm峰位的倍。

实施例2

本实施例提供了一种合成石英玻璃中羟基含量的无损检测方法。

本实施例中合成石英玻璃1的厚度为5.25mm。

本实施例中合成石英玻璃1在1000nm～3200nm波长范围内的光谱透过率曲线如图2所示。

如果采用现有技术gb/t12442-90记载的石英玻璃中羟基含量的检测方法，由于本实施例中合成石英玻璃1的厚度为5.25mm，已经超过该标准中规定的人造石英玻璃厚度0.4-0.7mm，且，由图2可以看出，本实施例的合成石英玻璃1在2.73μm处的光谱峰值无法显示，因此，无法采用gb/t12442-90中记载的方法进行检测。

图2中2.22μm、1.38μm位置处的基线光谱透过率t0和吸收峰光谱透过率t见表2。

表2图2中1.38μm、2.22μm位置处的t0和t

将实施例1中得到的消光系数ε2.22μm、2.22μm位置处的基线光谱透过率t0和吸收峰光谱透过率t代入所述的第一公式，计算，得到本实施例中合成石英玻璃1的羟基含量为1377ppm；将实施例1中得到的消光系数ε1.38μm、1.38μm位置处的基线光谱透过率t0和吸收峰光谱透过率t代入所述的第一公式，计算，得到本实施例中合成石英玻璃1的羟基含量为1370ppm。可见，采用实施例1中提供的消光系数ε1.38μm、ε2.22μm，和本实施例表2中的基线光谱透过率和吸收峰光谱透过率计算得到的合成石英玻璃1中羟基的含量相差不大，偏差为7ppm。

实施例3

本实施例提供了一种合成石英玻璃中羟基含量的无损检测方法。

本实施例中合成石英玻璃2的厚度为11mm。

本实施例中合成石英玻璃2在1000nm～3200nm波长范围内的光谱透过率曲线如图3所示。图3中2.22μm、1.38μm位置处的基线光谱透过率t0和吸收峰光谱透过率t见表3。

表3图3中1.38μm、2.22μm位置处的t0和t

将实施例1中得到的消光系数ε2.22μm、2.22μm位置处的基线光谱透过率t0和吸收峰光谱透过率t代入所述的第一公式，计算，得到本实施例中合成石英玻璃2的羟基含量为1469ppm；将实施例1中得到的消光系数ε1.38μm、1.38μm位置处的基线光谱透过率t0和吸收峰光谱透过率t代入所述的第一公式，计算，得到本实施例中合成石英玻璃2的羟基含量为1467ppm。可见，采用实施例1中提供的消光系数ε1.38μm、ε2.22μm，和本实施例表3中的基线光谱透过率和吸收峰光谱透过率计算得到的合成石英玻璃2中羟基的含量相差不大，偏差为2ppm。

实施例4

本实施例提供了一种合成石英玻璃中羟基含量的无损检测方法。

本实施例中合成石英玻璃3的厚度为21mm。

本实施例中合成石英玻璃3在1000nm～3200nm波长范围内的光谱透过率曲线如图4所示。图4中2.22μm、1.38μm位置处的基线光谱透过率t0和吸收峰光谱透过率t见表4。

表4图4中1.38μm、2.22μm位置处的t0和t

将实施例1中得到的消光系数ε2.22μm、2.22μm位置处的基线光谱透过率t0和吸收峰光谱透过率t代入所述的第一公式，计算，得到本实施例中合成石英玻璃3的羟基含量为1464ppm；将实施例1中得到的消光系数ε1.38μm、1.38μm位置处的基线光谱透过率t0和吸收峰光谱透过率t代入所述的第一公式，计算，得到本实施例中合成石英玻璃3的羟基含量为1467ppm。可见，采用实施例1中提供的消光系数ε1.38μm、ε2.22μm，和本实施例表4中的基线光谱透过率和吸收峰光谱透过率计算得到的合成石英玻璃3中羟基的含量相差不大，偏差为3ppm。

本发明提供的上述实施例2-4可以得出，本发明提供的石英玻璃中羟基含量的无损检测方法可适用于不同厚度的石英玻璃。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

可以理解的是，上述装置中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。