CN103217387B - 测量金属氧化层高温光学常数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量金属氧化层高温光学常数的方法，包括如下步骤：S1、提供多份氧化金属样品，分别测量每份氧化金属样品的金属氧化层的厚度；S2、采用真空变角度高温光谱发射率测量实验台，在真空环境下，分别对每份氧化金属样品进行至少两种不同探测方向角的定向光谱发射率测量；S3、基于辐射传递原理，建立氧化金属样品定向光谱发射率与探测方向角、氧化层厚度、氧化层光学常数及金属基底辐射特性的数学关系式；S4、基于所述数学关系式，通过不同探测方向角、不同厚度金属氧化层的氧化金属样品的定向光谱发射率测量数据，构造计算方程组，求解金属氧化层的高温光学常数。本发明可实现500℃以上高温氧化层光学常数测量。

Description

测量金属氧化层高温光学常数的方法

技术领域

本发明涉及一种测量金属氧化层高温光学常数的方法，适用于测量多种金属氧化物在高温状态下的光学常数，以表征氧化金属的高温辐射特性。

背景技术

材料光学常数是表征材料辐射光学特性的重要物理参数，光学常数主要包括吸收系数α、折射率n、消光系数k等。随着薄膜材料在高新技术领域中的广泛应用，薄膜材料光学参数的准确测量在薄膜制备和特性表征方面有着重要的需求，而以薄膜材料为代表的光学常数测量方法与技术也正不断的被许多科研人员在不断研究完善与应用中，例如光谱法、椭偏法。光谱法主要是基于光的干涉理论，通过测量薄膜干涉的光谱特性来计算分析光学常数与薄膜厚度；椭偏法是基于反射光的偏振态特征，计算分析光学常数。这两种代表性的方法目前均已有较成熟的商业设备在广泛应用中。

目前，能源动力、航空航天等高新技术领域对于材料的高温应用提出了迫切需求，而氧化现象常见于金属材料高温应用过程中，因此，如何表征具有不同氧化状态金属材料的高温辐射特性是基本而重要的研究课题。氧化金属主要是由金属基底和金属氧化层两部分组成的，金属氧化层具有薄膜的特点，金属氧化层的光学常数则是氧化金属材料高温辐射特性的基本参数。

现有的光谱法、椭偏法虽然能够应用于氧化层的光学常数测量，但仍有一些局限性：

（1）现有的成熟商业设备通常基于干涉法或是椭偏法（例如椭偏仪）测量干涉光谱信息或是反射光谱信息来反演计算光学常数，难以实现500℃以上高温金属氧化层光学常数的测量，因为商业设备中一般仅提供非真空实验环境，非真空实验环境下往往使高温金属氧化层状态不稳，因此造成较大的测试误差，且难以实现更高温度的稳定加热。

（2）光谱法和椭偏法虽然能够测量金属氧化层的常温光学常数，但是对材料的要求较高，通常要求样品较薄以适合于理论计算，因而当金属氧化层较厚时，基于干涉光谱信息的光谱法和基于偏振反射光谱信息的椭偏法均存在较大的测量误差，且计算较为复杂。

总之，现有光学常数测量方法难以测量500℃以上金属氧化层的光学常数，也难以简单准确测量较厚金属氧化层的光学常数。因此，针对于现有光学常数测量方法的研究与应用现状，有必要建立新型测量金属氧化层高温光学常数的方法，解决500℃以上金属氧化层光学常数测量，为氧化金属高温辐射特性的表征与应用提供基础数据。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种测量金属氧化层高温光学常数的方法，以克服现有技术难以测量500℃以上金属氧化层光学常数的缺陷。

本发明进一步解决了现有技术无法简单准确测量具有较厚金属氧化层的光学常数的缺陷。

（二）技术方案

为达上述目的，本发明提供一种测量金属氧化层高温光学常数的方法，包括如下步骤：

S1、提供多份氧化金属样品，多份氧化金属样品至少具有两种不同的金属氧化层厚度，分别测量每份氧化金属样品的金属氧化层的厚度；

S2、采用真空变角度高温光谱发射率测量实验台，在真空环境下，分别对每份氧化金属样品进行至少两种不同探测方向角的定向光谱发射率测量；

S3、基于辐射传递原理，建立氧化金属样品定向光谱发射率与探测方向角、氧化层厚度、氧化层光学常数及金属基底辐射特性的数学关系式；

S4、基于所述数学关系式，通过不同探测方向角、不同厚度金属氧化层的氧化金属样品的定向光谱发射率测量数据，构造计算方程组，采用最小二乘法计算求解金属氧化层的高温光学常数。

优选地，氧化金属样品为两份、三份或四份。

优选地，所述定向光谱发射率包括S偏振态的定向光谱发射率和P偏振态的定向光谱发射率。

优选地，所述真空变角度高温光谱发射率测量实验台具有真空腔作为实验腔体，所述真空腔内设有样品支架、高温石墨辐射加热器、样品温控单元和多维旋转台；

所述样品支架固定于所述多维旋转台上，所述样品支架用于固定氧化金属样品，所述高温石墨辐射加热器对氧化金属样品进行加热；所述样品温控单元通过控制高温石墨辐射加热器对氧化金属样品进行加热。

所述多维旋转台，用于对样品支架进行角度旋转定位，对样品进行不同探测方向角的定向光谱发射率测量。

优选地，所述真空变角度高温光谱发射率测量实验台还包括偏振器件，所述偏振器件放置在样品辐射测量光路中，实现S偏振态和P偏振态的定向光谱发射率测量。

优选地，所述真空腔外壁上设有光学窗口，光谱辐射仪通过所述光学窗口进行样品光谱辐射强度测量，进而获得稳定温度状态下的样品定向光谱发射率数据。

优选地，所述步骤S2包括：待测氧化金属样品放置于所述样品支架上，通过所述高温石墨辐射加热器对氧化金属样品加热，所述样品温控单元实时测量氧化金属样品的温度，通过温度信息反馈控制调整高温石墨辐射加热器的加热功率，以使样品加热到所需的稳定温度状态，进而通过光谱辐射仪测量样品光谱辐射强度，以获得稳定温度状态下的样品定向光谱发射率数据。

优选地，步骤S4之后还包括：

S5、通过测得的金属氧化层光学常数可用于计算预测具有已知金属氧化层厚度的氧化金属样品的发射率。

优选地，所述探测角的范围是0°-60°。

优选地，各氧化金属样品的金属基底成分、金属基底表面特征和金属氧化层的成分均相同。

（三）有益效果

与目前现有的方法和技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明通过采用真空变角度高温光谱发射率测量实验台在真空环境下测量氧化金属样品方向光谱发射率，可实现500℃以上高温氧化层光学常数测量，克服了传统测量技术易产生非真空环境下的样品氧化现象以及高温难于实现的技术局限性。此外，本发明采用氧化金属样品的方向光谱发射率作为实验测量量，不需要单独剥离氧化层作为特定的研究对象，测量方法简单易行。

（2）本发明是基于测量方向光谱发射率来反演计算光学常数的，不同于传统的基于干涉光谱信息或是反射光谱信息来反演计算，因而，避免了这些方法对样品厚度较薄的限制，能够较准确测量具有较厚氧化层样品的光学常数，并且计算简单。

（3）利用本发明所测的不同温度及光谱下的光学常数数据，还能够预测具有特定氧化层厚度的氧化金属的高温辐射特性。

（4）本发明通过测量氧化金属样品在不同氧化层厚度条件、不同探测方向角测量条件、不同偏振态测量条件下的定向光谱发射率的方式，能够获得丰富的多源测试数据，提供了多种条件组合模式下的光学常数测量方法，有利于提高测量精度。

附图说明

图1为本发明的测量金属氧化层高温光学常数的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，“多个”表示两个或两个以上，“多份”表示两份或两份以上，“多组”表示两组或两组以上，“多次”表示两组或两组以上。

参见图1，本发明提供一种测量金属氧化层高温光学常数的方法，包括以下步骤：

S1、提供多份氧化金属样品，多份氧化金属样品至少具有两种不同的金属氧化层厚度，分别测量每份氧化金属样品的金属氧化层的厚度；

S2、采用真空变角度高温光谱发射率测量实验台，在真空环境下，分别对每份氧化金属样品进行至少两种不同探测方向角的定向光谱发射率测量；

S3、基于辐射传递原理，建立氧化金属样品定向光谱发射率与探测方向角、氧化层厚度、氧化层光学常数及金属基底辐射特性的数学关系式；

S4、基于所述数学关系式，通过不同探测方向角、不同厚度金属氧化层的氧化金属样品的定向光谱发射率测量数据，构造计算方程组，采用最小二乘法计算求解金属氧化层的高温光学常数。

该方法中的氧化金属样品的定向光谱发射率可为非偏振态的定向光谱发射率或偏振态的定向光谱发射率，为了获得更丰富的测试数据，使得测得的光学常数更精确，优选测量氧化金属样品的不同偏振态的定向光谱发射率，包括S偏振态的定向光谱发射率和P偏振态的定向光谱发射率。

当氧化金属样品的数量为多种时，各氧化金属样品的金属基底成分、金属基底表面特征和金属氧化层的成分均应相同。

本方法中的真空变角度高温光谱发射率测量实验台主要包括：真空腔，样品支架、高温石墨辐射加热器，样品温控单元、光谱辐射仪、多维旋转台和偏振器件。真空腔：作为实验腔体，其内设有水冷夹层，真空腔内壁涂有高吸收率涂层，为测量提供一个黑体的冷环境，避免杂散辐射对测量产生的干扰，提高测量精度，优选涂层吸收率大于0.9的涂层；真空腔外壁设有密闭的光学窗口，以作为辐射测量的光学窗口；光谱辐射仪通过光学窗口实现真空腔内样品的光谱辐射强度测量；真空腔室内设有样品支架、高温石墨辐射加热器、样品温控单元、多维旋转台和偏振器件。

样品支架固定于所述多维旋转台上，样品支架用于固定氧化金属样品；高温石墨辐射加热器对氧化金属样品进行加热；高温石墨辐射加热器通大电流加热可使其达到不同的高温状态，石墨辐射加热器通过辐射的方式实现待测样品的高温加热。样品温控单元，用于对氧化金属样品进行温度的实时测量，通过温度信息反馈控制调整高温石墨辐射加热器的加热功率，以使样品加热到所需的稳定温度状态。当测量氧化金属样品在500℃时的定向光谱发射率时，样品温控单元控制高温石墨辐射加热器对氧化金属样品加热到500℃；当测量氧化金属样品在1600℃时的定向光谱发射率时，样品温控单元控制高温石墨辐射加热器对氧化金属样品加热到1600℃。

光谱辐射仪，其用于进行样品定向光谱辐射强度测量，通过光谱辐射强度测量值和温度测量值，可以获得氧化金属样品定向光谱发射率数值。根据光谱仪测试范围不同，光谱辐射仪可实现紫外光谱、可见光谱、近红外光谱以及红外光谱测量。

多维旋转台，用于对样品支架进行角度旋转定位，对样品进行不同探测方向角的辐射测量；偏振器件放置在在样品辐射测量光路中，可实现S偏振态和P偏振态的定向光谱发射率测量。

该真空变角度高温光谱发射率测量实验台通过真空腔对氧化金属样品进行加热并进行定向光谱发射率测量，避免了氧化金属样品在非真空环境下测量时的样品氧化现象，通过高温石墨辐射加热器以辐射的方式对氧化金属样品的加热可以实现较高温度的稳定加热。通过调节多维旋转台和偏振器件可测得真空环境下、不同温度、不同偏振态的氧化金属样品在不同探测方向角的定向光谱发射率。该真空变角度高温光谱发射率测量实验台的测试温度范围为500℃～1600℃、测试光谱范围0.7μm～3μm。

用该真空变角度高温光谱发射率测量实验台测量氧化金属样品在不同方向角的定向光谱发射率的具体过程为：

待测氧化金属样品放置于样品支架上，通过高温石墨辐射加热器对氧化金属样品加热，样品温控单元实时测量氧化金属样品的温度，通过温度信息反馈控制调整高温石墨辐射加热器的加热功率，以使样品加热到所需的稳定温度状态，进而通过光谱辐射仪测量样品光谱辐射强度，以获得稳定温度状态下的样品定向光谱发射率数据；调节多维旋转台，对样品进行不同探测方向角的定向光谱发射率测量。

通过上述方法测得的金属氧化层光学常数可用于计算预测具有已知金属氧化层厚度的氧化金属样品的发射率。

上述方法中的金属氧化层光学常数计算求解的具体过程如下：

基于辐射传递原理，建立氧化金属样品定向光谱发射率与探测方向角、氧化层厚度、氧化层光学常数及金属基底辐射特性的数学关系式；基于所述数学关系式，通过不同探测方向角、不同厚度金属氧化层的氧化金属样品的定向光谱发射率测量数据，构造计算方程组，采用最小二乘法计算求解金属氧化层的高温光学常数。

氧化金属的物理结构是金属基底和金属氧化层所构成的复合结构；金属基底和金属氧化层表面视为理想光滑表面；在本发明中，金属氧化层的厚度大于4μm，忽略金属氧化层内的辐射干涉效应及散射效应；忽略金属氧化层内沿厚度方向的导热热阻，氧化层沿厚度方向温度相同。氧化金属样品的表面表观辐射包括两部分：一部分来源于金属氧化层的发射辐射，另一部分来源于金属基底表面发射辐射穿透金属氧化层的透射辐射。

金属氧化层的光学常数表示为：折射率为n，消光系数为k，吸收系数为α。消光系数k与吸收系数α满足关系式α=4πk/λ，其中λ是波长。定义金属氧化层表面入射光线与表面法向的夹角为入射角θ_i，在金属氧化层内的折射角为θ_r，满足关系式sinθ_i=nsinθ_r。

（1）当分别测量每一份氧化金属样品的不同探测方向角的S偏振态定向光谱发射率和P偏振态定向光谱发射率时

金属氧化层与空气或真空接触界面的一次S偏振反射率ρ_1,s、P偏振反射率ρ_1,p分别表示为，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_{1,S}=\frac{{(A-\cos {\mathrm{\θ}}_i)}^2+B^2}{{(A+{\cos \mathrm{\θ}}_i)}^2+B^2}\\ {\mathrm{\ρ}}_{1,p}={\mathrm{\ρ}}_s\frac{{(A-{\sin \mathrm{\θ}}_i\tan {\mathrm{\θ}}_i)}^2+B^2}{{(A+{\sin \mathrm{\θ}}_i\tan {\mathrm{\θ}}_i)}^2+B^2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中变量A、B可由下面两式计算，

$\left\{\begin{array}{c}{2A}^2={[{(n^2-k^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i)}^2+{4n}^2{k}^2]}^{1/2}+(n^2-k^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i)\\ {2B}^2={[{(n^2-k^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i)}^2+{4n}^2{k}^2]}^{1/2}-(n^2-k^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i)\end{array}\right.---\left(2\right)$

具有厚度为d的等温金属氧化层及金属基底复合结构的氧化金属表面的S偏振态定向光谱发射率ε_s、P偏振态定向光谱发射率ε_p表示为，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_s=\frac{(1-{\mathrm{\ρ}}_{1,s})(1-\exp (-\mathrm{\αd}/\cos {\mathrm{\θ}}_r))(1+{\mathrm{\ρ}}_{2,s}\exp (-\mathrm{\αd}/\cos {\mathrm{\θ}}_r))}{1-{\mathrm{\ρ}}_{1,s}{\mathrm{\ρ}}_{2,s}\exp (-2\mathrm{\αd}/{\cos \mathrm{\θ}}_r)}\\ {\mathrm{\ϵ}}_p=\frac{(1-{\mathrm{\ρ}}_{1,p})(1-\exp (-\mathrm{\αd}/\cos {\mathrm{\θ}}_r))(1+{\mathrm{\ρ}}_{2,p}\exp (-\mathrm{\αd}/\cos {\mathrm{\θ}}_r))}{1-{\mathrm{\ρ}}_{1,p}{\mathrm{\ρ}}_{2,p}\exp (-2\mathrm{\αd}/\cos {\mathrm{\θ}}_r)}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中ρ_2,s、ρ_2,p分别是相同温度下的金属氧化层与金属基底接触界面的一次S偏振、P偏振光谱反射率。

基于公式（1）～（3），在特定的加热温度及测量光谱下，通过不同方向角(θ_i,1,θ_i,2,…,θ_i,M)、不同厚度氧化层(d₁,d₂,…,d_N)的氧化金属样品的S偏振态及P偏振态定向光谱发射率测量构造测量方程组，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_s(d_1,{\mathrm{\θ}}_{i,1})=f(d_1,{\mathrm{\θ}}_{i,1},\mathrm{\α},{\mathrm{\ρ}}_{1,s}(n,d_1,{\mathrm{\θ}}_{i,1}),{\mathrm{\ρ}}_{2,s})\\ {\mathrm{\ϵ}}_p(d_1,{\mathrm{\θ}}_{i,1})=f(d_1,{\mathrm{\θ}}_{i,1},\mathrm{\α},{\mathrm{\ρ}}_{1,p}(n,d_1,{\mathrm{\θ}}_{i,1}),{\mathrm{\ρ}}_{2,p})\\ .......\\ {\mathrm{\ϵ}}_s(d_N,{\mathrm{\θ}}_{i,M})=f(d_N,{\mathrm{\θ}}_{i,M},\mathrm{\α},{\mathrm{\ρ}}_{1,s}(n,d_N,{\mathrm{\θ}}_{i,M}),{\mathrm{\ρ}}_{2,s})\\ {\mathrm{\ϵ}}_p(d_N,{\mathrm{\θ}}_{i,M})=f(d_N,{\mathrm{\θ}}_{i,M},\mathrm{\α},{\mathrm{\ρ}}_{1,p}(n,d_N,{\mathrm{\θ}}_{i,M}),{\mathrm{\ρ}}_{2,p})\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中函数f用以表征定向光谱发射率；2·M·N个氧化金属样品的偏振态发射率测量数据为已知量；光学常数(n,k,α)为未知量，其中α是k的函数，所以独立未知变量为(n,k)；金属氧化层与空气或真空接触界面的一次偏振反射率(ρ_1,s,ρ_1,p)是光学常数(n,k,α)的函数，(ρ_1,s,ρ_1,p)即为非独立的未知量；金属氧化层与金属基底接触界面的一次偏振反射率(ρ_2,s,ρ_2,p)为未知量；因此方程组独立变量总数为4个，当2·M·N≥4时，方程组满足封闭数学求解条件。利用最小二乘法，联立方程组计算求解氧化层的高温光学常数(n,k,α)。

（2）当分别测量每一份氧化金属样品的不同探测方向角的非偏振定向光谱发射率

在实验测试光路中不放置偏振器件时，可以测量获得非偏振定向光谱发射率。根据公式（1），金属氧化层与空气或真空接触界面的一次非偏振反射率为，

ρ₁=(ρ_1,s+ρ_1,p)/2        （5）

具有厚度为d的等温金属氧化层及金属基底复合结构的氧化金属表面的非偏振态定向光谱发射率ε为，

$\mathrm{\ϵ}=\frac{(1-{\mathrm{\ρ}}_1)(1-\exp (-\mathrm{\αd}/\cos {\mathrm{\θ}}_r))(1+{\mathrm{\ρ}}_2\exp (-\mathrm{\αd}/\cos {\mathrm{\θ}}_r))}{1-{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\ρ}}_2\exp (-2\mathrm{\αd}/\cos {\mathrm{\θ}}_r)}---\left(6\right)$

其中ρ₂是相同温度下的金属氧化层与金属基底接触界面的一次非偏振反射率。

基于公式（1）、（2）、（5）和（6），在特定的加热温度及测量光谱下，通过不同方向角(θ_i,1,θ_i,2,…,θ_i,M)、不同厚度氧化层(d₁,d₂,…,d_N)的氧化金属样品的非偏振态定向光谱发射率测量构造测量方程组，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}(d_1,{\mathrm{\θ}}_{i,1})=f(d_1,{\mathrm{\θ}}_{i,1},\mathrm{\α},{\mathrm{\ρ}}_1(n,d_1,{\mathrm{\θ}}_{i,1}),{\mathrm{\ρ}2}_{)})\\ .......\\ \mathrm{\ϵ}\left(d_N\right),{\mathrm{\θ}}_{i,M}=f(d_N,{\mathrm{\θ}}_{i,M},\mathrm{\α},{\mathrm{\ρ}}_1(n,d_N,{\mathrm{\θ}}_{i,M}),{\mathrm{\ρ}}_2)\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中M·N个氧化金属样品的发射率测量数据为已知量；光学常数(n,k,α)为未知量，其中α是k的函数，所以独立未知变量为(n,k)；金属氧化层与空气或真空接触界面的一次反射率ρ₁是光学常数(n,k,α)的函数，即为非独立的未知量；金属氧化层与金属基底接触界面的一次反射率ρ₂为未知量；因此方程组独立变量总数为3个，当M·N≥3时，方程组满足封闭数学求解条件。利用最小二乘法，联立方程组计算求解氧化层的高温光学常数(n,k,α)。

以下以金属镍为例更进一步具体说明本发明的方法步骤，其中金属除镍之外还可以铜或其他适合的金属。

实施例1

本实施例中的氧化金属样品数量为2个，2个样品的金属氧化层厚度不同。对2个样品（N=2）分别进行了2种不同探测方向角（M=2）的非偏振态定向光谱发射率测量。

（1）样品制备

制备2个纯镍金属样品，直径30mm，厚度3mm，表面光滑处理。采用马弗炉氧化样品，设置马弗炉加热温度500℃，将2个样品分别在马弗炉中加热120分钟及240分钟，在2种不同的氧化时间下分别形成了2份不同金属氧化层厚度(d₁,d₂)的氧化金属样品，金属氧化层厚度采用扫描电子显微镜测量，样品分别编号为A1、A2。金属氧化物成分一般较为复杂，在相同氧化温度不同氧化时间条件下得到的氧化金属样品的金属氧化层厚度不同，氧化金属样品的金属氧化层成分相同。因此，本实施例中的氧化金属样品A1、A2的金属氧化层成分相同。

（2）样品发射率测量

采用真空变角度高温光谱发射率测量实验台作为测试设备，测试温度范围500℃～1600℃、测试光谱0.7μm～3μm。在上述测试区间，每隔100℃，分别测量A1、A2样品在2种探测方向角（15°、30°）的非偏振态定向光谱发射率。（当然样品也可采用如下方法测试：A1的探测方向角为15°和30°，而样品A2的探测方向角为10°和20°）

（3）样品光学常数计算

基于公式（1）、（2）、（5）、（6）、（7），上述A1、A2两个样品在2种不同探测方向角的定向光谱发射率测量数据构造测量方程组，方程组满足封闭数学求解条件（M·N=4>3），采用最小二乘法处理数据，联立方程组计算求解氧化层在不同温度、光谱下的光学常数(n,k,α)。

实施例2

本实施例中的氧化金属样品数量为2个，2个样品的金属氧化层厚度不同。对2个样品（N=2）分别进行了2种不同探测方向角（M=2）的S偏振态定向光谱发射率测量。

（1）样品制备

制备2个纯镍金属样品，直径30mm，厚度3mm，表面光滑处理。采用马弗炉氧化样品，设置马弗炉加热温度500℃，将2个样品分别在马弗炉中加热120分钟及240分钟，在2种不同的氧化时间下分别形成了2份不同金属氧化层厚度(d₁,d₂)的氧化金属样品，金属氧化层厚度采用扫描电子显微镜测量，样品分别编号为B1、B2。金属氧化物成分一般较为复杂，在相同氧化温度不同氧化时间条件下得到的氧化金属样品的金属氧化层厚度不同，氧化金属样品的金属氧化层成分相同。因此，本实施例中的氧化金属样品B1、B2的金属氧化层成分相同。

（2）样品发射率测量

采用真空变角度高温方向光谱发射率测量实验台作为测试设备，测试温度范围500℃～1600℃、测试光谱0.7μm～3μm。在上述测试区间，每隔100℃，分别测量B1、B2样品在2种探测方向角（15°、30°）的S偏振态定向光谱发射率。

（3）样品光学常数计算

基于公式（1）～（4），上述B1、B2两个样品在2种不同探测方向角的4组S偏振态定向光谱发射率测量数据构造测量方程组，方程组满足封闭数学求解条件，采用最小二乘法处理数据，联立方程组计算求解氧化层在不同温度、光谱下的光学常数(n,k,α)。

实施例3

本实施例中的氧化金属样品数量为2个，2个样品的金属氧化层厚度不同。对2个样品（N=2）的分别进行了2种不同探测方向角（M=2）的S偏振态、P偏振态定向光谱发射率测量。

（1）样品制备

制备2个纯镍金属样品，直径30mm，厚度3mm，表面光滑处理。采用马弗炉氧化样品，设置马弗炉加热温度500℃，将2个样品分别在马弗炉中加热120分钟及240分钟，在2种不同的氧化时间下分别形成了2份不同金属氧化层厚度(d₁,d₂)的氧化金属样品，金属氧化层厚度采用扫描电子显微镜测量，样品分别编号为C1、C2。金属氧化物成分一般较为复杂，在相同氧化温度不同氧化时间条件下得到的氧化金属样品的金属氧化层厚度不同，氧化金属样品的金属氧化层成分相同。因此，本实施例中的氧化金属样品C1、C2的金属氧化层成分相同。

（2）样品发射率测量

采用真空变角度高温光谱发射率测量实验台作为测试设备，测试温度范围500℃～1600℃、测试光谱0.7μm～3μm。在上述测试区间，每隔100℃，分别测量C1、C2样品在2种（M=2）探测方向角（15°、30°）的S偏振态方向光谱发射率及P偏振态方向光谱发射率。

（3）样品光学常数计算

基于公式（1）～（4），上述C1、C2两个样品在2种不同探测方向角的2种不同偏振态的8组定向光谱发射率测量数据构造测量方程组，方程组满足封闭数学求解条件（2·M·N=8>4），采用最小二乘法处理数据，联立方程组计算求解氧化层在不同温度、光谱下的光学常数(n,k,α)。

实施例4

本实施例中的氧化金属样品数量为2个，2个样品的金属氧化层厚度不同。对2个样品（N=2）的分别进行了3种不同探测方向角（M=3）的S偏振态、P偏振态定向光谱发射率测量。

（1）样品制备

制备2个纯镍金属样品，直径30mm，厚度3mm，表面光滑处理。采用马弗炉氧化样品，设置马弗炉加热温度500℃，将2个样品分别在马弗炉中加热120分钟及240分钟，在不同的氧化时间下分别形成了具有不同金属氧化层厚度(d₁,d₂)的氧化金属样品，氧化层厚度采用扫描电子显微镜测量，样品分别编号为D1、D2。金属氧化物成分一般较为复杂，在相同氧化温度不同氧化时间条件下得到的氧化金属样品的金属氧化层厚度不同，氧化金属样品的金属氧化层成分相同。因此，本实施例中的氧化金属样品D1、D2的金属氧化层成分相同。

（2）样品发射率测量

采用真空变角度高温光谱发射率测量实验台作为测试设备，测试温度范围500℃～1600℃、测试光谱0.7μm～3μm。在上述测试区间，每隔100℃，分别测量D1、D2样品在3种探测方向角（0°、30°、60°、）的S偏振态及P偏振态定向光谱发射率。

（3）样品光学常数计算

基于公式（1）～（4），上述D1、D2两个样品在3种不同探测方向角的2种偏振态的12组定向光谱发射率测量数据构造测量方程组，方程组满足封闭数学求解条件（2·M·N=12>4），采用最小二乘法处理数据，联立方程组计算求解氧化层在不同温度、光谱下的光学常数(n,k,α)。

实施例5

本实施例中的氧化金属样品数量为3个，3个样品的金属氧化层厚度均不相同。对3个样品（N=3）的分别进行了2种不同探测方向角（M=2）的S偏振态、P偏振态定向光谱发射率测量。

（1）样品制备

制备3个纯镍金属样品，直径30mm，厚度3mm，表面光滑处理。采用马弗炉氧化样品，设置马弗炉加热温度500℃，将3个样品分别在马弗炉中加热120分钟、240分钟及360分钟，在不同的氧化时间下分别形成了具有不同金属氧化层厚度（d₁、d₂、d₃）的氧化金属样品，金属氧化层厚度采用扫描电子显微镜测量，样品分别编号为E1、E2、E3。金属氧化物成分一般较为复杂，在相同氧化温度不同氧化时间条件下得到的氧化金属样品的金属氧化层厚度不同，氧化金属样品的金属氧化层成分相同。因此，本实施例中的氧化金属样品E1、E2、E3的金属氧化层成分相同。

（2）样品发射率测量

采用真空变角度高温光谱发射率测量实验台作为测试设备，测试温度范围500℃～1600℃、测试光谱0.7μm～3μm。在上述测试区间，每隔100℃，分别测量E1、E2、E3样品在2个探测方向角（0°、30°）的S偏振态及P偏振态定向光谱发射率。

（3）样品光学常数计算

基于公式（1）～（4），上述E1、E2、E3三个样品在2种不同探测方向2种偏振态的12组定向光谱发射率测量数据构造测量方程组，方程组满足封闭数学求解条件（2·M·N=12>4），采用最小二乘法处理数据，联立方程组计算求解氧化层在不同温度、光谱下的光学常数(n,k,α)。

本发明提供的测量测量金属氧化层高温光学常数的方法，通过组合探测方向角、金属氧化层的厚度及偏振态等参数，获得多种不同的测量金属氧化层高温光学常数的实施方式，适用于不同的测试情况：

（1）当没有条件制备多个氧化金属样品时，例如仅能生成2个样品，那么结合多角度测量或偏振态测量；

（2）当不便于太多角度测量时，可以采用多个氧化金属样品，以及较少的角度测量；

（3）当几种氧化金属样品的厚度较接近时，可以附加角度测量信息，以提高反演精度；

（4）当几个探测角度间隔太密时，会降低反演精度，这时可附加几种不同厚度的氧化金属样品测量，提高反演精度；

（5）当有条件制备多个氧化金属样品，通过附加几种不同探测角度及不同偏振态的测量，使测量得到的数据更丰富准确。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种测量金属氧化层高温光学常数的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、提供多份氧化金属样品，多份氧化金属样品至少具有两种不同的金属氧化层厚度，分别测量每份氧化金属样品的金属氧化层的厚度；

S2、采用真空变角度高温光谱发射率测量实验台，在真空环境下，分别对每份氧化金属样品进行至少两种不同探测方向角的定向光谱发射率测量；所述定向光谱发射率包括S偏振态的定向光谱发射率和P偏振态的定向光谱发射率；

S3、基于辐射传递原理，建立氧化金属样品定向光谱发射率与探测方向角、氧化层厚度、氧化层光学常数及金属基底辐射特性的数学关系式；

S4、基于所述数学关系式，通过不同探测方向角、不同厚度金属氧化层的氧化金属样品的定向光谱发射率测量数据，构造计算方程组，采用最小二乘法计算求解金属氧化层的高温光学常数。

2.如权利要求1所述的测量金属氧化层高温光学常数的方法，其特征在于，氧化金属样品为两份、三份或四份。

3.如权利要求1-2任一项所述的测量金属氧化层高温光学常数的方法，其特征在于，所述真空变角度高温光谱发射率测量实验台具有真空腔作为实验腔体，所述真空腔内设有样品支架、高温石墨辐射加热器、样品温控单元和多维旋转台；

所述样品支架固定于所述多维旋转台上，所述样品支架用于固定氧化金属样品，所述高温石墨辐射加热器对氧化金属样品进行加热；所述样品温控单元通过控制高温石墨辐射加热器对氧化金属样品进行加热。

所述多维旋转台，用于对样品支架进行角度旋转定位，对样品进行不同探测方向角的定向光谱发射率测量。

4.如权利要求3所述的测量金属氧化层高温光学常数的方法，其特征在于，所述真空变角度高温光谱发射率测量实验台还包括偏振器件，所述偏振器件放置在样品辐射测量光路中，实现S偏振态和P偏振态的定向光谱发射率测量。

5.如权利要求4所述的测量金属氧化层高温光学常数的方法，其特征在于，所述真空腔外壁上设有光学窗口，光谱辐射仪通过所述光学窗口进行样品光谱辐射强度测量，进而获得稳定温度状态下的样品定向光谱发射率数据。

6.如权利要求5所述的测量金属氧化层高温光学常数的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：待测氧化金属样品放置于所述样品支架上，通过所述高温石墨辐射加热器对氧化金属样品加热，所述样品温控单元实时测量氧化金属样品的温度，通过温度信息反馈控制调整高温石墨辐射加热器的加热功率，以使样品加热到所需的稳定温度状态，进而通过光谱辐射仪测量样品光谱辐射强度，以获得稳定温度状态下的样品定向光谱发射率数据；调节多维旋转台，对样品进行不同探测方向角的定向光谱发射率测量。

7.如权利要求1所述的测量金属氧化层高温光学常数的方法，其特征在于，步骤S4之后还包括：

S5、通过测得的金属氧化层光学常数可用于计算预测具有已知金属氧化层厚度的氧化金属样品的发射率。

8.如权利要求1所述的测量金属氧化层高温光学常数的方法，其特征在于，所述探测方向角的范围是0°-60°。

9.如权利要求1所述的测量金属氧化层高温光学常数的方法，其特征在于，各氧化金属样品的金属基底成分、金属基底表面特征和金属氧化层的成分均相同。