[发明专利]测量金属氧化层高温光学常数的方法

说明书

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。