相干背散射测量.pdf

相干背散射的测量1 * 范书振，张行愚 ，王青圃，张琛，丛振华，张晓磊，秦增光，张真 山东大学信息科学与工程学院，济南（250100 ） E-mail：xyz@ 摘 要：相干背散射是研究弱光子局域化的重要手段，但是由于其信号非常微弱，测量艰难， 常见的测量方法实验装置结构复杂且测量耗时。通过研究相干背散射的特征，给出了一种相 对简易的相干背散射的实验方法，采用面阵CCD 作为探测设备，得到待测量样品的相干背 散射图样。对取得的数据进行积分处理以提高信噪比，从而提高测量的精确度，然后利用公 式对积分后的数据进行曲线拟合的办法得到了样品的光子平均自由程。基于相干背散射角分 布的公式，固定参数，计算机生成了数值模拟的数据，并生成均匀分布的随机数作为噪声与 信号叠加，经处理最后得到的参数同初始设置值符合较好，验证了理论的正确性和结果的唯 一性。最后通过建立实际光路，记录了样品的相干背散射图像，处理后得到了测试实例。 关键词：相干背散射，相干后向散射，光子局域化，随机介质，CCD 中图分类号：O648.12+4 ，O436 ，O469 1. 引言 [1] 安德森局域化是从电子学领域的研究中提出的重要现象 ，提出者安德森因其卓越的贡 献而被授予诺贝尔奖。其主要特征是因介质性质的随机化分布而导致波的传播受阻。光子局 域化是安德森局域化在光学领域中的类比，是当前研究的热点[2-17] 。光在均匀无吸收介质中 传播时，其透过率是介质厚度的反函数，呈线性衰减，类似于电子学的欧姆定律，但当介质 内的折射率分布随机化到一定程度时，透过率将呈指数衰减，即为光子弱局域化的状态。相 干背散射被认为是一种弱光子局域化现象，是一种自相干效应，其直观表现为对随机样品照 射后，其散射光的强度在背散射方向的强度干涉相长，光强成锥形分布[3-5] 。相干背散射具 有非常重要的研究意义，是研究光子扩散领域中的光子传输平均自由程的重要手段，是研究 [6-7] 光子局域化的重要方法之一 。 相干背散射的光能量非常弱，难以测量。现有的实验装置复杂或测量耗时[8-13], 国内仅 有少量研究报道[14-16] 。本文提供了一种使用面阵CCD 测量相干背散射的方法，相对快捷地 获得平均自由程的数值。利用记录信息的二维特性，对数据进行一维积分，克服了实验结果 噪声大的弊端，成功得到样品的平均自由程信息。 2. 测量方法 由于CCD 能够精确记录二维空间的信息，因此通过充分利用此二维信息，可以显著缩 短测量的时间，降低测量的复杂度。使用 CCD 测量相干背散射的实验光路图见图 1 所示， 相干背散射的图像由 CCD 记录可直接得到数据，简单快捷。但由于得到的数据有比较大的 噪声，直接从中选取一维信息，如图 2 所示。可以看到，信号已经基本上湮没在噪声当中， 无法测量相干背散射角的半高全宽，勉强进行曲线拟合也无法令人信服。已有的报道中多次 测量累加或者延长 CCD 积分时间的方法都有其局限性。由于 CCD 记录的信息为二维信息， 本文采用对其中一维进行积分的方法，利用本来丢弃的一维的信息，提高信噪比，从而得到 有效的数据，还可以结合其他方法进一步提高测量精度。 基于光在随机介质中的传播理论，在扩散近似下，相干背散射的强度随角度分布方程符 1本课题得到国家自然科学基金）和教育部博士点研究基金(20050422018)的资助。 - 1 - 合如下形式[14] ： ⎛ ( )⎞