膠體懸浮液的相干背散射研究

戴峭峰，袁茂輝華南師范大學(xué)信息光電子科技學(xué)院，廣東 廣州 510006

0 引言

光散射是指光在傳播過程中，由于介質(zhì)的非均勻性或有其它介質(zhì)的存在而使其一部分能量偏離原來(lái)的傳播方向，從而在入射光方向以外的方向也可以探測(cè)到光能量的一種現(xiàn)象。光散射是自然界一種普遍的現(xiàn)象，比如晴朗天空呈現(xiàn)的藍(lán)色，天空中的白色云朵等。人們對(duì)光散射的研究已經(jīng)有很久的歷史了，早期主要是通過對(duì)光散射的研究，來(lái)探索光的本性。而近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，可以通過相干背散射技術(shù)來(lái)研究光子局域，這激起了人們極大的研究興趣。Anderson于1958 年首先提出了電子的無(wú)序局域，并因此與其它物理學(xué)家分享了1977年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。1983年，John首先將局域化的概念推廣到光波[1]，即光子局域。光子局域是指光在無(wú)序介質(zhì)中傳播時(shí)，光波受到無(wú)序介質(zhì)的多重散射而發(fā)生干涉，使得光在傳播方向上受到抑制。目前，光子局域的一個(gè)成功應(yīng)用是無(wú)序激光器。由于光子局域在基礎(chǔ)研究方面的重要性及其潛在的應(yīng)用前景，自提出以來(lái)至今一直是一個(gè)研究的熱點(diǎn)。目前，測(cè)量相干背散射是判斷光子局域發(fā)生與否的一個(gè)重要方法。相干背散射是指由于光在隨機(jī)介質(zhì)中的多次散射而導(dǎo)致其在入射的反方向上具有相干增強(qiáng)的一種自相干效應(yīng)，表現(xiàn)為在入射的反方向上的散射強(qiáng)度比其它方向的強(qiáng)度大[2-3]。

在本文中，通過實(shí)驗(yàn)研究了聚苯乙烯小球膠體溶液中的相干背散射，分別研究了膠體顆粒的粒徑、膠體溶液的濃度對(duì)相干背散射的影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)的麥克爾遜干涉儀器作為主要測(cè)量裝置[4]，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)以He－Ne激光器作為工作光源，從激光器出來(lái)的波長(zhǎng)為632.8nm的激光先經(jīng)過偏振片起偏，然后經(jīng)過透鏡組1和2擴(kuò)束為平行光。平行光經(jīng)過分束鏡后分束為兩路，其中一路照射在樣品的上，另一路作為閑置光吸收掉。從樣品散射回來(lái)的部分光反向通過分束鏡后再通過一個(gè)偏振片檢偏，被透鏡3聚焦在接收裝置CCD上，得到測(cè)量信號(hào)。這其中，樣品表面的法線要稍微偏離激光束的方向，以去除樣品池表面的鏡面反射對(duì)相干背散射信號(hào)的干擾。在傳統(tǒng)的相干背散射的實(shí)驗(yàn)中，一般是將探測(cè)器固定在一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)上，通過移動(dòng)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)背散射角的測(cè)量；而在本實(shí)驗(yàn)中，我們采用CCD來(lái)直接記錄背散射角，這種改進(jìn)可以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置，而且可以測(cè)量背散射的立體角，可以獲得散射體內(nèi)更多的信息。在實(shí)驗(yàn)中，不同尺寸和濃度的聚苯乙烯小球的水溶液被注入樣品池，用于實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

通常可以定義一個(gè)增強(qiáng)因子來(lái)表征相干背散射，即為正反射方向的散射強(qiáng)度與大角度的平均散射強(qiáng)度之比。我們首先研究了小球尺寸對(duì)相干背散射的影響。圖2為相同濃度不同尺寸小球溶液的相干背散射的強(qiáng)度圖，其中橫坐標(biāo)為背散射角，縱軸為背散射信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度。從2（a）到2（d）分別對(duì)應(yīng)小球直徑為260nm，1.9μm，4.3μm，11μm。由圖2可以看出，相干背散射的形狀隨著小球尺寸的不同而變化，1.9μm尺寸的小球其相干背散射最為顯著，其增強(qiáng)因子達(dá)到1.43（10/7=1.43）左右，11μm尺寸的小球就觀察不到相干背散射了。由于相干背散射的增強(qiáng)因子與平均自由程成反比，因此隨著小球尺寸的增大，樣品厚度一定，光在樣品中的散射次數(shù)減少，前向透光率增強(qiáng)，從而導(dǎo)致相干背散射強(qiáng)度的減弱。

圖2 不同尺寸、相同濃度小球溶液的相干背散射強(qiáng)度圖。溶液體積濃度為10%，從（a）到（d）分別對(duì)應(yīng)小球直徑為260nm，1.9μm，4.3μm，11μm。

圖3

圖3 相同尺寸、不同濃度小球溶液的相干背散射強(qiáng)度圖。溶液中小球直接為260nm，（a）、（b）分別對(duì)應(yīng)體積濃度10%、1%。

我們還研究了小球濃度對(duì)相干背散射的影響。由圖3可以看出，隨著溶液中小球濃度的減少，相干背散射的峰值寬度變窄，背景光強(qiáng)度增強(qiáng)，增強(qiáng)因子降低。由于濃度的降低，光在溶液中的散射次數(shù)大大減少，減小了背散射方向的相干散射。

3 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了聚苯乙烯小球膠體溶液的相干背散射，分別研究了膠體顆粒的粒徑、膠體溶液的濃度對(duì)相干背散射的影響。研究表明，尺寸適度的散射體有較強(qiáng)的相干背散射，大尺寸的小球?qū)p弱相干背散射；隨著溶液中小球濃度的減少，相干背散射的峰值寬度變窄，增強(qiáng)因子降低。

[1]John S.， Sompolinsky H.， Stephen M.J..Localization in a disordered elastic medium near two dimensions[J].Phys.Rev.B，1983， 27(9):5592-5603.

[2]Wolf P.， Maret G...Weak Localization and Coherent Backscattering of Photons in Disordered Media[J].Phys Rev Lett，1985，55(24):2696-2699.

[3]Akkermans E.， Wolf P.E.， Maynard R..Coherent Backscattering of Light by Disordered Media: Analysis of the Peak Line Shape[J].Phys Rev Lett， 1986，56(14):1471-1474.

[4]Meint P.Van Albada and Ad Lagendijk Observation of Weak Localization of Light in a Random Medium[J].Phys.Rev.Lett.55(24): 2692-2695.