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的傳播方向，從而在入射光方向以外的方向也可以探測到光能量的一種現(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。人們對光散射的研究已經(jīng)有很久的歷史了，早期主要是通過對光散射的研究，來探索光的本性。而近年來研究發(fā)現(xiàn)，可以通過相干背散射技術(shù)來研究光子局域，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。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序介質(zhì)中傳播時，光波受到無序介質(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，光子局域的一個成功應(yīng)用是無序激光器。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，自提出以來至今一直是一個研究的熱點。目前，測量相干背散射是判斷光子局域發(fā)生與否的一個重要方法。相干背散射是指由于光在隨機介質(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度比其它方向的強度大[2-3]。

在本文中，通過實驗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、膠體溶液的濃度對相干背散射的影響。

圖1 實驗裝置

1 實驗裝置

實驗采用改進的麥克爾遜干涉儀器作為主要測量裝置[4]，如圖1所示。實驗以He－Ne激光器作為工作光源，從激光器出來的波長為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。從樣品散射回來的部分光反向通過分束鏡后再通過一個偏振片檢偏，被透鏡3聚焦在接收裝置CCD上，得到測量信號。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相干背散射信號的干擾。在傳統(tǒng)的相干背散射的實驗中，一般是將探測器固定在一個移動平臺上，通過移動平臺來實現(xiàn)對背散射角的測量；而在本實驗中，我們采用CCD來直接記錄背散射角，這種改進可以簡化實驗裝置，而且可以測量背散射的立體角，可以獲得散射體內(nèi)更多的信息。在實驗中，不同尺寸和濃度的聚苯乙烯小球的水溶液被注入樣品池，用于實驗測量。

2 實驗結(jié)果及討論

通常可以定義一個增強因子來表征相干背散射，即為正反射方向的散射強度與大角度的平均散射強度之比。我們首先研究了小球尺寸對相干背散射的影響。圖2為相同濃度不同尺寸小球溶液的相干背散射的強度圖，其中橫坐標(biāo)為背散射角，縱軸為背散射信號的相對強度。從2（a）到2（d）分別對應(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，其增強因子達到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，從而導(dǎo)致相干背散射強度的減弱。

圖2 不同尺寸、相同濃度小球溶液的相干背散射強度圖。溶液體積濃度為10%，從（a）到（d）分別對應(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度圖。溶液中小球直接為260nm，（a）、（b）分別對應(yīng)體積濃度10%、1%。

我們還研究了小球濃度對相干背散射的影響。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，背景光強度增強，增強因子降低。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

本文通過實驗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、膠體溶液的濃度對相干背散射的影響。研究表明，尺寸適度的散射體有較強的相干背散射，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.