戴峭峰，袁茂輝華南師范大學信息光電子科技學院，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)中的多次散射而導致其在入射的反方向上具有相干增強的一種自相干效應，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?？梢远x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.