专利名称：一种使用线阵ccd快速测量相干背散射的装置及方法
技术领域：
本发明涉及光子局域化的检测技术领域，用于检测样品的光子局域化性质的装置及方 法，特别是一种使用线阵CCD快速测量相干背散射的装置及方法。(二) 背景技术安德森局域化是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。其主要特征是波的传播因介质性质的随机化分布而导致受阻。至今已经得 到了广泛的研究和应用，并在微波实验中观察到了局域化的现象。由于其本质是来源于电磁 波的波动性质，而波动性质是光的特性之一，因此人们提出了光子局域化的概念。光子局域 化是安德森局域化在光学领域中的类比，至今仍是研究的热点，但由于光波的波长较短，实 现完全意义上的光子局域化非常困难，至今没有在实验上观察到这个现象，能够实现完全光 子局域化是人们现阶段努力要实现的目标。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弱光子 局域化现象的一种，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。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，是研究光子局域化的重要方法之但是相干背散射的光能量非常弱，难以测量。现有的实验装置主要分为两种。 一种是利 用光电倍增管配合锁相放大装置，利用精密的电移平台进行扫描，其优点为灵敏度高，但是 由于光电倍增管只能进行逐点测量，为了得到相干背散射图样，必须进行大量的测量，测量 复杂并且耗时，并且无法用于测量样品不太稳定时的情况。(相关文献P.C.de Oliveira， and N.M丄awandy, Coherent Backscattering from high-gain scattering media, Opt丄ett. 1996,21,1685-1687; A.Schmidt, R.Corey and Psaulnier, Imaging Through Random Media by Use of Low-Coherence Optical Heterodyning, Opt. Lett. 1995, 20， 404-406; D.S.Wiersma, M.Rvan Albada, An Accurate Technique to Record the Angular Distribution of Backscattered Light, Rev. Sci. Instrum. 1995， 66,5473-5476)另一种方法是使用电荷耦合器件(CCD)进行测量，又分 为直接测量和间接测量两种。使用CCD来进行测量的本意是为了降低复杂度，提高测量的 速度。从已有的报道来看，直接测量时为了提高信噪比，主要采用了提高CCD的积分时间 和多次测量数据叠加这两种方法，但在噪声比较严重的情况下，提高积分时间有利于对信号 的记录，但是对信噪比的提高效果有限，而多次测量然后数据相叠加的方法需要大量的重复 测量才能有效提高信噪比，延长了测量时间，不利于对样品不稳定情况的测量。(相关文献 G..Yoon, D.N.G. Roy and R.C. Straight, Coherent Backscattering in Biological Media: Measurement and Estimation of Optical Properties, Appl. Opt.,1993,32, 580-585; G.丄abeyrie, C.A.Muller, D.S.Wiersma, et al, Observation of Coherent Backscattering of Light by Cold Atoms, J.Opt.B: Quantum. Semiclass. Opt., 2000,2,672-685)而间接测量则是利用外差法进行测量，其
缺点是装置复杂，对数据的处理烦琐。(相关文献Max Lesaffre, Michael Atlan, and Michel Gross, Effect of the Photon's Brownian Doppler Shift on the Weak-Localization Coherent-Backscattering Cone, Phys. Rev, Lett,, 2006,97,33901)
发明内容为了克服上述现有技术的缺陷和不足，解决目前测量相干背散射复杂而耗时的问题，本 发明提供一种能够快速简捷地测量相干背散射的装置和方法，并能够迅速得到其中包含的光 子平均自由程的信息。本发明的技术方案如下一种使用线阵CCD快速测量相干背散射的装置，包括激光器(偏振光输出)、衰减器、 反射镜、空间光滤波扩束准直器、分束镜、消光器、两个柱透镜、微型计算机、线阵电荷耦合器件CCD和平面反射镜，其特征在于激光器后面放置衰减器，衰减器后面放置反射镜；空 间光滤波扩束准直器由两个透镜和小孔光阑组成，小孔光阑位于两个透镜中间，空间光滤波 扩束准直器位于反射镜之后、分束镜之前；位于分束镜之后纵向放置消光器，横向前端放置 平面反射镜，横向后端放置两个柱透镜，线阵电荷耦合器件CCD置于两个柱透镜后面并和 微型计算机相连接。所述的消光器的设计是呈布儒斯特角倾斜的黑色玻璃片。 所述的两个柱透镜的轴线均垂直于光路方向。 所述的两个柱透镜的轴线相互垂直。所述的两个柱透镜中后端柱透镜的焦距应该为前端柱透镜焦距的0.5-1倍。所述的线阵电荷耦合器件位于前端柱透镜的焦平面上。所述的线阵电荷耦合器件的方向同后端柱透镜的轴线方向平行。本发明装置的工作过程为从激光器中输出的偏振的激光经衰减器调节后获得合适的光 强，然后经反射镜反射到空间光滤波扩束准直器中，经过空间光滤波扩束准直器调节使得光 束接近于平行光，经准直后的光照射到分束镜上， 一部分继续传播，被消光器吸收，由于消 光器是呈布儒斯特角倾斜的黑色玻璃片，能够有效消除照射到上面的激光，防止反向反射的 光造成的干扰。从分束镜反射的光照射到样品上，其相干背散射的光经过分束镜，照射到两 个柱透镜上，在CCD上成像并被记录到微型计算机上。由于两个柱透镜轴线相互垂直，从 而使得横向和纵向的信息相互不干扰。由计算机记录的数据直接使用相干背散射的公式进行 拟合即可得到光子传输平均自由程。两个柱透镜的焦距需要根据实际情况来选择，不同的样品对应的最合适的透镜焦距不 同。柱透镜的焦距由要测量的样品的平均自由程的情况来决定，和CCD的参数结合，影响 到测量的范围和精度。后端柱透镜的焦距则由前端柱透镜的焦距和后端柱透镜的位置决定， 要求尽可能地把信号聚焦成线状，并成像在CCD接收面上。把样品替换成垂直于光路的反射镜，调节衰减器，则可以测出测量装置的系统响应。在 系统分辨率(系统响应)远远小于信号的宽度情况下，可以对数据进行直接处理，否则需要 对数据进行解巻积处理，只要合理设置测量装置图中各器件的参数，是能够保证系统响应远 小于信号宽度的。一种利用上述装置测量相干背散射的方法，步骤如下a.打开激光器，输出偏振光，经衰减器调节，使得输出激光能够使用裸眼轻易识别，
并且调节时不伤眼；调节反射镜使得反射的光接近于水平传输；调节空间滤波准直扩束器中 的透镜和小孔光阑，使得光束接近为空间分布均匀的近平面波(光束的张角小于1毫弧度)；b.放置分束镜和平面反射镜，平面反射镜要垂直于光路，使得反射的光能够原路返回, 根据激光器输出的偏振方向调节消光器的角度，保证激光被消光器吸收，基本上没有反射；C.放置前端柱透镜，尽量靠近分束镜；调节衰减器，使得输出的光最弱，以防止损坏 线阵电荷耦合器件；放置线阵电荷耦合器件，并在随后的调节中，根据线阵电荷耦合器件上 测量的信号大小慢慢调节衰减器使输出的光由弱到强，保证其信号在线阵电荷耦合器件的线 性响应区域内；横向调节线阵电荷耦合器件CCD的位置，使得线阵电荷耦合器件CCD上的 亮线位于线阵电荷耦合器件CCD的中部，与线阵电荷耦合器件CCD垂直相交；纵向调节线 阵电荷耦合器件CCD，在此亮线宽度最窄的时候，即为线阵电荷耦合器件CCD已经在柱透 镜的焦平面上；放置后端柱透镜，并调节后端柱透镜的横向和纵向的位置，使得线阵电荷耦 合器件CCD上的亮线被压縮成小点，而且小点的位置大致在线阵线阵电荷耦合器件CCD的 中心；调节完毕的标准为亮点的宽度低于线阵电荷耦合器件CCD的测量总宽度的百分之 一，最佳状态为亮点宽度大致同线阵电荷耦合器件CCD的单个像素尺度一致，否则需要重 新进行步骤a到c，以能够保证系统响应宽度远小于信号宽度(相差一个数量级以上)的目 的；d. 将平面反射镜替换为样品，调节衰减器用来调节偏振光输出的光强，使得线阵电荷 耦合器件上的信号在其线性响应范围的中间为宜，调节后端柱透镜的纵向位置，使得线阵电 荷耦合器件CCD上的信号接近于最强，同时继续调节衰减器防止线阵电荷耦合器件上信号 饱和，在线阵电荷耦合器件CCD上成像并通过微型计算机记录下数据，即为相干背散射数 据；e. 经线阵电荷耦合器件CCD转换并记录在微型计算机上的数据可以使用相干背散射 公式直接进行拟合。上述测量步骤须在暗室中进行，尽量屏蔽一切杂散光，以减少杂散光对测量结果的影响。 上述测量相干背散射的方法是在柱透镜的焦距和要测量的样品的平均自由程相适配的 情况下进行的，在步骤c调节好的情况下，如果曲线的宽度和系统响应的宽度属于一个数量 级，则需要选择更长焦距的柱透镜；而如果曲线的宽度大于线阵电荷耦合器件测量的范围， 则需要选择更短焦距的柱透镜，最合适的焦距由测量的样品的特性决定。柱透镜的焦距应该 为柱透镜的焦距的0.5-1倍为宜。本发明方法对传统的测量方法和数据处理方法进行改进。 一方面，提出利用线阵CCD 对数据进行测量，利用线阵CCD的高分辨率和高灵敏度的优势，降低实验装置的复杂度， 达到快速简捷测量的目的。还可以适当结合增加CCD积分时间和多次测量累加的办法，进 一步提高所得数据的信噪比，有利于对不稳定样品的测量。另一方面，为了使测量能够快速 有效，对测量的装置进行改进，采用双柱透镜组合的方法，极大地简化了对数据的后续处理 的复杂度和进行运算的强度，并使得最后的信号更加适合于使用线阵CCD进行测量。己有 的实验装置使用普通透镜来进行光信息的近场和远场的变换，使得CCD上的光强分布成为 相干背散射光强的角度分布。但是这个分布是极坐标分布，因此在对数据进行一维积分处理 以后得到的结果是积分后的数据。而为了能得到数据中包含的光子平均自由程信息，必须使 用公式进行曲线拟合。因此需要对进行拟合的公式进行积分处理，计算复杂度严重增加，导
致拟合的时间非常长，而且还需要根据实验情况确定一些参数，其准确度影响到拟合的结果。 使用双柱透镜组合后， 一方面在一维方向上由柱透镜进行了变换，强度随角度分布，另一方 面则由第二个柱透镜进行光束的聚焦，有利于提高信号的信噪比。两柱透镜方向互相垂直， 变换过程中互相不影响。则可以直接由线阵CCD记录下相干背散射角的角度分布，并可以 对数据直接使用原公式进行拟合而不用进行任何处理，因此极大地简化了处理过程，縮短处 理时间，并保留了数据的细节信息。(四)
图1是本发明装置的系统响应测量光路示意图，图2是本发明装置的待测样品测量光路 示意图，图3是本发明装置柱透镜的示意图。其中U敫光器(偏振光输出)，2衰减器,3.反射镜,4.透镜,5.小孔光阑,6.透镜，7.分束镜,8.待测样 品,9.消光器，10.柱透镜,11.柱透镜,12.微型计算机,13.线阵电荷耦合器件CCD,14.平面反射镜， 15.柱透镜的轴线。
具体实施方式
实施例本发明装置如图l所示，包括激光器l (偏振光输出)、衰减器2、反射镜3、空间光 滤波扩束准直器、分束镜7、消光器9、柱透镜10和11、微型计算机12、线阵电荷耦合器 件CCD13和平面反射镜14，其特征在于激光器1后面放置衰减器2，衰减器2后面放置反 射镜3;空间光滤波扩束准直器由两个透镜4、 6和小孔光阑5组成，小孔光阑5位于两个 透镜4、 6中间，空间光滤波扩束准直器位于反射镜3之后、分束镜7之前；位于分束镜7 之后纵向放置消光器9，横向前端放置平面反射镜14，横向后端放置两个柱透镜10、 11， 线阵电荷耦合器件CCD13置于两个柱透镜10、 11后面并和微型计算机12相连接。所述的消光器9的设计是呈布儒斯特角倾斜的黑色玻璃片。所述的两个柱透镜10、 11的轴线均垂直于光路方向。所述的两个柱透镜IO、 11的两轴线相互垂直。所述的两个柱透镜中后端柱透镜11的焦距应该为前端柱透镜10焦距的0.5倍。 所述的线阵电荷耦合器件13位于前端柱透镜10的焦平面上。 所述的线阵电荷耦合器件13的方向同后端柱透镜11的轴线15方向平行。 本发明方法如图1和图2所示，步骤如下a. 打开激光器l,输出偏振光，经衰减器2调节，使得输出激光能够使用裸眼轻易识别， 并且调节到不伤眼；调节反射镜3使得反射的光接近于水平传输；调节空间滤波准直扩束器 中的透镜4、 6和小孔光阑5，使得光束的张角小于1毫弧度，成为空间分布均匀的近平面 波；b. 放置分束镜7和平面反射镜13在预定的位置，平面反射镜14要垂直于光路，使得 反射的光能够原路返回，根据激光器1输出的偏振方向调节消光器9的角度，保证激光被消 光器吸收，基本上没有反射；c. 放置前端柱透镜IO，尽量靠近分束镜7;调节衰减器2，使得输出的光最弱，以防 止损坏线阵电荷耦合器件13;放置线阵电荷耦合器件13，并在随后的调节中，根据线阵电 荷耦合器件13上测量的信号大小慢慢调节衰减器2使输出的光由弱到强，保证其信号在线
阵电荷耦合器件13的线性响应区域内；横向调节线阵电荷耦合器件CCD13的位置，使得线 阵电荷耦合器件CCD13上的亮线位于线阵电荷耦合器件CCD13的中部，与线阵电荷耦合器 件CCD13垂直相交；纵向调节线阵电荷耦合器件CCD13,在此亮线宽度最窄的时候，即为 线阵电荷耦合器件CCD13已经在柱透镜10的焦平面上；放置后端柱透镜11，并调节后端 柱透镜ll的横向和纵向的位置，使得线阵电荷耦合器件CCD13上的亮线被压縮成小点，而 且小点的位置大致在线阵线阵电荷耦合器件CCD13的中心；调节完毕的标准为亮点的宽 度低于线阵电荷耦合器件CCD13的测量总宽度的百分之一，最佳状态为亮点宽度大致同线 阵电荷耦合器件CCD13的单个像素尺度一致，否则需要重新进行步骤a到c，以能够保证 系统响应宽度远小于信号宽度(相差一个数量级以上)的目的；d. 替换平面反射镜14为样品8，调节衰减器2使得线阵电荷耦合器件13上的信号在 其线性响应范围的中间为宜；调节柱透镜ll的纵向位置，使得线阵电荷耦合器件CCD13上 的信号接近于最强，在线阵电荷耦合器件CCD13上成像并通过微型计算机12记录下数据， 即为相干背散射数据；e. 经线阵电荷耦合器件CCD13转换并记录在微型计算机12上的数据可以使用相干背 散射公式直接进行拟合。
本实施例是对样品为纳米Ti02的甲醇溶液进行测量，使用的激光器1为输出功率约 10mW的氦氖激光器，干涉长度约为15cm，偏振方向为竖直方向。由反射镜3反射到4， 5， 6组成的空间光滤波扩束准直器，使得光束的发散角为0.5mrad。经过分束器7， 一束光照到 样品8上，另一束光进行消光处理。样品的散射光经过分束器，通过柱透镜10和11进行变 换后，在柱透镜10的焦平面上的CCD13上干涉并被记录。本实施例采用的柱透镜10的焦 距为200mm，柱透镜11的焦距是100mm。 CCD是PHOTOMETRICS公司的Quantix 1602E， 分辨率1536*1024，像素间距9y m。纳米Ti02粉末为山东正元纳米材料工程有限公司生产， 电镜测量的结果显示其颗粒半径为40mn 60nm，由于团聚效应，实际溶液中的颗粒半径应 该远大于这个数值。甲醇为山东禹王实业有限公司生产的色谱纯甲醇，折射率1.44。样品池 是10mm*5mm*20mm的带塞石英比色皿。
测量在暗室中进行，尽量屏蔽一切杂散光，以减少杂散光对测量结果的影响。消光部分 进行了严格的处理，利用布儒斯特角倾斜的黑色玻璃片有效地消除透过分束器的偏振光，防 止反射的光影响测量的结果。本实施例所测量数据通过处理，可以得到样品的光子传输平均 自由程约为1.7 nm。
权利要求
1.一种使用线阵CCD快速测量相干背散射的装置，包括激光器、衰减器、反射镜、空间光滤波扩束准直器、分束镜、消光器、两个柱透镜、微型计算机、线阵电荷耦合器件CCD和平面反射镜，其特征在于激光器后面放置衰减器，衰减器后面放置反射镜；空间光滤波扩束准直器由两个透镜和小孔光阑组成，小孔光阑位于两个透镜中间，空间光滤波扩束准直器位于反射镜之后、分束镜之前；位于分束镜之后纵向放置消光器，横向前端放置平面反射镜，横向后端放置两个柱透镜，线阵电荷耦合器件CCD置于两个柱透镜后面并和微型计算机相连接。
2. 如权利要求1所述的一种使用线阵CCD快速测量相干背散射的装置，其特征在于所 述的消光器的设计是呈布儒斯特角倾斜的黑色玻璃片。
3. 如权利要求1所述的一种使用线阵CCD快速测量相干背散射的装置，其特征在于所 述的两个柱透镜的轴线均垂直于光路方向。
4. 如权利要求1所述的一种使用线阵CCD快速测量相干背散射的装置，其特征在于所 述的两个柱透镜的轴线相互垂直。
5. 如权利要求1所述的一种使用线阵CCD快速测量相干背散射的装置，其特征在于所 述的线阵电荷耦合器件位于前端柱透镜的焦平面上。
6. 如权利要求1所述的一种使用线阵CCD快速测量相干背散射的装置，其特征在于所述的线阵电荷耦合器件的方向同后端柱透镜的轴线方向平行。
7. —种利用权利要求1所述的装置测量相干背散射的方法，步骤如下a. 打开激光器，输出偏振光，经衰减器调节，使得输出激光能够使用裸眼轻易识别， 并且调节时不伤眼；调节反射镜使得反射的光接近于水平传输；调节空间滤波准直扩束器中 的透镜和小孔光阑，使得光束接近为空间分布均匀的近平面波；b. 放置分束镜和平面反射镜，平面反射镜要垂直于光路，使得反射的光能够原路返回， 根据激光器输出的偏振方向调节消光器的角度，保证激光被消光器吸收，基本上没有反射；c. 放置前端柱透镜，尽量靠近分束镜；调节衰减器，使得输出的光最弱，以防止损坏 线阵电荷耦合器件；放置线阵电荷耦合器件，并在随后的调节中，根据线阵电荷耦合器件上 测量的信号大小慢慢调节衰减器使输出的光由弱到强，保证其信号在线阵电荷耦合器件的线 性响应区域内；横向调节线阵电荷耦合器件CCD的位置，使得线阵电荷耦合器件CCD上的亮 线位于线阵电荷耦合器件CCD的中部，与线阵电荷耦合器件CCD垂直相交；纵向调节线阵电 荷耦合器件CCD，在此亮线宽度最窄的时候，即为线阵电荷耦合器件CCD已经在柱透镜的焦 平面上；放置后端柱透镜，并调节后端柱透镜的横向和纵向的位置，使得线阵电荷耦合器件 CCD上的亮线被压縮成小点，而且小点的位置大致在线阵线阵电荷耦合器件CCD的中心；调 节完毕的标准为亮点的宽度低于线阵电荷耦合器件CCD的测量总宽度的百分之一，最佳状 态为亮点宽度大致同线阵电荷耦合器件CCD的单个像素尺度一致，否则需要重新进行歩骤a 到c，以能够保证系统响应宽度远小于信号宽度(相差一个数量级以上)的目的；d. 将平面反射镜替换为样品，调节衰减器用来调节偏振光输出的光强，使得线阵电荷 耦合器件上的信号在其线性响应范围的中间为宜，调节柱透镜的纵向位置，使得线阵电荷耦 合器件CCD上的信号接近于最强，同时继续调节衰减器防止线阵电荷耦合器件上信号饱和， 在线阵电荷耦合器件CCD上成像并通过微型计算机记录下数据，即为相干背散射数据；e.经线阵电荷耦合器件CCD转换并记录在微型计算机上的数据可以使用相干背散射 公式直接进行拟合。
全文摘要
一种使用线阵CCD快速测量相干背散射的装置及方法，涉及光子局域化的检测技术领域，利用了线阵CCD的高分辨率和高灵敏度的优势，降低测量装置的复杂度，达到快速简捷测量的目的；通过把常用光路中的一个透镜换成双柱透镜组合的方法，极大地简化了对数据的后续处理的复杂度和进行运算的强度。本发明可以直接由线阵CCD记录下相干背散射角的角度分布，并可以对数据直接使用原公式进行拟合而不用进行任何处理，因此极大地简化了测量过程，缩短处理时间，并保留了数据的细节信息。
文档编号G01N21/41GK101158640SQ200710113069
公开日2008年4月9日 申请日期2007年11月6日 优先权日2007年11月6日
发明者丛振华, 刘兆军, 琛 张, 真 张, 张晓磊, 张行愚, 王青圃, 秦增光, 范书振 申请人:山东大学