CN100516839C - 一种使用面阵ccd快速测量相干背散射的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种使用面阵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，利用了面阵CCD对数据进行测量并对所得二维数据进行一维积分处理的方法，通过把常用光路中的一个透镜换成柱透镜的办法，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在非积分的一维方向上，因此积分以后可以使用原拟合公式进行拟合而不用进行处理，因此极大地简化了处理过程，缩短处理时间，并保留了数据的细节信息。

Description

一种使用面阵CCD快速测量相干背散射的装置及方法

(一)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，特别是一种使用面阵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一。

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，andN.M.Lawandy，Coherent Backscattering from high-gain scattering media，Opt.Lett.1996，21，1685-1687；A.Schmidt，R.Corey and Psaulnier，Imaging Through Random Mediaby Use of Low-Coherence Optical Heterodyning，Opt.Lett.1995，20，404-406；D.S.Wiersma，M.P.van Albada，An Accurate Technique to Record the AngularDistribution 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重复的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 OpticalProperties，Appl.Opt.，1993，32，580-585；G..Labeyrie，C.A.Muller，D.S.Wiersma，etal，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-LocalizationCoherent-Backscattering Cone，Phys.Rev.Lett.，2006，97，33901)

(三)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中存在的复杂而耗时的问题，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：

一种使用面阵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、柱透镜、微型计算机、面阵电荷耦合器件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，横向后端放置柱透镜，面阵电荷耦合器件CCD置于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。

所述的柱透镜的轴线垂直于光路方向。

所述的面阵电荷耦合器件位于柱透镜的焦平面上。

位于分束镜之后横向前端放置的平面反射镜在测量系统响应时使用，同时用于电荷耦合器件CCD的精确位置的调节；当测量样品时应将待测样品放置在平面反射镜所在的位置。

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为接近于平行的光束，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，照射到柱透镜上，经柱透镜聚焦后在CCD上成像并被记录到微型计算机上，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。

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。柱透镜的焦距及位置要求把信号聚焦并成像在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卷积处理，因此要合理设置测量装置图中各器件的参数，才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，调节衰减器改变激光的输出光强，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两个透镜和小孔光阑，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.放置柱透镜，尽量靠近分束镜；调节衰减器至其最大衰减能力，使得输出的光最弱，放置面阵电荷耦合器件，慢慢调节衰减器使输出的光由弱到强，从而使得面阵电荷耦合器件上的信号处于其线性响应范围内(太弱会探测不到信号，太强则会使面阵电荷耦合器件饱和甚至损坏。)；横向调节面阵电荷耦合器件的位置，使得面阵电荷耦合器件上的亮线的位置接近CCD的探测面中心；纵向调节面阵电荷耦合器件，在此亮线宽度最窄的时候，即为面阵电荷耦合器件已经在柱透镜的焦平面上，记录下这个亮线，即为测量系统的系统响应；本步骤调节完毕的标准为：亮线的宽度低于面阵电荷耦合器件的测量总宽度的百分之一，最佳状态为亮线宽度大致同面阵电荷耦合器件的单列像素尺度一致，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，调节衰减器来调节输出的光强，使得面阵电荷耦合器件上的信号在其线性响应范围的中间为宜，使用面阵电荷耦合器件记录下数据，即为相干背散射数据；

e.对所得的数据进行一维数值积分，积分的方向同柱透镜的线性方向平行，得到曲线后使用相干背散射公式进行拟合。

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面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。

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CCD对数据进行测量并对所得二维数据进行一维积分处理的方法，使得测量快速而且高效，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。实验证明，一次测量的数据通过积分的方法提高信噪比效果明显，因为其利用了面阵CCD测量数据的二维特性，更高效率地利用所取得的数据。因此可以通过一次或几次测量，迅速记录下要测量的信息，测量快捷而简便，而且有利于对不稳定样品的测量。另一方面，根据以上方法对实验的装置进行改进，通过把常用光路中的一个透镜换成柱透镜的办法，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。原实验装置使用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。使用柱透镜后，在非积分的一维方向上，光强已经是随角度分布，而在要进行积分的一维方向上则没有变化，因此积分以后仍然可以使用原拟合公式进行拟合而不用进行处理，因此极大地简化了处理过程，缩短处理时间，并保留了数据的细节信息。

(四)附图说明

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是本发明装置的柱透镜示意图。

其中：

1.激光器(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.面阵CCD，12.微型计算机，13.平面反射镜，14.柱透镜的轴线。

(五)具体实施方式

实施例

本发明装置如图1所示，包括：激光器1(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、微型计算机12、面阵电荷耦合器件CCD11和平面反射镜13，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13，横向后端放置柱透镜10，面阵电荷耦合器件CCD11置于柱透镜10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。

所述的柱透镜的轴线14垂直于光路方向。

所述的面阵电荷耦合器件11位于柱透镜10的焦平面上。

本发明方法如图1和图2所示，步骤如下：

a.打开激光器1，调节衰减器2改变激光的输出光强，使得输出激光能够使用裸眼轻易识别，而且调节时能够不伤眼。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两个透镜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，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9的角度，保证激光被消光器吸收，基本上没有反射；

c.放置柱透镜10，尽量靠近分束镜；调节衰减器2，使得输出的光最弱，以防止损坏面阵电荷耦合器件11，放置面阵电荷耦合器件11，并在随后的调节中，根据面阵电荷耦合器件11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，保证其信号在面阵电荷耦合器件11的线性响应区域内；横向调节面阵电荷耦合器件11的位置，使得面阵电荷耦合器件11上的亮线的位置接近CCD的探测面中心，纵向调节面阵电荷耦合器件11，在此亮线宽度最窄的时候，即为面阵电荷耦合器件11已经在柱透镜10的焦平面上，记录下这个亮线，即为测量系统的系统响应；亮线的宽度应该大致同面阵电荷耦合器件11的像素尺度一致，简易测量时可以同十个像素的尺度一致；否则需要重新调节，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13为待测样品8，调节衰减器2来调节输出的光强，使得面阵电荷耦合器件11上的信号在其线性响应范围的中间为宜，使用面阵电荷耦合器件11记录下数据，即为相干背散射数据；

e.对所得的数据进行一维数值积分，积分的方向同柱透镜的线性方向平行，得到曲线后使用相干背散射公式进行拟合。

本实施例是对样品为纳米TiO2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0.9mrad。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7，在柱透镜10的焦平面上的CCD11上干涉并被记录。本测量采用的柱透镜10的焦距为200mm。CCD11是PHOTOMETRICS公司的Quantix 1602E，分辨率1536*1024，像素间距9μm。纳米TiO2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40nm~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，以减少噪声的影响。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1.7μm。

Claims (5)

1.一种使用面阵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、柱透镜、微型计算机、面阵电荷耦合器件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，横向后端放置柱透镜，面阵电荷耦合器件CCD置于柱透镜后面并和微型计算机相连接。

2.如权利要求1所述的一种使用面阵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所述的一种使用面阵CCD快速测量相干背散射的装置，其特征在于所述的柱透镜的轴线垂直于光路方向。

4.如权利要求1所述的一种使用面阵CCD快速测量相干背散射的装置，其特征在于所述的面阵电荷耦合器件位于柱透镜的焦平面上。

5.一种利用权利要求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，调节衰减器改变激光的输出光强，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两个透镜和小孔光阑，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.放置柱透镜，尽量靠近分束镜；调节衰减器至其最大衰减能力，使得输出的光最弱，放置面阵电荷耦合器件，慢慢调节衰减器使输出的光由弱到强，从而使得面阵电荷耦合器件上的信号处于其线性响应范围内；横向调节面阵电荷耦合器件的位置，使得面阵电荷耦合器件上的亮线的位置接近CCD的探测面中心；纵向调节面阵电荷耦合器件，在此亮线宽度最窄的时候，即为面阵电荷耦合器件已经在柱透镜的焦平面上，记录下这个亮线，即为测量系统的系统响应；本步骤调节完毕的标准为：亮线的宽度低于面阵电荷耦合器件的测量总宽度的百分之一，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的目的；

d.将平面反射镜替换为样品，调节衰减器来调节输出的光强，使得面阵电荷耦合器件上的信号在其线性响应范围的中间为宜，使用面阵电荷耦合器件记录下数据，即为相干背散射数据；

e.对所得的数据进行一维数值积分，积分的方向同柱透镜的线性方向平行，得到曲线后使用相干背散射公式进行拟合。

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