戴峭峰，袁茂辉华南师范大学信息光电子科技学院，广东 广州 510006

0 引言

光散射是指光在传播过程中，由于介质的非均匀性或有其它介质的存在而使其一部分能量偏离原来的传播方向，从而在入射光方向以外的方向也可以探测到光能量的一种现象。光散射是自然界一种普遍的现象，比如晴朗天空呈现的蓝色，天空中的白色云朵等。人们对光散射的研究已经有很久的历史了，早期主要是通过对光散射的研究，来探索光的本性。而近年来研究发现，可以通过相干背散射技术来研究光子局域，这激起了人们极大的研究兴趣。Anderson于1958 年首先提出了电子的无序局域，并因此与其它物理学家分享了1977年的诺贝尔物理奖。1983年，John首先将局域化的概念推广到光波[1]，即光子局域。光子局域是指光在无序介质中传播时，光波受到无序介质的多重散射而发生干涉，使得光在传播方向上受到抑制。目前，光子局域的一个成功应用是无序激光器。由于光子局域在基础研究方面的重要性及其潜在的应用前景，自提出以来至今一直是一个研究的热点。目前，测量相干背散射是判断光子局域发生与否的一个重要方法。相干背散射是指由于光在随机介质中的多次散射而导致其在入射的反方向上具有相干增强的一种自相干效应，表现为在入射的反方向上的散射强度比其它方向的强度大[2-3]。

在本文中，通过实验研究了聚苯乙烯小球胶体溶液中的相干背散射，分别研究了胶体颗粒的粒径、胶体溶液的浓度对相干背散射的影响。

图1 实验装置

1 实验装置

实验采用改进的麦克尔逊干涉仪器作为主要测量装置[4]，如图1所示。实验以He－Ne激光器作为工作光源，从激光器出来的波长为632.8nm的激光先经过偏振片起偏，然后经过透镜组1和2扩束为平行光。平行光经过分束镜后分束为两路，其中一路照射在样品的上，另一路作为闲置光吸收掉。从样品散射回来的部分光反向通过分束镜后再通过一个偏振片检偏，被透镜3聚焦在接收装置CCD上，得到测量信号。这其中，样品表面的法线要稍微偏离激光束的方向，以去除样品池表面的镜面反射对相干背散射信号的干扰。在传统的相干背散射的实验中，一般是将探测器固定在一个移动平台上，通过移动平台来实现对背散射角的测量；而在本实验中，我们采用CCD来直接记录背散射角，这种改进可以简化实验装置，而且可以测量背散射的立体角，可以获得散射体内更多的信息。在实验中，不同尺寸和浓度的聚苯乙烯小球的水溶液被注入样品池，用于实验测量。

2 实验结果及讨论

通常可以定义一个增强因子来表征相干背散射，即为正反射方向的散射强度与大角度的平均散射强度之比。我们首先研究了小球尺寸对相干背散射的影响。图2为相同浓度不同尺寸小球溶液的相干背散射的强度图，其中横坐标为背散射角，纵轴为背散射信号的相对强度。从2（a）到2（d）分别对应小球直径为260nm，1.9μm，4.3μm，11μm。由图2可以看出，相干背散射的形状随着小球尺寸的不同而变化，1.9μm尺寸的小球其相干背散射最为显著，其增强因子达到1.43（10/7=1.43）左右，11μm尺寸的小球就观察不到相干背散射了。由于相干背散射的增强因子与平均自由程成反比，因此随着小球尺寸的增大，样品厚度一定，光在样品中的散射次数减少，前向透光率增强，从而导致相干背散射强度的减弱。

图2 不同尺寸、相同浓度小球溶液的相干背散射强度图。溶液体积浓度为10%，从（a）到（d）分别对应小球直径为260nm，1.9μm，4.3μm，11μm。

图3

图3 相同尺寸、不同浓度小球溶液的相干背散射强度图。溶液中小球直接为260nm，（a）、（b）分别对应体积浓度10%、1%。

我们还研究了小球浓度对相干背散射的影响。由图3可以看出，随着溶液中小球浓度的减少，相干背散射的峰值宽度变窄，背景光强度增强，增强因子降低。由于浓度的降低，光在溶液中的散射次数大大减少，减小了背散射方向的相干散射。

3 结论

本文通过实验研究了聚苯乙烯小球胶体溶液的相干背散射，分别研究了胶体颗粒的粒径、胶体溶液的浓度对相干背散射的影响。研究表明，尺寸适度的散射体有较强的相干背散射，大尺寸的小球将减弱相干背散射；随着溶液中小球浓度的减少，相干背散射的峰值宽度变窄，增强因子降低。

[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.