專利名稱：一種使用線陣ccd快速測量相干背散射的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及光子局域化的檢測技術領域，用于檢測樣品的光子局域化性質的裝置及方 法，特別是一種使用線陣CCD快速測量相干背散射的裝置及方法。(二) 背景技術安德森局域化是電子學領域的研究中提出的重要現象，提出者安德森因其卓越的貢獻而 被授予諾貝爾獎。其主要特征是波的傳播因介質性質的隨機化分布而導致受阻。至今已經得 到了廣泛的研究和應用，并在微波實驗中觀察到了局域化的現象。由于其本質是來源于電磁 波的波動性質，而波動性質是光的特性之一，因此人們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學領域中的類比，至今仍是研究的熱點，但由于光波的波長較短，實 現完全意義上的光子局域化非常困難，至今沒有在實驗上觀察到這個現象，能夠實現完全光 子局域化是人們現階段努力要實現的目標。光在均勻無吸收介質中傳播時，其透過率是介質 厚度的反函數，呈線性衰減，類似于電子學的歐姆定律，但當介質內的折射率分布隨機化到 一定程度時，透過率將呈指數衰減，即為光子弱局域化的狀態。相干背散射被認為是弱光子 局域化現象的一種，是一種自相干效應，其直觀表現為對隨機樣品照射后，其散射光的強度 在背散射方向的強度干涉相長，光強成錐形分布。相干背散射具有非常重要的研究意義，是 研究光子擴散領域中的光子傳輸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，難以測量。現有的實驗裝置主要分為兩種。 一種是利 用光電倍增管配合鎖相放大裝置，利用精密的電移平臺進行掃描，其優點為靈敏度高，但是 由于光電倍增管只能進行逐點測量，為了得到相干背散射圖樣，必須進行大量的測量，測量 復雜并且耗時，并且無法用于測量樣品不太穩定時的情況。(相關文獻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)另一種方法是使用電荷耦合器件(CCD)進行測量，又分 為直接測量和間接測量兩種。使用CCD來進行測量的本意是為了降低復雜度，提高測量的 速度。從已有的報道來看，直接測量時為了提高信噪比，主要采用了提高CCD的積分時間 和多次測量數據疊加這兩種方法，但在噪聲比較嚴重的情況下，提高積分時間有利于對信號 的記錄，但是對信噪比的提高效果有限，而多次測量然后數據相疊加的方法需要大量的重復 測量才能有效提高信噪比，延長了測量時間，不利于對樣品不穩定情況的測量。(相關文獻 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)而間接測量則是利用外差法進行測量，其
缺點是裝置復雜，對數據的處理煩瑣。(相關文獻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)
發明內容為了克服上述現有技術的缺陷和不足，解決目前測量相干背散射復雜而耗時的問題，本 發明提供一種能夠快速簡捷地測量相干背散射的裝置和方法，并能夠迅速得到其中包含的光 子平均自由程的信息。本發明的技術方案如下一種使用線陣CCD快速測量相干背散射的裝置，包括激光器(偏振光輸出)、衰減器、 反射鏡、空間光濾波擴束準直器、分束鏡、消光器、兩個柱透鏡、微型計算機、線陣電荷耦合器件CCD和平面反射鏡，其特征在于激光器后面放置衰減器，衰減器后面放置反射鏡；空 間光濾波擴束準直器由兩個透鏡和小孔光闌組成，小孔光闌位于兩個透鏡中間，空間光濾波 擴束準直器位于反射鏡之后、分束鏡之前；位于分束鏡之后縱向放置消光器，橫向前端放置 平面反射鏡，橫向后端放置兩個柱透鏡，線陣電荷耦合器件CCD置于兩個柱透鏡后面并和 微型計算機相連接。所述的消光器的設計是呈布儒斯特角傾斜的黑色玻璃片。 所述的兩個柱透鏡的軸線均垂直于光路方向。 所述的兩個柱透鏡的軸線相互垂直。所述的兩個柱透鏡中后端柱透鏡的焦距應該為前端柱透鏡焦距的0.5-1倍。所述的線陣電荷耦合器件位于前端柱透鏡的焦平面上。所述的線陣電荷耦合器件的方向同后端柱透鏡的軸線方向平行。本發明裝置的工作過程為從激光器中輸出的偏振的激光經衰減器調節后獲得合適的光 強，然后經反射鏡反射到空間光濾波擴束準直器中，經過空間光濾波擴束準直器調節使得光 束接近于平行光，經準直后的光照射到分束鏡上， 一部分繼續傳播，被消光器吸收，由于消 光器是呈布儒斯特角傾斜的黑色玻璃片，能夠有效消除照射到上面的激光，防止反向反射的 光造成的干擾。從分束鏡反射的光照射到樣品上，其相干背散射的光經過分束鏡，照射到兩 個柱透鏡上，在CCD上成像并被記錄到微型計算機上。由于兩個柱透鏡軸線相互垂直，從 而使得橫向和縱向的信息相互不干擾。由計算機記錄的數據直接使用相干背散射的公式進行 擬合即可得到光子傳輸平均自由程。兩個柱透鏡的焦距需要根據實際情況來選擇，不同的樣品對應的最合適的透鏡焦距不 同。柱透鏡的焦距由要測量的樣品的平均自由程的情況來決定，和CCD的參數結合，影響 到測量的范圍和精度。后端柱透鏡的焦距則由前端柱透鏡的焦距和后端柱透鏡的位置決定， 要求盡可能地把信號聚焦成線狀，并成像在CCD接收面上。把樣品替換成垂直于光路的反射鏡，調節衰減器，則可以測出測量裝置的系統響應。在 系統分辨率(系統響應)遠遠小于信號的寬度情況下，可以對數據進行直接處理，否則需要 對數據進行解巻積處理，只要合理設置測量裝置圖中各器件的參數，是能夠保證系統響應遠 小于信號寬度的。一種利用上述裝置測量相干背散射的方法，步驟如下a.打開激光器，輸出偏振光，經衰減器調節，使得輸出激光能夠使用裸眼輕易識別，
并且調節時不傷眼；調節反射鏡使得反射的光接近于水平傳輸；調節空間濾波準直擴束器中 的透鏡和小孔光闌，使得光束接近為空間分布均勻的近平面波(光束的張角小于1毫弧度)；b.放置分束鏡和平面反射鏡，平面反射鏡要垂直于光路，使得反射的光能夠原路返回, 根據激光器輸出的偏振方向調節消光器的角度，保證激光被消光器吸收，基本上沒有反射；C.放置前端柱透鏡，盡量靠近分束鏡；調節衰減器，使得輸出的光最弱，以防止損壞 線陣電荷耦合器件；放置線陣電荷耦合器件，并在隨后的調節中，根據線陣電荷耦合器件上 測量的信號大小慢慢調節衰減器使輸出的光由弱到強，保證其信號在線陣電荷耦合器件的線 性響應區域內；橫向調節線陣電荷耦合器件CCD的位置，使得線陣電荷耦合器件CCD上的 亮線位于線陣電荷耦合器件CCD的中部，與線陣電荷耦合器件CCD垂直相交；縱向調節線 陣電荷耦合器件CCD，在此亮線寬度最窄的時候，即為線陣電荷耦合器件CCD已經在柱透 鏡的焦平面上；放置后端柱透鏡，并調節后端柱透鏡的橫向和縱向的位置，使得線陣電荷耦 合器件CCD上的亮線被壓縮成小點，而且小點的位置大致在線陣線陣電荷耦合器件CCD的 中心；調節完畢的標準為亮點的寬度低于線陣電荷耦合器件CCD的測量總寬度的百分之 一，最佳狀態為亮點寬度大致同線陣電荷耦合器件CCD的單個像素尺度一致，否則需要重 新進行步驟a到c，以能夠保證系統響應寬度遠小于信號寬度(相差一個數量級以上)的目 的；d. 將平面反射鏡替換為樣品，調節衰減器用來調節偏振光輸出的光強，使得線陣電荷 耦合器件上的信號在其線性響應范圍的中間為宜，調節后端柱透鏡的縱向位置，使得線陣電 荷耦合器件CCD上的信號接近于最強，同時繼續調節衰減器防止線陣電荷耦合器件上信號 飽和，在線陣電荷耦合器件CCD上成像并通過微型計算機記錄下數據，即為相干背散射數 據；e. 經線陣電荷耦合器件CCD轉換并記錄在微型計算機上的數據可以使用相干背散射 公式直接進行擬合。上述測量步驟須在暗室中進行，盡量屏蔽一切雜散光，以減少雜散光對測量結果的影響。 上述測量相干背散射的方法是在柱透鏡的焦距和要測量的樣品的平均自由程相適配的 情況下進行的，在步驟c調節好的情況下，如果曲線的寬度和系統響應的寬度屬于一個數量 級，則需要選擇更長焦距的柱透鏡；而如果曲線的寬度大于線陣電荷耦合器件測量的范圍， 則需要選擇更短焦距的柱透鏡，最合適的焦距由測量的樣品的特性決定。柱透鏡的焦距應該 為柱透鏡的焦距的0.5-1倍為宜。本發明方法對傳統的測量方法和數據處理方法進行改進。 一方面，提出利用線陣CCD 對數據進行測量，利用線陣CCD的高分辨率和高靈敏度的優勢，降低實驗裝置的復雜度， 達到快速簡捷測量的目的。還可以適當結合增加CCD積分時間和多次測量累加的辦法，進 一步提高所得數據的信噪比，有利于對不穩定樣品的測量。另一方面，為了使測量能夠快速 有效，對測量的裝置進行改進，采用雙柱透鏡組合的方法，極大地簡化了對數據的后續處理 的復雜度和進行運算的強度，并使得最后的信號更加適合于使用線陣CCD進行測量。己有 的實驗裝置使用普通透鏡來進行光信息的近場和遠場的變換，使得CCD上的光強分布成為 相干背散射光強的角度分布。但是這個分布是極坐標分布，因此在對數據進行一維積分處理 以后得到的結果是積分后的數據。而為了能得到數據中包含的光子平均自由程信息，必須使 用公式進行曲線擬合。因此需要對進行擬合的公式進行積分處理，計算復雜度嚴重增加，導
致擬合的時間非常長，而且還需要根據實驗情況確定一些參數，其準確度影響到擬合的結果。 使用雙柱透鏡組合后， 一方面在一維方向上由柱透鏡進行了變換，強度隨角度分布，另一方 面則由第二個柱透鏡進行光束的聚焦，有利于提高信號的信噪比。兩柱透鏡方向互相垂直， 變換過程中互相不影響。則可以直接由線陣CCD記錄下相干背散射角的角度分布，并可以 對數據直接使用原公式進行擬合而不用進行任何處理，因此極大地簡化了處理過程，縮短處 理時間，并保留了數據的細節信息。(四)
圖1是本發明裝置的系統響應測量光路示意圖，圖2是本發明裝置的待測樣品測量光路 示意圖，圖3是本發明裝置柱透鏡的示意圖。其中U敫光器(偏振光輸出)，2衰減器,3.反射鏡,4.透鏡,5.小孔光闌,6.透鏡，7.分束鏡,8.待測樣 品,9.消光器，10.柱透鏡,11.柱透鏡,12.微型計算機,13.線陣電荷耦合器件CCD,14.平面反射鏡， 15.柱透鏡的軸線。
具體實施方式
實施例本發明裝置如圖l所示，包括激光器l (偏振光輸出)、衰減器2、反射鏡3、空間光 濾波擴束準直器、分束鏡7、消光器9、柱透鏡10和11、微型計算機12、線陣電荷耦合器 件CCD13和平面反射鏡14，其特征在于激光器1后面放置衰減器2，衰減器2后面放置反 射鏡3;空間光濾波擴束準直器由兩個透鏡4、 6和小孔光闌5組成，小孔光闌5位于兩個 透鏡4、 6中間，空間光濾波擴束準直器位于反射鏡3之后、分束鏡7之前；位于分束鏡7 之后縱向放置消光器9，橫向前端放置平面反射鏡14，橫向后端放置兩個柱透鏡10、 11， 線陣電荷耦合器件CCD13置于兩個柱透鏡10、 11后面并和微型計算機12相連接。所述的消光器9的設計是呈布儒斯特角傾斜的黑色玻璃片。所述的兩個柱透鏡10、 11的軸線均垂直于光路方向。所述的兩個柱透鏡IO、 11的兩軸線相互垂直。所述的兩個柱透鏡中后端柱透鏡11的焦距應該為前端柱透鏡10焦距的0.5倍。 所述的線陣電荷耦合器件13位于前端柱透鏡10的焦平面上。 所述的線陣電荷耦合器件13的方向同后端柱透鏡11的軸線15方向平行。 本發明方法如圖1和圖2所示，步驟如下a. 打開激光器l,輸出偏振光，經衰減器2調節，使得輸出激光能夠使用裸眼輕易識別， 并且調節到不傷眼；調節反射鏡3使得反射的光接近于水平傳輸；調節空間濾波準直擴束器 中的透鏡4、 6和小孔光闌5，使得光束的張角小于1毫弧度，成為空間分布均勻的近平面 波；b. 放置分束鏡7和平面反射鏡13在預定的位置，平面反射鏡14要垂直于光路，使得 反射的光能夠原路返回，根據激光器1輸出的偏振方向調節消光器9的角度，保證激光被消 光器吸收，基本上沒有反射；c. 放置前端柱透鏡IO，盡量靠近分束鏡7;調節衰減器2，使得輸出的光最弱，以防 止損壞線陣電荷耦合器件13;放置線陣電荷耦合器件13，并在隨后的調節中，根據線陣電 荷耦合器件13上測量的信號大小慢慢調節衰減器2使輸出的光由弱到強，保證其信號在線
陣電荷耦合器件13的線性響應區域內；橫向調節線陣電荷耦合器件CCD13的位置，使得線 陣電荷耦合器件CCD13上的亮線位于線陣電荷耦合器件CCD13的中部，與線陣電荷耦合器 件CCD13垂直相交；縱向調節線陣電荷耦合器件CCD13,在此亮線寬度最窄的時候，即為 線陣電荷耦合器件CCD13已經在柱透鏡10的焦平面上；放置后端柱透鏡11，并調節后端 柱透鏡ll的橫向和縱向的位置，使得線陣電荷耦合器件CCD13上的亮線被壓縮成小點，而 且小點的位置大致在線陣線陣電荷耦合器件CCD13的中心；調節完畢的標準為亮點的寬 度低于線陣電荷耦合器件CCD13的測量總寬度的百分之一，最佳狀態為亮點寬度大致同線 陣電荷耦合器件CCD13的單個像素尺度一致，否則需要重新進行步驟a到c，以能夠保證 系統響應寬度遠小于信號寬度(相差一個數量級以上)的目的；d. 替換平面反射鏡14為樣品8，調節衰減器2使得線陣電荷耦合器件13上的信號在 其線性響應范圍的中間為宜；調節柱透鏡ll的縱向位置，使得線陣電荷耦合器件CCD13上 的信號接近于最強，在線陣電荷耦合器件CCD13上成像并通過微型計算機12記錄下數據， 即為相干背散射數據；e. 經線陣電荷耦合器件CCD13轉換并記錄在微型計算機12上的數據可以使用相干背 散射公式直接進行擬合。
本實施例是對樣品為納米Ti02的甲醇溶液進行測量，使用的激光器1為輸出功率約 10mW的氦氖激光器，干涉長度約為15cm，偏振方向為豎直方向。由反射鏡3反射到4， 5， 6組成的空間光濾波擴束準直器，使得光束的發散角為0.5mrad。經過分束器7， 一束光照到 樣品8上，另一束光進行消光處理。樣品的散射光經過分束器，通過柱透鏡10和11進行變 換后，在柱透鏡10的焦平面上的CCD13上干涉并被記錄。本實施例采用的柱透鏡10的焦 距為200mm，柱透鏡11的焦距是100mm。 CCD是PHOTOMETRICS公司的Quantix 1602E， 分辨率1536*1024，像素間距9y m。納米Ti02粉末為山東正元納米材料工程有限公司生產， 電鏡測量的結果顯示其顆粒半徑為40mn 60nm，由于團聚效應，實際溶液中的顆粒半徑應 該遠大于這個數值。甲醇為山東禹王實業有限公司生產的色譜純甲醇，折射率1.44。樣品池 是10mm*5mm*20mm的帶塞石英比色皿。
測量在暗室中進行，盡量屏蔽一切雜散光，以減少雜散光對測量結果的影響。消光部分 進行了嚴格的處理，利用布儒斯特角傾斜的黑色玻璃片有效地消除透過分束器的偏振光，防 止反射的光影響測量的結果。本實施例所測量數據通過處理，可以得到樣品的光子傳輸平均 自由程約為1.7 nm。
權利要求
1.一種使用線陣CCD快速測量相干背散射的裝置，包括激光器、衰減器、反射鏡、空間光濾波擴束準直器、分束鏡、消光器、兩個柱透鏡、微型計算機、線陣電荷耦合器件CCD和平面反射鏡，其特征在于激光器后面放置衰減器，衰減器后面放置反射鏡；空間光濾波擴束準直器由兩個透鏡和小孔光闌組成，小孔光闌位于兩個透鏡中間，空間光濾波擴束準直器位于反射鏡之后、分束鏡之前；位于分束鏡之后縱向放置消光器，橫向前端放置平面反射鏡，橫向后端放置兩個柱透鏡，線陣電荷耦合器件CCD置于兩個柱透鏡后面并和微型計算機相連接。
2. 如權利要求1所述的一種使用線陣CCD快速測量相干背散射的裝置，其特征在于所 述的消光器的設計是呈布儒斯特角傾斜的黑色玻璃片。
3. 如權利要求1所述的一種使用線陣CCD快速測量相干背散射的裝置，其特征在于所 述的兩個柱透鏡的軸線均垂直于光路方向。
4. 如權利要求1所述的一種使用線陣CCD快速測量相干背散射的裝置，其特征在于所 述的兩個柱透鏡的軸線相互垂直。
5. 如權利要求1所述的一種使用線陣CCD快速測量相干背散射的裝置，其特征在于所 述的線陣電荷耦合器件位于前端柱透鏡的焦平面上。
6. 如權利要求1所述的一種使用線陣CCD快速測量相干背散射的裝置，其特征在于所述的線陣電荷耦合器件的方向同后端柱透鏡的軸線方向平行。
7. —種利用權利要求1所述的裝置測量相干背散射的方法，步驟如下a. 打開激光器，輸出偏振光，經衰減器調節，使得輸出激光能夠使用裸眼輕易識別， 并且調節時不傷眼；調節反射鏡使得反射的光接近于水平傳輸；調節空間濾波準直擴束器中 的透鏡和小孔光闌，使得光束接近為空間分布均勻的近平面波；b. 放置分束鏡和平面反射鏡，平面反射鏡要垂直于光路，使得反射的光能夠原路返回， 根據激光器輸出的偏振方向調節消光器的角度，保證激光被消光器吸收，基本上沒有反射；c. 放置前端柱透鏡，盡量靠近分束鏡；調節衰減器，使得輸出的光最弱，以防止損壞 線陣電荷耦合器件；放置線陣電荷耦合器件，并在隨后的調節中，根據線陣電荷耦合器件上 測量的信號大小慢慢調節衰減器使輸出的光由弱到強，保證其信號在線陣電荷耦合器件的線 性響應區域內；橫向調節線陣電荷耦合器件CCD的位置，使得線陣電荷耦合器件CCD上的亮 線位于線陣電荷耦合器件CCD的中部，與線陣電荷耦合器件CCD垂直相交；縱向調節線陣電 荷耦合器件CCD，在此亮線寬度最窄的時候，即為線陣電荷耦合器件CCD已經在柱透鏡的焦 平面上；放置后端柱透鏡，并調節后端柱透鏡的橫向和縱向的位置，使得線陣電荷耦合器件 CCD上的亮線被壓縮成小點，而且小點的位置大致在線陣線陣電荷耦合器件CCD的中心；調 節完畢的標準為亮點的寬度低于線陣電荷耦合器件CCD的測量總寬度的百分之一，最佳狀 態為亮點寬度大致同線陣電荷耦合器件CCD的單個像素尺度一致，否則需要重新進行歩驟a 到c，以能夠保證系統響應寬度遠小于信號寬度(相差一個數量級以上)的目的；d. 將平面反射鏡替換為樣品，調節衰減器用來調節偏振光輸出的光強，使得線陣電荷 耦合器件上的信號在其線性響應范圍的中間為宜，調節柱透鏡的縱向位置，使得線陣電荷耦 合器件CCD上的信號接近于最強，同時繼續調節衰減器防止線陣電荷耦合器件上信號飽和， 在線陣電荷耦合器件CCD上成像并通過微型計算機記錄下數據，即為相干背散射數據；e.經線陣電荷耦合器件CCD轉換并記錄在微型計算機上的數據可以使用相干背散射 公式直接進行擬合。
全文摘要
一種使用線陣CCD快速測量相干背散射的裝置及方法，涉及光子局域化的檢測技術領域，利用了線陣CCD的高分辨率和高靈敏度的優勢，降低測量裝置的復雜度，達到快速簡捷測量的目的；通過把常用光路中的一個透鏡換成雙柱透鏡組合的方法，極大地簡化了對數據的后續處理的復雜度和進行運算的強度。本發明可以直接由線陣CCD記錄下相干背散射角的角度分布，并可以對數據直接使用原公式進行擬合而不用進行任何處理，因此極大地簡化了測量過程，縮短處理時間，并保留了數據的細節信息。
文檔編號G01N21/41GK101158640SQ200710113069
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月6日 優先權日2007年11月6日
發明者叢振華, 劉兆軍, 琛 張, 真 張, 張曉磊, 張行愚, 王青圃, 秦增光, 范書振 申請人:山東大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
