專利名稱：一種使用面陣ccd快速測量相干背散射的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光子局域化的檢測技術(shù)領(lǐng)域，用于檢測樣品的光子局域化性質(zhì)的裝置及 方法，特別是一種使用面陣CCD快速測量相干背散射的裝置。
(二)
背景技術(shù)：
安德森局域化是電子學(xué)領(lǐng)域的研究中提出的重要現(xiàn)象，提出者安德森因其卓越的貢獻(xiàn)而 被授予諾貝爾獎。其主要特征是波的傳播因介質(zhì)性質(zhì)的隨機(jī)化分布而導(dǎo)致受阻。至今已經(jīng)得 到了廣泛的研究和應(yīng)用，并在微波實(shí)驗(yàn)中觀察到了局域化的現(xiàn)象。由于其本質(zhì)是來源于電磁 波的波動性質(zhì)，而波動性質(zhì)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(xué)領(lǐng)域中的類比，至今仍是研究的熱點(diǎn)，但由于光波的波長較短，實(shí) 現(xiàn)完全意義上的光子局域化非常困難，至今沒有在實(shí)驗(yàn)上觀察到這個(gè)現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)完全光 子局域化是人們現(xiàn)階段努力要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。光在均勻無吸收介質(zhì)中傳播時(shí)，其透過率是介質(zhì) 厚度的反函數(shù)，呈線性衰減，類似于電子學(xué)的歐姆定律，但當(dāng)介質(zhì)內(nèi)的折射率分布隨機(jī)化到 一定程度時(shí)，透過率將呈指數(shù)衰減，即為光子弱局域化的狀態(tài)。相干背散射被認(rèn)為是弱光子 局域化現(xiàn)象的一種，是一種自相干效應(yīng)，其直觀表現(xiàn)為對隨機(jī)樣品照射后，其散射光的強(qiáng)度 在背散射方向的強(qiáng)度干涉相長，光強(qiáng)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(kuò)散領(lǐng)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?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行掃描，其優(yōu)點(diǎn)為靈敏度高，但是由于 光電倍增管只能進(jìn)行逐點(diǎn)測量，為了得到相干背散射圖樣，必須進(jìn)行大量的測量，測量復(fù)雜 并且耗時(shí)，并且無法用于測量樣品不太穩(wěn)定時(shí)的情況。(相關(guān)文獻(xiàn)P.C.de Oliveira, and N. M. Lawandy, 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. P. van Albada， An Accurate Technique to Record the Angular Distribution of Backscattered Light, Rev. Sci. Instr亂 1995， 66,5473-5476)另一 種方法是使用電荷耦合器件CCD進(jìn)行測量，又分為直接測量和間接測量兩種。使用CCD來進(jìn) 行測量的本意是為了降低復(fù)雜度，提高測量的速度。從已有的報(bào)道來看，直接測量時(shí)為了提 高信噪比，主要采用了提高CCD的積分時(shí)間和多次測量數(shù)據(jù)疊加這兩種方法，但在噪聲比較 嚴(yán)重的情況下，提高積分時(shí)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(shù)據(jù)相疊加的方法需要大量重復(fù)的測量才能有效提高信噪比，延長了測量時(shí)間，不 利于對樣品不穩(wěn)定情況的測量。(相關(guān)文獻(xiàn)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. .Labeyrie， 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(jìn)行測量，其缺點(diǎn)是裝置 復(fù)雜，對數(shù)據(jù)的處理煩瑣。(相關(guān)文獻(xiàn):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(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，解決目前測量相干背散射中存在的復(fù)雜而耗時(shí)的 問題，本實(shí)用新型提供一種能夠快速簡捷地測量相干背散射的裝置，并能夠迅速得到其中包 含的光子平均自由程的信息。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下
一種使用面陣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(kuò)束準(zhǔn)直器、分束鏡、消光器、柱透鏡、微型計(jì)算機(jī)、面陣電荷耦合器
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(kuò)束準(zhǔn)直器由兩個(gè)透鏡和小孔光闌組成，小孔光闌位于兩個(gè)透鏡中間，空間光濾波擴(kuò)束 準(zhǔn)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，橫向后端放置柱透鏡，面陣電荷耦合器件CCD置于柱透鏡后面并和微型計(jì)算機(jī)相連接。
所述的消光器的設(shè)計(jì)是呈布儒斯特角傾斜的黑色玻璃片。
所述的柱透鏡的軸線垂直于光路方向。
所述的面陣電荷耦合器件位于柱透鏡的焦平面上。
位于分束鏡之后橫向前端放置的平面反射鏡在測量系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)使用，同時(shí)用于電荷耦合
器件CCD的精確位置的調(diào)節(jié)；當(dāng)測量樣品時(shí)應(yīng)將待測樣品放置在平面反射鏡所在的位置。，
本實(shí)用新型裝置的工作過程為從激光器中輸出的偏振的激光經(jīng)衰減器調(diào)節(jié)后獲得合適 的光強(qiáng)，然后經(jīng)反射鏡反射到空間光濾波擴(kuò)束準(zhǔn)直器中，經(jīng)過空間光濾波擴(kuò)束準(zhǔn)直器調(diào)節(jié)為 接近于平行的光束，經(jīng)準(zhǔn)直后的光照射到分束鏡上， 一部分繼續(xù)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(jīng)過分束鏡，照射到 柱透鏡上，經(jīng)柱透鏡聚焦后在CCD上成像并被記錄到微型計(jì)算機(jī)上，由計(jì)算機(jī)記錄的數(shù)據(jù)直 接使用相干背散射的公式進(jìn)行擬合即可得到光子傳輸平均自由程。
柱透鏡的焦距需要根據(jù)實(shí)際情況來選擇，不同的樣品對應(yīng)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(shù)結(jié)合，影響到測量的 范圍和精度。柱透鏡的焦距及位置要求把信號聚焦并成像在CCD接收面上。
把樣品替換成垂直于光路的反射鏡，調(diào)節(jié)衰減器，則可以測出測量裝置的系統(tǒng)響應(yīng)。在 系統(tǒng)分辨率(系統(tǒng)響應(yīng))遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號的寬度情況下，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行直接處理，否則需要 對數(shù)據(jù)進(jìn)行解巻積處理，因此要合理設(shè)置測量裝置圖中各器件的參數(shù)，才能夠保證系統(tǒng)響應(yīng) 遠(yuǎn)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，調(diào)節(jié)衰減器改變激光的輸出光強(qiáng)，使得輸出激光能夠使用裸眼輕易識別， 并且調(diào)節(jié)時(shí)不傷眼；調(diào)節(jié)反射鏡使得反射的光接近于水平傳輸；調(diào)節(jié)空間濾波準(zhǔn)直擴(kuò)束器中 的兩個(gè)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(jù)激光器輸出的偏振方向調(diào)節(jié)消光器的角度，保證激光被消光器吸收，基本上沒有反射；
c. 放置柱透鏡，盡量靠近分束鏡；調(diào)節(jié)衰減器至其最大衰減能力，使得輸出的光最弱， 放置面陣電荷耦合器件，慢慢調(diào)節(jié)衰減器使輸出的光由弱到強(qiáng)，從而使得面陣電荷耦合器件 上的信號處于其線性響應(yīng)范圍內(nèi)(太弱會探測不到信號，太強(qiáng)則會使面陣電荷耦合器件飽和 甚至損壞。)；橫向調(diào)節(jié)面陣電荷耦合器件的位置，使得面陣電荷耦合器件上的亮線的位置接 近CCD的探測面中心；縱向調(diào)節(jié)面陣電荷耦合器件，在此亮線寬度最窄的時(shí)候，即為面陣電 荷耦合器件己經(jīng)在柱透鏡的焦平面上，記錄下這個(gè)亮線，即為測量系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)；本步驟 調(diào)節(jié)完畢的標(biāo)準(zhǔn)為亮線的寬度低于面陣電荷耦合器件的測量總寬度的百分之一，最佳狀態(tài) 為亮線寬度大致同面陣電荷耦合器件的單列像素尺度一致，否則需要重新進(jìn)行步驟a到c， 以能夠保證系統(tǒng)響應(yīng)寬度遠(yuǎn)小于信號寬度(相差一個(gè)數(shù)量級以上)的目的；
d. 將平面反射鏡替換為樣品，調(diào)節(jié)衰減器來調(diào)節(jié)輸出的光強(qiáng)，使得面陣電荷耦合器件上 的信號在其線性響應(yīng)范圍的中間為宜，使用面陣電荷耦合器件記錄下數(shù)據(jù)，即為相干背散射
數(shù)據(jù)；
e. 對所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行一維數(shù)值積分，積分的方向同柱透鏡的線性方向平行，得到曲線后 使用相干背散射公式進(jìn)行擬合。
上述測量步驟須在暗室中進(jìn)行，盡量屏蔽一切雜散光，以減少雜散光對測量結(jié)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(jìn)行的，在步驟c調(diào)節(jié)好的情況下，如果曲線的寬度和系統(tǒng)響應(yīng)的寬度屬于一個(gè)數(shù)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面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。
本實(shí)用新型對傳統(tǒng)的測量方法和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行改進(jìn)。 一方面，提出利用CCD對數(shù)據(jù) 進(jìn)行測量并對所得二維數(shù)據(jù)進(jìn)行一維積分處理的方法，使得測量快速而且高效，還可以適當(dāng) 結(jié)合增加CCD積分時(shí)間和多次測量累加的辦法，進(jìn)一步提高所得數(shù)據(jù)的信噪比。實(shí)驗(yàn)證明， 一次測量的數(shù)據(jù)通過積分的方法提高信噪比效果明顯，因?yàn)槠淅昧嗣骊嘋CD測量數(shù)據(jù)的二 維特性，更高效率地利用所取得的數(shù)據(jù)。因此可以通過一次或幾次測量，迅速記錄下要測量 的信息，測量快捷而簡便，而且有利于對不穩(wěn)定樣品的測量。另一方面，根據(jù)以上方法對實(shí) 驗(yàn)的裝置進(jìn)行改進(jìn)，通過把常用光路中的一個(gè)透鏡換成柱透鏡的辦法，極大地簡化了對數(shù)據(jù) 的后續(xù)處理的復(fù)雜度和進(jìn)行運(yùn)算的強(qiáng)度。原實(shí)驗(yàn)裝置使用透鏡來進(jìn)行光信息的近場和遠(yuǎn)場的 變換，使得CCD上的光強(qiáng)分布成為相干背散射光強(qiáng)的角度分布。但是這個(gè)分布是極坐標(biāo)分布， 因此在對數(shù)據(jù)進(jìn)行一維積分處理以后得到的結(jié)果是積分后的數(shù)據(jù)。而為了能得到數(shù)據(jù)中包含 的光子平均自由程信息，必須使用公式進(jìn)行曲線擬合。因此需要對進(jìn)行擬合的公式進(jìn)行積分 處理，計(jì)算復(fù)雜度嚴(yán)重增加，導(dǎo)致擬合的時(shí)間非常長，而且還需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況確定一些參 數(shù)，其準(zhǔn)確度影響到擬合的結(jié)果。使用柱透鏡后，在非積分的一維方向上，光強(qiáng)已經(jīng)是隨角 度分布，而在要進(jìn)行積分的一維方向上則沒有變化，因此積分以后仍然可以使用原擬合公式 進(jìn)行擬合而不用進(jìn)行處理，因此極大地簡化了處理過程，縮短處理時(shí)間，并保留了數(shù)據(jù)的細(xì) 節(jié)信息。

圖1是本實(shí)用新型裝置的系統(tǒng)響應(yīng)測量光路示意圖，圖2是本實(shí)用新型裝置的待測樣品 測量光路示意圖，圖3是本實(shí)用新型裝置的柱透鏡示意圖。 其中
l.激光器(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，IO.柱透鏡，11.面陣CCD, 12.微型計(jì)算機(jī)，13.平面反 射鏡，14.柱透鏡的軸線。 具體實(shí)施方式
實(shí)施例
本實(shí)用新型裝置如圖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(kuò)束準(zhǔn)直器、分束鏡7、消光器9、柱透鏡IO、微型計(jì)算機(jī)12、面陣電荷耦合器件 CCD11和平面反射鏡13，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(kuò)束準(zhǔn)直器由兩個(gè)透鏡4、 6和小孔光闌5組成，小孔光闌5位于兩個(gè)透鏡4、 6中間，空間光濾波擴(kuò)束準(zhǔn)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13，橫向后端放置柱透鏡10，面陣電荷耦合器件 CCD11置于柱透鏡10后面并和微型計(jì)算機(jī)12相連接。
所述的消光器9的設(shè)計(jì)是呈布儒斯特角傾斜的黑色玻璃片。
所述的柱透鏡的軸線14垂直于光路方向。
所述的面陣電荷耦合器件11位于柱透鏡10的焦平面上。
本實(shí)用新型方法如圖1和圖2所示，步驟如下
a. 打開激光器l，調(diào)節(jié)衰減器2改變激光的輸出光強(qiáng)，使得輸出激光能夠使用裸眼輕易 識別，而且調(diào)節(jié)時(shí)能夠不傷眼。調(diào)節(jié)反射鏡3使得反射的光接近于水平傳輸；調(diào)節(jié)空間濾波. 準(zhǔn)直擴(kuò)束器中的兩個(gè)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,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(jù)激光器輸出的偏振方向調(diào)節(jié)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. 放置柱透鏡10,盡量靠近分束鏡；調(diào)節(jié)衰減器2，使得輸出的光最弱，以防止損壞面 陣電荷耦合器件ll，放置面陣電荷耦合器件11，并在隨后的調(diào)節(jié)中，根據(jù)面陣電荷耦合器 件11上測量的信號大小慢慢調(diào)節(jié)衰減器2使輸出的光由弱到強(qiáng)，保證其信號在面陣電荷耦 合器件11的線性響應(yīng)區(qū)域內(nèi)；橫向調(diào)節(jié)面陣電荷耦合器件11的位置，使得面陣電荷耦合器 件11上的亮線的位置接近CCD的探測面中心，縱向調(diào)節(jié)面陣電荷耦合器件ll，在此亮線寬 度最窄的時(shí)候，即為面陣電荷耦合器件ll已經(jīng)在柱透鏡10的焦平面上，記錄下這個(gè)亮線， 即為測量系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)；亮線的寬度應(yīng)該大致同面陣電荷耦合器件11的像素尺度一致， 簡易測量時(shí)可以同十個(gè)像素的尺度一致；否則需要重新調(diào)節(jié)，以能夠保證系統(tǒng)響應(yīng)寬度遠(yuǎn)小 于信號寬度(相差一個(gè)數(shù)量級以上)的目的。
d. 替換平面反射鏡13為待測樣品8，調(diào)節(jié)衰減器2來調(diào)節(jié)輸出的光強(qiáng)，使得面陣電荷
耦合器件11上的信號在其線性響應(yīng)范圍的中間為宜，使用面陣電荷耦合器件11記錄下數(shù)據(jù)， 即為相干背散射數(shù)據(jù)；
e. 對所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行一維數(shù)值積分，積分的方向同柱透鏡的線性方向平行，得到曲線后使用相干背散射公式進(jìn)行擬合。
本實(shí)施例是對樣品為納米Ti02的甲醇溶液進(jìn)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15cra，偏振方向?yàn)樨Q直方向。由反射鏡3反射到4， 5， 6組 成的空間光濾波擴(kuò)束準(zhǔn)直器，使得光束的發(fā)散角為0.9mrad。經(jīng)過分束器7， 一束光照到樣 品8上，另一束光進(jìn)行消光處理。樣品的散射光經(jīng)過分束器7，在柱透鏡10的焦平面上的 CCD11上干涉并被記錄。本測量采用的柱透鏡10的焦距為200mm。 CCD11是W10T0METRICS 公司的Quantix 1602E，分辨率1536*1024，像素間距9um。納米Ti02粉末為山東正元納 米材料工程有限公司生產(chǎn)，電鏡測量的結(jié)果顯示其顆粒半徑為40nnT60歷，由于團(tuán)聚效應(yīng)， 實(shí)際溶液中的顆粒半徑應(yīng)該遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)值。甲醇為山東禹王實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的色譜純甲 醇，折射率1.44。樣品池是10咖*5,*20咖的帶塞石英比色皿。
測量在暗室中進(jìn)行，盡量屏蔽一切雜散光，以減少噪聲的影響。消光部分進(jìn)行了嚴(yán)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(jié)果。本實(shí)施例所測量數(shù)據(jù)通過處理，可以得到樣品的光子傳輸平均自由程約為 1. 7 y m。
權(quán)利要求1.一種使用面陣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(kuò)束準(zhǔn)直器、分束鏡、消光器、柱透鏡、微型計(jì)算機(jī)、面陣電荷耦合器件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(kuò)束準(zhǔn)直器由兩個(gè)透鏡和小孔光闌組成，小孔光闌位于兩個(gè)透鏡中間，空間光濾波擴(kuò)束準(zhǔn)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，橫向后端放置柱透鏡，面陣電荷耦合器件CCD置于柱透鏡后面并和微型計(jì)算機(jī)相連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種使用面陣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(shè)計(jì)是呈布儒斯特角傾斜的黑色玻璃片。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種使用面陣CCD快速測量相干背散射的裝置，其特征在于所 述的柱透鏡的軸線垂直于光路方向。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種使用面陣CCD快速測量相干背散射的裝置，其特征在于所 述的面陣電荷耦合器件位于柱透鏡的焦平面上。
專利摘要一種使用面陣CCD快速測量相干背散射的裝置，涉及光子局域化的檢測技術(shù)領(lǐng)域，利用了面陣CCD對數(shù)據(jù)進(jìn)行測量并對所得二維數(shù)據(jù)進(jìn)行一維積分處理的方法，通過把常用光路中的一個(gè)透鏡換成柱透鏡的辦法，極大地簡化了對數(shù)據(jù)的后續(xù)處理的復(fù)雜度和進(jìn)行運(yùn)算的強(qiáng)度在非積分的一維方向上，因此積分以后可以使用原擬合公式進(jìn)行擬合而不用進(jìn)行處理，因此極大地簡化了處理過程，縮短處理時(shí)間，并保留了數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)信息。
文檔編號G01N21/45GK201149580SQ20072002955
公開日2008年11月12日 申請日期2007年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月6日
發(fā)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(xué)