Coherent Backscattering from Multiple Scattering Systems - KOPS ...

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Ein kurzer Überblick bestimmten Medium ein Übergang zur Anderson-Lokalisierung möglich ist. Dieser Übergang sollte nach dem so genannten Ioffe-Regel-Kriterium in etwa dann stattfinden, wenn l ∗ von der Größenordnung der Wellenlänge des gestreuten Lichts ist. Für die Charakterisierung vielfachstreuender Proben ist es daher wichtig, den Rückstreukonus in Experiment und Theorie korrekt abzubilden. Leider enthalten die bisher meist angewandten experimentellen und theoretischen Methoden kleine aber signifikante Ungenauigkeiten, die besonders bei den breiten Konen ins Gewicht fallen, die nach dem Ioffe-Regel Kriterium in der Nähe des Übergangs zur Anderson- Lokalisierung auftreten sollten. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war deshalb eine Verbesserung der experimentellen Methodik im Einklang mit einer genaueren theoretischen Beschreibung des Rückstreukonus, die von E. Akkermans (Technion Israel Institute of Technology, Haifa, Israel) und G. Montambaux (Université Paris-Sud, Orsay, France) erarbeitet wurde. Ausgangspunkt war dabei die Feststellung, dass sowohl gemessener als auch theoretisch berechneter Konus das fundamentale Prinzip der Energieerhaltung zu verletzen scheinen. Da der Rückstreukonus ein Interferenzphänomen ist, sollte die im Vergleich zu einer inkohärenten Addition der Vielfachstreuung verstärkte Intensität in Rückstreurichtung durch eine Intensitätsabschwächung bei größeren Streuwinkeln ausgeglichen werden. Diese Abschwächung ist jedoch bisher weder im Experiment noch in der Theorie beobachtet worden. Im Fall der Theorie ist dies nicht weiter verwunderlich, da eine ganze Reihe von Annahmen und Näherungen verwendet werden. Akkermans und Montambaux erweiterten daher die allgemein übliche Theorie durch zwei zusätzliche Terme. Diese führen an den Flanken des Rückstreukonus zu einer Abschwächung der gestreuten Intensität unter das Niveau der inkohärenten Addition der Rückstreuung, die die Intensitätsüberhöhung des Konus ausgleicht. Bei dieser neuen theoretischen Bescheibung des Rückstreukonus ist damit die Energie erhalten. Experimentell wird die Winkelverteilung der gestreuten Intensität mit dem so genannten Weitwinkel-Setup bestimmt, in dem eine große Anzahl von Photodioden in einem Bogen von 180 ◦ um die Probe angeordnet sind. Um die exakte Form des Rückstreukonusbestimmen zu können müssen die Dioden korrekt kalibriert werden. Dazu wird eine Referenzprobe mit extrem schmalem Konus verwendet, der Unterschied in den Albedos von Probe und Referenz wurde dabei bisher jedoch nicht berücksichtigt. Der Schlüssel zu einer präziseren Messung des Rückstreukonus war daher die Bestimmung dieser Albedos. Damit lässt sich nun auch in den experimentellen Daten eine Intensitätsabschwächung an den Konusflanken beobachten, die mit der Vorhersage von Akkermans und Montambaux übereinstimmt. Ein weiterer Fokus der vorliegenden Arbeit lag auf dem Neuaufbau des so genannten Kleinwinkel-Setups, mit dem die Verteilung der rückgestreuten Intensität mittels einer CCD-Kamera in einem sehr engen Bereich um die Rückstreurichtung gemessen wird. Das Ziel war eigentlich, Anderson-Lokalisierung durch die durch sie verursachte Abrundung der Spitze des Rückstreukonus nachzuweisen. Dafür wurden eine ältere Kamera durch ein hochauflösendes Modell mit einem größeren CCD-Chip ersetzt. Es stellte sich jedoch heraus, dass zwischen der Probe und der Kamera platzierte optischen Komponenten zu viel Störlicht verursachen, so dass die notwendige Intensitätsauflösung trotzdem nicht erreicht wird. Dafür kann mit dem verbesserten Aufbau die freie Transportweglänge von schwach streuenden Materialien wie beispielsweise Teflon gemessen werden. Da die dabei gemessene Transii
Ein kurzer Überblick portweglänge sowohl mit den Ergebnissen früherer Experimente als auch mit der theoretischen Vorhersage im Rahmen der Messgenauigkeit übereinstimmt, kann die Zuverlässigkeit der Ergebnisse des Kleinwinkel-Setups als bestätigt angesehen werden. Eine weitere Anwendung für das Kleinwinkel-Setup ergab sich im Rahmen einer Zusammenarbeit mit der Gruppe von M. Schröter (Max Planck Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen). Hier sollte die freie Transportweglänge von Licht in so genannten fluidisierten Betten bestimmt werden. Da die streuenden Teilchen in diesem Experiment sehr groß sind und eine gleichmäßig sphärische Form haben, ist die rückgestreute Intensitätsverteilung durch die Ringstruktur der Einfachstreuung an Mie-Teilchen überlagert. Diese lässt sich jedoch theoretisch berechnen und an die gemessenen Kurven anpassen, so dass sich der Rückstreukonus aus den Daten extrahieren lässt. Bei ersten Messungen führte die Breite dieses Konus zu einer Transportweglänge, die wesentlich kleiner als der Teilchendurchmesser der Streuer ist. Dies widerspricht eklatant den Ergebnissen ähnlicher Experimente, die von Transportweglängen in der Größenordnung mehrerer Teilchendurchmesser berichten. Der Grund hierfür ist bisher nicht bekannt; die grundlegende Auswerteprozedur für Rückstreudaten von fluidisierten Betten konnte jedoch erfolgreich getestet werden. Für zukünftige Experimente stehen damit nun zwei verbesserte Experimentaufbauten zur Verfügung, mit denen kl ∗ über einen Bereich von mehr als drei Zehnerpotenzen hinweg gemessen werden kann. Mögliche Anwendungen reichen von neuen, maßgeschneiderten Proben mit kl ∗ am Übergang zur Anderson-Lokalisierung zu Schäumen oder biologischem Gewebe. Einige dieser Experimente sind bereits für die nähere Zukunft geplant, und es steht zu hoffen, dass sie einen weiteren Schritt hin zu einem vollen Verständnis der Vielfachstreuung bilden werden. Danksagungen Viele haben auf die eine oder andere Art zu dieser Arbeit beigetragen. Besonders bedanken möchte ich mich bei Prof. Dr. G. Maret – für die interessante Aufgabenstellung, eine zuverlässige und geduldige Finanzierung, und für eine in jeder Hinsicht entspannte Arbeitsumgebung PD Dr. C. M. Aegerter – der nach einigen Jahren tapferer Betreuungsarbeit schließlich doch die Flucht ergriff und nach Zürich auswanderte W. Bührer – unter anderem für sämtliche Time of flight-Messungen; die komplette Dank- Liste würde hier leider den Rahmen sprengen. . . Prof. Dr. E. Akkermans und Prof. Dr. G. Montambaux – für die Ausarbeitung der Theorie zu den Experimenten an stark streuenden Proben der P10-Stammbelegschaft in Sektretariat, Chemielabor, Elektrotechnik und Werkstatt – für die überaus professionelle Unterstützung bei Problemen von ‘Anträge stellen’ bis ‘Zusammenlöten’ iii
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