Vielfachstreuung von Licht in Systemen dicht gepackter Mie-Streuer : Auf dem Weg zur Anderson-Lokalisierung?
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Das Ziel dieser Arbeit war, den theoretisch vorhergesagte Übergang von der klassisch diffusiven Lichtausbreitung in einem vielfachstreuenden System zu einem Anderson-lokalisierten Regime zu untersuchen. Dieser Übergang soll auftreten, wenn die mittlere freie Transportweglänge von gleicher Größe ist wie die effektive Wellenlänge in dem ungeordneten System. Dazu sollten die Parameter, d.h. die Teilchengröße und der Volumenanteil der Streuer in der Probe so bestimmt werden, daß die Probe eine besonders starke Sreustärke aufweist. In der vorgelegten Arbeit wurden dazu erstmals die Theorien der Mie-Einfachstreuung, des Strukturfaktors in der Näherung nach Percus-Yevick und der Energiedichten- 'Coherent Potential Approximation' zur Bestimmung des effektiven Brechungsindex in einem ungeordneten System kombiniert. Als Proben kamen Titandioxid-Vollkugeln (n=2,7) und selbstsynthetisierte Schichtstreuer aus einem Silikakern (n=1,44) mit einem Titandioxidmantel zum Einsatz. Es wurde ein Experiment aufgebaut, mit dem die kohärente Rückstreuung der Proben über große Winkelbereiche aufgezeichnet wurde. Dieses diente zur Bestimmung der Transportweglänge. Um die Diffusion der Photonen genauer untersuchen zu können, wurde ein zweites Experiment aufgebaut. Dieses erlaubt, die Flugzeiten zu vermessen, die einzelne Lichtpakete benötigen, um die Probe zu durchlaufen. Die Kurven der über die Polydispersität der Proben gemittelten Rechnungsresultate ließen sich ohne freie Parameter mit sehr guter Übereinstimmung mit den gemessenen Daten der Transportweglänge und der Diffusionskonstanten vergleichen. Mit den somit experimentell abgesicherten Rechnungen konnten erstmalig Teilchenparameter für Titandioxidhohlkugeln bestimmt werden, die die Untersuchung des vorhergesagten Übergangs vom diffusen Lichttransport zu einem Anderson-lokalisierten Regime ermöglichen sollten. Bei den vorliegenden Proben wurde bis zu einem minimalen Wert von kl*=6 klassische Diffusion festgestellt.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
The aim of this work was to examine the theoretically predicted transition from classical diffusive propagation of light to an Anderson localized regime in a multiple scattering, random medium. This transition is expected when the transport mean free path becomes comparable to the effective wavelength. To find an appropriate system it was important to determine the parameters, i.e. the particle size and volume fraction of scatterers, to achieve the highest scattering strength. Therefore, this thesis combines for the first time the theories of Mie-single scattering, the structure factor in the Percus Yevick closure relation and the energy density coherent potential approximation to calculate the effective index of refraction in a disordered system. The sample material consisted of titanium dioxide spheres (n=2,7) and TiO2-coated silica spheres (n=1,44) that have been synthesized by us. One experiment was set up to measure the coherent backscattering of these samples over a large angular range. This was used to get an information of the transport mean free path inside of the medium. In order to examine the diffusion of the photons more precisely, a second experiment was set up. It records the distribution of the time of flight of single photons passing through the sample. The calculated scattering values were averaged over the polydispersity of the samples. They showed very good agreement when compared with the experimental data of the transport mean free path and the diffusion constant - without any adjustable parameter used for fitting. Using this experimentally confirmed calculations we could predict the particle parameters for titanium dioxide hollow spheres that should scatter strong enough to observe the transition to Anderson-localization. With the present samples we found classical diffusion down to a minimum value of kl*=6.
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ISO 690
TWEER, Ralf, 2002. Vielfachstreuung von Licht in Systemen dicht gepackter Mie-Streuer : Auf dem Weg zur Anderson-Lokalisierung? [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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