（通信与信息系统专业论文）光纤中磁流体在外磁场作用下光透射特性研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 纳米磁流体是一种具有磁性的纳米材料，它具有液体的流动性，在外场的作用 下，表现出独特的光透射性质，这些光透射特性有希望在光学器件和光纤传感领域 获得应用，所以对磁流体在外磁场作用下的光学透射特性进行研究是非常有意义 的 虽然外磁场作用下磁流体的光透射特性研究已有多年，并且做了不少工作，但 其机理和规律还不是很清楚，并且以往主要是研究样品盒中的磁流体薄膜在外磁 场作用下的光透射特性本文设计了一种新的研究方法：将磁流体置于光纤中，研 究光纤中磁流体在外磁场作用下的光透射特性本论文的研究工作及成果包括以 下部分： 1 磁流体光纤样品的制备及外磁场的设计制作 针对光纤的特殊结构，设计制作了磁流体样品制备装置根据实验要求，设计 制作了外加磁场装置 2 光纤中磁流体在均匀磁场作用下光透射特性的研究 将实验样品置于均匀磁场环境中，研究了磁场强度、磁场方向对光纤中磁流 体的光透射特性的影响，同时还研究了磁流体的光开关特性和响应时间 3 光纤中磁流体在梯度磁场作用下光透射特性的研究 梯度磁场下研究了光纤中磁流体的光透射特性，结合实验结果，提出了梯度磁 场下磁性粒子呈密度梯度分布的理论模型，并进行了理论分析同时还研究了磁流 体的时间响应和磁滞现象 实验结果表明：光纤中磁流体在外磁场作用下具有明显的光透射调制效果， 并且还具有一定的开关特性另外，均匀磁场和梯度磁场下光纤中磁流体的光透射 特性是不一样的，梯度磁场下光纤中磁流体透射光功率的变化比均匀磁场下大很 多；同时，光纤中磁流体透射光功率变化在梯度磁场中的稳定时间较均匀磁场快 很多分析认为：在均匀磁场下，光纤中磁流体的磁性纳米粒子主要是成链和团聚； 而在梯度磁场下，光纤中磁流体的磁性纳米粒子不但会成链和团聚，而且其密度会 呈现与梯度磁场对应的梯度分布，因而导致不同的透射特性研究光纤中磁流体在 外磁场作用下光透射特性的变化，有望在光开光，光调制器，光衰减器，磁场传感器。 电流传感器等方面获得应用 关键词：光纤，磁流体，磁场，光透射特性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a g n e t i cf l u i d , 、 r i mm a g n e t i s ma n dl i q u i d i t yo fl i q u i d , i sak i n do fn a n o m e t e r m a t e r i a l u n d e rt h ee f f e c to fm a g n e t i cf i e l d , i tc a nd i s p l a yp e c u l i a rt r a n s n 缸t t a n c e c h a r a c t e r i s t i co fl i g h t t h e s el i g h tt r a n s m i t t a n c ep r o p e r t i e so fm a g n e t i cf l u i dw i l l p r o b a b l yb ea p p l i e di nt h ef i e l do fo p t i c a ld e v i c ea n df i b e ro p t i c a ls e n s o r s t h e r e f o r e ， t h e s t u d y o ft h ei n f l u e n c et h a tm a g n e t i cf i e l dw i l lm a k eo nl i g h tt r a n s m i t t a n c e p r o p e r t i e so fm a g n e t i cf l u i di sv e r ys i g n i f i c a n t t h o u g ht h es t u d yo ft h i sf i e l dh a sb e e nd o n eal o tf o rm a n yy e a r s ，b u ti t s m e c h a n i s ma n dl a w sa l s oi sn o tv e r yc l e a r , a n dt h e s t u d i e su s u a l l yf o c u s e do nt h e m a g n e t i cf l u i di nt h es a m p l eb o x t h i sp a p e rt r i e st os t u d yi tf r o man e wa n g l e t h e s a m p l ew i l lb eg o tb yp u t t i n gm a g n e t i cf l u i di no p t i c a lf i b e r s a n dt h e nt h el i g h t t r a n s m i t t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f m a g n e t i cf l u i di no p t i c a lf i b e r sw i l lb es t u d i e di nt h i s p a p e r t h er e s e a r c hc o n t e n ta n dr e s u l tw i l lc o n c l u d et h ef o l l o w i n gp a r t ： 1t h ep r e p a r a t i o no fm a g n e t i c f l u i dc o r eo p t i c a lf i b e ra n dt h e d e s i g no ft h e e x c 锄aim a g n e t i cf i e l d a c c o r d i n gt ot h ep a r t i c u l a rs t r u c t u r eo fo p t i cf i b e r s ，i no r d e rt op l a c em a g n e t i cf l u i d i no p t i cf i b e r , as e to fd e v i c ew a sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t s ，m a g n e t i c f i e l dd e v i c ew a sd e s i g n e dt o o 2t h er e s e a r c ho ft h el i g h tt r a n s m i t t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f m a g n e t i c f l , u i di no p t i c a l f i b e ru n d e rw e l l d i s t r i b u t e dm a g n e t i cf i e l d p u tt h es a m p l i n gi n t ot h ee n v i r o n m e n to fu n i f o r mm a g n e t i cf i e l da n dd i s c u s s e dt h e i n f l u e n c eo fm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t ya n dm a g n e t i cf i e l dd i r e c t i o nt ot h em a g n e t i cf l u i d i nt h eo p t i cf i b e r a tt h es 锄et i m e ，w ea l s od i s c u s s e dt h es w i t c hc h a r a c t e r i s t i ca n d t i m er e s p o n s eo ft h em a g n e t i cf l u i d 3t h er e s e a r c ho ft h el i g h tt r a n s m i t t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em a g n e t i cf l u i di nt h e o p t i cf i b e ru n d e rg r a d i e n tm a g n e t i cf i e l d h lt 1 1 ec o n d i t i o no ft h e g r a d i e n tm a g n e t i cf i e l d ，w eh a v es t u d i e dt h el i g h t t r a n s m i t t a n c eo ft h em a g n e t i cf l u i da n dp u tf o r w a r dan e wt h e o r ym o d e lt h a td e n s i t y d i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cp a r t i c l ei sg r a d i e n tu n d e rt h ee f f e c to fg r a d i e n tm a g n e t i cf i e l d b a s e do nt h a t , w ea n a l y z e dt h et h e o r y a tt h e5 a a - ：r l et i m e 。w ea l s od i s c u s s e dt h et i m e r e s p o n s ea n dt h ep h e n o m e n o no fh y s t e r e s i s 武汉理工大学硕士学位论文 n l ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c t ：m a g n e d cf l u i di no p t i c a lf i b e ro b v i o u s l yh a st h el i g h t t r a n s m i t t a n c em o d u l a t i o na n ds w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c su n d e ra p p l i e dm a g n e t i c 1 1 1 e l i g h tt r a n s m i t t a n c ep o w e ro ft h em a g n e t i cf l u i di nt h eg r a d i e n tf i e l di sm u c hb i g g e r t h a nt h a ti nt h eu n i f o 皿m a g n e t i cf i e l d ，b u tt h es t a b i l i z a t i o nt i m ei ss h o r t e r a n a l y s i s s h o w st h a tt h em a g n e t i cp a r t i c l e sm a i n l yf o r mc h a i n sa n da g g l o m e r a t i o nu n d e r u n i f o r mm a g n e t i cf i e l d ，o t h e r w i s e ，t h e yn o to n l yf o r mc h a i n sa n da g g l o m e r a t i o nb u t a l s oa p p e a rt ob ead i s t r i b u t i o no fi n t e n s i t yg r a d i e mu n d e rg r a d i e mm a g n e t i cf i e l d s o t h et r a n s m i t t a n c ec h a r a c t e r i s t i ci sd i f f e r e n tu n d e rd i f f e r e n tm a g n e t i cf i e l d n 圮 r e s e a r c ho ft h ec h a n g eo ft h em a g n e t i cf l u i d i nt h eo p t i cf i b e ru n d e rt h ee x t r a m a g n e t i cf i e l di sh o p e dt ob eu s e di no p t i c a ls w i t c h , o p t i c a lm o d u l a t o r , o p t i c a l a t t e n u a t o r , m a g n e t i cf i e l ds e n s o r ) c u r r e n ts e n s o ra n ds oo n k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e r ，m a g n e t i cf l u i d , m a g n e t i cf i e l d ，l i 咖l r a n s m i t t a n c e p r o p e r t i e s h i 武汉理1 ：人学硕士学位论文 第1 章绪论 纳米磁流体作为一种新型的纳米功能材料，不但具有液体的流动性，而且还具 有固态的磁性，具有一些特殊的光学特性，有可能在光器件、光通信和光纤传感领 域获得应用 1 1 磁流体简介 1 1 1 磁流体的组成 磁流体又称磁性液体( m a g n e t i cf l u i d ) 、磁液，它是把表面活性剂包裹在l o n m 左右纳米磁性粒子上，然后均匀的分散在基液中，形成的一种稳定的胶体溶液磁 流体主要由纳米磁性粒子、表面活性剂、基液3 部分组成，其结构示意图【l 】如图 1 1 所示纳米磁性粒子一般为四氧化三铁、铁氧体、赤铁矿或者稀土合金等固体 微粒由于纳米粒子的直径一般都在n r n 量级，在基液中做布朗运动时，获得动能， 悬浮在基液中表面活性剂也叫稳定剂、分散剂或者表面涂层它的作用是将磁性 粒子的表面包裹起来，使磁性粒子彼此分开，防止磁性粒子发生团聚基液，也叫母 液或者载液，应具有良好的温度稳定性和阻燃性，一般为非导电性的液体，如水、硅 油、煤油、脂等；也可以是导电的液态金属，如水银不同基液的磁流体，其特性也 不同磁性颗粒在表面活性剂的作用，即使在重力场、电场和磁场的作用下也不能 产生沉淀、凝聚，因而可以长期保持稳定状态 小，转霉：q ； i 二慧鬻?t ：q 露辩誓! 图卜1 磁流体结构示意图 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 磁流体的制备 纳米磁流体的制备方法一般与磁性颗粒的种类有关，但大致可分为两类：一 类是物理方法；另一类是化学方法【2 川 1 粉碎法 粉碎法属于物理方法，它由美国人第一次提出利用球磨机将分散质、表面活 性剂和溶媒的混合体长时间研磨，然后将粗大粒子滤除得到磁性液体1 9 6 6 年，s s p a p e l l 【4 l 利用此方法成功制备了庚烷、油酸、等磁性胶体溶液但是该方法 由于研磨时间较长，而且成本过高，所得粒子直径相对较大，因而没有被广泛推广 2 阴阳离子交换树脂法【5 】 制备铁与亚铁盐分子比3 ：1 1 ：1 的水溶液以，离子交换时将溶液的p h 值控制 在7 5 - 9 5 范围内，然后迅速将p h 值降低，使溶胶稳定，即可渗析形成凝胶，凝胶在 有机液体中与亲液体的接触以形成稳定的磁性7 氧化铁水溶胶 3 火花电蚀法嘲 1 9 8 3 年w a l t e r 和b c r k o w i t z 首次报道了火花电蚀法制备磁性液体其原理是 将金属电极在液体中放电形成胶体粒子，即火花放电将电极金属蒸发，在液体中温 度突然降低，形成超微粒子，从而制成磁性液体 4 热分解法 热分解方法主要是分解化学上不稳定的有机金属，析出的金属超微粒子并分 散于溶媒中，制得磁性液体t h o 陋s 【7 】利用热分解法将c o ：( c d ) 。中的c o 单体以 超微粒子形态析出并溶于甲苯中，成功制备了c o 胶体粒子磁性液体 5 共沉淀法 亚铁盐的水溶液和铁盐发生化学反应生成磁性凡，d 4 粒子，化学方程式如下 凡2 + + 2 凡3 + + 8 0 1 1 。专屁3 q + 4 皿d ( 1 - 1 ) 在含有四氧化三铁微粒的水悬浮液中加入表面活性剂和酸溶液，使悬浮液发 生凝聚，将凝聚物分散在基液中便制成磁流体由于该方法生产效率高，反应迅速， 便于机械化、自动化，从而在工业生产中广泛采用 除以上方法外，还有许多其他的制备方法，如氢还原法和紫外线分解、法【引，适合 制备含镍的磁流体；还有电着法【9 】和真空蒸镀法【l o 】等总之纳米磁流体的制备方 法很多，各有优缺点，制备不同磁性颗粒的纳米磁流体，可采用不同的制备方法 1 1 3 磁流体的性质 1 磁流体的磁学性质 2 武汉理工大学硕士学位论文 磁流体最重要物理性质就是它的磁化性能如果从其磁化率来讲，磁流体可以 看作超顺磁材料，但其磁化机理和顺磁性物质的磁化机理是不同的顺磁性物质的 磁化机理是由外磁场的作用下物质内作轨道运动的电子，其轨道平面的法线在某 种程度上按外磁场方向做有序排列引起的但磁流体的磁化机理有两种：一种是 固体微粒内的磁畴发生旋转，这和铁磁性物质的磁化过程形同；另一种是固相微 粒自身在外磁场作用下发生旋转由于磁畴旋转而磁化的，称为内禀性磁流体：由 于磁性固相微粒自身旋转而磁化，称为非内禀性磁流体磁性流体的磁化性能的指 标是其磁化强度m 磁流体磁化以后再退磁，一般不存在磁滞现象，及没有剩磁和 矫顽力因为固相微粒本身悬浮于基载液体中，当外磁场的约束移去之后，微粒的 热运动( 即布朗运动) 终归使它们变成无规则的纷乱状态，这意味这完全退磁 2 磁流体的力学性质 磁流体的粘度比其基载液体的粘度大很多，甚至可以有一个数量级的差别这 当中其决定性作用的是固相颗粒的粒度和所占有的体积分量磁流体内固相微粒 的弥散状态取决于分散剂的量是否足够如果分散剂的量不足，则可能有部分固相 微粒产生聚集，形成尺寸较大的聚集体，甚至进而形成某种网状的微结构，于是磁 流体的流动性就表现出相应程度的非牛顿流体的性质；在分散剂的量充分并且固 相微粒的弥散状态良好时，磁流体就如同一般的两相流并且具有牛顿流体的性质 目前所见到的磁流体非牛顿流的特性都是拟朔性b i n g l l 锄体，即既有屈服应力，又 有剪切稀化在这种情况下，不仅外加磁场对磁流体的粘度有影响，而且流动中的 剪切率对其也有影响 磁流体的流动性能与普通流体最不相同之处就是外加磁场的作用若磁流体 是非牛顿流体，则在强外磁场中，其非牛顿流的特性将会减弱，而趋向于牛顿流体 因为强外磁场造成部分微结构瓦解，从而改变了固相威力的弥散状态其次，即使 磁流体是牛顿流体，当外磁场的强度矢量与磁流体的涡旋矢量不平行时，磁流体的 粘度也将受到外磁场的影响 3 磁流体的热学性质 磁流体是一种液固两项胶体混合物它的热学性质如密度、比热容、热传导 系数、扩散系数等，通常都取其宏观的当量平均值( 液固两相的体积分量或质量 分量的函数) 它们的得出和应用基于两点假设：磁流体是均匀的、各向同性 的混合物；磁流体中的两相物质总是处于热学上的平衡状态实际上磁流体很 难做到是均匀的，例如在重力场或非均匀的外磁场中，在流动过程中，固相微粒的 浓度分布或多或少是不均匀的尤其在磁场中，由于磁场的方向性而使得磁流体并 非各向同性至于两相物质总是处于平衡状态，就意味着液相和固相对外界环境变 化的响应速度完全相同，这显然是不可能的但是，当固相微粒极其微小时，两相之 3 武汉理工大学硕士学位论文 间具有巨大的相对接触界面积，则上述两点假设可以得到很好的近似，并且由于平 均方法处理简便，因而得到广泛的应用 在热学性质上，磁流体与普通流体最重要的不同之处在于磁流体的热力学函 数，如比热容、内能、熵、焓等都与磁流体自身的磁化强度和外加磁场的强度有 关 4 磁流体的声学性质 一般磁流体的粘度都比较大，当声波在其中传播时会迅速衰减在自然状态下， 磁流体具有各向同性的声学性质当处于外磁场作用中时，磁流体的声学性质与外 磁场方向密切相关无论是声波在磁流体中的传播速度，还是衰减系数，其沿外磁 场方向与其他方向明显不同。即此时磁流体的声学特性呈各向异性 5 磁流体的光学性质 磁流体一般是不透明的，但当磁流体薄膜很薄时，光就会透过磁流体薄膜在 无外磁场的作用时，磁流体内的磁性粒子均匀分布，所以它的光学性质为各向异 性；当磁流体处于外磁场之中时，其中的固相微粒沿外磁场方向作定向排列，结果 磁流体具有各向异性的特点，从而表现出许多特殊的光学性质，后面将详细介绍磁 流体的光学性质 1 1 4 磁流体的应用 磁流体是一种在外加磁场的作用下可通过磁场强度来控制其流变特性的新 型特殊纳米材料，正因如此，它才在实际中有着广泛的应用 1 磁流体密封i l l 】 密封是磁流体在各种机械和仪器中最广泛最成功的应用，其基本原理为：在 外磁场给磁流体密封环施加足够大的彻体力，磁流体密封环利用这种彻体力来平 衡作用在其表面上的压力差磁流体密封有两个根本的优点：它是真正的零泄 漏密封只要磁流体密封膜保持完整，任何程度的泄漏都不会发生，所以在真空技 术中比较有效，如x 射线机、电子束等的真空密封磁流体密封膜可以认为几乎 没有摩擦，在高速相对运动中，有用功的损耗非常低因而可以应用于各种机械轴 承密封 2 磁流体润滑 1 2 , 1 3 】 磁流体润滑剂是一种新颖的润滑剂，外加磁场可以使磁性液体保持在润滑部 位这样，在润滑过程中可以抵消重力和向心力等，也不泄露i 并可以防止外界污染 其实，磁流体中的基液本身就具有润滑剂的性能，又因磁性颗粒细微及其涂层性， 磁流体与物体的摩擦系数较小，因而对物体的磨损较小，可用于轴颈轴承、推力轴 承等任何复杂的运动结构的动压润滑 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 磁流体传感器 磁流体具有可流动性、电磁响应以及相对较高的磁导率等特性，这就决定了 磁流体在传感器和测量设备中的广发应用【1 4 】目前主要有磁流体角度传感器、磁 流体加速度角速度传感器、磁流体流量传感器、磁流体磁场传感器等 磁流体角度传感器【l5 】利用磁流体的流动性特点，当倾斜角度发生变化时，磁 流体周围的电感或电容随磁流体的流动状态发生变化，实现角度测量磁流体加速 度传感器【l6 】利用磁流体磁性和流动性的特点将一物体放入磁流体中，随着外界 加速度变化物体的运动发生变化，通过检测物体的运动量，实现加速度测量磁流 体流量传感器【l7 1 ，也是利用磁流体的流动性特点，当气体通过管道时，会形成一个 压差，引起磁流体流动，从而实现流量测量磁流体磁场传感器【l 引，往往利用磁流体 介电常数随外磁场磁场强度和磁场方向的变化发生变化，实现磁场强度及方向的 测量 4 磁流体显示剂 用磁性液体作媒质能有效的观察多种磁性材料的磁畴结构该方法式样制备 简单，图像清晰，尤其是对稀土永磁的效果最好，用这种方法除了能观察磁场的大 小、分布、形状外，还能判断磁取向的优劣 此外利用磁流体的磁特性，还可以将磁流体应用于生物医学中【l 妣1 1 ，利用磁性 液体技术用来处理血栓、分离细胞、处理血液和骨髓，制作高疗效的磁性针剂等 还可以利用磁流体的磁光特性制作光快门、光调变器、光信号放大器等光学器件 2 磁流体的热透镜效应 磁流体的热透镜效应阻】是指当一束光通过磁流体时会发散，类似于经过一个 负透镜，并在一定条件下，在远场可以看到同心圆状干涉环卜胜利1 2 3 l 等人在实验 中将一束激光入射到磁流体中，在远场发现同心干涉圆环，并且发现随着入射光功 率的增大，干涉环的数量越多，半径增大( 如图1 2 所示) 磁流体的热透镜效应形 成的机理被认为是：由于磁流体具有较大的吸收系数，当光入射到磁流体时，吸收 一部分光能，会使磁流体的温度升高，磁性粒子的分布发生变化，就会使得磁流体 在垂直于光束传播方向上的折射率形成与光功率分布对应的梯度分布 5 ( c ) 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 2 不同入射光功率的磁流体热透镜效应干涉环图样 如果在垂直于光束传播的方向加磁场，磁流体的热透镜效应会受到抑制阱l 。 且随着磁场强度的增大热透镜效应的抑制程度也增大究其机理，可以归纳为两 种：1 随着磁场强度的增大，磁性粒子发生团簇相分离，破坏了原来由于温度梯度 而引起的颗粒浓度分布，所以抑制热透镜效应被抑制；2 磁性颗粒在外磁场作用下 获得额外的磁体积力，从而发生转移，这同样破坏了由于温度梯度而形成的颗粒浓 度分布，故热透镜效应被抑制 y u a ns u i h u a 等人利用磁流体的热透镜效应提出了一种测量高压电流的新方 法 2 5 1 , 测量系统如图1 3 所示当激光以不同角度入射，由于磁流体对光的吸收导致 折射率近似高斯分布，将产生干涉环，在外磁场的作用下，磁性粒子沿磁场取向，光 线发生偏转，导致干涉环的半径发生变化透过磁流体薄膜的光束经过透镜照射到 光纤阵列上，可以检测出干涉环的半径，根据干涉圆环直径都正与入射光的功率成 正比关系，完成对场强的测量该方法最大的特点充分利用光纤传输的优点使得系 统更简单，经济，而且不需要使用偏振光，避免采用保偏装置 c i o l l i m 吐o r l e n l m a g n e t i cf l u i df a r f l u i d l e n l c l a s e rd i o d e 图1 3 基于磁流体热透镜效应的光纤电流传感器示意图 此外，利用外磁场控制磁流体的热透镜效应这一原理，还可以设计磁场传感器 1 3 磁流体的折射率 影响磁流体折射率的因素众多，除了磁性颗粒的类型，大小，基液的性质外，还 与磁流体的浓度，温度，外磁场有关 h o m g h e 等人瞬7 】研究发现在没有外磁场的作用下磁流体的折射率与浓 度成线性关系h o n gc h i n y i h 船】等人研究了磁场作用下磁流体折射率与浓度的 关系：在无外磁场时，浓度分别为1 2 1 、1 5 2 0 a 和1 9 3 的水基凡，现磁流体的 折射率分别是1 4 3 5 、1 4 6 2 和1 5 0 6 ，当外磁场从0 增加到2 1 x 1 0 4 a r n 时，折射 6 武汉理工大学硕士学位论文 率分别为1 4 3 7 、1 4 6 7 和1 5 1 5 ，折射率增加率分别为0 9 5 1 0 。7m a 、 2 3 8 x1 0 41 1 1 a 和4 2 8 1 0 。7m a 显然，随着浓度的增大，单位磁场强度引起的 折射率也增大y f c h e n 等人 2 9 1 研究发现温度也会对外磁场中的磁流体折射 率产生影响由于磁流体的折射率只有在外磁场达到某一临界值时才发生显著变 化他们将相同浓度的水基凡，d 4 磁流体分别放在8 c 和6 0 c 环境中，逐渐增大磁 场，当磁场强度分别为1 5 5 1 0 3 a m 和3 9 8 x 1 0 3 a m ，磁流体的折射率才发生 明显变化，即随着温度的升高，临界磁场值也随着增大 外磁场作用下磁流体的折射率变化也是比较复杂的，但磁流体的折射率变化 大致可分为三个阶段：当磁场较小时，折射率变化不明显；当磁场超过某一阈值 时，折射率快速增加；最后，折射率趋于饱和y a n g s y 等人 3 0 1 分别研究了垂 直磁场作用下膜厚分别为1 1 8 a n 、8 2 , w n 和1 3 0 , t a n 的水基凡，d 4 磁流体的折射 率随磁场强度的变化结果表明：当磁场小于约2 4 1 0 3 a m 时，三种不同厚度 的样品折射率几乎不变，折射率仍然保持在约1 4 3 25 左右；当磁场从2 4x1 0 3 a m 增加到1 4 1 0 4 a m ，三种样品的折射率从1 4 3 2 5 分别变化到1 4 3 8 5 、1 4 4 7 和1 4 5 25 磁场引起的折射率的变化率分别约为2 7 6 1 0 刁m a 、9 9 2 1 0 4 m a 和1 5 1 1 0 击m a 当磁场大于1 6 1 0 4 a m 后，折射率饱和即不再变化 以上研究表明，磁流体的折射率变化大都与外磁场有关，这主要是因为磁流 体薄膜在外磁场作用下，磁性粒子形成弱凝絮结构，且随着磁场强度的增大，凝絮 结构增多，当磁场强度超过某一阈值时，磁流体内出现“相 分离，磁流体内的等 效介电常数发生变化，因而磁流体的折射率也发生变化磁流体薄膜内产生相分 离后，磁流体薄膜的高度可等效为磁流体内磁链的高度，故磁流体薄膜可以看作 为一个“二维二相 体系，可以计算出磁流体薄膜的等效介电常数： r一# c o l ( 1 一力一气( 厂一1 ) + 【岛( 1 一力+ ( 厂一1 ) 2 + 4 ( 1 + 力2 知， 锄2 耵丽一u 。驯 式中： 岛和缸分别代表磁链和液相的介电常数，定义 厂= ( a m 彳) ( 1 一如彳) ，其中如为在m f f 表面一定面积a 中磁链所占的面积 磁流体的液相介电常数缸可由下式计算 缸i m 埘( 日) = 靠( m ，i 舢) = ( o 1 5 7 3 m ，+ 1 3 2 8 3 ) 2 ( 卜4 ) 由以上两式，可以计算出外磁场下磁流体薄膜的介电常数，再由以腼= 即可 求出外加磁场h 下磁流体的折射率变化 此外，由于磁流体对光有较强的吸收，光只有在较稀较薄的磁流体中才能透 过，因此采用透射的方法对磁流体的折射率进行测量非常困难，因而一般常采用 全反射的方法对其测量全反射装置如图1 - 4 所示磁流体的折射率： ，扎删= l 2 ( 2 刀；一2 s i n 2 吼一, 2 s i n 吼) ( 1 - 2 ) 7 武汉理工大学硕士学位论文 一。 - l ? lj ： i， l i r 玻璃片镜| ；u i ： t 港俸 曩封 图卜4 全反射测量磁流体折射率实验装置图 其中，刀删为磁流体薄膜的折射率，刀。为三棱镜折射率，吼是对应于介面p m 发生 全反射时的吼值如果发生全反射，这就要求磁流体的折射率小于棱镜的折射 率p us h e n g l i 等人【3 l l 将光纤插入磁流体中，通过测量光纤端面反射回来的光强， 然后利用菲涅耳反射系数公式，从而计算出磁流体折射率为了防止非光纤磁流 体界面的反射光进入，磁流体的深度要足够大 由于磁流体折射率的可由外磁场控制，利用这一原理，可以将磁流体在光调制 器，光纤传感等方面获得应用l i ut m g 等人用磁流体将长周期光纤光栅的光栅 段包覆，从而设计了基于磁流体的长周期光纤光栅可调谐光滤波器【3 2 1 结构示意 图如图1 5 所示 c a # t 锄- yt ubt妒lpg r 硒晚j m a g n e t i cf l u i d a 图卜5 基于磁流体的长周期光栅可调谐滤波器结构示意图 长周期光纤光栅的基模与包层模发生耦合，对磁流体外加垂直于长周期光纤光栅 的磁场，包层模的有效折射率随磁场强度发生变化，导致光栅的中心波长发生漂 移因而可以通过改变外加磁场的场强对长周期光纤光栅的谐振波长进行调谐 赵勇【3 3 】等人同样利用磁流体作为长周期光纤光栅的包层，设计了基于磁流体的 长周期光纤光栅电压传感器此外在传感器方面，还可以利用温度、磁场强度对磁 流体的折射率可调，研发出新型温度传感器和磁场强度传感器等 此外研究还发现，在外磁场作用下，当光沿垂直于磁场方向入射时，出射光分 武汉理工大学硕士学位论文 为光振动方向垂直于磁场的o 光和光振动方向平行于磁场的e 光，即双折射现 象1 9 7 4 年m a r t i n e t 3 4 】教授研究了磁流体的双折射与磁场强度的关系，实验发现， 随着磁场强度的增大，磁流体的双折射现象更明显1 9 7 9 年，英国的l l e w e l l y n 和 d a v i e s 研究了磁流体的磁致双折射的起因【3 5 】，并研究了磁性颗粒大小与磁流体磁 致双折射的关系1 3 引，他们认为在外磁场的作用下，磁流体由各向同性介质变为各 向异性介质，从而导致磁流体的磁致双折射现象，这与磁性颗粒的n e e l 旋转没有 关系法国的b a c r i c 等人在研究磁流体的双折射现象时发现：当施加外磁场时产 生磁致双折射现象，撤去磁场后，磁致双折射现象消失，但这两个过程中的弛豫时 间与磁流体的粘度成正比【37 1 基于此，r a i k h e r 3 8 1 和t a k e t o m i 【3 9 1 分别研究了交变磁 场下单畴磁性颗粒磁流体的双折射时间响应效应和高压脉冲磁场下磁流体的动 态磁光效应，他们的研究结果表明，可以通过改变交变磁场的幅度达到控制磁流 体双折射系数的目的，以及改变磁流体的浓度来控制磁光效应的弛豫时间飞利 浦研究室s c h o l t e n 研究了磁场作用下磁流体双折射效应 4 0 1 ，并对其机理进行了解 释】实验中将起偏器和检偏器的方向互相正交，且垂直磁场方向的夹角为4 5 0 ，如 图1 - 6 所示，通过检偏器的光强可以表示为： i = i os i n 2 ( 8 2 ) ( 1 - 5 ) 习 图1 - 6 磁流体双折射效应实验示意图 其中厶为检偏器和起偏器方向相同时的输出光强，万为o 光和e 光的相位差 由于万是与磁场强度h 有关的，且随着磁场强度h 的增大而增大，所以输出光强， 也是随磁场强度h 的增大而增大并将双折射现象机理解释为：没有磁场时，磁 流体内的磁性粒子均匀分布，单个磁性粒子的取向对光的各向异性作用较小，即 磁流体呈光学同向介质；在外磁场的作用下，磁性粒子团聚成大的聚集体，磁性粒 子取向发生变化，磁流体呈光学各向异性 根据磁流体的双折射效应，输出光强，随磁场强度h 的增大而增大，据此就 可以制成光衰减器，由于可以通过调节磁场强度h 的大小对输出光强进行控制，因 9 v，帛 o ，、 渤 乏 s ， 咄一钐， s 一7 猢b 一钐 盯e 辱 武汉理工大学硕士学位论文 而也可以制成可调谐衰减器如果选择合适的参数，就可以使输出光强，在极大值 和极小值之间变化，因而可以将其应用于光开关 4 2 1 但是这种开关的频率会受到 磁流体磁弛豫时间的限制，也就是响应时间，理论上这种响应时间可以达到1 0 刁秒 的量级，但是实际的响应时间要比理论值大很多此外，输出光强，和磁场强度h 是 关联的，还可以设计磁场传感器或者电流传感器【4 3 】 不仅如此，当光沿垂直于外磁场方向入射到磁流体时，由于磁流体对光的吸收 作用，两束偏振光经磁流体后会呈现不同程度的衰减效应，且衰减与磁链密切相关 磁场方向不同，磁性粒子将沿不同方向形成磁链而磁流体薄膜对不同偏振方向 的光产生的吸收效果与磁链的排列方向有关：电场振动方向和磁链排列方向平行 的偏振光( 即e 光) ，被吸收的更多，并且吸收的程度与外加磁场的强度成正比； 电场振动方向和磁链排列方向不平行的偏振光( 即0 光) ，被吸收的少，即磁流体 二向色性 4 4 ，4 5 1 因而，如果入射光是非偏振光，由于这种吸收上的差异，则出射光就 会是椭圆偏振光，磁场越强，其线偏振性就越好，这样一来，磁流体就可以是相当于 一个起偏器g o l d b e l g m j 利用光通过磁场作用下的磁流体后具有线偏振性的特点， 制作了偏振器，这种磁流体起偏器的偏振方向随着外磁场方向的改变而改变，它 的起偏效果与外磁场的强度成正比 1 4 磁流体的光透射特性 光入射到磁流体，在不同因素的影响下，表现出丰富的光透射特性r o u s a n 4 7 和heh o m g 郴j 等人分别研究了磁流体浓度对其光透射特性的影响，实验发现，随 着磁流体浓度的升高，磁流体的透射功率逐渐减小日本的i n a b d 4 9 j 等人在红外波 段研究了磁流体光吸收与波长的关系w 0 跏5 2 】等人不但研究了可见光波段磁流 体的光透射率与波长的关系，还研究了磁流体厚度对磁流体光透射率的影响赵韦 人【5 3 】等人详细研究了磁场作用下不同磁流体厚度磁流体薄层光透射特性影响并 对其机进行了解释，实验发现对于不同膜厚的薄层，其透射特性有所不同随着磁 场强度的增大，膜厚较小的薄层透射特性先略微减小，后快速减小，然后缓慢变化 趋于稳定；而膜厚较大的薄层则快速减小，后缓慢减小，然后缓慢增大并趋于稳定 他们认为：在外磁场的增加过程中，磁流体中的纳米磁性粒子首先会团聚成粗大的 粒子，再聚集形成粒子链，随着磁场的增大粒子链变粗、变长当磁场垂直于磁流体 薄膜时，磁性粒子形成垂直于薄膜片面的粒子链，透射率的减小与薄膜平面内磁链 的有效面积有关l ij i a d 5 4 s 5 】等人研究了外磁场对水离子铁磁流体的透射特性的 影响，其结果为随着磁场强度的增大，其透射率减小他们认为在均匀磁场作用下 随着磁场强度的增大，磁性粒子形成磁链导致透射功率的变化，但并未对其机理进 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 行详细的分析方晓鹏【5 6 】等人研究了不同方向的外磁场对磁流体薄层光谱透射率 的影响，并从微观上分析了影响机理结果表明：外加垂直于入射光方向的磁场作 用时，磁性粒子沿磁场方向形成链状结构，这种结构减少了粒子系对光线的吸收作 用，增大了光线透过磁流体薄层的概率。导致磁流体薄层光谱透射率的增大而外 加平行于入射光方向磁场作用时，磁流体内粒子形成的链状结构与光线入射方向 垂直，磁流体薄层总的透射率无明显变化此外，y a n g c 5 7 】等人也对磁流体磁场诱导 光透射率的机理进行了解释，他们认为在外磁场的作用下，磁流体内部的磁性粒子 产生聚集，减少了磁流体的液相相对面积，随着磁场强度的增大，磁流体的光透射 率降低，他们还研究了在开关磁场的作用下，磁流体光透射率的响应特性和驰豫特 性【弼】l a m as a k h n i n i 和m e 1 h i l o 也对外磁场下磁流体的光透射率随时间的变化 进行了研究【5 9 1 ，研究表明，对于不同粘度系数的磁流体，光透射特性的响应时间也 不同 外磁场作用下磁流体对光的吸收衰减从微观机理上分析主要有两个原因：一 是磁链磁极化率和电极化率的虚数项引起的吸收；二是磁链引起的瑞利散射假 设单位体积的磁流体中有v 。个磁链，且每个磁链由k 个粒子组成，每个磁链对入射 光的散射和吸收截面可由下式表示： 仃硪= 8 嬲二国4 ( 3 c4 - l ( j i h ，o 2 ( 卜7 ) 略= 4 碱彩c 。1 ( 砜) 仃篁4 刀口二国c - 1 ( b o ) ( 1 - 8 ) ( 1 - 9 ) 其中，吒，略分别代表瑞利散射截面、电极化率吸收截面和磁极化率 吸收截面缈和c 分别角速度和光在真空中的传播速度以，口二分别磁链电极化率 口破的实部与虚部口二为相同磁链的磁极化率的虚部代表单个磁性粒子的体 积假设溶剂水对光没有吸收，即忽略溶剂对光的吸收，此时磁流体的光透射公式 可以写为： l = e x p t - d z 咋( + 仃k + 仃苏) 】 ( 卜l o ) k = l 其中d 为样品的厚度将( 卜7 ) ( 卜8 ) ( 卜9 ) 三式代入z 表达式指数部分为： - d 盯磁= - - 4 ( 2 a ) 5 3 _ 1 ( ，o 刀) ( d 五) 七2 v o 口二 ( 卜1 1 ) - d 叱仃缸= 一2 ( 2 万) 2 ( d z ) 七2 ，o v 口二 ( 1 1 2 ) k = lk = l 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 - 1 3 ) 式( 1 - 1 1 ) 由于较式( 卜1 2 )( 卜1 3 ) 多了因子力，需要注意的是：假设磁 场作用下磁流体内的磁性粒子形成一维的磁链，由于该项较小，故瑞利散射对衰 减所起的作用可以忽略电极化虚数项可以写为： 盯二= 4 ( 4 万) - 1 ( 4 刀盯国) 【( 占+ 1 ) 一 ( f 一1 ) 】- 2 ( 1 1 4 ) 公式中矿为磁性粒子的电导率；g 是相对介电系数：f = 旦，6 2 蜀分别为磁性粒 一 子和溶剂的介电常数； 为v 1 个磁性的退极化因子的平均值： 忽略m 。高阶项，可得： ( 1 - 1 5 ) 知o v k i + n i ( 6 - i ) 。1 岛九【l + p 一1 ) 】- l ( 1 1 6 ) 由于以上假设磁性粒子在磁场作用下形成一维磁链，故可将磁链看作半径为吼 的长圆柱体，磁极化率的虚部分别表达为： 吐= ( 8 万) 1 c 2 ( 吼回4 ( 卜1 7 ) 其中，万= c 2 刀肋为趋肤深度：c 2 是一个常数，与1 同量级将式( 1 - 1 7 ) 代 入( 1 - 1 3 ) 中有： d 略= 刀札( d 兄) c 2 ( 刃4 ( 卜1 8 ) 其中 是唧的平均值 磁流体光透射率公式可表示为： = e x p - 2 州九霄罟高矗粤等) 4 】) m 以上式中只有 和 随磁场发生变化 反映了磁链的状态，在 无外加磁场时，磁性粒子在溶剂中均匀分散且取向随机，随着磁场强度的增大，磁 性粒子逐渐团聚，形成磁链，且磁链越来越长，即轴比率增加，使得 逐渐减小 随着磁场的增大，磁链变长，光传播路程上的粒子数目增大，导致吸收变大 表 示单位面积磁流体内磁链所占面积随磁场的变化随着磁场的增大，磁链的宽度会 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 减小，平行于光传播方向的磁链