磁流体的光学性质

磁流体的光学性质

0在固体磁流体中混用液体磁流是指磁流，也称为磁液。它是一种具有随外加磁场强度而有可控流变特性的特殊的新型纳米材料。磁流体在静态时无磁性吸引力,当外加磁场作用时,才表现出磁性。这种胶状液体既有固体磁性材料的强磁性,又有液体的流动性,还有许多其他固体磁性材料与液体物质所不具有的特殊性质,这些特殊性质使磁流体跃入到功能材料的行列并成为功能材料中的一支新秀。人们对磁流体的基础理论、物理性质、制造工艺、磁性能以及开发应用都展开了多方面的研究,研究成果不断出现,应用也逐步扩展。在研究中人们发现,磁流体具有许多独特的光学性质,本文主要介绍磁流体的光学性质及其在光电信息传感领域中的应用情况。1磁流体的光学特性1.1热透镜效应的影响当一束激光通过磁流体时,磁流体温度上升,内部形成温度梯度分布,磁性粒子重新分布,导致在垂直于光束方向上的磁流体折射率不均匀,所以当光束通过磁流体后会发散,并且在一定条件下,在远场可以观察到同心圆状的干涉环,如图1所示。干涉环的半径和数量都与入射光功率成正比。当入射光功率较大时,光束中心和外面的磁流体浓度差就较大,所引起的相位差就较大,故干涉环的数量和半径就增加。热透镜效应对于磁流体在一些潜在光子器件应用中有负面影响,这主要是由于它引起了光束的发散。当给磁流体外加一个垂直于光束方向的磁场时,热透镜效应能够得到抑制。磁场越大,抑制的程度越高。1.2磁流体薄膜的影响磁流体的磁光效应(Magneto-opticalEffect)是指光通过受到外加磁场的磁流体薄膜(MagneticFluidFilm,简称MFF)时,对其性质所造成的影响。包括磁场造成的磁流体薄膜的双折射效应(Magneto-birefringence)、外加磁场与光透射特性(Transmission)的关系等。1.2.1方向入射时的入射光磁流体的双折射效应就是在外磁场作用下,当入射光沿垂直磁场方向入射时,入射光分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。o光和e光的折射率no和ne不同。光通过厚度为L的磁流体后,其o光和e光的相对相位差∆ϕ为1.2.2磁流体薄膜的自然过程磁流体的光透射特性与磁流体在外加磁场作用下的微观结构变化有紧密的关系。磁流体属高分子稳定胶体系统,具有高度稳定性,可长期保持均匀状态。没有外加磁场时磁性液体中的微粒在基液中随机分布,在外加磁场作用下,磁液中的微粒在沿磁场方向排成链状。而且“磁链”排列的方向和磁场一致,磁链互相之间形成一定的距离。这与磁粉在外磁场下成链状排列形状相仿,不同的是磁性液体中的磁性微粒间不是紧密结合一起,而是相对分开,处于一种弱的絮凝状态。弱絮凝状态不同于絮凝状态,弱絮凝状态不会使胶体系统失稳。对于磁流体薄膜而言,若施加垂直膜面的外磁场,随着磁场H增强,弱絮凝结构增多,这可以看成磁流体出现“相”分离,即液相与“磁链”表现的磁柱相(如图2所示)。由于磁性颗粒开始弱絮凝,磁流体等效浓度Mseff降低。由于只有液相部分才能使光透过,由于弱絮凝结构的逐渐增多,液相部分逐渐减小,使得磁流体的光透射性随着磁场的增大而减小。磁流体的光透射特性主要受外磁场影响,同时其它影响因素还包括磁流体薄膜厚度、磁流体浓度等(如图3所示)。1.3等效介电常数法对于磁流体薄膜而言,当施加垂直于膜面的外磁场时,随着磁场H增强,弱絮凝结构增多,磁流体内部出现“相”分离,使得磁流体体系的等效介电常数发生变化,从而导致磁流体薄膜折射率的变化。磁流体薄膜中产生相分离后,磁流体内部的磁柱高度可以看作与磁流体薄膜的厚度一样,故磁流体薄膜可看作一个“二维二相”体系,根据早已建立的“二维二相”体系等效介电常数计算方法,有:式中:εcol代表磁柱的介电常数,与外磁场无关;εliq代表液相的介电常数,与磁流体等效浓度Ms.eff(原始浓度为Ms)有关。定义f=(Acol/A)(1-Acol/A),其中Acol为在MFF表面一定面积A中磁柱所占的面积。磁流体的液相介电常数εliq可由以下关系式计算得出由式(2)、(3),可以计算得出在任意外加场强下磁流体薄膜的介电常数值εMF,由式即可求出在不同的外加磁场H的作用下,磁流体的的射率的变化。另外值得指出的是,外磁场强度H只有达到一定“阈值Hcn”后,磁流体折射率才开始上升;当H增大到一定程度后,折射率基本“饱和”不再变化,如图4所示。磁流体薄膜折射率的可控性与磁流体薄膜光透射率的可控性的机理是相同的,因此,磁流体的折射率随外加磁场的变化也会受到磁流体的浓度、磁流体薄膜的厚度、外加磁场的方向和温度等因素的影响。1.4磁流体的磁场强度与加速度的关系磁流体的磁电方向效应是指磁流体的介电常数取决于磁场强度的大小以及电场E与磁场H所成的角度θ,磁流体的介电常数可以表示为式中:A、B是由磁流体的载液及磁流体浓度等因素决定的常量;=kTaµH/,µ是磁流体中磁性微粒的磁矩,L(a)为Langevin函数。磁流体的介电常数与磁场强度的大小及电场与磁场所成角度的关系如图5所示。随着外加磁场强度的增大,磁流体折射率的变化情况类似于磁流体的介电常数,取决于光源电场E的方向与外加磁场H的方向。在YangSY等人的实验中,外加磁场的方向是垂直于磁流体薄膜的表面的,磁场的方向与在磁流体里传播的光的夹角等于磁流体薄膜的折射角,所得的测量结果显示磁流体的折射率随外加磁场强度的增大而增大;在TingLiu等人的实验中,磁场的方向垂直于磁流体里光的传播方向,所得的测量结果显示磁流体的折射率随外加磁场强度的增大而减小。因此,在应用磁流体折射率可控性时应该注意磁流体的磁电方向效应。2加磁场强度的大小对强度调制技术磁流体的独有光学特性具有可调谐的性质,这为新型可调谐光子器件的制作和研究提供了新材料、新原理。目前,一些研究学者已经利用磁流体在实验室制作出了一些光子器件。当外加磁场平行于磁流体薄膜表面入射时,随着外加磁场的增大(超过某一阈值时),磁性微粒开始聚集,形成一个一维周期性的磁柱链(如图6所示),这样的结构可以看成一个磁流体光栅结构。当一束白光垂直于薄膜表面入射时,会发生色散现象,白光在中间,两边均出现色带(由紫到红)。不同的色散角度对应着不同的波长,因此可以说,这种一维周期性的磁链可以将光分散成不同的波长,进而可以应用这种性质来设计多路复用器,如图7。HorngHE等人利用磁流体的光透射性设计了一款光开关。通过改变外加磁场强度的大小,进而改变磁流体薄膜的光透射性能,影响透射光与反射光的能量分配,从而实现了光开关的效果。J.J.Chieh等人利用磁流体作为包层,设计了一款光纤调制器(如图8所示)。通过改变外加磁场强度的大小,进而改变作为包层的磁流体折射率,使入射光在磁流体包层所在范围内的全反射衰减,对传播的光能量造成损失,从而改变光纤调制器的透射性能。通过改变外加磁场的大小来改变光纤调制器的调制深度。可调谐磁流体光栅是利用传统的光刻技术,在一个衬底上刻蚀形成周期性的梳状凹槽,然后将磁流体填入凹槽中,最后再用一个覆盖层覆盖在此光栅上面,将磁流体密封住,如图9所示。由于磁流体的折射率和吸收系数随着磁场而变化,而其他材料的折射率和吸收不变,所以当给此光栅加上磁场时,该光栅的折射率调制和吸收系数调制将变化,根据光栅理论可以知道,其各阶的衍射效率将发生变化,零阶和高阶衍射光的能量会发生交换,如图10所示。LiuTing等人设计的基于磁流体的长周期光纤光栅可调谐光滤波器是利用磁流体折射率的可控性,实现对其包覆的长周期光纤光栅的基模与包层模之间的耦合特性进行调谐,从而制作成谐振波长随外加磁场改变而偏移的可调谐光滤波器。该可调谐光滤波器的结构示意图如图11所示。长周期光纤光栅的光栅段用毛细管套住,磁流体用针管注入毛细管,将长周期光纤光栅的光栅段完全包覆。外加磁场加在磁流体所在位置,磁场强度方向垂直于长周期光纤光栅。长周期光纤光栅中的基模与包层模耦合,成为了频谱选择衰减器件。基模与第i阶包层模的耦合形成了第i次的谐振峰,在透射谱上看,就是第i次的衰减频带。第i次谐振峰的中心波长可由相位匹配条件确定:其中:nco和nicl分别为基模和第i阶包层模的有效折射率。Λ是长周期光纤光栅的周期。长周期光纤光栅对环境折射率变化的敏感性是由包层模有效折射率对环境折射率的依赖性引起的。当环境折射率逐渐增大,直至逼近长周期光纤光栅包层的折射率时,长周期光纤光栅对环境折射率变化的敏感性急剧增加。因此,通过改变外加磁场的场强,可以改变磁流体的折射率,长周期光纤光栅的谐振波长可以相应的被调谐。3磁流体薄膜的光学测量磁流体独有的光学特性同样可以应用到光纤传感领域中。应用磁流体对磁场的敏感特性及磁流体独有的光学性质结合光纤传感的优势及特点,可以设计出基于磁流体的光纤电流传感器。这种采用磁性流体作为传感媒介设计的传感结构避免了基于法拉第效应的光磁式电流互感器对环境干扰敏感造成信噪比不高和传统的电磁式电流互感器的高压绝缘缺陷。YuanSuihua等人提出了一种将磁流体的热透镜效应应用于高压电流测量的新方法,并设计了一套测量系统(如图12所示)。将一束激光聚焦在磁流体薄片(厚度为50~80µm)上,由于磁流体对光的吸收而沿着磁流体薄片的径向形成温度梯度,进而导致磁流体折射率沿半径近似高斯分布,形成一个等效的凹透镜,激光束被以不同角度折射,产生干涉光环。当施加磁场后,其内部的非球形对称的磁性微粒沿磁场取向,导致光线的偏转,亦即改变了干涉环的半径。干涉环半径的变化量正比于场强的平方。透过磁流体薄片的光束经过透镜照射到光纤阵列上,可以检测出衍射环的半径,进而完成对场强的测量。该方法最大的特点是不用偏振光,避免了复杂的保偏装置,使得该系统简单、经济,同时又具有光纤传输的优点。陆樟献等人应用磁流体光透射率的可控性设计出一种用磁流体薄膜对高压电流进行光学测量的电流传感器(如图13所示)。磁流体薄膜受到垂直外磁场作用,引起磁流体薄膜的光透射率的变化。通过改变磁流体的浓度和基液,或者改变传感头的结构,来达到实际需要的传感灵敏度和相应时间。由于采用双光路系统,磁流体薄膜放在同一个密封铝盒中,中间采取了磁屏蔽,也就是通过调节螺线圈上的电流来调节一块磁流体薄膜上所加的磁场强度大小,而另一片磁流体薄膜不受外界和相邻磁场的影响,这样达到了两块磁流体薄膜的温度变化相同。在数据处理中利用双光路的光强度之比来达到测量螺线圈中的磁场强度大小的目的。又由于螺线圈中的强度取决于线圈上所流过的电流强度,所以双光路的光强度之比变化反映电流强度的变化强度。利用这种光路设计,由于薄膜的半径做得很小时,从而可以忽略磁性流体热透镜效应,即使存在热透镜效应,因为两片磁流体薄膜的温度相近或变化相同