磁性液體薄膜磁光特性研究

趙 琳,吳雪磊

（1.天津天獅學(xué)院，天津，301700； 2.河北工業(yè)大學(xué)，天津，300130）

磁性液體薄膜磁光特性研究

趙 琳1,2,吳雪磊2

（1.天津天獅學(xué)院，天津，301700； 2.河北工業(yè)大學(xué)，天津，300130）

本文主要研究了外界磁場(chǎng)的方向和大小對(duì)磁性液體薄膜光透射特性的影響。通過(guò)設(shè)計(jì)外界磁場(chǎng)發(fā)生裝置，經(jīng)過(guò)多組實(shí)驗(yàn)得出光透射特性與外界磁場(chǎng)的變化關(guān)系。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)磁性液體薄膜與外界磁場(chǎng)垂直時(shí)，光透射率隨外界磁場(chǎng)的增強(qiáng)而增大；當(dāng)磁性液體薄膜與外界磁場(chǎng)平行時(shí)，光透射率隨外界磁場(chǎng)的增強(qiáng)而減小。

磁性液體薄膜；光透射特性；磁場(chǎng)設(shè)計(jì)

磁性液體是一種具有磁化性質(zhì)的特殊功能液體，外加磁場(chǎng)會(huì)改變磁性液體的許多物理特性。這些性質(zhì)在光調(diào)制、光開(kāi)關(guān)、光隔離器、光濾波器和傳感器等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景[1-3]。磁性液體薄膜的光透射率是否會(huì)隨外加磁場(chǎng)作用的變化而變化值得研究。

磁性液體薄膜的光透射率受到多種因素的影響，磁性液體的濃度、磁性液體粒子的大小、磁性液體薄膜的厚度、溫度以及外界磁場(chǎng)都會(huì)對(duì)磁性液體薄膜的光透射率產(chǎn)生影響。本文主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了外界磁場(chǎng)的方向和大小對(duì)磁性液體薄膜光透射特性的影響，得到了磁性液體薄膜的光透射率和外加磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度之間的變化規(guī)律。研究磁性液體薄膜光透射率隨外加磁場(chǎng)作用的變化而變化的特性，根據(jù)光透射率的空間分布和時(shí)間變化，可以分析和確定其它多種物理場(chǎng)量。對(duì)研制磁光功能器件具有重要的實(shí)際意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 磁性液體薄膜的制備

實(shí)驗(yàn)用的磁性液體薄膜由光學(xué)玻璃制成，應(yīng)用的光學(xué)玻璃是220nm-2500nm波段范圍內(nèi)透光良好的光學(xué)材料，具有特定的光學(xué)常數(shù)和高透射率。首先通過(guò)沖洗確保玻璃的清潔度，然后將兩塊玻璃對(duì)接并向其中注入水基磁性液體。注入磁性液體時(shí)需保證兩片玻璃中無(wú)氣泡產(chǎn)生，最后在玻璃四周用硅膠封口，確保氣密性。待硅膠干燥后再用酒精擦拭玻璃片，即可得到實(shí)驗(yàn)所需磁性液體薄膜。本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用到三種厚度的磁性液體薄膜，為10μm、20μm和30μm，如圖1所示。

圖1 不同厚度的磁性液體薄膜

1.2 光透射率測(cè)量裝置

光透射率的大小用AvaSpec-NIR256-1.7光譜儀測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該光譜儀中使用了新型傳感器和小型化的技術(shù)，從而提高了光譜儀的測(cè)量速度，減小了儀器的尺寸和體積，增強(qiáng)了測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此型號(hào)光譜儀具有測(cè)量速度快，數(shù)據(jù)可靠性高，可以用于在線分析等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 光透射率測(cè)量系統(tǒng)

2 均勻磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)

垂直和水平磁場(chǎng)由通電線圈產(chǎn)生，當(dāng)兩個(gè)線圈共軸放置時(shí)，在線圈兩側(cè)通入直流可控電流，兩線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互疊加，通過(guò)控制兩線圈的相對(duì)距離，即可產(chǎn)生近似的均勻磁場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)中選取直徑為1.02mm的漆包線作為通電導(dǎo)線，其允許通過(guò)的最大電流為3A。為了防止影響線圈外磁場(chǎng)分布，線圈骨架采用高分子絕緣套管，高分子絕緣套管內(nèi)徑為75mm，線圈外徑為121mm，線圈匝數(shù)為2000匝。

如圖3(a)所示，將磁性液體薄膜置于XOZ面上，且中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)處，兩線圈間距165mm，此時(shí)磁場(chǎng)方向與磁性液體薄膜垂直，稱(chēng)為垂直磁場(chǎng)。如圖3(b)所示，將磁性液體薄膜置于YOZ面上，且中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)處，兩線圈間距110mm，此時(shí)磁場(chǎng)方向與磁性液體薄膜平行，稱(chēng)為水平磁場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)中改變水平磁場(chǎng)和垂直磁場(chǎng)的大小，觀察磁性液體的光透射率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化情況。

圖3 線圈與磁性液體薄膜的位置關(guān)系

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 薄膜厚度對(duì)光透射率的影響

實(shí)驗(yàn)中采用10μm、20μm和30μm三種不同厚度的磁性液體薄膜進(jìn)行測(cè)試,在其它條件相同時(shí)，不同時(shí)間進(jìn)行分組測(cè)試，每組數(shù)據(jù)取平均值，再對(duì)不同組的數(shù)據(jù)取平均值，以減少誤差。

表1 不同厚度下的光透射率值

表1記錄的為25℃條件下，在不同厚度的磁性液體薄膜光透射率的值，磁性液體薄膜的光透射率可以通過(guò)公式1計(jì)算。

式中，Samplen為照射樣本光源時(shí),由光譜儀測(cè)量的像素n上的A/D計(jì)數(shù)值；Darkn為關(guān)閉樣本光源時(shí),測(cè)得的像素n上的A/D計(jì)數(shù)值；Refn為照射參考光源時(shí)，測(cè)得的像素n上的A/D計(jì)數(shù)值。從測(cè)得的數(shù)據(jù)可以看出隨著磁性液體薄膜厚度的增加，薄膜的光透射率逐漸變小。

3.2 垂直磁場(chǎng)對(duì)光透射率的影響

將磁性液體薄膜置于垂直磁場(chǎng)中，改變磁場(chǎng)的強(qiáng)度，測(cè)量不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下光透射率的數(shù)值并繪制相應(yīng)的曲線，分析垂直磁場(chǎng)對(duì)磁性液體薄膜光透射率的影響。

圖3所示為三種不同厚度的磁性液體薄膜的光透射率與垂直磁場(chǎng)的關(guān)系。不同曲線代表不同厚度的磁性液體薄膜在外界磁場(chǎng)作用下，光透射率的變化情況。

圖3 不同厚薄膜光透射率與垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系

溫度保持25℃不變時(shí)，在外界垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度從0變化到13.84×103A/m的過(guò)程中，厚度為10微米的磁性液體薄膜的光透射率從33.500%增大到34.271%，增大了0.771%；厚度為20微米的磁性液體薄膜的光透射率從26.323%增大到27.242%，增大了0.919%；厚度為30微米的磁性液體薄膜的光透射率從15.419%增大到16.173%，增大了0.754%。由圖3可知，磁性液體薄膜的光透射率隨外界磁場(chǎng)的增大而增大，在外界磁場(chǎng)強(qiáng)度變化較小時(shí)，光透射率變化量不大，當(dāng)外界磁場(chǎng)增大到一定程度后，光透射率變化量開(kāi)始變大。

3.3 水平磁場(chǎng)對(duì)光透射率的影響

將磁性液體薄膜置于水平磁場(chǎng)中，改變磁場(chǎng)的強(qiáng)度，重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，測(cè)量不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下光透射率的數(shù)值并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制相應(yīng)的曲線，分析水平磁場(chǎng)對(duì)光透射率的影響。

圖4為三種不同厚度的磁性液體薄膜的光透射率與水平磁場(chǎng)的關(guān)系。不同曲線代表不同厚度的磁性液體薄膜在外界水平磁場(chǎng)作用下，光透射率的變化情況。

圖4 不同厚薄膜光透射率與水平磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系

溫度保持25℃不變，水平磁場(chǎng)下，外界磁場(chǎng)強(qiáng)度從0變化到21.99×103A/m的過(guò)程中，厚度為10微米的磁性液體薄膜的光透射率從35.280%減小到34.578%，減小了0.700%；厚度為20微米的磁性液體薄膜的光透射率從26.343%減小到25.734%，減小了0.609%；厚度為30微米的磁性液體薄膜的光透射率從15.469%減小到15.033%，減小了0.436%。由圖4可知，磁性液體薄膜的光透射率隨外界水平磁場(chǎng)的增大而減小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了磁性液體薄膜的厚度、外界磁場(chǎng)的大小與方向?qū)馔干渎实挠绊?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磁性液體薄膜的光透射率隨磁性液體薄膜厚度和水平磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而減小，隨垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大。以20微米厚的磁性液體薄膜為例，當(dāng)外加垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度變化量為13.84×103A/m時(shí)，20μm厚的磁性液體薄膜的光透射率最大變化量為0.919%；而當(dāng)外加平行磁場(chǎng)強(qiáng)度變化量為21.99×103A/m時(shí)，20μm厚的磁性液體薄膜的光透射率最大變化量?jī)H為0.609%。在垂直磁場(chǎng)下磁性液體薄膜的光透射率的變化要比水平磁場(chǎng)時(shí)的變化更明顯。

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趙琳(1981年2月—)，女，漢，河北，碩士研究生，講師，研究方向：通信技術(shù)。

Research on Magneto-optical Properties of Magnetic Fluid Film

Zhao Lin1,2,Wu Xuelei2
（1.Tianjin Tianshi College,Tian jin,301700;2.Hebei University of Technology,Tian jin,300130）

In this paper, the influence of the direction and magnitude of the external magnetic field on the optical transmission characteristics of the magnetic liquid film is studied. The external magnetic field is designed in this paper , the relationship between the optical transmission characteristics and the external magnetic field is obtained by the multi group experiments. The experimental data shows that the optical transmittance increases with the increase of the external magnetic field when the magnetic fluid film is perpendicular to the external magnetic field. When the magnetic field is parallel to the external magnetic field, the optical transmittance decreases with the increase of the external magnetic field.

Magnetic liquid film; Optical transmission characteristics; Magnetic field design

O484.41

A

科研項(xiàng)目：2013年天津天獅學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目資助；項(xiàng)目名稱(chēng)：磁流體薄膜在可調(diào)諧光濾波器中的應(yīng)用研究；項(xiàng)目編號(hào)：K13004