淺析磁流體激光熱透鏡效應(yīng)及其應(yīng)用

王先云

摘 要 根據(jù)激光熱透鏡效應(yīng)理論實(shí)驗(yàn)觀察了磁流體的激光熱透鏡現(xiàn)象，分析其是由于激光能量呈高斯分布引起的溫度梯度和濃度梯度所導(dǎo)致的衍射圖像。探索距束腰前后不同位置對(duì)磁流體熱透鏡效應(yīng)強(qiáng)度的影響，并對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行分析，還探索了外加磁場對(duì)磁流體激光熱透鏡現(xiàn)象的影響。

關(guān)鍵詞 熱透鏡效應(yīng);磁流體;激光能量

引言

熱透鏡效應(yīng)屬于光熱效應(yīng)的一種，最常見的熱透鏡效應(yīng)產(chǎn)生原因是：當(dāng)激光在介質(zhì)中進(jìn)行傳輸時(shí)，部分能量被介質(zhì)吸收，介質(zhì)中沿激光傳輸?shù)穆窂缴袭a(chǎn)生熱量，由于激光光束的能量呈高斯型分布，所以介質(zhì)溫度呈橫向梯度變化，從而引起介質(zhì)折射率的橫向梯度變化，產(chǎn)生類似凹透鏡的效果。對(duì)于熱透鏡效應(yīng)的應(yīng)用的探索主要集中在化學(xué)試劑中痕量分析和激光器性能改善方面，而在功能性材料的熱透鏡現(xiàn)象上的研究則相對(duì)較少。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)著眼于研究功能性納米材料磁流體的熱透鏡現(xiàn)象，嘗試得出有關(guān)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

1磁流體熱透鏡效應(yīng)原理

磁流體的光吸收系數(shù)相對(duì)較大，對(duì)溫度敏感，當(dāng)一束功率適當(dāng)?shù)母咚辜す庹丈涞酱帕黧w樣品時(shí)，樣品會(huì)吸收激光的部分能量，導(dǎo)致該區(qū)域溫度上升，在磁流體的內(nèi)部會(huì)形成由激光熱能誘導(dǎo)產(chǎn)生的溫度梯度和濃度梯度變化，熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散的總效果是使磁流體內(nèi)部的折射率沿著半徑方向（垂直于高斯激光的傳播方向）呈現(xiàn)空間非均勻分布，類似一個(gè)凹透鏡。磁流體微粒對(duì)入射光線有散射作用，散射光線間由于光程差的不同，將在遠(yuǎn)場由于光波疊加而形成同心圓狀的熱透鏡效應(yīng)衍射環(huán)[1]。

2實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用單光束構(gòu)型，氦氖激光器產(chǎn)生的激光同時(shí)充當(dāng)加熱光束和探測光束，經(jīng)過凸透鏡之后入射到磁流體樣品中，并在遠(yuǎn)處放置觀察屏觀察。實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中為了避免重力對(duì)磁流體樣品的干擾，利用反射鏡將激光偏折使其豎直入射到磁流體樣品中，樣品為約50 μm厚的磁流體薄片，再由反射鏡將光束偏折為水平方向，投到觀察屏上觀察和記錄，如圖1 所示。

3實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析

將磁流體薄片放進(jìn)光路后，可觀察到衍射圖像為從中心向外一環(huán)接一環(huán)的涌出，得到不同位置衍射環(huán)的形成時(shí)間、衍射環(huán)的直徑，磁流體熱透鏡效應(yīng)的衍射圖案隨時(shí)間變化情況為由黑暗開始，從中心一個(gè)接著一個(gè)涌出圓環(huán)，隨著時(shí)間增加，圓環(huán)數(shù)量增加，衍射圖案變大，最后趨于穩(wěn)定，剛開始熱透鏡效應(yīng)并不明顯，折射率梯度較小，因此衍射圖案圓環(huán)數(shù)量少，直徑小;隨著時(shí)間的累積，高斯光束持續(xù)對(duì)磁流體薄層進(jìn)行加熱，折射率梯度進(jìn)一步加大，邊緣折射率高，中心折射率低，衍射圖案圓環(huán)數(shù)量隨之增加，直徑變大;當(dāng)?shù)竭_(dá)一定時(shí)間后，熱透鏡效應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)折射率分布趨于穩(wěn)定，不再發(fā)生變化，因此衍射圖案不再發(fā)生變化。則有如下討論：

（1）不同位置的衍射環(huán)形成并達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間大致在束腰前后呈對(duì)稱分布，越靠近束腰位置形成并穩(wěn)定的時(shí)間越短。在沿光束傳播上，光束光斑直徑呈雙曲線變化規(guī)律，在靠近束腰處光斑越小，因此功率密度大，使得溫度梯度和濃度梯度的形成和穩(wěn)定的速度較快。

（2）不同位置的衍射環(huán)直徑大致在束腰前后呈對(duì)稱分布，越靠近束腰位置磁流體所形成的衍射圖案直徑越大。高斯光束經(jīng)透鏡變換后，其束腰位置處光斑很小，此時(shí)在很小的范圍內(nèi)能量沿徑向分布，結(jié)果使得折射率在很小范圍有較大的變化，可理解為其散焦能力強(qiáng)，因此光束通過時(shí)發(fā)散程度大，導(dǎo)致衍射圖案直徑大。

3.1 磁流體熱透鏡效應(yīng)在磁場測量上的應(yīng)用

當(dāng)在已產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)的磁流體上垂直激光方向施加勻強(qiáng)磁場時(shí)，可觀察到衍射圖案由圓形變?yōu)闄E圓，同時(shí)衍射圖案整體縮小，當(dāng)撤去磁場后，衍射圖案又迅速恢復(fù)為原來的大小和形狀。

對(duì)上述結(jié)果有如下討論：

磁流體中的納米粒子含有一定的磁矩，無外加磁場時(shí)各磁矩方向雜亂無章，整體不顯示磁性。當(dāng)外加勻強(qiáng)磁場時(shí)，有一定磁矩的納米粒子在磁場中亦不受力，不發(fā)生移動(dòng)，但此時(shí)納米粒子間的磁矩在平行于磁場方向上會(huì)由于磁矩之間的吸引作用相互吸引在一起，而在垂直于磁場方向則沒有該變化。因此當(dāng)外加磁場時(shí)，平行于磁場方向上受到納米粒子之間磁矩間吸引作用的影響，抵抗了部分熱效應(yīng)，使該方向上的衍射圖案受到壓縮，磁場越強(qiáng)，納米粒子之間磁矩的吸引作用也越強(qiáng)，對(duì)該方向上熱透鏡效應(yīng)的削弱越明顯。

4結(jié)束語

在高斯光束作用下，磁流體薄層由于溫度梯度和濃度梯度變化導(dǎo)致折射率沿徑向變化，光束通過后在遠(yuǎn)場形成衍射圖案，不同位置的熱透鏡效應(yīng)不同，衍射圖案也呈一定規(guī)律變化，激光照射處折射率不均勻以及不同位置處功率密度差別較大是導(dǎo)致衍射環(huán)規(guī)律變化的主要原因。衍射圖案的形成特征如時(shí)間、環(huán)的涌出方向表征了熱透鏡效應(yīng)形成過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化;穩(wěn)定時(shí)的環(huán)數(shù)、光強(qiáng)分布表征了薄層中各處折射率的變化。外加磁場時(shí)，衍射圖案發(fā)生形變表明磁流體薄層的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，且磁場會(huì)抑制熱透鏡效應(yīng)的強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉璟璐.基于布朗動(dòng)力學(xué)的磁流體熱透鏡效應(yīng)的理論研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2015.