苑寶義 陶丹 薛海龍 苑永生 張浩 苑澤 高愛榮

摘 要：本文詳細(xì)綜述了不同因素對(duì)磁流體光透射特性的影響，以及基于磁流體光透射特性的光傳感器研究進(jìn)展。最后，對(duì)磁流體的光透射特性的應(yīng)用前景進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：磁流體；光透射特性；磁場(chǎng)；傳感器

本文對(duì)磁流體在外磁場(chǎng)作用下的光透射特性進(jìn)行了詳細(xì)論述，包含對(duì)研究方法的概括和不同影響因素下磁流體表現(xiàn)出的豐富的光透射特性的分析總結(jié)。磁流體的光透射率受很多方面因素的影響，如納米磁性顆粒的粒徑、磁流體粒子濃度、磁流體薄膜厚度以及環(huán)境溫度等。

1 磁流體光透射的影響因素研究

影響磁流體的光透射特性的因素有很多方面，比如：粒子直徑、粒子體積濃度、磁流體薄膜厚度以及環(huán)境溫度等。

1.1 粒子直徑與光透射率

Narsinga Rao G[1]等人通過共沉淀法制備了顆粒尺寸為7nm、9nm和12nm的磁流體樣品，對(duì)不同顆粒尺寸下磁流體薄膜的光透射特性進(jìn)行了研究。

對(duì)于一個(gè)給定的磁流體薄膜厚度，磁性顆粒直徑為7nm和9nm時(shí)，透射率隨外磁場(chǎng)的增加而增加，而磁性顆粒直徑為12nm，透射率會(huì)隨之下降。在不同磁場(chǎng)作用下，這種不同微觀結(jié)構(gòu)是平衡范德華作用力和磁偶極子—磁偶極子之間的作用力而產(chǎn)生的。當(dāng)磁性顆粒直徑大于10nm，磁偶極子間的磁引力占主導(dǎo)地位，而對(duì)于更小的尺寸，范德華作用就會(huì)相對(duì)更重要一些。

1.2 粒子濃度與光透射率

Rousan[2]和Horng H E[3]等人分別研究了磁流體濃度對(duì)其光透射特性的影響，實(shí)驗(yàn)都發(fā)現(xiàn)，隨著磁流體濃度的升高，磁流體的透射功率逐漸減小。

Horng H E指出磁場(chǎng)強(qiáng)度由0增加至20Oe，對(duì)應(yīng)磁流體薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)由一種單分散狀態(tài)發(fā)展到有序的鏈狀結(jié)構(gòu)，最后達(dá)到一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。繪制出了磁鏈之間的間距隨著外加磁場(chǎng)的變化而變化的曲線。磁場(chǎng)由0增加至200Oe，對(duì)應(yīng)相鄰磁鏈之間的間距由2.41um減少到1.83um。

1.3 薄膜厚度與透射率

Horng H E[4]等人研究了在垂直磁場(chǎng)作用下，磁流體薄膜的光學(xué)透射特性。在給定磁場(chǎng)H作用下，透射率I/I0隨薄膜厚度L增加而呈指數(shù)趨勢(shì)下降，大致關(guān)系就是I/I0=exp（L/δ）。其中，δ表示衰減距離，L為薄膜厚度。磁場(chǎng)增加會(huì)導(dǎo)致δ減小，透射率I/I0會(huì)隨之減小。L增加，I/I0H曲線移動(dòng)到透射率較低的區(qū)域，因?yàn)楣馔ㄟ^薄膜所走的路徑相對(duì)加長了。

2009年趙韋人[5]等人解釋了磁場(chǎng)作用下薄膜厚度的影響機(jī)理，發(fā)現(xiàn)不同薄膜厚度，其透射特性有所不同。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，薄膜厚度較小的薄層透射特性先略微減小，后迅速減小，然后緩慢變化趨于穩(wěn)定；而薄膜厚度較大的薄層則快速減小，后緩慢減小，然后緩慢增加并趨于穩(wěn)定。

1.4 環(huán)境溫度與透射率

上海交通大學(xué)Zhang Dongchen[6]等人解釋了磁流體光透射特性對(duì)溫度依賴性的物理機(jī)制，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了光透射率隨環(huán)境溫度變化而引起的變化，未加磁場(chǎng)時(shí)磁流體的光透射率隨溫度的升高呈指數(shù)增長趨勢(shì)。在磁場(chǎng)強(qiáng)度不變時(shí)，隨溫度的升高，熱擾動(dòng)效應(yīng)會(huì)放大，這就抑制了磁鏈的形成，因此透射率就會(huì)增加。

2 磁流體光透射特性在光傳感器方面的應(yīng)用

磁流體呈現(xiàn)出的光透射率可調(diào)諧特性在光調(diào)制、光開關(guān)和傳感器等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用前景，文中就綜述了基于磁流體光透射特性的傳感器研究進(jìn)展。

2.1 電流和磁場(chǎng)傳感器

2007年陸樟獻(xiàn)[7]等人設(shè)計(jì)了一種用磁流體薄膜對(duì)高壓電流進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的電流和磁場(chǎng)傳感器，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用雙光路測(cè)量系統(tǒng)，一條光路通過調(diào)節(jié)螺旋線圈上的電流來調(diào)節(jié)所施加磁場(chǎng)的大小，另一條光路不受磁場(chǎng)影響，雙光路的光強(qiáng)度之比反映了所施加磁場(chǎng)的變化，從而反映出電流強(qiáng)度的變化。利用雙光路的設(shè)計(jì)能有效消除光功率波動(dòng)以及環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量的影響，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏度。

圖1 雙光路磁場(chǎng)和電流測(cè)量系統(tǒng)

圖2 磁場(chǎng)和電流檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

2010年龐沖[8]通過分析磁流體的光透射特性，設(shè)計(jì)了磁場(chǎng)和電流檢測(cè)系統(tǒng)，圖2所示。磁流體薄片上所施加磁場(chǎng)的改變引起透射光強(qiáng)度的變化，磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度的關(guān)系又滿足畢奧薩伐爾定律，實(shí)驗(yàn)得出透射光強(qiáng)度比值與電流強(qiáng)度的關(guān)系為P/P0=-0.5212I+1.0842，可以通過測(cè)量磁流體薄膜的光透射強(qiáng)度，得到被測(cè)電流強(qiáng)度的大小。

2015年陶丹[9]搭建了基于磁流體的雙光路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)磁流體的光學(xué)透射特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。雙光路系統(tǒng)抵消了光源的功率波動(dòng)及環(huán)境的溫度變化對(duì)光透射特性的影響。這對(duì)磁流體在電流及磁場(chǎng)方面的應(yīng)用研究具有重要價(jià)值。

2.2 溫度傳感器

在外加磁場(chǎng)不發(fā)生變化的情況下，磁流體薄膜所處的環(huán)境溫度變化，透射率也會(huì)隨之產(chǎn)生變化?；谶@一點(diǎn)，Zhang Dongchen[10]等人提出了一種溫度傳感器的全新設(shè)計(jì)，系統(tǒng)原理圖如圖3。外部環(huán)境溫度高于60℃時(shí)，此傳感器具有良好的靈敏度，能達(dá)到4.0%/℃，此時(shí)熱運(yùn)動(dòng)相對(duì)于磁相互吸引占主導(dǎo)地位。

圖3 溫度傳感系統(tǒng)原理圖

3 結(jié)語

通過對(duì)磁流體薄膜的光透射特性介紹，以及對(duì)光透射特性研究方法的分析，表明磁流體的光透射特性具有較大的研究價(jià)值。對(duì)于磁流體光透射特性的研究以及光學(xué)應(yīng)用已經(jīng)取得了很多成果，但是大部分都只停留在實(shí)驗(yàn)室階段，對(duì)于磁流體應(yīng)用細(xì)節(jié)的進(jìn)一步研究還有很多空間。特別是在不同的粒子直徑、不同的粒子濃度、薄膜厚度、以及不同的磁場(chǎng)方向、溫度變化等方面可以展開進(jìn)一步的傳感應(yīng)用研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] Narsinga Rao G，Yao Y D，Chen Y L，et al. Particle size and magnetic fieldinduced optical properties of magnetic fluid nanoparticles[J]. Physical Review. E，2005，72：031408（14）.

[2] Rousan A A，Yusuf N A. On the concentration dependence of light transmission in magnetic fluids[J]. IEEE Transactions on Magnetics，1988，24（2）：16531655.

[3] Horng H E，Yang S Y，Lee S L. Magnetochromatics of the magnetic fluid film under a dynamic magnetic field[J]. Applied Physics Letters，2001，79（3）：350352.

[4] Horng H E，Yang S Y，Tse W S，et al. Magnetically modulated optical transmission of magnetic fluid films[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Material，2002，252：104106.

[5] 趙韋人，孫長軍，張偉，等. 磁場(chǎng)調(diào)制的水基四氧化三鐵磁流體的光學(xué)透射率[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，26（4）：00300033.

[6] Zhang Dongchen，DiZiyun，Zou Yun，et al. Temperature Dependence of the Optical Transmission of aMagnetic Fluid with an Applied Magnetic Field[J]. Journal of the Korean Physical Society，2009，55（32）：12591262.

[7] 陸樟獻(xiàn)，陳善飛，陳建萍. 磁性流體薄片高電壓電流光學(xué)測(cè)量的研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，27（6）：10491051.

[8] 龐沖.基于磁流體光透射性的電流檢測(cè)技術(shù)研究[D].東北：東北大學(xué)，2011：4356.

[9] 陶丹，楊志，張浩，等.基于雙光路的磁流體光透射特性研究[J].光通信技術(shù)，2015.

[10] Zhang Dongchen，Di Ziyun，Zou Yun，et al. Temperature sensor using ferrofluid thin film[J].Microfluid and nanofluid，2009，7（1）：141144.

資助項(xiàng)目：河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目15212103D

作者簡介：苑寶義，高級(jí)工程師，主要從事光電纜光電網(wǎng)領(lǐng)域的研究工作。