（光学专业论文）磁场作用下纳米磁流体的光学透射率及其响应时间.pdf

摘要 纳米磁流体是一种由纳米级的强磁性颗粒通过表面活性剂高度均匀分散于 某种载液中所形成的稳定的胶体溶液。它具有液体的流动性和光学性质可调谐的 特点，是一种新型的光学功能材料。现有很多利用纳米磁流体制作光开关、可调 谐光纤调制器和滤波器等的报导，为提高基于纳米磁流体器件的响应速度，展开 了本文的研究。 本论文主要研究了纳米磁流体在不同条件下受磁场调控的响应时间以及透 射率，由实验结果显示其响应时间及透射率随着温度，浓度，和不同磁场大小变 化而变化，时间尺度在毫秒量级，加磁场后磁流体成链的时间是随着浓度和温度 先增大后减小，对磁场的增强的情况下是单调下降的。实验当中仪器的精度也是 有所改进的，我们自制的电磁铁相比之前的，磁场上升达到稳定的时间由原来的 3 0 0 m s 缩短到4 0 m s ，从而提高测量的准确率。由于二向色性，线偏振光的方向 对透射率也有影响，所以本文还研究了振动方向分别平行和垂直于磁场方向的线 偏振光的透射率，实验研究表明两种偏振光的透射率曲线在大小和形式上均有所 区别。掺杂二氧化硅后在透射率曲线上也有一定的影响。石蜡基磁流体掺杂浓度 越高，对于正常光来说，透射率突然增大的点会向磁场更小的位置飘移，当入射 的是异常光，透射率是随其增大的。此外还探测了水基磁流体在一定磁场强度下 掺杂后光强的幅值变化，从实验结果可知，掺杂越多，前后幅值变化越小，从而 我们可以根据此现象反过来判断磁流体的掺杂的浓度。 关键词：磁流体：响应时间；透射率；磁场；二向色性：偏振方向；掺杂； 异常光；正常光；幅值 a b s t r a c t n a n o m a g n e t i cf l u i di sak i n do fc o l l o i dc o n s i s to fn a n o s t r u c t u r e df e r r o m a g n e t i c p a r t i c l e sd i s p e r s ei nt h ec a r t i e rl i q u i db ym e a n so fs u r f a c t a n t i ti san o v e lf u n c t i o n a l m a t e r i a li no p t i c a lf i e l d ，w h i c hh a sb o t ht h ef l u i d i t yo fl i q u i da n dt h et u n a b l eo p t i c a l p r o p e r t i e s t h e r ea r es om a n yl i t e r a t u r e sa b o u tt h ea s p e c t so fo p t i c a ls w i t c h ，t u n a b l e f i b e rm o d u l a t o ra n df i l t e r i nt h ei n t e r e s to fe n h a n t et h er e s p o n s et i m eo ft h ed e v i c e t h a tb a s e do nt h em a g n e t i cf l u i dr e s u l ti nt h er e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o n t h er e s p o n s et i m ea n dt r a n s m i t t i v i t yo fm a g n e t i cf l u i du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s c o n t r o l l e db ym a g n e t i cf i e l dw e r ei n v e s t i g a t e di nt h i st r e a t i s e ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tr e s p o n s et i m ea n dt r a n s m i t t i v i t ya l ev a r i a b l ew i t ht h ec h a n g eo ft h e t e m p e r a t u r e ，c o n c e n t r a t i o n ，a n dm a g n i t u d eo ff i e l d ，r e s p o n s et i m ea tt h e l e v e lo f m i l l i s e c o n d ，a n da s c e n d i n gf i r s t l yt h e nk a t a b a t i cw i t ht h ee n h a n c eo fc o n c e n t r a t i o n a n dt e m p e r a t u r e h o w e v e r , r e s p o n s et i m ed e g r e s s i v ew i t hb o o s t i n go ff i e l d c o m p a r e dw i t ht h ee l e c t r o m a g n e tu s e db e f o r e ，t h er e s p o n s et i m eo ft h ee l e c t r o m a g n e t m a d eb yo u r s e l v e sn o wi sd e c r e a s e df r o m3 0 0 m st o4 0 m s ，i nt h i sc a s e ，t h et i m e m e a s u r e db yu ss h o u l db em o r ep r e c i s e d u et ot h ed i c h r o i s m ，t h ep o l a r i z e dd i r e c t i o n o ft h el i g h ta l s oh a v ei n f l u e n c eo nt h et r a n s m i t t i v i t y , e x p e r i m e n t sa r ed o n et os t u d yt h e p a r a l l e la n dp e r p e n d i c u l a rt ot h em a g n e t i cf i e l dd e p e n d e n tt h et r a n s m i s s i o no ft h e l i g h t ，w eo b t a i n e dt h et w o t r a n s m i t t e dc u r v e sa r ed i s t i n g u i s h e db e t w e e nt h em a g n i t u d e a n ds h a p e d o p i n gb y s qa l s o h a v ei n f l u e n c eo nt h et r a n s m i t t i v i t y a sf o r p a r a f f i n - b a s e dm a g n e t i cf l u i d ，t h em o r ed o p e d ，a d v e n to ft h ep o i n tw h i c ha b r u p t l y a s c e n dc o r r e s p o n dt os m a l l e rf i e l dt o w a r d st h eo r d i n a r yr a y , w h e r e a sf o r t h e e x t r o d i n a r yr a y , t r a n s m i t t i v i t yi n c r e a s ew i t ht h ei m p u r i t y f u r t h e r m o r e ，v a r i a t i o no f t h eo p t i c a li n t e n s i t yv e r s u sd o p e dm a s sp e r c e n to fw a t e r - b a s e dm a g n e t i cf l u i di s d e p i c t e d ，f r o mt h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n tw eo b t a i nt h a tv a r i a t i o no fo p t i c a li n t e n s i t y d e c r e a s ew i t hi m p u r i t y , v i c ev e r s a ，t h ee x t e n to fi m p u r i t yc a nb ee s t i m a t eb y b r i g h t n e s so ft h er a y k e yw o r d s ：m a g n e t i cf l u i d ；r e s p o n s et i m e ；t r a n s m i t t i v i t y ；m a g n e t i cf i e l d ； d i c h r o i s m ；p o l a r i z a t i o n ；d o p i n g ；e x t r a o r d i n a r yr a y ；o r d i n a r yr a y ； v a r i a t i o no fo p t i c a li n t e n s i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 鲐叩饭鳓期：砂7 午。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解江西师范大学研究生院有关保留、使用 学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西师范大学研究生院 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：钾教 签字日期：伊7 年易月。i o 日 导师签名： 签导b 赣：奄年毛其l b 磁场作用下纳米磁流体的光学透射率及其响应时间 1 引言 1 1 研究工作的背景 在人类的历史进程中，电子技术在2 0 世纪发挥了巨大的作用，已经形成一 门系统的科学一电子学( e l e c t r o n i c s ) ，光学是一门古老的学科，但由于技术问 题，它在人们的生产和生活中发挥的作用没有电子技术那么显著。自从光的粒子 性被证实以来，伴随着激光器的发明和信息时代的来临，光学的研究和应用越来 越深入，它的优点逐渐凸现出来了，并逐渐形成了一门与电子学相对应的学科一 光子学( p h o t o n i c s ) 。光子学和电子学既有联系，又有区别，通常也称作光电子 学( p h o t o e l e c t r o n i c s ) 。用光波作为信息载体时，其传输速度快、带宽大，这是 电子技术所无法比拟的n 2 1 。自从低损耗光纤研制成功以来，光通信技术得到了 快速的发展，并已投入到实际使用中，它是激光技术投入实际使用的最重要、最 广泛的领域之一，它带动了整个光电子技术、光子器件的迅速发展，使人类进入 高速的信息时代，使科学家的梦想变成了现实口“3 随着人类的进步和社会的发展， 日常信息量急剧上升，传统的通信技术已经不能满足人们不断增长的通信容量的 要求，这就催生了新的通信手段和技术，2 0 世纪末出现的光通信和因特网就是 这一时期的产物。要实现高速通信的目标，必须解决通信技术中的电子“瓶颈” 问题，这必需借助于全光通信技术。全光技术的实现有赖于光子器件( 如：光开 关、光调制器、光衰减器、光波分复用、e d f a 、光滤波等) 和通信系统技术。 光子器件是光通信技术的重要硬件部分，其性能的好坏直接影响到整个通信系 统，光子器件一直伴随着光通信技术在发展，人们不断探索新材料、新原理、新 方法和新思路来研制新的光子器件，使其在性能和功能上得到更大的提高和改 进，适应不断前进的光通信技术步伐。纳米磁流体具有一些特殊的光学特性，将 其应用在光通信中的光子器件上，会为光子器件的制作和解决光通信技术中的一 些关键问题提供新材料、新原理、新方法等。例如：纳米磁流体某些光学性质的 强弱可以通过外磁场的强度来控制，这样就有可能制作成可调谐光子器件，这种 器件在光通信上受到很大的青睐。 1 2 磁流体的发展史随6 1 在自然界中，磁性物质通常都是呈固态，若对其加热到熔点以上，则会变成液 l 硕十学位论文 态，但一般磁性物质的熔点都比其居罩温度要高，在尚未融化前，就由铁磁性变成 顺磁性了，此时的磁性非常弱，所以磁性物质必须人工合成，合成的液体磁性物质 称做磁流体( 磁性液体、磁液、铁磁流体、磁性胶体、磁性流体、英文为：m a g n e t i c f l u i d 、 f e r r o f l u i d 、m a g n e t i c1i q u i d 、m a g n e t i cc o ll o i d ) ，它既具有固体 物质的磁性，又具有液体的流动性，是一种新型的功能材料，近年来受到人们的日 益重视，其应用已经深入到电子、能源、航空航天、国防军工、冶金机械、化工 环保、仪器仪表、医疗卫生等方面。 在1 7 7 9 年，k n i g h t 就首先尝试制备磁流体，他将铁磁性颗粒和载液混合在 一起，但制备出的磁流体不具有长期的稳定性，静置一段时间以后，磁性颗粒就和 载液分析开了。b i t t e r 于1 9 3 1 年制备出了水基磁铁矿磁流体，其磁性颗粒直径 约为1 0 0 0 n m 口t8 | 。之后，e l m o r e 于1 9 3 8 年第一次成功地应用化学共沉淀法制备出 了水基心d 4 磁流体阳1 0 1 ，其磁性颗粒直径约为l o n m ，颗粒表面还包覆了一层表面 活性剂，可是这些磁流体地长期稳定性还是较差。直到1 9 6 6 年同本下饭坂教授首 先用化学方法制得了磁流体，这种方法效率高，适合于工业化生产。上个世纪七十 年代起，磁流体开始转入民用，其制备方法得到了不断的发展，现在磁流体的制 备方法有十多种，多为铁氧型磁流体。到了七八十年代，金属型磁流体( f e ，c o ， n i 及其合金) 研制成功n k 挖1 ，其饱和磁化强度大大提高，备这种磁流体的关键是 防止金属磁性颗粒氧化。进入九十年代，日本研制出了氮化铁型磁流体u3 i ，这种磁 流体具有良好的抗腐蚀，抗氧化性能和较高的磁性能( 其磁性比金属型磁流体稍 差，但是比铁氧体型磁流体强的多) ，具有广泛的应用前景。在磁流体的理论研 究方面，r o s e n s w e i g 等人做了很多开创性的工作n 射，其中参考文献u 朝给出了磁 流体有关热力学和流体力学的基本方程，被认为是磁流体方面的奠基性文献。现 阶段对磁流体的研究主要集中在磁流体的制作和保存，磁流体的动力学，热力学 理论，浑沌和奇异现象，磁流体的长期稳定性，链接与分离，磁流体的电学，声 学，磁光，光学和流变学特性等。目前，国际上的磁流体及其应用产品的公司有： 英国的l i q u i d sr e s e a r c h 有限公司，美国的f e r r o t e c 公司，f e r r o l a b s 公司， n a t i o n a li m p o r t s 公司，日本的s i g m ah i c h e m i c a l 公司等。 1 3 磁流体的光学性质与应用及其研究概况 1 3 1 磁流体的光学性质 在外磁场作用下，磁流体内部的磁性颗粒会排列成有序的结构，呈现光学各 向异性，称为磁光效应6 。矧，主要有磁致双折射，f a r a d a y 旋光效应，二向色性 等。由于磁流体的吸收系数较大，当激光束照射到磁流体上时，磁流体会吸收一 部分热能，进而使磁流体的折射率在横向上( 垂至于光束的传播方向) 非均匀， 磁场作用下纳米磁流体的光学透射率及其响应时间 折射率的分布类似于透镜的折射率分布，这就是磁流体的热透镜效应啪1 。磁流体 的折射率也与外磁场有关乜7 1 ，且随着外磁场强度的增大而增大，即磁流体的折射 率是可调谐的。 1 3 2 磁流体的应用睛j 鄙 磁流体作为一种特殊的液态磁性物质，它的用途十分广泛在这方面已有大 量的创造性工作和报导。在这里简单介绍一些最重要的方面。 1 磁流体密封啪1 磁流体密封是利用外磁场产生一个固定磁流体的力，使磁流体密封膜被固定 于密封间隙之中，从而它将密封间隙两边的空间隔开，并且能够承受一定的压差。 磁流体密封的主要优点是：它可以做到零泄漏。只要存在完整的密封膜， 就能保证实现完全的隔离。它是摩擦力最小的密封方式。对于旋转运动表面的 密封有非常好的适应性，因为它不存在磨损且摩擦功耗极低，可以忽略。相对于 其他种类的密封，可以认为它是不发热的。它不需要预紧力，从而避免装配中 由于密封预紧力而造成的变形。这对于精密机械十分有利。在低温下能保持密 封能力，这比一般橡胶件密封要好。 由于磁流体的密封的上述优点，它被广泛应用于真空泵，真空罐、高级仪器 仪表的密封中。 由于磁流体与普通液体接触时，具有一种界面不稳定的现象，不能保持长时 间的密封。所以迄今磁流体还不能用于液体物质的密封。 2 磁流体润滑啪1 磁流体润滑除具有一般滑动轴承的特点：承载能力大、抗振性能好、使用寿 命长以外，它不存在端泄，因而不需要供应系统。这是普通滑动轴承所不具备的。 磁流体的粘度比较大，因而承载能力也高，但粘度大引起的发热问题严重。北京 航空航天大学设计了一种铁磁流体润滑的径向轴承，其平衡升温仅为4 0 0 c 左右。 这和相同参数的普通轴承基本一致。 3 浮选 普通流体的浮力归根到底是重力场的作用。磁流体除受重力场的作用之外， 还可以受到磁场的作用。如果磁场具有所要的梯度，则它对磁流体的作用与重力 场相同，而且在数值上可以比重力场大很多倍。这就好像外磁场增大了磁流体的 质量密度。这个密度可以称之为当量有效密度。它可以大于金属的密度。所以在 混杂的各种金属中。通过逐渐改变磁场，可以使不同的密度的金属或物料，依次 地浮选出磁流体地表面，从而将这些金属或物料分开m 1 。这种浮选的方法效率很 高。使用过的磁流体回收净化以后可以继续使用。 4 磁流体研磨和抛光啪3 “3 2 3 硕十学位论文 磁流体研磨和抛光是基于两种原理，因而有两种形式。一种是利用磁流体的 浮力将磨料浮于表面并对被研磨表面产生压力；第二种是利用磁流体在磁场中的 变形，顶起一块薄膜。敷于薄膜上的研磨剂研磨工件。 第一种办法可以研磨复杂空间曲面。但是在死水区的凹坑处，由于研磨剂与 工件表面的相对运动。在这些凹坑中不能实现，因而效果不好。对于大范围的曲 面，这种研磨方法可以做到均匀的研磨压力，可以保持曲面的形状而得到很好的 研磨效果。第二种办法，磁流体和研磨剂是分开的，并且工件不受磁流体的污染， 磁流体本身也能保持洁净。这种方法里薄膜材料是研磨效果的关键因素，因为在 研磨过程中，薄膜是一种消耗品。薄膜太薄，频繁更换，效率太低。薄膜太厚， 研磨效果不好，原因是：不能做到均匀接触和均匀的研磨压力；膜本身的变 形占去了磁流体产生的力的很大一部分。 5 磁流体阻尼器陌3 订 磁流体阻尼器的形式很多。一种惯性阻尼器是在一个非磁性的轻金属的壳体 内，放置一块重的永久磁铁，在壳体内充满磁流体。于是永久磁铁块就悬浮于磁 流体中，其原理和铁磁流体浮选是一样的，只不过磁场是由永久磁铁本身提供， 而磁场的梯度由于永久磁铁逐渐接近壳体底部而增强，最终永久磁铁受到的浮力 与重力相平衡而悬浮。若壳体作往复振动或旋转振动，它都能产生阻尼作用。其 阻尼的来源是永久磁铁的惯性和磁流体的粘度。 另一种阻尼器的形式是在高速旋转轴的支承系统中，可以将磁流体用于挤压 膜减振中。这时的挤压膜不需要不断补充工质。如果磁场强度足够大，则不仅磁 流体的粘性对挤压膜作出贡献，而且在强磁场梯度下磁流体的浮力也将有一定的 贡献。所以这种磁流体挤压膜减振比普通流体好得多。 6 磁学仪器哺瑚1 一种比较容易实现的磁学仪器是利用磁流体来测定磁场强度，即一种类型的 高斯计。在非常狭窄空间中的磁场强度很难用普通高斯计来测量，因为它的霍尔 探头的尺寸不能做得太小。这时可以使用毛细管插入，测出毛细管中磁流体液面 的位置并与基准位置相比较，就可以得出这个窄小空间中的磁场强度。 7 热学上的应用 利用磁流体的磁化强度随温度变化的规律，制成测量温度的传感器。因为磁 流体是液态的，所以可制成柔顺性很好的传感头。特别是测量凹凸不平的表面的 温度时，这种传感头能够与表面贴合得很好。 在热学上另一种有前途的应用是利用绝热去磁致冷的原理，将磁流体作为冷 却剂用，使磁流体在一个封闭的制冷装置种循环。它可以起到像氟利昂这类冷却 剂的作用。但它不会像氟利昂那样，造成对环境有害的污染。 8 光学上的应用 4 磁场作用- f 纳米磁流体的光学透射率及其响应时间 利用铁磁流体薄膜可以透光以及它在外磁场种的光学各项异性性质制成光 学偏振器。这种偏振器的优点是比普通偏振器的得到的偏振光纯粹得多。并且只 需要改变外磁场的方向，就可以改变偏振面的方位。 将磁流体膜制成的波晶片以及起偏器和检偏器，就可以组成一种高频光闸。 这种光闸开关的频率受磁流体磁化的松弛时间的限制。但这个松弛时间是1 0 - 7 s 的量级。所以这种光闸的开关频率可达每秒1 0 7 次。这显然不是任何具有惯性的 机械光闸可以与之相比的。而相对于其他某些液体光闸，它的透明程度要高得多。 同样光强的入射光，从磁流体透出的光强比从一般液体波晶片透出的要高好几个 数量级。这种高速光闸在光通讯、高速摄影、光测距等方面有很大的用处。 9 声学上的应用 磁流体在磁场作用下发生变形，如果这种变形受到限制，它就表现为一种力。 此力作用于限制变形的壁面之上。当使磁流体发生变形的磁场是交变的，则这种 力也是同频变化的。因为磁流体的变形对于外磁场的响应是很快的，在低频下可 以不考虑其松弛时间。这样，磁场通过磁流体使得壁面振动，在介质种就形成低 频波的发射。低频波发生器是声纳仪的主要部件。使用磁流体制成的低频波发射 器壁磁致伸缩型的效率高而且简单。 另外一种已经成功地应用于声学器件上地是磁流体改善扬声器。在扬声器振 动线圈的周围间隙中滴入磁流体，而扬声器本身的用磁体就将磁流体固定住。因 为磁流体的热传导系数的量缴是1 0 1 矽( 珑k ) ，而原来间隙中充满的空气，其 热传导系数的量级是1 0 2 ( m k ) ，这样，滴入磁流体就大大改善了振动线圈得 散热条件，使扬声器的可输入功率提高约一倍。由于磁流体的阻尼和吸收作用， 使扬声器的音质也得到显著的改善。 1 0 医学上的应用 在临床医学上，磁流体可以作为一种载体，用于诊断和治疗。例如将磁流体 作为照影剂的载体或直接将磁流体做成造影剂，可以用来发现病灶部位和对病灶 做拍摄分析。因为磁流体可以受到外磁场力的作用，所以可利用体外的磁铁来引 导体内的磁流体。若使用磁流体作为治疗药剂的载体，则不仅用体外磁场将其引 导到病灶处，而且可以将其固定于预定的部位。这样可做到直接向病灶直接释放 药剂，提高治疗效果。并且这种治疗的局部性质，可以使药剂的其他副作用降到 最低程度。 1 1 器件上的应用口p 矧 由于磁流体的热透镜效应与磁场有关，故可利用磁流体的热透镜效应设计磁 5 硕+ 学位论文 场传感器或电流传感器。利用磁流体折射率可调谐的特性可以制出磁流体光纤调 制器。磁流体的主要特性表现在：流变性，密度和粘度随外磁场强度的变化而变 化，具有光的双折射及法拉第旋光效应等，这些特性决定了它有及其广泛的用途。 现今较为成熟的应用是：研磨，抛光，润滑，密封，热传到，磁流体闸，阻 尼器，比重计和一些传感器等，人们还在积极探索磁流体在其他方面的应用，如： 起偏器，光开关和快门，医疗，致冷，印刷与制版，光计算机等。 1 3 3 磁流体的研究概况哺一鼠删 二十世纪七十年代是磁流体磁光效应的初步研究阶段。1 9 7 4 年，法国巴黎 大学固体物理实验室的m a r t i n e t 教授对磁流体的双折射和二向色性进行了实验 研究h ，并研究了磁流体的双折射与外磁场强度的关系。美国的x e r o x 研究室的 h a s s 于1 9 7 5 年发现光通过外磁场作用下的磁流体会发生衍射现象h 副。同年，荷 兰飞利浦研究室的s c h o l t e n 研究了由针状磁性颗粒构成的磁流体在外磁场作用 下的c o t t o n m o u t o n 效应( 即磁致双折射效应) h 引。 二十世纪八十年代是磁光效应的深入研究和拓展阶段。这一时期，人们对磁 流体磁光效应的机理有了相对清楚的理解，对其内容和手段进行了扩展，如：影 响磁光效应的因素，微波段的磁光效应，蒙特一卡罗方法的应用，符合磁流体和 磁液晶的研究，等等。1 9 8 0 年，荷兰飞利浦研究室的s c h o l t e n 进一步研究了磁 流体的双折射和二向色性h 制。1 9 8 3 年以后，对磁流体的磁光效应的研究取得了 很大进展：l e w e ll y n 对c d 和心d 4 磁流体的磁致双折射和二向色性与光波长的 关系进行了实验研究h 5 1 。日本的t a k e t o m i 研究了磁流体的磁致双折射效应，发 现其双折射效应比硝基苯大1 0 7 倍h 钔，并基于磁性颗粒聚集成链状结构的模型， 建立了双折射的理论计算公式，后来c h a n t r e l l 等人由基于粒子对模型导出了磁 致双折射的计算公式m ，英国的j o n e s 于1 9 8 5 年证实了c h a n t r e l l 等人的预 言，他利用偏光显微镜观察到，水基磁流体中的磁性颗粒在外磁场下的有序排列 h 引，后来d a v i e s 等人研究了复合磁流体在外磁场下的聚集形成h ”，这些都说明 了磁流体的磁光特性与磁性颗粒在外磁场下的有序排列有关。1 9 8 7 年，法国的 b a c r i 等人研究了磁流体的磁致双折射与其粘度的关系，当外磁场撤去后，磁致 双折射恢复到零，这个驰豫过程的特征时间正比于磁流体的粘度咖1 ，第二年，日 本的t a k e t o m i 等人研究了，高压脉冲磁场下的磁流体动态磁光效应哺，发现磁 光效应的驰豫过程( 特征时间) 与载液的种类有很大的关系，因此可以通过选择 合适的载液来控制磁流体动态磁光效应的响应时间。1 9 8 9 年，台湾的l i a n g 和 c h e n 报导了铁向列液晶( f n l c ：f e r r o n e m a t i cl i q u i d - c r y s t a l ) 晦引，或称作磁 液晶。磁液晶是将磁流体和液晶混合在一起，它集磁流体和液晶性质于一体，可 以改善和提高液晶的某些功能，增强液晶的电光效应。磁液晶象复合磁流体样， 6 磁场作用f 纳米磁流体的光学透射率及其响应时间 它进一步提高了磁流体的某些性能、扩张了磁流体的应用领域。 二十世纪末、二十一世纪初是其相关光学性质的研究阶段。到了这一时期， 有关磁流体光学性质的研究已有了大量的报导，但是几乎所有的工作都集中在磁 性液体在外磁场作用下所呈现的光学各向异性，磁流体的磁光效应仍是磁流体光 学性质研究的一个方向婿3 训。1 9 9 9 年及以后，台湾的w u 等人在可见波段研究了 磁流体的光学透过率与波长的关系，以及影响磁流体光学透过率的参数，如：厚 度、浓度、磁场等嘶- 5 7 1 。同时，美国的d u 和l u o 研究了磁流体光学透过率的动 态特性嘲1 。2 0 0 1 年及以后的时间，台湾的y a n g 等人对磁流体磁场诱导光学透 过率的起因进行了解释唧6 0 1 ，当磁场超过某个临界值时，磁流体内部的磁性颗粒 就会聚集，这样就减少了磁流体的相对液相面积，所以光学透过率就降低；他们 还研究了，在开关磁场的作用下，磁流体光学透过率的延迟响应特性和驰豫特性 6 1 。2 0 0 2 年，国内西南师范大学的l i 等人研究了离子型磁流体的光学透过率， 并对其物理机理进行了解释哺羽。磁流体在外磁场的作用下，其内部的磁性颗粒会 排成周期性的结构，这种周期性的结构类似于光栅和光子晶体，台湾的洪妲娥( h e h o r n g ) 教授及其课题组成员在这方面多了大量的工作3 _ 7 引。另外，这种周期 性结构的周期可由外磁场的强度来调节。 1 4 磁流体的制备方法和主要类型 制备磁流体的方法有很多种，主要有以下几种方法：碾磨法、化学共沉淀法、 热分解法、气相液相反应法、等离子体活化法、真空蒸发法、解胶法、火花电蚀 法。 磁流体的种类较多，分类的方法也不相同，到目前为止，磁流体还没有系统 的分类方法，不过按业内区分的方法，可分为以下几种：按磁性颗粒种类分，有 铁氧体磁流体( 这是目前最为常见的，人们通常所说的磁流体就是这种，有f e 3 0 , 和y 一心d 3 两种，它是以金属氧化物为磁性颗粒的。这种磁流体出现的比较早， 随后又不断地发展) 、钴磁流体、镍磁流体、稀有金属磁流体( 如最新的钆磁流 体) 、合金磁流体( 如钴一铁磁流体，锰一铁磁流体，等) 、氮化铁磁流体( 如口一心， 7 一f e , n 和f e , n ，等。按载液分，有水基、烃基、煤油基、汞基、酯基、二酯 基、硅酸盐酯类基、合金基、合成酯基、聚二醇基、聚苯醚基、氟聚醚基、硅碳 化合物基、卤化烃基、苯乙烯基、有机溶剂基( 庚烷，二甲苯，甲苯，丁酮) 、 碳氢化合物基( 合成剂、石油) 和有机化合物基磁流体，等。也可按表面活性剂 的种类将磁流体分类，如油酸磁流体、丁二酸磁流体和氟醚酸磁流体等，但是这 7 硕_ = 学位论文 种分类方法很少见。按表面活性剂的有无分，按表面活性剂的有无可将磁流体分 为两类：加表面活性剂的磁流体和不加表面活性剂的离子型磁流体。按应用领域 分，有密封用磁流体、润滑用磁流体、医用磁流体、扬声器用磁流体、印刷打印 用磁流体、能量转换用磁流体，等。按性能指标分，有低粘度和高粘度磁流体、 低挥发损失和高挥发损失磁流体、低饱和磁化强度和高饱和磁化强度磁流体、轻 磁流体和重磁流体，等。其它特殊的磁流体日本研制成功了彩色的水基磁流体， 其颜色有红色的、黄色的、蓝色的和黑色的。彩色磁流体是把磁流体按一定方法 与染料溶液混合配制而成的。日本还研制出一种透明的磁流体，其磁性颗粒粒径 为1 0 一3 0n m 的钇铁石榴石。 1 5 磁流体的稳定性分析婚1 从纳米磁性液体中磁性颗粒的沉淀和团聚的角度分析了磁性液体稳定分散 的条件，讨论了在外场下磁性颗粒的尺寸对其沉淀的影响，并引入势能的概念定 量研究了决定磁性颗粒团聚体形成的3 种主要作用力。用值计算的方法，讨论了3 种相互作用势能以及净势能与磁性颗粒间表面间距和表面活性剂层厚度的关系。 结果表明，大表面活性剂层的厚度是避免磁性颗粒团聚体形成的关键措施。 磁偶极子对间磁吸引力的影响，在外磁场的作用下，磁性液体中的磁性颗粒 会被磁化成磁偶极子，每个磁偶极子的偶极矩大小为m = z r t o d 3 m 。6 设有两个大 小相同的球形磁性颗粒，如图1 一l 所示。图中万、s 和c 分别为表面活性剂层的厚 度和两个磁性颗粒的表面及中心距离，它们之间的磁吸引力的强弱可通过磁吸引 势能的大小来衡量，最大静磁吸引势能为： w m - 一丽m 2 = 一箐= 一筹 n 叭， 式中，为无量纲的表面间距，= 2 s d ，= s + d 由式( 1 5 1 ) 可知，在外磁场中， 两个磁性颗粒越接近，磁吸引力就越大，势能就越低( 势能的绝对值越大) ，稳定 性就越差，就越容易相互吸引到一起形成团聚体。 磁场作用下纳米磁流体的光学透射率及其响应时间 袭掰滤缝躺 图1 - 1 磁性液体中表面包覆磁性颗粒的结构示意图。 范德瓦耳斯吸引力的影响，范德瓦耳斯吸引力是分子或原子之间普遍存在 的一种力，它不能通过减小颗粒尺寸的办法来解决，即使颗粒尺寸小到分子的大 小，这种力仍然存在。通常认为范德瓦耳斯吸引力是由一个颗粒中的脉动轨道电 子诱导另一个颗粒中的振荡偶极子所产生的。对于两个相同的球形颗粒，h a m a k e r 给出范德瓦耳斯吸引力的作用势能表达式为： 垆争志+ 高礼器】 ( 1 铋) 式中，a 为h a m a k e r 常数，取值为l x l 0 9 3 x 1 0 _ 1 9n 肌，当磁性颗粒足够小时，在载 液中作无规律的布朗热运动比较剧烈磁性颗粒一旦由于布朗热运动而相互接近 时，它们之间就会由于范德瓦耳斯吸引力的作用而很快聚结长大，形成团聚体，最 终导致沉淀的发生。这就破坏了磁性液体的分散稳定性。 表面活性剂的影响，为了克服上述的磁偶极子间的磁吸引力和范德瓦耳斯吸 引力的影响，通常需要在磁性颗粒的表面包覆一层表面活性剂( 亦称分散剂) ，常 用的表面活性剂有油酸、亚油酸、丁二酸及氟醚酸等。表面活性剂是一种长链分 子，其极性端被磁性颗粒的表面牢牢吸附，另一端则在磁性液体中作自由热摆动。 当两个吸附着表面活性剂的磁性颗粒相互靠近，以至于在它们的表面活性剂的热 摆动受到阻碍时，表面活性剂就会产生相互排斥力，阻碍磁性颗粒相互接近，这种 力称为位阻排斥力( s t e r i cr e p u l s i o n ) 。也就是说，表面活性剂长链分子摆动的 热能阻止了两个磁性颗粒的直接接触，进而阻止了磁性颗粒团聚体的形成，保证 了磁性液体的分散稳定性。考虑两个直径均为的球形磁性颗粒，则这种位阻作用 力的大小可由位阻排斥势能表示为： 9 硕十学位论文 u ，= 2 7 r 以丁弛了l + 2l n 嵩】 阢= 0 ( 三s 1 ) 、2 8 7 ( 1 5 3 ) 秀s 1 ) 其中t = 2 8 d ，式中f 为磁性颗粒单位表面积所吸附的表面活性剂分子数，万为 每个磁性颗粒表面活性剂层的厚度。当j 2 8 l 时，两个磁性颗粒的表面活性剂 才可能接触，会产生位阻排斥力，即u 不为零，如式( 1 5 3 ) 一个表达式所示，而 当s 2 8 l 时，两个磁性颗粒的表面活性剂不可能接触，不会产生位阻排斥力，故 以等于零，如式( 1 5 3 ) 个表达式所示。 8 0 一 l o 鳓 锄 鼢 。 弹 黝 鲫 鼢 一 一 一 一 _ 磁场作用下纳米磁流体的光学透射率及其响应时间 8 0 甜 4 0 2 0 一 0 - 2 0 - 4 0 唯( - 8 0 lc 多o 5 0 o 0 5 f 一l 0 0 0 50 。1 00 。1 5o 2 0o2 5o ，3 003 s 卢勉，7 d b ”， 0 o ，0 501 00 1502 002 503 003 5o 4 00 ，4 5 l 叼溶? l ( c ) 图卜2 不同万时，3 种势能及净势能与，的关系。 由图卜2 可知，随着表面活性剂层厚度的增加，磁性颗粒间的磁吸引和范德 瓦耳斯吸引势能保持不变，而位阻排斥势能随之增大。这是由于前者与表面活性 剂无关，而后者与表面活性剂有关。所以，磁性液体中磁性颗粒间的净势能也随着 表面活性剂层厚度的增加而变大。由图1 - 2 图( a ) 可看出，当表面活性剂层厚度较 小时，净势能始终是负值，说明磁性颗粒之间总是具有吸引的趋势，所以很难避免 团聚体的形成。由图l 一2 ( b ) 和( c ) 可看出，当表面活性剂层厚度稍大时，势能在 某个区域是正值，形成一个势能垒，说明当磁性颗粒间的距离在此范围内时，它们 之间具有相互排斥的趋势，进而有可能避免团聚体的形成。表面活性剂层越厚， 这个势能垒的高度就越高，磁性颗粒间的相互排斥力就越大，团聚体就越不容易 硕士学位论文 形成。若势能垒的高度大于2 0 k t ，当两个磁性颗粒相互靠近时，在势能垒的距离 范围内，它们间的排斥力的作用远大于布朗热运动的作用，能够越过势能垒的颗 粒的概率非常小，故团聚体不能形成，通常认为此时的磁性液体是稳定分散的。图 1 2 ( b ) 和( c ) 还可看出，在图中给出的参数下，表面活性剂层的厚度必须大于 0 8 4 n m ，该磁性液体才能够稳定分散。在一定范围内，表面活性剂层越厚，磁性颗 粒间的排斥势能就越大，磁性液体的分散稳定性就越好。 1 6 本论文的主要研究内容 我们知道，磁流体为光子器件的制作提供了新材料，用磁流体可制作出可调 谐光子器件，磁流体光予器件具有美好的前景。有关磁流体新型光学现象和在光 子器件上的应用研究历史并不长，国际国内的研究单位和人员并不多，随着磁流 体新的光学现象和性质被发现，研究队伍会越来越大。在这样的背景下，我们开 展了本文的工作。本文主要研究磁流的光学性质，探索其在可调谐光子器件上的 应用，实验研究了在不同条件下磁场对水基四氧化三铁纳米磁流体的光学透过率 的调控以及响应时间的影响。 1 2 磁场作r 纳米磁流体的光学透射率及其响麻时间 2 磁流体的透射率的测量 磁流体是一种由纳米级的强磁性颗粒通过表面活性剂高度均匀分散于某种 载液中所形成的稳定的胶体溶液，它是由纳米级磁性颗粒、表面活性剂和载液共 同组成，磁性颗粒与载液通过表面活性剂混成的这种磁流体即使在重力场、电场 和磁场的作用下也能长期稳定存在而不产生沉淀与分离，图2 1 是磁流体的组 成示意图m 1 。 图2 - 1 磁流体的组成示意圈：纳米磁性颗粒，表面活性剂和载液。 2 1 测量原理 在外磁场的作用下，纳米颗粒受到外加磁场的作用会形成链状结构由光学 各项阿陛变成光学各向异性，并且磁链是沿着外加磁场的方向排列，从而导致了 光的透射率的改变。 2 2 实验原理 如下图所示，实验中我们采用的是半导体激光器，波长为6 5 0 n m ，光经过置 于磁场中的厚度为6 5 , u m 的磁流体样品后，通过硅光电池把光信号转化为电信 号，磁铁由信号发生器控制，其频率为0 5 胁，大小可出所加电压调节，在示波 器上我们可咀看到磁场和光透射率的变化曲线。 硕十学位论文 刚22 测站在磁场作片jf 的透射率变化的实验装置 2 3 实验结果分析与讨论 2 31 磁流体透射率与浓度的关系 图2 3 是在示波器上看到的磁场和光强变化的波形图，黄色的线为磁场的 波形，蓝色的线为光强的变化曲线。图2 - - 4 显示了，当不同体积百分数的磁流 体液晶盒置于相同的磁场中时，透射率的上升沿和下降沿的变化曲线。 哥五! = = r i 忑主三三三三三云r 了百1 可 一 ii _ r l 一，_ v - _ _ l jl 1ii bl - - - r j l ，“o _ _ o _， b 一“一 匕坠二竺坐竺璺竺旦旦= 竺坠竺尘= 竺一 图2 3 示波器上磁场和光强的波形对比翻 磁场作用下纳米磁流体的光学透射率及其响应时间 1 1 1 0 o 9 o 8 备 罂0 7 。t - o 6 蔼0 5 n 罂 n 4 芝 o 3 0 2 o 1 0 0 o 1 t i m e ( s ) 0 00 20 40 60 81 0 t i m e ( s ) 图2 - 4 不同浓度磁流体在磁场开关下的光学透过率曲线。 根据上图的曲线我们可以看出，光学透过率是随着浓度的增大而减小的。下 图描述了光强幅值随浓度变化的关系曲线。 l s 扫一西c9lcdnii毋e|oz 硕十学位论文 01234567 x ( c o n c e n t r a t i o n ) 图2 5 光强变化的幅值与磁流体浓度的关系曲线。 2 3 2 磁流体透射率与温度的关系 热效应对于光学器件的性能是个至关重要的因素。考虑到这个因素，我们对 磁流体在不同温度下的光学透过率也进行了测量。图2 - 5 给出了不同温度下磁流 体的透射率。如图所示，对于固定浓度的磁流体，在不同温度下，其透射率是随 着温度的升高而增加的。 1 1 o o 9 o 8 o 7 圣 罂0 6 c 一0 5 o 4 o 3 o 2 0 0 0 1 20 40 60 81 0 t i m e ( s ) 1 6 6 5 4 3 2 1 o o o o o o o o 一套一c兽c一_c西=：io co茹m!jm一卜 磁场作用下纳米磁流体的光学透射率及其响应时间 图2 - 6 光强变化的幅值与磁流体温度的关系曲线。 2 3 3 磁流体透射率与入射光偏振方向的关系 在晶体光学中，线偏振的入射光依其偏振方向垂直或平行于光轴分别被称为 正常光( 0 光) 和异常光( e 光) 。晶体对这两种偏振光的折射率不同，因而传播 速度不同，这导致出射的0 光与e 光间存在一个相位差，这个现象被称为晶体的 双折射。磁场作用下的磁流体性质类似于单轴晶体，光轴平行于磁场。人们早已 从理论和实验上证明了激光入射磁流体薄膜后同样会有明显的双折射。不仅如 此，由于磁流体对入射光存在很强的吸收，因此这两种偏振光经磁流体后的不同 衰减效应也是一个相当重要的现象。一般来说，0 光和e 光的衰减系数会有所不 同，这被称为磁流体二向色性。 二向色性的起因与磁流体颗粒沿外磁场方向成链有密切的关系。磁链排列方 向会使薄膜对不同偏振方向的光产生特定吸收效果，电场振动方向和磁链排列方 向平行的偏振光( 即e 光) 被吸收得更多。随着磁场增加，磁链排列方向与磁场 愈发平行，相邻磁链间隔会缩小，则对平行磁链方向偏振光的吸收也会增强。 从微观机理上分析，通过磁流体薄膜的光的衰减主要来源于两种因素：一是 粒子形