磁流體的光特性及其在光纖領(lǐng)域中的應(yīng)用

張杉 遲宗濤 孫文軒

摘要：? 針對(duì)磁流體在光纖領(lǐng)域的應(yīng)用及其發(fā)展，本文綜述了有關(guān)磁流體的成分組成、應(yīng)用、特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展等。對(duì)磁流體的可調(diào)諧折射率、熱透鏡效應(yīng)、光透射特性、雙折射性、磁致色散特性等相關(guān)光學(xué)特性進(jìn)行總結(jié)，并介紹了磁流體在光纖磁場(chǎng)傳感器、可調(diào)諧磁流體光柵、可調(diào)諧光濾波器、光開(kāi)關(guān)、光纖調(diào)制器、可調(diào)諧偏振光分束器等不同光器件中的應(yīng)用，同時(shí)，分析了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在光纖領(lǐng)域的研究進(jìn)展。研究結(jié)果表明，雖然光纖磁場(chǎng)傳感器憑借優(yōu)良的性能，在航空航天、土木工程、石油化工、電力行業(yè)等領(lǐng)域具有重要作用，但隨著光纖傳感器的發(fā)展，光纖傳感器應(yīng)克服多參數(shù)交叉敏感性，其高靈敏度和微型化需要更為嚴(yán)格的封裝技術(shù)，而且通過(guò)各種封裝技術(shù)光纖傳感器可以滿足不同環(huán)境的應(yīng)用要求。磁流體光特性的研究在光通信和傳感技術(shù)等領(lǐng)域具有越來(lái)越重要的作用。

關(guān)鍵詞：? 磁流體; 四氧化三鐵; 光學(xué)性質(zhì); 傳感性能; 光纖磁場(chǎng)傳感器

中圖分類號(hào)： TN253? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

收稿日期： 20210402; 修回日期： 20210520

作者簡(jiǎn)介：? 張杉（1994），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾畔@取與傳感器技術(shù)。

通信作者：? 遲宗濤（1964），男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾畔@取與傳感器技術(shù)、電子測(cè)量與電子計(jì)量、儀器儀表和光電應(yīng)用技術(shù)。 Email： zoc545s@sohu.com

磁流體也叫磁性液體，是一種穩(wěn)定的膠體，這是一種新興的功能材料，主要材料為磁性納米顆粒（四氧化三鐵、三氧化二鐵、鐵酸錳等）、基液和表面活性劑[1]。磁流體的性質(zhì)特點(diǎn)是兼具固態(tài)磁性物質(zhì)的磁性和液態(tài)物質(zhì)的流動(dòng)性[2]。因磁流體具有磁性，可以被磁場(chǎng)控制，廣泛應(yīng)用于密封、潤(rùn)滑、減震、選礦、油水分離、噴墨印刷等領(lǐng)域。1779年，G. Knight將鐵磁顆粒和載液混合在一起，但是其性能不穩(wěn)定，靜置一段時(shí)間后，二者會(huì)分離[3];F. Bitter[4]制作了一種磁粒直徑為1 000 nm的水基鐵磁流體;W. C. Elmore基于化學(xué)共沉法Elmore制備出直徑約為10 nm的水基Fe3O4磁流體，但是其穩(wěn)定性能仍舊很差[5]。為解決太空服頭盔轉(zhuǎn)動(dòng)密封的技術(shù)難題，S. S. Papell[6]利用碾磨法制作了一款磁流體，并取得了專利，但其制作方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低、成本高，因此，此類磁流體并沒(méi)有得到推廣;1966年，日本第1次使用化學(xué)方法制得磁流體，此方法效率高，適于工業(yè)生產(chǎn)。自20世紀(jì)70年代起，磁流體開(kāi)始轉(zhuǎn)入民用，磁流體的類型多為鐵氧型。而金屬型磁流體（鐵、鈷、鎳及其合金）的研制成功[7]，使磁流體的飽和磁化強(qiáng)度有了大幅度的提高。20世紀(jì)90年代，日本研制出了氮化鐵型磁流體[8]，這種磁流體具有良好的抗腐蝕、抗氧化性及較高的磁性能，具有廣泛的應(yīng)用前景。20世紀(jì)初，德國(guó)塞爾多夫大學(xué)制備出新型感熱鐵磁流體[9];印度本地治里工程學(xué)院物理系制備出Co0.5Zn0.5Fe2O4和Mn0.5Zn0.5Fe2O4納米粒子的熱敏磁流體[10]。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)在磁流體制備和應(yīng)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)等方面起步較晚。1980年左右，十幾所科研機(jī)構(gòu)如北京交通大學(xué)、西南應(yīng)用磁學(xué)研究所、北京理工大學(xué)等相繼開(kāi)展該領(lǐng)域研究，并取得一定的成果[11];1989年，北京交通大學(xué)李德才教授根據(jù)磁流體的理論開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行研究與制作，隨著不斷的探索與實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)成功研制出水基、煤油基、雙酯基等氧化鐵型磁流體，這些磁流體具有性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，可以將其應(yīng)用于密封和傳感器等領(lǐng)域，同時(shí)對(duì)磁性液體往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封進(jìn)行了理論研究[12]。由于氧化鐵型磁流體中Fe2+易被氧化成穩(wěn)定態(tài)的Fe3+，導(dǎo)致其磁性能衰減，因此使用Mn2+、Zn2+、Co2+代替Fe2+，通過(guò)改變錳鋅鐵氧體和CoFe2O4離子型磁流體[13]的離子結(jié)構(gòu)，可以提高化學(xué)穩(wěn)定性。1990年，我國(guó)鋼鐵研究總院開(kāi)始研制氮化鐵鐵磁液，化學(xué)穩(wěn)定性和飽和磁化強(qiáng)度相對(duì)較高[14];2005年，東華理工學(xué)院成功制作出金屬型磁流體CoB，具有強(qiáng)抗氧化性和飽和磁化強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)[15]。此外，國(guó)內(nèi)也成功研制出真空密封的特殊性能的磁流體以及治療腫瘤的磁熱療磁流體等?；诖?，本文主要綜述了有關(guān)磁流體的成分組成、應(yīng)用、特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展等。該研究推動(dòng)了光纖磁場(chǎng)傳感領(lǐng)域的發(fā)展。

1 磁流體的光學(xué)特性

1.1 可調(diào)諧折射率

當(dāng)磁流體處于磁場(chǎng)環(huán)境中，磁流體中的納米粒子會(huì)發(fā)生聚集，形成磁柱，使液相分離，等效介電常數(shù)將會(huì)隨之產(chǎn)生變動(dòng)。等效介電常數(shù)為

εMF=-εcol（1-f）-εliq（f-1）+[εcol（1-f）+εliq（f-1）]2+4（f+1）2εcolεliq2（1+f）（1）

其中，εcol是磁柱的介電常數(shù);εliq是液相的介電常數(shù)，且其強(qiáng)度隨著場(chǎng)強(qiáng)的變化而變化。

定義f=（Acol/A）/（1-Acol/A），其中，A表示磁流體一定區(qū)域的表面積，Acol/A表示一定區(qū)域內(nèi)A中磁柱所占的面積比。磁流體的折射率與等效介電常數(shù)及電磁化系數(shù)（χ）的關(guān)系為

nMF=εMF=1+χ（2）

式中，χ為電磁化系數(shù);nMF為磁流體的折射率;εMF為等效介電常數(shù)。

電磁化系數(shù)不僅與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，而且還與磁場(chǎng)的方向相關(guān)。當(dāng)磁場(chǎng)方向與光纖軸垂直時(shí)，χ/H<0，所以nMF隨著場(chǎng)強(qiáng)的增大而減小;當(dāng)磁場(chǎng)與光纖軸平行時(shí)，χ/H>0，所以nMF隨著場(chǎng)強(qiáng)的增大而增大[16]。由此可知，磁流體折射率的改變趨勢(shì)不僅與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，還與光和磁場(chǎng)的相對(duì)方向有關(guān)。

1.2 熱透鏡效應(yīng)

當(dāng)一束激光通過(guò)磁流體時(shí)，磁流體將會(huì)發(fā)生熱透鏡效應(yīng)，最終導(dǎo)致橫向上的磁流體折射率不均勻，所以當(dāng)光束通過(guò)磁流體后會(huì)發(fā)散，在一定條件下，遠(yuǎn)場(chǎng)可以觀察到同心圓環(huán)狀的干涉環(huán)。不同場(chǎng)強(qiáng)條件下的熱透鏡干涉環(huán)圖案如圖1所示。

給磁流體加一個(gè)垂直于光束的磁場(chǎng)，熱透鏡效應(yīng)得到抑制，而且場(chǎng)強(qiáng)越大，抑制程度越高[17]。其主要原因如下：

1） 外加磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致磁性納米顆粒具有額外的磁體積力，納米粒子會(huì)因此發(fā)生轉(zhuǎn)移，破壞由原來(lái)溫度梯度而形成的粒子濃度分布，所以熱透鏡效應(yīng)受到抑制。

2） 當(dāng)外加磁場(chǎng)稍大時(shí)，磁性納米顆粒的磁能大于其本身熱能，粒子間產(chǎn)生團(tuán)簇現(xiàn)象，引起磁流體發(fā)生相分離，同時(shí)破壞由溫度梯度而形成的粒子濃度分布，抑制熱透鏡效應(yīng)產(chǎn)生[18]，而磁流體的熱透鏡效應(yīng)可用于制作光學(xué)限幅器。

1.3 光透射特性

磁流體的光透射特性主要受外磁場(chǎng)作用的影響。外加磁場(chǎng)可以使磁液中的微粒沿磁場(chǎng)方向排成鏈狀，且磁鏈方向和磁場(chǎng)方向相同，磁鏈之間存在一定的距離。當(dāng)一束光入射磁流體膜，光強(qiáng)為I0，出射光強(qiáng)為I，磁場(chǎng)方向垂直于磁流體膜，則改變磁場(chǎng)大小，將得到光透過(guò)率I/I0，磁流體光透射率與外磁場(chǎng)隨時(shí)間變化曲

線如圖2所示[19]。由圖2可以看出，隨著外加磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的增加，光的透過(guò)率值將逐漸降低;將給定磁場(chǎng)加入300 s后，再將磁場(chǎng)撤掉，則光的透過(guò)率發(fā)生急速增加，直到成為穩(wěn)定值。

此外，磁流體薄膜的厚度以及磁流體質(zhì)量濃度也對(duì)磁流體的光透射特性產(chǎn)生影響[20]，磁流體光透過(guò)率與膜厚度的關(guān)系如圖3所示，磁流體光透過(guò)率與質(zhì)量濃度的關(guān)系如圖4所示。由圖3可以看出，隨著磁流體膜厚度的增加，光的透過(guò)率隨之減小;由圖4可以看出，當(dāng)磁流體的濃度逐漸增大時(shí)，光的透過(guò)率隨之減小。

1.4 雙折射性

在外加磁場(chǎng)作用下，可導(dǎo)致磁流體的雙折射效應(yīng)[21]。磁流體的雙折射效應(yīng)是指當(dāng)一束光垂直穿過(guò)磁流體薄膜時(shí)，在平行于磁流體薄膜方向再外加一個(gè)磁場(chǎng)，則光束將發(fā)生發(fā)散現(xiàn)象，其中，一束發(fā)散為尋常光（φo為尋常光的初相位），滿足折射定律;另一束發(fā)散為反常光（φe為反常光的初相位），兩個(gè)光束之間的相對(duì)相位差為

Δφ=φo-φe=2πno-neL/λ（3）

式中，no為尋常光的折射率;ne為反常光的折射率。雙折射Δn可表示為

Δn=sin-12Imin/Imax1+Imin/Imaxchh1-h2×λ/（2πd）（4）

式中，d通常為幾微米的量級(jí);Imax是最大輸出強(qiáng)度;Imin是最小輸出強(qiáng)度;hii=1，2可以由Ii=Ioie-2hiH計(jì)算得出，其中，Ioi為零磁場(chǎng)中的輸出強(qiáng)度;H為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

由此可見(jiàn)，外加磁場(chǎng)，MF膜表現(xiàn)出雙折射，其強(qiáng)弱取決于磁場(chǎng)的方向和大小。根據(jù)該特性，磁流體可用作可調(diào)諧雙折射濾波器、光學(xué)衰減器和光開(kāi)關(guān)等器件。

1.5 磁致色散特性

當(dāng)垂直于磁流體薄膜的外磁場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，磁流體內(nèi)部的磁性粒子會(huì)形成六角形的磁柱結(jié)構(gòu)，磁柱之間的距離d（2π/r）通常在幾微米左右。這種磁柱結(jié)構(gòu)可以起到二維衍射光柵的作用，即當(dāng)一束平行自然光垂直入射到磁流體薄膜時(shí)，不同顏色的光發(fā)生衍射，并形成環(huán)狀衍射條紋，這是磁流體的磁致色散特性。根據(jù)該特性，磁流體可用作可調(diào)諧光柵，可應(yīng)用于光學(xué)開(kāi)關(guān)、光學(xué)調(diào)制器和光學(xué)顯示器件等。

2 磁流體應(yīng)用

利用磁流體的磁場(chǎng)敏感性和光學(xué)特性，使之與傳統(tǒng)光纖相結(jié)合，可以制作出一系列高性能的光學(xué)器件。與傳統(tǒng)的光纖器件制作方法相比，用這種方法制作的光纖器件，費(fèi)用低、更小巧、靈敏度高、不易受環(huán)境影響。如：光纖磁場(chǎng)傳感器、可調(diào)諧磁流體光柵、可調(diào)諧光濾波器、光開(kāi)關(guān)、光纖調(diào)制器、可調(diào)諧偏振光分束器等。

2.1 光纖磁場(chǎng)傳感器

由于光纖磁場(chǎng)傳感器具有抗干擾、小巧、靈敏度高等獨(dú)特特性，已得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

2.1.1 MZ型

基于MZ型的磁場(chǎng)傳感器，其輸出光強(qiáng)為

Iout=Icore（λ）+Iclad（λ）+2cos（2πΔneffL/λ）（5）

式中，Icore和Iclad是纖芯和包層模式的強(qiáng)度;Δneff是纖芯模式和包層模式的有效折射率差;L是傳感臂的長(zhǎng)度。

當(dāng)相位差Φ=（2m+1）π時(shí)，m階干涉波谷的波長(zhǎng)為

λm=2ΔneffL/（2m+1）（6）

當(dāng)環(huán)境折射率發(fā)生變化時(shí)，由于纖芯模式和包層模式對(duì)環(huán)境折射率變化的響應(yīng)靈敏度不同。根據(jù)式（5）和式（6），有效折射率差發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出透射強(qiáng)度及波長(zhǎng)發(fā)生變化，因此可以達(dá)到磁場(chǎng)傳感的目的。

2013年，苗銀萍等人[22]通過(guò)光纖熔接機(jī)將單模光纖制作成單一S型結(jié)構(gòu)，單S結(jié)構(gòu)的模式干涉儀原理圖如圖5所示。當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)從25～200 Oe變化時(shí)，測(cè)得強(qiáng)度靈敏度和波長(zhǎng)靈敏度分別為0.130 56 dB/Oe和0.056 nm/Oe;2014年，吳繼漩等人[23]基于單模拉錐及核偏移，制作了一款雙向磁場(chǎng)傳感器，雙向MZ干涉儀原理圖如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)磁場(chǎng)垂直于（平行于）光纖軸時(shí)，強(qiáng)度靈敏度為-0.025 34 dB/Oe（0.011 11 dB/Oe）。

卜勝利等人[24]基于多模干涉效應(yīng)，制作了由2個(gè)上拉節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的傳感器?；谏侠?jié)點(diǎn)模式干涉儀如圖7所示，該結(jié)構(gòu)對(duì)場(chǎng)強(qiáng)變化反應(yīng)靈敏，靈敏度達(dá)到325.3 pm/mT。其制作的多膜（multi mode fiber， MMF）單膜（single mode fiber， SMF）多膜結(jié)構(gòu)對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的靈敏度最高可達(dá)215 pm/mT[25]。由于高低階包層模式對(duì)外界環(huán)境變化的響應(yīng)靈敏度不同，基于光纖拉錐和核偏移制作磁場(chǎng)傳感器，基于拉錐和核偏移模式干涉儀如圖8所示，其靈敏度可達(dá)-0.024 dB/Oe[26]。

2015年，羅龍峰等人[27]將單模光纖拉錐并在光纖的輸出端口，外加一個(gè)反射鏡，與反射鏡結(jié)合的磁場(chǎng)傳感器如圖9所示。通過(guò)監(jiān)測(cè)其反射譜在不同場(chǎng)強(qiáng)下的變化，測(cè)得磁場(chǎng)靈敏度分別為174.4 pm/Oe。2016年，劉海峰等人[28]將單模光纖與微纖維錯(cuò)芯結(jié)合，制作一款磁場(chǎng)傳感器，微纖維輔助模式干涉儀如圖10所示。該傳感器在低磁場(chǎng)條件下具備超高靈敏度，當(dāng)磁場(chǎng)在3～21 Oe變化時(shí)，其磁場(chǎng)靈敏度為-1.193 nm/Oe。

2017年，Qian J K等人[29]基于單模多模單模及纖芯偏移結(jié)構(gòu)，制作了多模干涉儀，單模多模單模干涉儀原理圖如圖11所示。當(dāng)外加磁場(chǎng)變化時(shí)，折射率靈敏度為156.63 nm/RIU（refractive index unit），磁場(chǎng)靈敏度為-97.24 pm/Oe;2018年，Zhang X等人[30]制作了一款雙S型模式干涉儀，雙S型模式干涉儀如圖12所示。測(cè)量結(jié)果顯示，其強(qiáng)度靈敏度為0.011 dB/Oe。

以上研究均基于常規(guī)光纖所制得的傳感器，基于MZ干涉原理將磁流體與非常規(guī)光纖（如中空光纖、光子晶體光纖）結(jié)合，也可制得磁場(chǎng)傳感器。

2015年，Zhao Y等人[31]將光子晶體光纖（photonic crystal fiber，PCF）拉錐，制得在線MZ干涉儀，光子晶體光纖拉錐結(jié)構(gòu)如圖13所示。當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)從100～600 Gs變化時(shí)，其波長(zhǎng)靈敏度為16.04 pm/Gs，分辨率為0.62 Gs，與傳統(tǒng)的磁場(chǎng)傳感器相比，具有免受電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)。

2017年，Shi F等人[32]制作了一個(gè)小巧的磁場(chǎng)傳感器，SMFHOFSMF結(jié)構(gòu)如圖14所示。將中空光纖（hollow optical fiber，HOF）和單模光纖相結(jié)合，形成一個(gè)SMFHOFSMF結(jié)構(gòu)。通過(guò)監(jiān)測(cè)其波長(zhǎng)漂移和透射強(qiáng)度的變化，測(cè)得其波長(zhǎng)和強(qiáng)度靈敏度分別為-170 pm/Oe和-0.212 68 dB/Oe。

2.1.2 非MZ型

2015年，羅龍峰等人[3334]利用微纖維耦合器（microfiber coupler，MFC），對(duì)環(huán)境折射率表現(xiàn)出高靈敏度，而磁流體的折射率又受磁場(chǎng)的影響，因此將微纖維耦合器和磁流體相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度傳感，單MFC結(jié)構(gòu)如圖15所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其波長(zhǎng)和強(qiáng)度靈敏度分別為191.8 pm/Oe和-0.037 dB/Oe。此結(jié)構(gòu)除了可以用于磁場(chǎng)傳感，也可應(yīng)用于磁光調(diào)制和濾波等。隨后，其團(tuán)隊(duì)通過(guò)級(jí)聯(lián)2個(gè)微纖維耦合器，制作磁場(chǎng)傳感器，雙MFC結(jié)構(gòu)如圖16所示，所制得的磁場(chǎng)傳感器波長(zhǎng)靈敏度為125 pm/Oe。

2017年，Wang W H等人[35]將含有磁流體的毛細(xì)管置于Sagnac環(huán)中，基于Sagnac干涉環(huán)傳感器如圖17所示。基于Sagnac干涉效應(yīng)，利用磁流體的雙折射效應(yīng)，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)從0～250 Oe變化時(shí)，所制作的傳感器最大靈敏度為0.006 dB/Oe。

將光子晶體光纖（photonic crystal fiber，PCF）、無(wú)芯光纖（nocore fiber，NCF）、細(xì)芯光纖（thin core fiber，TCF）、空芯光纖（hollow optical fiber，HOF）與傳統(tǒng)的單模光纖結(jié)合，基于多模干涉效應(yīng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)漂移或者透射強(qiáng)度變化，也可達(dá)到磁場(chǎng)傳感的目的。

2012年，Zu P等人[36]制作了一款SMFPCFSMF結(jié)構(gòu)的傳感器，基于SMFPCFSMF結(jié)構(gòu)傳感器如圖18所示。該傳感器利用PCF的可調(diào)諧光子帶隙效應(yīng)，將折射率引導(dǎo)型的光纖轉(zhuǎn)換為光子帶隙光纖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該傳感器的靈敏度為1.56 nm/Oe，比其它類型的傳感器高2～3個(gè)等級(jí)。

2.2 可調(diào)諧磁流體光柵

光柵是一種重要的光器件，廣泛應(yīng)用于集成光學(xué)、光譜分析和光通信中。當(dāng)外加平行于磁流體膜的磁場(chǎng)時(shí)，隨著場(chǎng)強(qiáng)的不斷增加，磁性微粒聚集，并開(kāi)始形成磁鏈。當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)一定閾值時(shí)，所有磁鏈將會(huì)聚集，形成一個(gè)一維周期性的磁柱鏈，在平行磁場(chǎng)作用下，磁流體薄膜的磁鏈結(jié)構(gòu)如圖19所示。

由于這些磁柱呈規(guī)則排列，因此該結(jié)構(gòu)可看成是一個(gè)二維磁流體光柵結(jié)構(gòu)，光柵周期Δχ可以通過(guò)磁場(chǎng)的大小和掃頻速度調(diào)諧，Δχ與場(chǎng)強(qiáng)及掃頻速度之間的關(guān)系如圖20所示。由圖20可以看出，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)從55～150 Oe變化時(shí)，Δχ將以指數(shù)形式下降;當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)繼續(xù)增加時(shí)，由于飽和磁化強(qiáng)度，Δχ將不再變化。由此可知，Δχ隨場(chǎng)強(qiáng)的增大而減小。

Pu S L等人[37]利用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了可調(diào)諧磁流體光柵，即用光刻膠刻蝕一個(gè)襯底，形成周期性梳狀凹槽，烘干之后在凹槽內(nèi)填入磁流體，最后將一個(gè)覆蓋層置于光柵之上進(jìn)行封裝，可調(diào)諧磁流體光柵制作如圖21所示。

因?yàn)榇帕黧w具有場(chǎng)依存折射率，所以當(dāng)給此光柵加上磁場(chǎng)時(shí)，由于場(chǎng)強(qiáng)的變化導(dǎo)致折射率和吸收系數(shù)變化，進(jìn)而導(dǎo)致各階的衍射效率發(fā)生變化，即零階和高階衍射光的能量發(fā)生變化，不同場(chǎng)強(qiáng)下的衍射模式如圖22所示。如果光柵吸收系數(shù)的調(diào)制不是太大，則零階衍射光的能量可以全部轉(zhuǎn)移到高階衍射光的能量。

2.3 可調(diào)諧光濾波器

利用磁流體折射率的可控性，將磁流體作為包層，通過(guò)調(diào)整外加場(chǎng)強(qiáng)的大小，可以對(duì)長(zhǎng)周期光纖光柵（long period grating，LPG）基模與包層模之間的耦合特性進(jìn)行調(diào)諧。第i階衰減帶的中心波長(zhǎng)為

λi=nco-niclΛ（7）

式中，nco和nicl分別為纖芯和i階包層模式的有效折射率;Λ為光柵周期。

Liu Ting等人[38]基于這一特性制作了一款長(zhǎng)周期光纖光柵可調(diào)諧濾波器。將長(zhǎng)周期光纖光柵置于含有磁流體的毛細(xì)管中，外加磁場(chǎng)的方向垂直于長(zhǎng)周期光纖光柵，長(zhǎng)周期光柵可調(diào)諧濾波器結(jié)構(gòu)示意圖如圖23所示。長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)環(huán)境折射率變化的敏感性是由包層膜有效折射率對(duì)環(huán)境折射率的依賴性引起，當(dāng)環(huán)境折射率靠近長(zhǎng)周期光纖光柵包層的折射率時(shí)，長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)環(huán)境折射率變化的敏感性急劇增加。所以通過(guò)改變磁流體的折射率，LPG衰減帶的中心波長(zhǎng)可以被相應(yīng)的調(diào)諧。

2.4 光開(kāi)關(guān)

當(dāng)一束光入射到磁流體膜時(shí)，由于磁流體的場(chǎng)依存透射，所以改變外加磁場(chǎng)的大小可以改變磁流體薄膜的光透射特性，而磁流體作為折射率可調(diào)諧媒介，又可以影響透射光與反射光的能量分配，從而可以實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)的效果[39]，光開(kāi)關(guān)原理圖如圖24所示。

2.5 光纖調(diào)制器

J. J. Chieh等人[40]將磁流體作為包層，設(shè)計(jì)了一種光纖調(diào)制器，基于磁流體光纖調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖25所示。將磁流體代替SiO2包層，其折射率可通過(guò)磁流體的濃度和場(chǎng)強(qiáng)來(lái)調(diào)整[41]。在無(wú)外加場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，磁流體包層的有效折射率略小于包纖芯折射率。在光纖中，光的傳導(dǎo)機(jī)制為全內(nèi)反射，但當(dāng)外加場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)一定閾值，纖芯折射率小于包層折射率時(shí)，全內(nèi)反射消失，部分光強(qiáng)將透射進(jìn)入包層。因此，通過(guò)此調(diào)制器，在外加場(chǎng)強(qiáng)作用下，可以調(diào)節(jié)光的透射強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此光纖調(diào)制器的透射損耗與場(chǎng)強(qiáng)作用下磁流體包層中的磁柱數(shù)量有關(guān)。此外，光纖調(diào)制器的透射還取決于裸纖芯部分的長(zhǎng)度和調(diào)制器數(shù)量。當(dāng)級(jí)聯(lián)兩個(gè)調(diào)制器或增加裸纖芯部分長(zhǎng)度，調(diào)制器的調(diào)制深度可以大于20%。因此，通過(guò)合理選擇調(diào)制器的數(shù)量、裸纖芯的長(zhǎng)度及場(chǎng)強(qiáng)的大小，可以得到理想的調(diào)制深度。

2.6 可調(diào)諧偏振光分束器

Wang J S等人[42]基于雙芯光子晶體光纖（dublecore photonic crystal fiber，DCPCF），設(shè)計(jì)了一款可調(diào)諧偏振光分束器（polarized beam splitter，PBS）。當(dāng)一束X、Y偏振光通過(guò)雙芯光子晶體光纖時(shí)，通過(guò)調(diào)整場(chǎng)強(qiáng)，偏振模式可以以任意比例輸出，且在一定場(chǎng)強(qiáng)下，偏振模式可以完全轉(zhuǎn)化，PBS原理圖如圖26所示。

根據(jù)光波導(dǎo)理論，在DCPCF中有4種超模傳輸，分別為Xeven，Yeven，Xodd和Yodd。其耦合特性可以通過(guò)模式耦合理論獲得。在給定波長(zhǎng)條件下，偏振分束器的耦合長(zhǎng)度分別定義為

Lx=λ2nxeven-nxodd，

Ly=λ2nyeven-nyodd（8）

式中，nx，yeven和nx，yodd是4種超模的有效折射率;λ為真空中光的波長(zhǎng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在PBS為8.13 mm，場(chǎng)強(qiáng)為25 mT時(shí)，偏振模式可以進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

3 光纖研究展望

光纖傳感原理的基礎(chǔ)是光纖導(dǎo)波，外界參量的改變使光纖中傳輸光的參量被調(diào)制，然后再對(duì)調(diào)制后的光進(jìn)行檢測(cè)，以達(dá)到感知外界信息的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界各參量的測(cè)量[43]?，F(xiàn)已提出用于光纖磁場(chǎng)傳感的各種基于磁流體的光纖結(jié)構(gòu)，即將單模光纖經(jīng)過(guò)特殊處理（如拉錐、腐蝕、熔融等）后進(jìn)行拼接，實(shí)現(xiàn)光纖傳感;將單模光纖與特殊光纖（NCF、TCF、HCF、HOF、PCF等）進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)光纖傳感。在以上傳感結(jié)構(gòu)中，光纖磁場(chǎng)傳感器憑借優(yōu)良的性能，在航空航天、土木工程、石油化工、電力行業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。但隨著光纖傳感器的發(fā)展，人們對(duì)其提出了更高的要求。目前，光纖磁場(chǎng)傳感器應(yīng)從解決以下問(wèn)題來(lái)實(shí)現(xiàn)具有卓越性能的磁場(chǎng)傳感器。

1） 克服光纖傳感器多參數(shù)交叉敏感性。由于磁場(chǎng)傳感器應(yīng)用時(shí)會(huì)受到多個(gè)環(huán)境變量的同時(shí)影響，導(dǎo)致其測(cè)量精確性降低，因此可通過(guò)設(shè)計(jì)復(fù)合參數(shù)傳感器，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同時(shí)測(cè)量。

2） 光纖傳感器的高靈敏度和微型化。靈敏度是光纖傳感器的重要性能指標(biāo)之一，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且小巧的光纖傳感器，可以提高其靈敏度，但會(huì)降低其機(jī)械性能，因此需要更為嚴(yán)格的封裝技術(shù)。

3） 光纖傳感器在極端環(huán)境中的應(yīng)用。隨著時(shí)代的發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)抗腐蝕、抗電磁干擾、抗高溫高壓的光纖傳感器已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，通過(guò)各種封裝技術(shù)滿足不同環(huán)境的要求，將會(huì)是光纖傳感器一個(gè)重要的研究方向。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，光纖傳感在未來(lái)仍將是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。隨著光纖器件的發(fā)展，其必定朝著多參量和高靈敏度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、適應(yīng)極端環(huán)境的方向發(fā)展。本文對(duì)磁流體的性質(zhì)和在光學(xué)中的發(fā)展和應(yīng)用做了較為全面的敘述，列舉了不同光纖磁場(chǎng)傳感器并對(duì)其傳感機(jī)理進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)分析了傳感器的靈敏度和磁流體的填充，為研究磁流體的學(xué)者們提供了比較全面的理論參考。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，由于磁流體自身的特殊光學(xué)特性，基于磁流體填充的光纖磁場(chǎng)傳感器的靈敏度更高。由于磁流體同時(shí)具有溫度特性，因此在進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量時(shí)會(huì)受到外界溫度的影響。為了解決磁場(chǎng)與溫度的交叉敏感問(wèn)題，還需要開(kāi)展更加深入的研究工作。

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Optical Properties of Magnetic Fluid and its Application in Optical Fiber Field

ZHANG Shan， CHI Zongtao， SUN Wenxuan

（The College of Electronic Information， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：? For the application of magnetic fluid in the optical fiber field， this paper reviews the component composition， application， characteristics and the research progress at home and abroad. It summarize the related optical characteristics of tunable refractive index， thermal lens， optical transmission， birefringence and magnetic dispersion， introduces magnetic fluid in optical field sensor， adjustable magnetic fluid grille， optical switch， optical modulator， tunable polarization beam divider and other different optical devices， and analyzes the research progress of scholars at home and abroad in the field of optical fiber. The research results show that although the fiber magnetic field sensors play important roles in aerospace， civil engineering， petrochemical， and power industry， with the development of fiber sensors， they should overcome the cross sensitivity of multiparameters， its high sensitivity and miniaturization need more stringent packaging technology， and the packaging of fiber sensors can meet the application requirements of different environments. The study of magnetofluid optical properties plays an increasingly important role in fields such as optical communication and sensing technology.

Key words： magnetic fluid; Fe3O4; optical properties; sensing performance; optical fiber magnetic field sensor the introductio