基于石英玻璃微流控芯片的磁流體雙折射效應(yīng)研究*

趙鑫媛，張鳳萱，盧 迎，蘇 波

（首都師范大學(xué) 物理系，北京100048）

磁流體通常是由直徑為納米量級（10納米以下）的磁性固體顆粒、載基液混合而成的一種穩(wěn)定的膠狀液體。磁流體在靜態(tài)時無磁性吸引力，當(dāng)外加磁場作用時，表現(xiàn)出磁性；若撤去外磁場，磁性液體又重新恢復(fù)雜亂無章的無序狀態(tài)而消失磁性。除此之外，在外磁場的作用下，磁性液體內(nèi)部的磁性顆粒會在一定程度上沿著外磁場排列，這樣的排列方式將使得原來的各向同性結(jié)構(gòu)變成各向異性的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使磁性液體具有類似單軸晶體的雙折射效應(yīng)、線性二色性、法拉第旋轉(zhuǎn)和圓二色性。因此，它在實際生活中有著廣泛的應(yīng)用，在理論上具有很高的學(xué)術(shù)價值。用納米金屬及合金粉末生產(chǎn)的磁流體性能優(yōu)異，可廣泛應(yīng)用于各種苛刻條件的磁性流體密封、減震、醫(yī)療器械、聲音調(diào)節(jié)、光顯示、磁流體選礦等領(lǐng)域。而在本研究當(dāng)中所采用的磁性液體是由Fe3O4納米級顆粒以及礦物質(zhì)油作為載基液混合而成。

由于薄膜狀的磁流體才會產(chǎn)生較為明顯的雙折射效應(yīng)，因此可以引入微流控技術(shù)進(jìn)行該實驗研究。微流控技術(shù)因其試劑消耗少、檢測速度快、操作簡便，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、生物檢測等領(lǐng)域。武亞雄等人[1]將太赫茲技術(shù)和微流控技術(shù)相結(jié)合，分別研究了微流控芯片上微流控溝道的尺寸，微流控芯片的材料及其制作流程，最后用去離子水對該芯片進(jìn)行了初步測試，證明了該太赫茲微流控芯片的可行性。王楷宬等人[2]對微流控芯片的技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)及其在微生物檢測中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，為動物疫病的高通量檢測打下了基礎(chǔ)。范寧等人[3]研究設(shè)計了兩種可利用透射式太赫茲時域光譜（THz-TDS）系統(tǒng)檢測的夾心式微流控芯片，通過減小THz與水的作用距離來減少水對THz的吸收。劉長春等人[4]利用聚二甲基硅氧烷（PDMS），作為微流控生物芯片的基質(zhì)材料，發(fā)現(xiàn)它顯示出了非常理想的材料特征。

荊雅潔等人[5]通過理論分析，分別從磁場大小、方向、以及溫度三個因素對磁流體折射率的可調(diào)諧特性進(jìn)行研究。錢萍等人[6]在理論層面解釋了磁流體磁光效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理。潘學(xué)禮等人[7]研究稀磁流體的磁致雙折射效應(yīng)與磁液各參量及磁場的關(guān)系，并基于其磁光弛豫特性與載液粘度的關(guān)系（愛因斯坦方程），初步分析磁液光纖磁光粘度特性及其應(yīng)用的可行性。潘應(yīng)天等人[8]報道了磁流體磁光效應(yīng)的研究動態(tài)，并進(jìn)行磁流體的磁致雙折射現(xiàn)象及其光學(xué)雙穩(wěn)特性的研究。實驗表明磁液具有良好的紅外傳輸特性，可用作新型紅外磁光材料。方曉鵬等人[9]基于磁流體的微觀聚集結(jié)構(gòu)，建立了研究磁流體薄層光學(xué)性質(zhì)的模型，運(yùn)用蒙特卡洛方法模擬計算了磁流體薄層的光譜透射率，并分析了外加磁場對磁流體薄層透射率的影響。龔雁等人[10]研究了硅油基納米磁流體在梯度磁場作用下，納米磁粉會發(fā)生定向移動，可以聚集到磁場對應(yīng)處，其他部位的硅油基納米磁流體光透過率將恢復(fù)正常，接近純硅油的可見光透過率。都有為[11]對磁性液體的磁光效應(yīng)進(jìn)行了深入的研究。由此可見，研究者們已經(jīng)從理論上和實驗上對磁流體的光學(xué)特性進(jìn)行了深入的研究。

1 實驗光系統(tǒng)及裝置

1.1 實驗光路圖

本實驗光路由一個波長為532nm的He-Ne激光器、偏振片、電磁鐵系統(tǒng)、裝有濃度為35%磁性液體的微流控芯片及光屏組成。實驗光路圖如圖1所示。

圖1 實驗光路圖

1.2 微流控芯片的制作

石英玻璃對激光具有較高的透過率，且不與載基液發(fā)生反應(yīng)，是制備微流控芯片的理想材料。本實驗采用兩片尺寸為3cm×3cm×2mm的石英玻璃作為基片和蓋片，然后在厚度為50μm的3M雙面膠上刻出長寬分別為2cm的方形區(qū)域，再將雙面膠和基片、蓋片相粘合，最終制成微流控芯片，其制作過程如圖2所示。

圖2 微流控芯片制作示意圖

1.3 電磁鐵系統(tǒng)

磁流體的雙折射效應(yīng)需要在外加磁場的條件下才能表現(xiàn)出來，因此在本實驗中，采用一種微型電磁鐵來提供磁場，其通過WYJ-9B型晶體管穩(wěn)壓電源供電，通過調(diào)節(jié)晶體管穩(wěn)壓電源的輸出電壓（輸出電壓范圍：1-30V）來改變電磁鐵的工作電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度的大小。將注有磁性液體的微流控芯片置于不同磁場強(qiáng)度的穩(wěn)定外部環(huán)境中，使激光透過樣品，外加磁場系統(tǒng)裝置如圖3所示。

圖3 外加磁場系統(tǒng)裝置圖

2 實驗

本實驗光路由一個波長為532nm的激光器作為光源，其經(jīng)過一個偏振片后變?yōu)榫€偏光。將裝有磁流體的微流控芯片放置在電磁鐵中間，給微流控芯片中的磁流體樣品施加一垂直于線偏光透射方向的磁場，從而使磁場方向與光的傳播方向垂直。通過調(diào)節(jié)晶體穩(wěn)壓管的輸出電壓，進(jìn)行磁場大小的調(diào)節(jié)。最終線偏光透過裝有磁流體的微流控芯片，在光屏上觀察雙折射現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)在主光斑旁出現(xiàn)了另一個小光斑，因此證實了磁流體在外加磁場作用下會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。在此之后研究不同溫度對磁流體雙折射效應(yīng)明顯程度的影響，如圖4所示；第二，研究磁流體濃度對雙折射效應(yīng)明顯程度的影響，如圖5所示；第三，研究磁場強(qiáng)度對磁流體雙折射效應(yīng)明顯程度的影響，如圖6所示。

圖4 溫度對磁流體雙折射效應(yīng)的影響

圖5 磁流體濃度對雙折射效應(yīng)的影響

圖6 磁場強(qiáng)度對磁流體雙折射效應(yīng)的影響

3 結(jié)果與討論

磁流體磁光效應(yīng)的本質(zhì)是由于磁流體在外磁場作用下產(chǎn)生各向異性，主要由兩個因素決定：一是Fe3O4顆粒的各向異性排列，二是Fe3O4顆粒的磁矩定向。

磁性液體的磁致雙折射效應(yīng)是由于在外磁場中，外磁場及磁粒間磁偶相互作用使磁粒沿磁場方向旋轉(zhuǎn)和排列形成有序結(jié)構(gòu)，磁液成超順磁性。由于磁粒粒徑遠(yuǎn)小于光波波長，磁液為光學(xué)均勻介質(zhì)，其在外磁場中的光學(xué)性質(zhì)可近似為單軸晶體光學(xué)各向異性，介電張量為：

其中ε為物質(zhì)常數(shù)，對于單軸晶體來說x和y方向的ε與z方向的ε0不同，i為虛部，a為常數(shù)。

在外磁場的作用下，當(dāng)人射光沿垂直磁場方向入射時，入射光要分為光振動方向垂直于磁場的o光和光振動方向平行于磁場的e光，o光和e光的折射率no和ne不同，即o光和e光在磁性液體中的傳播速度不同，磁性液體的雙折射即Δn是入射光通過磁液引起的no與ne之差的絕對值：

其中c為光在真空中的傳播速度，vo與ve分別為o光和e的傳播速度。設(shè)L為磁流體樣品槽的厚度，Δφ為o光和e光通過磁液時的位相差，則有，進(jìn)而產(chǎn)生了雙折射效應(yīng)。

在本實驗過程中，觀察到了磁流體在外加磁場的作用下具有雙折射效應(yīng)。在此之后，研究了濃度、溫度、磁場強(qiáng)度對磁流體雙折射現(xiàn)象的影響情況。發(fā)現(xiàn)磁性液體的雙折射效應(yīng)與環(huán)境溫度有關(guān)，其雙折射效應(yīng)隨溫度的升高而減小，當(dāng)溫度為20℃左右時現(xiàn)象最為明顯；第二，磁性液體的雙折射效應(yīng)與磁性液體的濃度有關(guān)。在其他相同條件下，高濃度磁性液體的雙折射效應(yīng)現(xiàn)象明顯，這是由于高濃度磁流體樣品的磁鏈數(shù)量和尺寸較多，進(jìn)而導(dǎo)致各向異性顯著；第三，磁性液體的雙折射效應(yīng)與外加磁場大小有關(guān)，在其他相同條件下，磁場強(qiáng)度越大，雙折射現(xiàn)象越明顯。

4 結(jié)論

磁性液體是一種新型的功能材料，它的應(yīng)用十分廣泛，磁光效應(yīng)的研究為許多光學(xué)器件的開發(fā)提供了有利的幫助。由于其具有良好的磁光特性，如本研究中研究的磁流體雙折射現(xiàn)象，可用于制作磁光調(diào)制器、衰減器、隔離器、傳感器等。因此，將其作為新型磁光材料進(jìn)行研究和開發(fā)，應(yīng)用前景非常廣闊。