磁場作用下磁流體的熱透鏡效應(yīng)及應(yīng)用研究

汪 順，錢慧霖，馬 攸，陳俊帆，過 城，雷 鳴，龔紅梅

(蘇州城市學(xué)院 光學(xué)與電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州)

熱透鏡效應(yīng)屬于一種光熱效應(yīng)，產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)最常見的原因是因?yàn)楫?dāng)激光在介質(zhì)中進(jìn)行傳輸時，因介質(zhì)會吸收光的能量，從而在沿激光傳輸?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)在橫向上的溫度呈現(xiàn)梯度變化，也使介質(zhì)折射率會產(chǎn)生橫向梯度變化，顯示出類似凹透鏡的效果[1]。目前對于熱透鏡效應(yīng)的應(yīng)用的探索主要集中在化學(xué)試劑中一些痕量分析和激光器性能研究方面，對納米材料的熱透鏡現(xiàn)象上的研究及應(yīng)用并不多見。本文研究了功能性納米材料磁流體的熱透鏡現(xiàn)象，并探討了在外加磁場條件下磁流體的熱透鏡現(xiàn)象的變化規(guī)律。

1 原理

磁流體即磁性流體，指的是吸附有表面活性劑的磁性微粒在基載液中彌散分布而形成的穩(wěn)定膠體體系，它是一種具有隨外加磁場強(qiáng)度而有可控流變特性的納米材料。在靜態(tài)時磁流體無磁性吸引力，當(dāng)外加磁場作用時，才表現(xiàn)出磁性。這種膠狀液體不僅有固體磁性材料較強(qiáng)的磁性，還兼具有液體的流動性，并且有許多其他固體磁性材料與液體物質(zhì)所不具有的特殊性質(zhì)[2]。磁性微粒很小，尺寸為納米量級，具有磁單疇結(jié)構(gòu)，從而具有超順磁性。將厚度適當(dāng)?shù)拇帕黧w置于兩片透明的玻璃片之間并加以封裝，便做成了一個磁流體薄片。將一束一定波長的激光束聚焦在磁流體薄片上，在薄片另一側(cè)的屏幕上可得到一組同心衍射光環(huán)，這就是熱透鏡效應(yīng)。在與激光束平行的方向上施加磁場H 時，會發(fā)生衍射環(huán)的半徑r 隨H 的變化而變化的現(xiàn)象，稱為磁流體熱透鏡耦合光磁效應(yīng)[1]，見圖1。

圖1 熱透鏡耦合光磁效應(yīng)原理圖

其發(fā)生機(jī)理簡述如下：當(dāng)激光束聚焦到磁流體薄片上時，由于磁流體對光的吸收而沿著激光束的束腰半徑r 方向形成溫度梯度，進(jìn)而導(dǎo)致磁流體折射率的變化在沿r 方向上近似高斯分布形成一個等效的凹透鏡；激光束中的光線被以不同角度折射，發(fā)生相互干涉而產(chǎn)生衍射光環(huán)。

施加磁場后，磁場作用于磁流體，其內(nèi)部的非球形對稱的磁性微粒[3]沿磁場取向，改變了對激光的散射狀態(tài)，從而迭加上另一凹透鏡效應(yīng)。磁流體的超順磁性質(zhì)使衍射環(huán)半徑與磁場發(fā)生依存關(guān)系。理論研究表明，衍射環(huán)半徑正比于場強(qiáng)的平方[1]。

磁流體中的納米粒子含有一定的磁矩，無外加磁場時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，有一定磁矩的納米粒子在磁場中亦不受力，不發(fā)生移動，但此時納米粒子間的磁矩在平行于磁場方向上會由于磁矩之間的吸引作用相互吸引在一起，磁矩轉(zhuǎn)動后進(jìn)行排列，而在垂直于磁場方向則沒有該變化。因此當(dāng)外加磁場時，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)，對該方向上熱透鏡效應(yīng)的削弱越明顯[4]。

2 實(shí)驗(yàn)及裝置

本實(shí)驗(yàn)樣品采用磁流體薄片，磁流體薄片的制作方法如下：通過水熱法制備實(shí)驗(yàn)中所需的納米四氧化三鐵，將其分散在水中，配置成適當(dāng)濃度的磁流體。將厚度為50～80 μm 的磁流體置于兩片透明的玻璃片之間并加以封裝，便形成了一個實(shí)驗(yàn)所需的磁流體薄片樣品。磁流體本身為黑色，并不透光，但當(dāng)其僅為微米級別的薄層時，可使部分光線透過。為制作實(shí)驗(yàn)所需磁流體薄片，采用在兩面玻璃中隔墊一層雙面膠的方式，再進(jìn)行嚴(yán)密封裝。盡量使得樣品薄片各處厚度均勻，保證薄片既不會因?yàn)樘袷辜す鉄o法透過，又不至于太薄以致制作過程中薄片中難以均勻分布。將一束633 nm 波長的激光束聚焦在磁流體薄片上，在薄片另一側(cè)的屏幕上可得到一組同心衍射光環(huán)，這就是熱透鏡效應(yīng)。

對于特定的磁流體薄片，以下幾點(diǎn)是影響衍射模式的因素：外加磁場、環(huán)境溫度、磁流體與透鏡間的距離及入射激光的功率。保證環(huán)境溫度穩(wěn)定，固定光路后，即可探究磁場與衍射環(huán)的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)裝置分為兩部分，一部分是光路設(shè)計(jì)搭建，另一部分為磁場提供裝置的搭建。

首先是光路設(shè)計(jì)。熱透鏡效應(yīng)的觀察光路有多種構(gòu)型，本實(shí)驗(yàn)根據(jù)所研究介質(zhì)的特點(diǎn)，采用如圖2 所示的立體單光束構(gòu)型，氦氖激光器產(chǎn)生的激光，同時充當(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，并在光路下方放置觀察屏觀察。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

在設(shè)計(jì)磁場裝置上，本實(shí)驗(yàn)選用自制的亥姆霍茲線圈提供穩(wěn)定的磁場，圖3 即為本實(shí)驗(yàn)自制的亥姆霍茲線圈裝置。實(shí)驗(yàn)時將磁流體放在磁場中心位置。兩個共軸半徑為R 的線圈，當(dāng)其間距d=R 時兩線圈正中間軸線處磁場最為均勻，稱為亥姆霍茲線圈[5]。

圖3 自制亥姆霍茲線圈

在測試亥姆霍茲線圈各處磁場強(qiáng)度的過程中，發(fā)現(xiàn)線圈間距與磁場強(qiáng)度曲線有以下關(guān)系，見圖4。

圖4 線圈間距與磁場強(qiáng)度關(guān)系圖

而亥姆霍茲線圈（圖3）中心軸線上的磁場為:

表1 是自制線圈通電后，中心磁場強(qiáng)度與電流的大小關(guān)系。由表1 數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)自制的磁場發(fā)生裝置亥姆霍茲線圈中心可以提供278～2 023 μT 的中心磁場。當(dāng)電流從0.1 A 到0.8 A 變化時，磁場隨著電流的增大而增大，呈嚴(yán)格的線性關(guān)系，見圖5。

表1 磁場強(qiáng)度與電流的大小關(guān)系

圖5 電流與磁場強(qiáng)度關(guān)系圖

3 實(shí)驗(yàn)步驟

先接通He-Ne 激光器的開關(guān)，調(diào)整光路，使激光準(zhǔn)直。調(diào)好磁流體薄片的位置，將其放置線圈的中間。調(diào)整反射鏡的角度，使激光經(jīng)過上面一系列的透鏡作用后穿過磁流體薄片，投射在觀察屏中央。再對呈現(xiàn)在觀察屏上的圖樣進(jìn)行拍照。接著打開連接線圈的開關(guān)，調(diào)整電流I，重復(fù)上面的操作。之后按照上面的操作進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，但要保證同一個磁流體薄片的前提下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)可觀察到，當(dāng)不施加磁場時，衍射圖樣為圓形。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均勻磁場時，可觀察到衍射圖案由圓形變?yōu)闄E圓，同時衍射圖案整體縮小，當(dāng)撤去磁場后，衍射圖樣又迅速恢復(fù)為原來的大小和形狀。最后將采集到的數(shù)據(jù)分析處理，測量出衍射圖樣的長軸和短軸。圖6是電流I 在0 A 和0.5 A 時的圖像。

圖6 衍射環(huán)施加磁場后的變化（從左到右磁場增加）

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

實(shí)驗(yàn)采用測量衍射圖樣離心率的方法來衡量衍射圖樣變形程度，見圖7。由于磁場與電流成正比關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中記錄電流大小來表示磁場的強(qiáng)弱。通過測量數(shù)據(jù)，最終得出電流與離心率的關(guān)系見表2。

表2 不同電流條件下離心率的大小

圖7 電流大小與衍射圖樣離心率關(guān)系

結(jié)果顯示，磁場大小與衍射圖樣離心率呈線性上升趨勢。

5 結(jié)論

本文研究了磁流體薄膜置于磁場中，磁場大小與熱透鏡效應(yīng)中衍射圓環(huán)的離心率的關(guān)系，研究表面磁場大小與離心率成正比關(guān)系，由此提供了一種新的測量磁場的方法。相對于傳統(tǒng)的測量磁場方法，該方法有能在低溫下測量，能測量微弱磁場的優(yōu)勢。能應(yīng)用于真空環(huán)境下，測量微小磁場，有發(fā)展前景。通過改進(jìn)激光束的模式、質(zhì)量以及磁流體封裝方法，還能進(jìn)一步提高磁場的測量精度。