磁性液體薄膜磁光特性研究

趙 琳,吳雪磊

（1.天津天獅學院，天津，301700； 2.河北工業大學，天津，300130）

磁性液體薄膜磁光特性研究

趙 琳1,2,吳雪磊2

（1.天津天獅學院，天津，301700； 2.河北工業大學，天津，300130）

本文主要研究了外界磁場的方向和大小對磁性液體薄膜光透射特性的影響。通過設計外界磁場發生裝置，經過多組實驗得出光透射特性與外界磁場的變化關系。分析實驗數據可知，當磁性液體薄膜與外界磁場垂直時，光透射率隨外界磁場的增強而增大；當磁性液體薄膜與外界磁場平行時，光透射率隨外界磁場的增強而減小。

磁性液體薄膜；光透射特性；磁場設計

磁性液體是一種具有磁化性質的特殊功能液體，外加磁場會改變磁性液體的許多物理特性。這些性質在光調制、光開關、光隔離器、光濾波器和傳感器等領域有著重要的應用前景[1-3]。磁性液體薄膜的光透射率是否會隨外加磁場作用的變化而變化值得研究。

磁性液體薄膜的光透射率受到多種因素的影響，磁性液體的濃度、磁性液體粒子的大小、磁性液體薄膜的厚度、溫度以及外界磁場都會對磁性液體薄膜的光透射率產生影響。本文主要通過實驗研究了外界磁場的方向和大小對磁性液體薄膜光透射特性的影響，得到了磁性液體薄膜的光透射率和外加磁場方向和強度之間的變化規律。研究磁性液體薄膜光透射率隨外加磁場作用的變化而變化的特性，根據光透射率的空間分布和時間變化，可以分析和確定其它多種物理場量。對研制磁光功能器件具有重要的實際意義。

1 實驗裝置

1.1 磁性液體薄膜的制備

實驗用的磁性液體薄膜由光學玻璃制成，應用的光學玻璃是220nm-2500nm波段范圍內透光良好的光學材料，具有特定的光學常數和高透射率。首先通過沖洗確保玻璃的清潔度，然后將兩塊玻璃對接并向其中注入水基磁性液體。注入磁性液體時需保證兩片玻璃中無氣泡產生，最后在玻璃四周用硅膠封口，確保氣密性。待硅膠干燥后再用酒精擦拭玻璃片，即可得到實驗所需磁性液體薄膜。本實驗中應用到三種厚度的磁性液體薄膜，為10μm、20μm和30μm，如圖1所示。

圖1 不同厚度的磁性液體薄膜

1.2 光透射率測量裝置

光透射率的大小用AvaSpec-NIR256-1.7光譜儀測得的數據進行分析。該光譜儀中使用了新型傳感器和小型化的技術，從而提高了光譜儀的測量速度，減小了儀器的尺寸和體積，增強了測量系統的穩定性。此型號光譜儀具有測量速度快，數據可靠性高，可以用于在線分析等優點。

圖2 光透射率測量系統

2 均勻磁場的設計

垂直和水平磁場由通電線圈產生，當兩個線圈共軸放置時，在線圈兩側通入直流可控電流，兩線圈產生的磁場相互疊加，通過控制兩線圈的相對距離，即可產生近似的均勻磁場。實驗中選取直徑為1.02mm的漆包線作為通電導線，其允許通過的最大電流為3A。為了防止影響線圈外磁場分布，線圈骨架采用高分子絕緣套管，高分子絕緣套管內徑為75mm，線圈外徑為121mm，線圈匝數為2000匝。

如圖3(a)所示，將磁性液體薄膜置于XOZ面上，且中心位于坐標原點處，兩線圈間距165mm，此時磁場方向與磁性液體薄膜垂直，稱為垂直磁場。如圖3(b)所示，將磁性液體薄膜置于YOZ面上，且中心位于坐標原點處，兩線圈間距110mm，此時磁場方向與磁性液體薄膜平行，稱為水平磁場。實驗中改變水平磁場和垂直磁場的大小，觀察磁性液體的光透射率隨磁場強度的變化情況。

圖3 線圈與磁性液體薄膜的位置關系

3 實驗結果分析

3.1 薄膜厚度對光透射率的影響

實驗中采用10μm、20μm和30μm三種不同厚度的磁性液體薄膜進行測試,在其它條件相同時，不同時間進行分組測試，每組數據取平均值，再對不同組的數據取平均值，以減少誤差。

表1 不同厚度下的光透射率值

表1記錄的為25℃條件下，在不同厚度的磁性液體薄膜光透射率的值，磁性液體薄膜的光透射率可以通過公式1計算。

式中，Samplen為照射樣本光源時,由光譜儀測量的像素n上的A/D計數值；Darkn為關閉樣本光源時,測得的像素n上的A/D計數值；Refn為照射參考光源時，測得的像素n上的A/D計數值。從測得的數據可以看出隨著磁性液體薄膜厚度的增加，薄膜的光透射率逐漸變小。

3.2 垂直磁場對光透射率的影響

將磁性液體薄膜置于垂直磁場中，改變磁場的強度，測量不同磁場強度下光透射率的數值并繪制相應的曲線，分析垂直磁場對磁性液體薄膜光透射率的影響。

圖3所示為三種不同厚度的磁性液體薄膜的光透射率與垂直磁場的關系。不同曲線代表不同厚度的磁性液體薄膜在外界磁場作用下，光透射率的變化情況。

圖3 不同厚薄膜光透射率與垂直磁場強度的關系

溫度保持25℃不變時，在外界垂直磁場強度從0變化到13.84×103A/m的過程中，厚度為10微米的磁性液體薄膜的光透射率從33.500%增大到34.271%，增大了0.771%；厚度為20微米的磁性液體薄膜的光透射率從26.323%增大到27.242%，增大了0.919%；厚度為30微米的磁性液體薄膜的光透射率從15.419%增大到16.173%，增大了0.754%。由圖3可知，磁性液體薄膜的光透射率隨外界磁場的增大而增大，在外界磁場強度變化較小時，光透射率變化量不大，當外界磁場增大到一定程度后，光透射率變化量開始變大。

3.3 水平磁場對光透射率的影響

將磁性液體薄膜置于水平磁場中，改變磁場的強度，重復多次實驗，測量不同磁場強度下光透射率的數值并根據數據繪制相應的曲線，分析水平磁場對光透射率的影響。

圖4為三種不同厚度的磁性液體薄膜的光透射率與水平磁場的關系。不同曲線代表不同厚度的磁性液體薄膜在外界水平磁場作用下，光透射率的變化情況。

圖4 不同厚薄膜光透射率與水平磁場強度的關系

溫度保持25℃不變，水平磁場下，外界磁場強度從0變化到21.99×103A/m的過程中，厚度為10微米的磁性液體薄膜的光透射率從35.280%減小到34.578%，減小了0.700%；厚度為20微米的磁性液體薄膜的光透射率從26.343%減小到25.734%，減小了0.609%；厚度為30微米的磁性液體薄膜的光透射率從15.469%減小到15.033%，減小了0.436%。由圖4可知，磁性液體薄膜的光透射率隨外界水平磁場的增大而減小。

4 結束語

本文主要通過實驗研究了磁性液體薄膜的厚度、外界磁場的大小與方向對光透射率的影響。實驗結果表明，磁性液體薄膜的光透射率隨磁性液體薄膜厚度和水平磁場強度的增加而減小，隨垂直磁場強度的增大而增大。以20微米厚的磁性液體薄膜為例，當外加垂直磁場強度變化量為13.84×103A/m時，20μm厚的磁性液體薄膜的光透射率最大變化量為0.919%；而當外加平行磁場強度變化量為21.99×103A/m時，20μm厚的磁性液體薄膜的光透射率最大變化量僅為0.609%。在垂直磁場下磁性液體薄膜的光透射率的變化要比水平磁場時的變化更明顯。

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趙琳(1981年2月—)，女，漢，河北，碩士研究生，講師，研究方向：通信技術。

Research on Magneto-optical Properties of Magnetic Fluid Film

Zhao Lin1,2,Wu Xuelei2
（1.Tianjin Tianshi College,Tian jin,301700;2.Hebei University of Technology,Tian jin,300130）

In this paper, the influence of the direction and magnitude of the external magnetic field on the optical transmission characteristics of the magnetic liquid film is studied. The external magnetic field is designed in this paper , the relationship between the optical transmission characteristics and the external magnetic field is obtained by the multi group experiments. The experimental data shows that the optical transmittance increases with the increase of the external magnetic field when the magnetic fluid film is perpendicular to the external magnetic field. When the magnetic field is parallel to the external magnetic field, the optical transmittance decreases with the increase of the external magnetic field.

Magnetic liquid film; Optical transmission characteristics; Magnetic field design

O484.41

A

科研項目：2013年天津天獅學院校級科研項目資助；項目名稱：磁流體薄膜在可調諧光濾波器中的應用研究；項目編號：K13004