基于石英玻璃微流控芯片的磁流體雙折射效應研究*

趙鑫媛，張鳳萱，盧 迎，蘇 波

（首都師范大學 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，當外加磁場作用時，表現出磁性；若撤去外磁場，磁性液體又重新恢復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構變成各向異性的結構，進而使磁性液體具有類似單軸晶體的雙折射效應、線性二色性、法拉第旋轉和圓二色性。因此，它在實際生活中有著廣泛的應用，在理論上具有很高的學術價值。用納米金屬及合金粉末生產的磁流體性能優(yōu)異，可廣泛應用于各種苛刻條件的磁性流體密封、減震、醫(yī)療器械、聲音調節(jié)、光顯示、磁流體選礦等領域。而在本研究當中所采用的磁性液體是由Fe3O4納米級顆粒以及礦物質油作為載基液混合而成。

由于薄膜狀的磁流體才會產生較為明顯的雙折射效應，因此可以引入微流控技術進行該實驗研究。微流控技術因其試劑消耗少、檢測速度快、操作簡便，現已被廣泛應用于化學、物理、生物檢測等領域。武亞雄等人[1]將太赫茲技術和微流控技術相結合，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原理、結構及其在微生物檢測中的應用進行了研究，為動物疫病的高通量檢測打下了基礎。范寧等人[3]研究設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材料，發(fā)現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諧特性進行研究。錢萍等人[6]在理論層面解釋了磁流體磁光效應的產生機理。潘學禮等人[7]研究稀磁流體的磁致雙折射效應與磁液各參量及磁場的關系，并基于其磁光弛豫特性與載液粘度的關系（愛因斯坦方程），初步分析磁液光纖磁光粘度特性及其應用的可行性。潘應天等人[8]報道了磁流體磁光效應的研究動態(tài)，并進行磁流體的磁致雙折射現象及其光學雙穩(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構，建立了研究磁流體薄層光學性質的模型，運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處，其他部位的硅油基納米磁流體光透過率將恢復正常，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進行了深入的研究。由此可見，研究者們已經從理論上和實驗上對磁流體的光學特性進行了深入的研究。

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，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需要在外加磁場的條件下才能表現出來，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，進而調節(jié)磁場強度的大小。將注有磁性液體的微流控芯片置于不同磁場強度的穩(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。通過調節(jié)晶體穩(wěn)壓管的輸出電壓，進行磁場大小的調節(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象，發(fā)現在主光斑旁出現了另一個小光斑，因此證實了磁流體在外加磁場作用下會產生雙折射現象。在此之后研究不同溫度對磁流體雙折射效應明顯程度的影響，如圖4所示；第二，研究磁流體濃度對雙折射效應明顯程度的影響，如圖5所示；第三，研究磁場強度對磁流體雙折射效應明顯程度的影響，如圖6所示。

圖4 溫度對磁流體雙折射效應的影響

圖5 磁流體濃度對雙折射效應的影響

圖6 磁場強度對磁流體雙折射效應的影響

3 結果與討論

磁流體磁光效應的本質是由于磁流體在外磁場作用下產生各向異性，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和排列形成有序結構，磁液成超順磁性。由于磁粒粒徑遠小于光波波長，磁液為光學均勻介質，其在外磁場中的光學性質可近似為單軸晶體光學各向異性，介電張量為：

其中ε為物質常數，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。

在外磁場的作用下，當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，進而產生了雙折射效應。

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。在此之后，研究了濃度、溫度、磁場強度對磁流體雙折射現象的影響情況。發(fā)現磁性液體的雙折射效應與環(huán)境溫度有關，其雙折射效應隨溫度的升高而減小，當溫度為20℃左右時現象最為明顯；第二，磁性液體的雙折射效應與磁性液體的濃度有關。在其他相同條件下，高濃度磁性液體的雙折射效應現象明顯，這是由于高濃度磁流體樣品的磁鏈數量和尺寸較多，進而導致各向異性顯著；第三，磁性液體的雙折射效應與外加磁場大小有關，在其他相同條件下，磁場強度越大，雙折射現象越明顯。

4 結論

磁性液體是一種新型的功能材料，它的應用十分廣泛，磁光效應的研究為許多光學器件的開發(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象，可用于制作磁光調制器、衰減器、隔離器、傳感器等。因此，將其作為新型磁光材料進行研究和開發(fā)，應用前景非常廣闊。