磁流體光透射特性的機(jī)制及研究方法

苑寶義　 陶丹　 薛海龍　 苑永生　 苑澤　 高愛榮　 張浩

摘要：磁流體的光透射特性具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文首先介紹了磁場(chǎng)對(duì)磁流體光透射特性的影響機(jī)制，然后總結(jié)了磁流體在磁場(chǎng)作用下的仿真研究方法和實(shí)驗(yàn)研究方法。

關(guān)鍵詞：磁流體；光透射特性；磁場(chǎng)

磁流體是一種新型的納米功能材料，是一種穩(wěn)定的膠狀液體。磁流體在外加磁場(chǎng)作用下，表現(xiàn)出了光透射率可調(diào)諧的特點(diǎn)，有望研制出基于此特點(diǎn)的光學(xué)器件，因此，對(duì)于磁流體在外磁場(chǎng)作用下的光學(xué)透射特性的研究是非常有意義的。

1 磁場(chǎng)對(duì)磁流體光透射特性的影響機(jī)制

磁流體在外磁場(chǎng)作用下的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，沒有加外磁場(chǎng)時(shí)，磁流體中的顆粒在基液中是隨機(jī)分布的；加上磁場(chǎng)后，由于磁化作用，磁流體中的磁性顆粒沿著磁場(chǎng)方向排列成鏈狀，鏈與鏈之間存在一定的距離，處于一種弱絮凝狀態(tài)，如圖1所示[1]。

圖中，左圖（a）為磁場(chǎng)未施加狀態(tài)，右圖（b）和（c）為施加狀態(tài)。（a）中磁性顆粒隨機(jī)分布，（b）中弱磁場(chǎng)施加后，磁性顆粒形成微小聚集，沿磁場(chǎng)方向形成短鏈；（c）中隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，磁鏈逐漸伸長(zhǎng)，形成長(zhǎng)鏈，鏈與鏈之間的距離逐漸減小，從而會(huì)使得磁流體薄膜的光透射特性發(fā)生變化。只有液相部分才能使光透過，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，弱絮凝結(jié)構(gòu)逐漸增強(qiáng)，液相部分逐漸較少，使得磁流體的光透射性隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而減小。

Yang S Y[2]等人研究了磁流體薄膜的結(jié)構(gòu)，利用磁流體薄膜中液體部分的有效密度和面積比率計(jì)算磁流體的透光能力，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。透射率T表示為：

其中，Ms， eff（H）表示外加垂直磁場(chǎng)作用下液相的有效密度，A是指磁流體薄膜的截面面積，Acol是指面積A中磁鏈所占的截面面積，I和I0分別表示透射光功率強(qiáng)度和初始光功率強(qiáng)度。由于磁性顆粒弱絮凝狀態(tài)增強(qiáng)，磁流體的等效濃度Ms， eff（H）會(huì)相對(duì)降低，會(huì)影響到光透射率變化，可見磁場(chǎng)對(duì)磁流體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性有重要的影響。

2 磁流體光透射特性的研究方法

2.1 基于Mento-Carlo法的仿真研究方法

1）Monte-Carlo法廣泛應(yīng)用于模擬介質(zhì)內(nèi)的光線輻射過程，把復(fù)雜的光線傳遞過程分解為光線的發(fā)射、反射、吸收、散射和折射等一系列獨(dú)立的過程。Satoh Akira[3]早已驗(yàn)證了利用Monte-Carlo方法來仿真磁流體微結(jié)構(gòu)的可行性和有效性，并對(duì)仿真方法的理論背景給出了系統(tǒng)的解釋。

2）迄今為止，對(duì)于磁流體的光透射特性的仿真研究還比較少。1988年，Tasker A[4]用Mento-Carlo法對(duì)磁場(chǎng)誘導(dǎo)下順磁性顆粒在分散體中的相互關(guān)系進(jìn)行了研究，對(duì)光束方向垂直于磁場(chǎng)方向時(shí)，通過膠狀液體的光透射率進(jìn)行了計(jì)算和仿真。

Zhao Yong[5，6]等人也運(yùn)用Mento-carlo法模擬計(jì)算了光束方向垂直和平行于磁場(chǎng)方向時(shí)的磁流體薄膜的光譜透射率。利用Mento-carlo方法構(gòu)建了磁流體模型，仿真了微結(jié)構(gòu)的變化：未加磁場(chǎng)時(shí)，顆粒隨機(jī)分布；加上磁場(chǎng)，磁鏈逐漸形成，隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，磁鏈變長(zhǎng)，變粗。最后，仿真結(jié)果與磁流體光透射特性測(cè)量結(jié)果相吻合。

2.2 實(shí)驗(yàn)研究方法

研究磁流體光透射特性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以分為圖2中的五部分。光源輸出光功率為磁流體輸入功率，記為P1，光功率計(jì)測(cè)量或者數(shù)據(jù)采集卡采集的光功率為輸出功率，記為P2，實(shí)驗(yàn)處理數(shù)據(jù)一般是利用P2與P1的比值作為光透射率來進(jìn)行。外加磁場(chǎng)部分，可以是直流磁場(chǎng)，也可以是交流磁場(chǎng)。目前研究大部分都是在外加直流磁場(chǎng)的環(huán)境下進(jìn)行的，用電磁鐵、兩個(gè)通電螺線管或強(qiáng)力磁鐵來提供均勻的磁場(chǎng)。2012年張虎成[7]搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將磁流體置于光纖內(nèi)部，研究了光纖中磁流體在均勻磁場(chǎng)和梯度磁場(chǎng)作用下的光透射特性。2014年Zhao Yong[6]等人搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)量了磁場(chǎng)垂直于光路和平行于光路時(shí)磁流體薄膜的光透射率變化曲線。2015年陶丹[8]等人搭建了基于磁流體的雙光路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)磁流體的光學(xué)透射特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。雙光路系統(tǒng)抵消了光源的功率波動(dòng)及環(huán)境的溫度變化對(duì)光透射特性的影響。

3 結(jié)語

磁流體中的納米磁性顆粒會(huì)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向的變化而變化，磁流體的微觀結(jié)構(gòu)的改變對(duì)磁流體的光透射特性具有重要影響，從仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)磁流體的光透射特性進(jìn)行總結(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李德才.磁性液體理論及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2]Yang S Y，Chiu Y P，Jeang B Y，et al. Origin of field-dependent optical transmission of magnetic fluid films[J].Applied Physics Letters， 2001， 79（15）.

[3]Satoh Akira.Introduction to Molecular - Microsimulation of Colloidal Dispersion[M].17，Elsevier Science Limited，2003.

[4]Tasker A，Chantrell R W，Miles J J，et al. Monte-Carlo Simulation of light transmission in dispersion of paramagnetic partiles[J].IEEE Transactions on Magnetics，1988，24（2）.

[5]Lv Ri-qing，Zhao Yong，Xu Ning，et al.Research on the microstructure and transmission characteristics of magnetic fluids film based on the Monte Carlo method[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2013，331-338.

[6]Zhao Yong，Lv Ri-qing，Li Hao，et al.Simulation and Experimental Measurement of Magnetic Fluid Transmission Characteristics Subjected to the Magnetic Field[J].IEEE Transactions on Magnetics，2014，50（5）.

[7]張虎成.光纖中磁流體在外磁場(chǎng)作用下光透射特研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[8]陶丹，楊志，張浩，等.基于雙光路的磁流體光透射特性研究[J].光通信技術(shù)，2015.

資助項(xiàng)目：河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目15212103D

作者簡(jiǎn)介：苑寶義，高級(jí)工程師，主要從事光電纜光電網(wǎng)領(lǐng)域的研究工作。