淺析磁流體激光熱透鏡效應(yīng)及其應(yīng)用

王先云

摘 要 根據(jù)激光熱透鏡效應(yīng)理論實(shí)驗(yàn)觀察了磁流體的激光熱透鏡現(xiàn)象，分析其是由于激光能量呈高斯分布引起的溫度梯度和濃度梯度所導(dǎo)致的衍射圖像。探索距束腰前后不同位置對磁流體熱透鏡效應(yīng)強(qiáng)度的影響，并對現(xiàn)象進(jìn)行分析，還探索了外加磁場對磁流體激光熱透鏡現(xiàn)象的影響。

關(guān)鍵詞 熱透鏡效應(yīng);磁流體;激光能量

引言

熱透鏡效應(yīng)屬于光熱效應(yīng)的一種，最常見的熱透鏡效應(yīng)產(chǎn)生原因是：當(dāng)激光在介質(zhì)中進(jìn)行傳輸時(shí)，部分能量被介質(zhì)吸收，介質(zhì)中沿激光傳輸?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)溫度呈橫向梯度變化，從而引起介質(zhì)折射率的橫向梯度變化，產(chǎn)生類似凹透鏡的效果。對于熱透鏡效應(yīng)的應(yīng)用的探索主要集中在化學(xué)試劑中痕量分析和激光器性能改善方面，而在功能性材料的熱透鏡現(xiàn)象上的研究則相對較少。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)著眼于研究功能性納米材料磁流體的熱透鏡現(xiàn)象，嘗試得出有關(guān)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

1磁流體熱透鏡效應(yīng)原理

磁流體的光吸收系數(shù)相對較大，對溫度敏感，當(dāng)一束功率適當(dāng)?shù)母咚辜す庹丈涞酱帕黧w樣品時(shí)，樣品會吸收激光的部分能量，導(dǎo)致該區(qū)域溫度上升，在磁流體的內(nèi)部會形成由激光熱能誘導(dǎo)產(chǎn)生的溫度梯度和濃度梯度變化，熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散的總效果是使磁流體內(nèi)部的折射率沿著半徑方向（垂直于高斯激光的傳播方向）呈現(xiàn)空間非均勻分布，類似一個(gè)凹透鏡。磁流體微粒對入射光線有散射作用，散射光線間由于光程差的不同，將在遠(yuǎn)場由于光波疊加而形成同心圓狀的熱透鏡效應(yīng)衍射環(huán)[1]。

2實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用單光束構(gòu)型，氦氖激光器產(chǎn)生的激光同時(shí)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，并在遠(yuǎn)處放置觀察屏觀察。實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中為了避免重力對磁流體樣品的干擾，利用反射鏡將激光偏折使其豎直入射到磁流體樣品中，樣品為約50 μm厚的磁流體薄片，再由反射鏡將光束偏折為水平方向，投到觀察屏上觀察和記錄，如圖1 所示。

3實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析

將磁流體薄片放進(jìn)光路后，可觀察到衍射圖像為從中心向外一環(huán)接一環(huán)的涌出，得到不同位置衍射環(huán)的形成時(shí)間、衍射環(huán)的直徑，磁流體熱透鏡效應(yīng)的衍射圖案隨時(shí)間變化情況為由黑暗開始，從中心一個(gè)接著一個(gè)涌出圓環(huán)，隨著時(shí)間增加，圓環(huán)數(shù)量增加，衍射圖案變大，最后趨于穩(wěn)定，剛開始熱透鏡效應(yīng)并不明顯，折射率梯度較小，因此衍射圖案圓環(huán)數(shù)量少，直徑小;隨著時(shí)間的累積，高斯光束持續(xù)對磁流體薄層進(jìn)行加熱，折射率梯度進(jìn)一步加大，邊緣折射率高，中心折射率低，衍射圖案圓環(huán)數(shù)量隨之增加，直徑變大;當(dāng)?shù)竭_(dá)一定時(shí)間后，熱透鏡效應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)折射率分布趨于穩(wěn)定，不再發(fā)生變化，因此衍射圖案不再發(fā)生變化。則有如下討論：

（1）不同位置的衍射環(huán)形成并達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間大致在束腰前后呈對稱分布，越靠近束腰位置形成并穩(wěn)定的時(shí)間越短。在沿光束傳播上，光束光斑直徑呈雙曲線變化規(guī)律，在靠近束腰處光斑越小，因此功率密度大，使得溫度梯度和濃度梯度的形成和穩(wěn)定的速度較快。

（2）不同位置的衍射環(huán)直徑大致在束腰前后呈對稱分布，越靠近束腰位置磁流體所形成的衍射圖案直徑越大。高斯光束經(jīng)透鏡變換后，其束腰位置處光斑很小，此時(shí)在很小的范圍內(nèi)能量沿徑向分布，結(jié)果使得折射率在很小范圍有較大的變化，可理解為其散焦能力強(qiáng)，因此光束通過時(shí)發(fā)散程度大，導(dǎo)致衍射圖案直徑大。

3.1 磁流體熱透鏡效應(yīng)在磁場測量上的應(yīng)用

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勻強(qiáng)磁場時(shí)，可觀察到衍射圖案由圓形變?yōu)闄E圓，同時(shí)衍射圖案整體縮小，當(dāng)撤去磁場后，衍射圖案又迅速恢復(fù)為原來的大小和形狀。

對上述結(jié)果有如下討論：

磁流體中的納米粒子含有一定的磁矩，無外加磁場時(shí)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(shí)，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(shí)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，而在垂直于磁場方向則沒有該變化。因此當(dāng)外加磁場時(shí)，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結(jié)束語

在高斯光束作用下，磁流體薄層由于溫度梯度和濃度梯度變化導(dǎo)致折射率沿徑向變化，光束通過后在遠(yuǎn)場形成衍射圖案，不同位置的熱透鏡效應(yīng)不同，衍射圖案也呈一定規(guī)律變化，激光照射處折射率不均勻以及不同位置處功率密度差別較大是導(dǎo)致衍射環(huán)規(guī)律變化的主要原因。衍射圖案的形成特征如時(shí)間、環(huán)的涌出方向表征了熱透鏡效應(yīng)形成過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化;穩(wěn)定時(shí)的環(huán)數(shù)、光強(qiáng)分布表征了薄層中各處折射率的變化。外加磁場時(shí)，衍射圖案發(fā)生形變表明磁流體薄層的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，且磁場會抑制熱透鏡效應(yīng)的強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉璟璐.基于布朗動力學(xué)的磁流體熱透鏡效應(yīng)的理論研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2015.