磁性液体薄膜磁光特性研究

赵 琳,吴雪磊

（1.天津天狮学院，天津，301700； 2.河北工业大学，天津，300130）

磁性液体薄膜磁光特性研究

赵 琳1,2,吴雪磊2

（1.天津天狮学院，天津，301700； 2.河北工业大学，天津，300130）

本文主要研究了外界磁场的方向和大小对磁性液体薄膜光透射特性的影响。通过设计外界磁场发生装置，经过多组实验得出光透射特性与外界磁场的变化关系。分析实验数据可知，当磁性液体薄膜与外界磁场垂直时，光透射率随外界磁场的增强而增大；当磁性液体薄膜与外界磁场平行时，光透射率随外界磁场的增强而减小。

磁性液体薄膜；光透射特性；磁场设计

磁性液体是一种具有磁化性质的特殊功能液体，外加磁场会改变磁性液体的许多物理特性。这些性质在光调制、光开关、光隔离器、光滤波器和传感器等领域有着重要的应用前景[1-3]。磁性液体薄膜的光透射率是否会随外加磁场作用的变化而变化值得研究。

磁性液体薄膜的光透射率受到多种因素的影响，磁性液体的浓度、磁性液体粒子的大小、磁性液体薄膜的厚度、温度以及外界磁场都会对磁性液体薄膜的光透射率产生影响。本文主要通过实验研究了外界磁场的方向和大小对磁性液体薄膜光透射特性的影响，得到了磁性液体薄膜的光透射率和外加磁场方向和强度之间的变化规律。研究磁性液体薄膜光透射率随外加磁场作用的变化而变化的特性，根据光透射率的空间分布和时间变化，可以分析和确定其它多种物理场量。对研制磁光功能器件具有重要的实际意义。

1 实验装置

1.1 磁性液体薄膜的制备

实验用的磁性液体薄膜由光学玻璃制成，应用的光学玻璃是220nm-2500nm波段范围内透光良好的光学材料，具有特定的光学常数和高透射率。首先通过冲洗确保玻璃的清洁度，然后将两块玻璃对接并向其中注入水基磁性液体。注入磁性液体时需保证两片玻璃中无气泡产生，最后在玻璃四周用硅胶封口，确保气密性。待硅胶干燥后再用酒精擦拭玻璃片，即可得到实验所需磁性液体薄膜。本实验中应用到三种厚度的磁性液体薄膜，为10μm、20μm和30μm，如图1所示。

图1 不同厚度的磁性液体薄膜

1.2 光透射率测量装置

光透射率的大小用AvaSpec-NIR256-1.7光谱仪测得的数据进行分析。该光谱仪中使用了新型传感器和小型化的技术，从而提高了光谱仪的测量速度，减小了仪器的尺寸和体积，增强了测量系统的稳定性。此型号光谱仪具有测量速度快，数据可靠性高，可以用于在线分析等优点。

图2 光透射率测量系统

2 均匀磁场的设计

垂直和水平磁场由通电线圈产生，当两个线圈共轴放置时，在线圈两侧通入直流可控电流，两线圈产生的磁场相互叠加，通过控制两线圈的相对距离，即可产生近似的均匀磁场。实验中选取直径为1.02mm的漆包线作为通电导线，其允许通过的最大电流为3A。为了防止影响线圈外磁场分布，线圈骨架采用高分子绝缘套管，高分子绝缘套管内径为75mm，线圈外径为121mm，线圈匝数为2000匝。

如图3(a)所示，将磁性液体薄膜置于XOZ面上，且中心位于坐标原点处，两线圈间距165mm，此时磁场方向与磁性液体薄膜垂直，称为垂直磁场。如图3(b)所示，将磁性液体薄膜置于YOZ面上，且中心位于坐标原点处，两线圈间距110mm，此时磁场方向与磁性液体薄膜平行，称为水平磁场。实验中改变水平磁场和垂直磁场的大小，观察磁性液体的光透射率随磁场强度的变化情况。

图3 线圈与磁性液体薄膜的位置关系

3 实验结果分析

3.1 薄膜厚度对光透射率的影响

实验中采用10μm、20μm和30μm三种不同厚度的磁性液体薄膜进行测试,在其它条件相同时，不同时间进行分组测试，每组数据取平均值，再对不同组的数据取平均值，以减少误差。

表1 不同厚度下的光透射率值

表1记录的为25℃条件下，在不同厚度的磁性液体薄膜光透射率的值，磁性液体薄膜的光透射率可以通过公式1计算。

式中，Samplen为照射样本光源时,由光谱仪测量的像素n上的A/D计数值；Darkn为关闭样本光源时,测得的像素n上的A/D计数值；Refn为照射参考光源时，测得的像素n上的A/D计数值。从测得的数据可以看出随着磁性液体薄膜厚度的增加，薄膜的光透射率逐渐变小。

3.2 垂直磁场对光透射率的影响

将磁性液体薄膜置于垂直磁场中，改变磁场的强度，测量不同磁场强度下光透射率的数值并绘制相应的曲线，分析垂直磁场对磁性液体薄膜光透射率的影响。

图3所示为三种不同厚度的磁性液体薄膜的光透射率与垂直磁场的关系。不同曲线代表不同厚度的磁性液体薄膜在外界磁场作用下，光透射率的变化情况。

图3 不同厚薄膜光透射率与垂直磁场强度的关系

温度保持25℃不变时，在外界垂直磁场强度从0变化到13.84×103A/m的过程中，厚度为10微米的磁性液体薄膜的光透射率从33.500%增大到34.271%，增大了0.771%；厚度为20微米的磁性液体薄膜的光透射率从26.323%增大到27.242%，增大了0.919%；厚度为30微米的磁性液体薄膜的光透射率从15.419%增大到16.173%，增大了0.754%。由图3可知，磁性液体薄膜的光透射率随外界磁场的增大而增大，在外界磁场强度变化较小时，光透射率变化量不大，当外界磁场增大到一定程度后，光透射率变化量开始变大。

3.3 水平磁场对光透射率的影响

将磁性液体薄膜置于水平磁场中，改变磁场的强度，重复多次实验，测量不同磁场强度下光透射率的数值并根据数据绘制相应的曲线，分析水平磁场对光透射率的影响。

图4为三种不同厚度的磁性液体薄膜的光透射率与水平磁场的关系。不同曲线代表不同厚度的磁性液体薄膜在外界水平磁场作用下，光透射率的变化情况。

图4 不同厚薄膜光透射率与水平磁场强度的关系

温度保持25℃不变，水平磁场下，外界磁场强度从0变化到21.99×103A/m的过程中，厚度为10微米的磁性液体薄膜的光透射率从35.280%减小到34.578%，减小了0.700%；厚度为20微米的磁性液体薄膜的光透射率从26.343%减小到25.734%，减小了0.609%；厚度为30微米的磁性液体薄膜的光透射率从15.469%减小到15.033%，减小了0.436%。由图4可知，磁性液体薄膜的光透射率随外界水平磁场的增大而减小。

4 结束语

本文主要通过实验研究了磁性液体薄膜的厚度、外界磁场的大小与方向对光透射率的影响。实验结果表明，磁性液体薄膜的光透射率随磁性液体薄膜厚度和水平磁场强度的增加而减小，随垂直磁场强度的增大而增大。以20微米厚的磁性液体薄膜为例，当外加垂直磁场强度变化量为13.84×103A/m时，20μm厚的磁性液体薄膜的光透射率最大变化量为0.919%；而当外加平行磁场强度变化量为21.99×103A/m时，20μm厚的磁性液体薄膜的光透射率最大变化量仅为0.609%。在垂直磁场下磁性液体薄膜的光透射率的变化要比水平磁场时的变化更明显。

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赵琳(1981年2月—)，女，汉，河北，硕士研究生，讲师，研究方向：通信技术。

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

科研项目：2013年天津天狮学院校级科研项目资助；项目名称：磁流体薄膜在可调谐光滤波器中的应用研究；项目编号：K13004