磁场作用下磁流体的热透镜效应及应用研究

汪 顺，钱慧霖，马 攸，陈俊帆，过 城，雷 鸣，龚红梅

(苏州城市学院 光学与电子信息学院，江苏 苏州)

热透镜效应属于一种光热效应，产生热透镜效应最常见的原因是因为当激光在介质中进行传输时，因介质会吸收光的能量，从而在沿激光传输的路径上产生热量，由于激光光束的能量呈高斯型分布，所以介质在横向上的温度呈现梯度变化，也使介质折射率会产生横向梯度变化，显示出类似凹透镜的效果[1]。目前对于热透镜效应的应用的探索主要集中在化学试剂中一些痕量分析和激光器性能研究方面，对纳米材料的热透镜现象上的研究及应用并不多见。本文研究了功能性纳米材料磁流体的热透镜现象，并探讨了在外加磁场条件下磁流体的热透镜现象的变化规律。

1 原理

磁流体即磁性流体，指的是吸附有表面活性剂的磁性微粒在基载液中弥散分布而形成的稳定胶体体系，它是一种具有随外加磁场强度而有可控流变特性的纳米材料。在静态时磁流体无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性。这种胶状液体不仅有固体磁性材料较强的磁性，还兼具有液体的流动性，并且有许多其他固体磁性材料与液体物质所不具有的特殊性质[2]。磁性微粒很小，尺寸为纳米量级，具有磁单畴结构，从而具有超顺磁性。将厚度适当的磁流体置于两片透明的玻璃片之间并加以封装，便做成了一个磁流体薄片。将一束一定波长的激光束聚焦在磁流体薄片上，在薄片另一侧的屏幕上可得到一组同心衍射光环，这就是热透镜效应。在与激光束平行的方向上施加磁场H 时，会发生衍射环的半径r 随H 的变化而变化的现象，称为磁流体热透镜耦合光磁效应[1]，见图1。

图1 热透镜耦合光磁效应原理图

其发生机理简述如下：当激光束聚焦到磁流体薄片上时，由于磁流体对光的吸收而沿着激光束的束腰半径r 方向形成温度梯度，进而导致磁流体折射率的变化在沿r 方向上近似高斯分布形成一个等效的凹透镜；激光束中的光线被以不同角度折射，发生相互干涉而产生衍射光环。

施加磁场后，磁场作用于磁流体，其内部的非球形对称的磁性微粒[3]沿磁场取向，改变了对激光的散射状态，从而迭加上另一凹透镜效应。磁流体的超顺磁性质使衍射环半径与磁场发生依存关系。理论研究表明，衍射环半径正比于场强的平方[1]。

磁流体中的纳米粒子含有一定的磁矩，无外加磁场时各磁矩方向杂乱无章，整体不显示磁性。当外加匀强磁场时，有一定磁矩的纳米粒子在磁场中亦不受力，不发生移动，但此时纳米粒子间的磁矩在平行于磁场方向上会由于磁矩之间的吸引作用相互吸引在一起，磁矩转动后进行排列，而在垂直于磁场方向则没有该变化。因此当外加磁场时，平行于磁场方向上受到纳米粒子之间磁矩间吸引作用的影响，抵抗了部分热效应，使该方向上的衍射图案受到压缩，磁场越强，纳米粒子之间磁矩的吸引作用也越强，对该方向上热透镜效应的削弱越明显[4]。

2 实验及装置

本实验样品采用磁流体薄片，磁流体薄片的制作方法如下：通过水热法制备实验中所需的纳米四氧化三铁，将其分散在水中，配置成适当浓度的磁流体。将厚度为50～80 μm 的磁流体置于两片透明的玻璃片之间并加以封装，便形成了一个实验所需的磁流体薄片样品。磁流体本身为黑色，并不透光，但当其仅为微米级别的薄层时，可使部分光线透过。为制作实验所需磁流体薄片，采用在两面玻璃中隔垫一层双面胶的方式，再进行严密封装。尽量使得样品薄片各处厚度均匀，保证薄片既不会因为太厚使激光无法透过，又不至于太薄以致制作过程中薄片中难以均匀分布。将一束633 nm 波长的激光束聚焦在磁流体薄片上，在薄片另一侧的屏幕上可得到一组同心衍射光环，这就是热透镜效应。

对于特定的磁流体薄片，以下几点是影响衍射模式的因素：外加磁场、环境温度、磁流体与透镜间的距离及入射激光的功率。保证环境温度稳定，固定光路后，即可探究磁场与衍射环的关系。本实验所采用的实验装置分为两部分，一部分是光路设计搭建，另一部分为磁场提供装置的搭建。

首先是光路设计。热透镜效应的观察光路有多种构型，本实验根据所研究介质的特点，采用如图2 所示的立体单光束构型，氦氖激光器产生的激光，同时充当加热光束和探测光束，经过凸透镜之后入射到磁流体样品中，并在光路下方放置观察屏观察。

图2 实验装置图

在设计磁场装置上，本实验选用自制的亥姆霍兹线圈提供稳定的磁场，图3 即为本实验自制的亥姆霍兹线圈装置。实验时将磁流体放在磁场中心位置。两个共轴半径为R 的线圈，当其间距d=R 时两线圈正中间轴线处磁场最为均匀，称为亥姆霍兹线圈[5]。

图3 自制亥姆霍兹线圈

在测试亥姆霍兹线圈各处磁场强度的过程中，发现线圈间距与磁场强度曲线有以下关系，见图4。

图4 线圈间距与磁场强度关系图

而亥姆霍兹线圈（图3）中心轴线上的磁场为:

表1 是自制线圈通电后，中心磁场强度与电流的大小关系。由表1 数据可知，实验自制的磁场发生装置亥姆霍兹线圈中心可以提供278～2 023 μT 的中心磁场。当电流从0.1 A 到0.8 A 变化时，磁场随着电流的增大而增大，呈严格的线性关系，见图5。

表1 磁场强度与电流的大小关系

图5 电流与磁场强度关系图

3 实验步骤

先接通He-Ne 激光器的开关，调整光路，使激光准直。调好磁流体薄片的位置，将其放置线圈的中间。调整反射镜的角度，使激光经过上面一系列的透镜作用后穿过磁流体薄片，投射在观察屏中央。再对呈现在观察屏上的图样进行拍照。接着打开连接线圈的开关，调整电流I，重复上面的操作。之后按照上面的操作进行多组实验，但要保证同一个磁流体薄片的前提下进行实验。实验可观察到，当不施加磁场时，衍射图样为圆形。当在已产生热透镜效应的磁流体上垂直激光方向施加均匀磁场时，可观察到衍射图案由圆形变为椭圆，同时衍射图案整体缩小，当撤去磁场后，衍射图样又迅速恢复为原来的大小和形状。最后将采集到的数据分析处理，测量出衍射图样的长轴和短轴。图6是电流I 在0 A 和0.5 A 时的图像。

图6 衍射环施加磁场后的变化（从左到右磁场增加）

4 实验结果讨论

实验采用测量衍射图样离心率的方法来衡量衍射图样变形程度，见图7。由于磁场与电流成正比关系，实验中记录电流大小来表示磁场的强弱。通过测量数据，最终得出电流与离心率的关系见表2。

表2 不同电流条件下离心率的大小

图7 电流大小与衍射图样离心率关系

结果显示，磁场大小与衍射图样离心率呈线性上升趋势。

5 结论

本文研究了磁流体薄膜置于磁场中，磁场大小与热透镜效应中衍射圆环的离心率的关系，研究表面磁场大小与离心率成正比关系，由此提供了一种新的测量磁场的方法。相对于传统的测量磁场方法，该方法有能在低温下测量，能测量微弱磁场的优势。能应用于真空环境下，测量微小磁场，有发展前景。通过改进激光束的模式、质量以及磁流体封装方法，还能进一步提高磁场的测量精度。