浅析磁流体激光热透镜效应及其应用

王先云

摘 要 根据激光热透镜效应理论实验观察了磁流体的激光热透镜现象，分析其是由于激光能量呈高斯分布引起的温度梯度和浓度梯度所导致的衍射图像。探索距束腰前后不同位置对磁流体热透镜效应强度的影响，并对现象进行分析，还探索了外加磁场对磁流體激光热透镜现象的影响。

关键词 热透镜效应;磁流体;激光能量

引言

热透镜效应属于光热效应的一种，最常见的热透镜效应产生原因是：当激光在介质中进行传输时，部分能量被介质吸收，介质中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，所以介质温度呈横向梯度变化，从而引起介质折射率的横向梯度变化，产生类似凹透镜的效果。对于热透镜效应的应用的探索主要集中在化学试剂中痕量分析和激光器性能改善方面，而在功能性材料的热透镜现象上的研究则相对较少。本实验设计着眼于研究功能性纳米材料磁流体的热透镜现象，尝试得出有关的实验规律。

1磁流体热透镜效应原理

磁流体的光吸收系数相对较大，对温度敏感，当一束功率适当的高斯激光照射到磁流体样品时，样品会吸收激光的部分能量，导致该区域温度上升，在磁流体的内部会形成由激光热能诱导产生的温度梯度和浓度梯度变化，热传导和热扩散的总效果是使磁流体内部的折射率沿着半径方向（垂直于高斯激光的传播方向）呈现空间非均匀分布，类似一个凹透镜。磁流体微粒对入射光线有散射作用，散射光线间由于光程差的不同，将在远场由于光波叠加而形成同心圆状的热透镜效应衍射环[1]。

2实验装置设计

本实验采用单光束构型，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，并在远处放置观察屏观察。实际实验过程中为了避免重力对磁流体样品的干扰，利用反射镜将激光偏折使其竖直入射到磁流体样品中，样品为约50 μm厚的磁流体薄片，再由反射镜将光束偏折为水平方向，投到观察屏上观察和记录，如图1 所示。

3实验现象及分析

将磁流体薄片放进光路后，可观察到衍射图像为从中心向外一环接一环的涌出，得到不同位置衍射环的形成时间、衍射环的直径，磁流体热透镜效应的衍射图案随时间变化情况为由黑暗开始，从中心一个接着一个涌出圆环，随着时间增加，圆环数量增加，衍射图案变大，最后趋于稳定，刚开始热透镜效应并不明显，折射率梯度较小，因此衍射图案圆环数量少，直径小;随着时间的累积，高斯光束持续对磁流体薄层进行加热，折射率梯度进一步加大，边缘折射率高，中心折射率低，衍射图案圆环数量随之增加，直径变大;当到达一定时间后，热透镜效应达到平衡状态，此时折射率分布趋于稳定，不再发生变化，因此衍射图案不再发生变化。则有如下讨论：

（1）不同位置的衍射环形成并达到稳定的时间大致在束腰前后呈对称分布，越靠近束腰位置形成并稳定的时间越短。在沿光束传播上，光束光斑直径呈双曲线变化规律，在靠近束腰处光斑越小，因此功率密度大，使得温度梯度和浓度梯度的形成和稳定的速度较快。

（2）不同位置的衍射环直径大致在束腰前后呈对称分布，越靠近束腰位置磁流体所形成的衍射图案直径越大。高斯光束经透镜变换后，其束腰位置处光斑很小，此时在很小的范围内能量沿径向分布，结果使得折射率在很小范围有较大的变化，可理解为其散焦能力强，因此光束通过时发散程度大，导致衍射图案直径大。

3.1 磁流体热透镜效应在磁场测量上的应用

当在已产生热透镜效应的磁流体上垂直激光方向施加匀强磁场时，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，衍射图案又迅速恢复为原来的大小和形状。

对上述结果有如下讨论：

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，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结束语

在高斯光束作用下，磁流体薄层由于温度梯度和浓度梯度变化导致折射率沿径向变化，光束通过后在远场形成衍射图案，不同位置的热透镜效应不同，衍射图案也呈一定规律变化，激光照射处折射率不均匀以及不同位置处功率密度差别较大是导致衍射环规律变化的主要原因。衍射图案的形成特征如时间、环的涌出方向表征了热透镜效应形成过程中微观结构的变化;稳定时的环数、光强分布表征了薄层中各处折射率的变化。外加磁场时，衍射图案发生形变表明磁流体薄层的微观结构发生了变化，且磁场会抑制热透镜效应的强度。

参考文献

[1] 刘璟璐.基于布朗动力学的磁流体热透镜效应的理论研究[D].沈阳：东北大学，2015.