磁流体光透射特性的机制及研究方法

苑宝义　 陶丹　 薛海龙　 苑永生　 苑泽　 高爱荣　 张浩

摘要：磁流体的光透射特性具有重要的应用价值。本文首先介绍了磁场对磁流体光透射特性的影响机制，然后总结了磁流体在磁场作用下的仿真研究方法和实验研究方法。

关键词：磁流体；光透射特性；磁场

磁流体是一种新型的纳米功能材料，是一种稳定的胶状液体。磁流体在外加磁场作用下，表现出了光透射率可调谐的特点，有望研制出基于此特点的光学器件，因此，对于磁流体在外磁场作用下的光学透射特性的研究是非常有意义的。

1 磁场对磁流体光透射特性的影响机制

磁流体在外磁场作用下的微观结构会发生变化，没有加外磁场时，磁流体中的颗粒在基液中是随机分布的；加上磁场后，由于磁化作用，磁流体中的磁性颗粒沿着磁场方向排列成链状，链与链之间存在一定的距离，处于一种弱絮凝状态，如图1所示[1]。

图中，左图（a）为磁场未施加状态，右图（b）和（c）为施加状态。（a）中磁性颗粒随机分布，（b）中弱磁场施加后，磁性颗粒形成微小聚集，沿磁场方向形成短链；（c）中随磁场强度的增加，磁链逐渐伸长，形成长链，链与链之间的距离逐渐减小，从而会使得磁流体薄膜的光透射特性发生变化。只有液相部分才能使光透过，随着磁场强度增加，弱絮凝结构逐渐增强，液相部分逐渐较少，使得磁流体的光透射性随着磁场强度的增加而减小。

Yang S Y[2]等人研究了磁流体薄膜的结构，利用磁流体薄膜中液体部分的有效密度和面积比率计算磁流体的透光能力，并通过实验进行了验证。透射率T表示为：

其中，Ms， eff（H）表示外加垂直磁场作用下液相的有效密度，A是指磁流体薄膜的截面面积，Acol是指面积A中磁链所占的截面面积，I和I0分别表示透射光功率强度和初始光功率强度。由于磁性颗粒弱絮凝状态增强，磁流体的等效浓度Ms， eff（H）会相对降低，会影响到光透射率变化，可见磁场对磁流体内部结构和特性有重要的影响。

2 磁流体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法廣泛应用于模拟介质内的光线辐射过程，把复杂的光线传递过程分解为光线的发射、反射、吸收、散射和折射等一系列独立的过程。Satoh Akira[3]早已验证了利用Monte-Carlo方法来仿真磁流体微结构的可行性和有效性，并对仿真方法的理论背景给出了系统的解释。

2）迄今为止，对于磁流体的光透射特性的仿真研究还比较少。1988年，Tasker A[4]用Mento-Carlo法对磁场诱导下顺磁性颗粒在分散体中的相互关系进行了研究，对光束方向垂直于磁场方向时，通过胶状液体的光透射率进行了计算和仿真。

Zhao Yong[5，6]等人也运用Mento-carlo法模拟计算了光束方向垂直和平行于磁场方向时的磁流体薄膜的光谱透射率。利用Mento-carlo方法构建了磁流体模型，仿真了微结构的变化：未加磁场时，颗粒随机分布；加上磁场，磁链逐渐形成，随磁场强度增强，磁链变长，变粗。最后，仿真结果与磁流体光透射特性测量结果相吻合。

2.2 实验研究方法

研究磁流体光透射特性的实验系统可以分为图2中的五部分。光源输出光功率为磁流体输入功率，记为P1，光功率计测量或者数据采集卡采集的光功率为输出功率，记为P2，实验处理数据一般是利用P2与P1的比值作为光透射率来进行。外加磁场部分，可以是直流磁场，也可以是交流磁场。目前研究大部分都是在外加直流磁场的环境下进行的，用电磁铁、两个通电螺线管或强力磁铁来提供均匀的磁场。2012年张虎成[7]搭建了实验系统，将磁流体置于光纤内部，研究了光纤中磁流体在均匀磁场和梯度磁场作用下的光透射特性。2014年Zhao Yong[6]等人搭建了实验系统，测量了磁场垂直于光路和平行于光路时磁流体薄膜的光透射率变化曲线。2015年陶丹[8]等人搭建了基于磁流体的双光路实验系统结构，对磁流体的光学透射特性进行了实验研究。双光路系统抵消了光源的功率波动及环境的温度变化对光透射特性的影响。

3 结语

磁流体中的纳米磁性颗粒会随磁场强度及方向的变化而变化，磁流体的微观结构的改变对磁流体的光透射特性具有重要影响，从仿真和实验对磁流体的光透射特性进行总结。

参考文献：

[1]李德才.磁性液体理论及应用[M].北京：科学出版社，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]张虎成.光纤中磁流体在外磁场作用下光透射特研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[8]陶丹，杨志，张浩，等.基于双光路的磁流体光透射特性研究[J].光通信技术，2015.

资助项目：河北省科技计划项目15212103D

作者简介：苑宝义，高级工程师，主要从事光电缆光电网领域的研究工作。