磁流体的光学特性及其在光电信息传感领域中的运用

胡红旭

摘  要：本文主要针对磁流体的光学特性进行有效分析，并对其在光电信息传感领域中的运用进行全面探究，由此将磁流体的优势和作用发挥出来，为磁流体在光电信息传感领域中的应用及发展提供有利保障。

关键词：磁流体；光学特性；光电信息传感领域；运用；

一、磁流体的光学特性分析

（一）可调谐折射率

    在磁场下的磁流体，其中的纳米粒子会出现聚集的现象，并呈现出磁柱状态，会出现液相分离，其等效介电常数会发生一定转变。等效介电常数视的公式为：

公式中的属于磁柱中的介电常数；而属于液相中的介电常数，其中强度会伴随场地的强化转变而不断转变。

    可调谐折射率的定义为，是磁流体在一定区域内的表面积，而主要是在一定区域中的磁柱在其中占据的面积比例。另外，电磁化的系数是受磁场强度的变化而改变，也和磁场方向有一定关系。磁场的方向和光纤轴处于垂直状态时，，其磁流体的折射率会由场强不断加大而呈现降低的现象。而磁场和光纤轴呈现平行状态时，，其磁流体的折射率会伴随场强加大而不断变强。以此能够了解到，磁流体折射率的转变会受磁场的强度有所转变，也会受光和磁场呈相对方向有一定联系。

（二）热透镜效应

    如果有一束激光穿过磁流体时，会出现热透镜的效应，会使得横向上的磁流体具有的折射率出现不均匀的现象，可以说在光束穿投磁流体之后会出现发散情况，并在远场能够看到同心圆出现环状干涉环。图1为各个场强下热透镜干涉环状态。

图1  各个场强下热透镜干涉环状态

    在磁流体上加垂直于光束的磁场，那么热透镜的效应将会被抑制住，且场强加大其抑制的强度也会增加，形成该现象的原因包括以下几点：首先，后加的磁场会使得磁性纳米颗粒有额外磁体积力，使得纳米粒子会出现转移现象，因此会对原有温度梯度带来影响，使其变成粒子浓度的分布，因此热透镜效应会受一定的抑制。其次，如加大外部磁场，其磁性纳米颗粒具有的磁能会出现大于自身热能，使得粒子间出现团簇表现，使得磁流体出现分离现象，也会对其因温度梯度所带来的粒子浓度分布带来影响，因此会对热透镜效应带来抑制，在实际中磁流体热透镜效也被运用在制作光学限幅器的工作当中。

（三）光透射特性

    针对这一特性是因外磁场的作用而出现的。外加磁场会使得磁液当中具有的微粒根据磁场的方向而形成链状，磁链的方向会随着磁场方向变化，且磁链间也有距离。如果用一束光射其磁流体膜，设光强是，而出射光强是，其磁场的方向呈现垂直在磁流体膜上，从而转变磁场的大小，其光透过率为，其磁流体光透射率和外磁场在时间推移下的变化曲线由图2所示。图中可以了解到外加磁场不断提升场强，其光透过率值会呈现下降趋势；再向定磁场添加300s，撤掉磁场，其光透过率会呈现增加趋势，直至到达稳定状态。

图2  磁流体光透射率和外磁场在时间推移下的变化曲线图

二、磁流体在光电信息领域中的运用

    针对磁流体有的光学特性有较强的可调谐性质，其能够给新型可调谐光子器件的研究带来新材料。在当前已经有相关研究人员运用磁流体在制作了光子器件。因在外加磁场呈现出平行于磁流体的薄膜表面并入射时，会随外加磁场加大，其磁性微粒会呈现聚集状态，并呈现磁柱链，这样能够看成磁流体的光栅结构。而在一束白光在薄膜呈垂直入射时，会出现色散的现象。而且色散角度不同其波长也不同，换言之，该磁链能够把光分散为不同的波长，也能在该性质的多路复用器的设计中发挥其作用，并提升其效果，如图3所示。

图3   磁流体多路复用器结构图

有关研究者运用磁流体光透射性进行了光开关的设计。主要就是运用转变外加磁场的强度大小，使得磁流体薄膜光透射性能出现改变，以此来对透射光和反射光能量的分配带来影响，以此能够呈现出的效果就是对光进行开关。也有研究者运用磁流体来作为包层，通过设计光纤调制器来发挥磁流体的作用。原理就是转变外加磁场强度大小，由此转变由磁流体折射率作的包层，让入射光能够在磁流体包层范围中呈现全反射衰减的现象，从而损失其传播的光能量，由此实现转变光纤调制器透射的性能。另外，因磁流体折射率以及吸收系数会因磁场的转变而出现变化，但对于其他材料折射率与吸收却是不会转变的，因此在为此光栅加磁场时，其光栅折射率以及吸收系数在进行调制时会出现一定转变，结合光栅理论能够明确，在不同的衍射效率出现转变，其零阶和高阶衍射光能量将会呈现交换现象。针对外加磁场给磁流体添加的位置，呈现出磁场强度方向为垂直长周期光纤光栅之上。因其长周期的光纤光栅当中基模和包层模是耦合的，也就变为频谱选择衰减器件。其中的基模和第个阶包层模耦合展现出第次谐振峰，透射谱当中，也会出现第次衰减频带。针对第次的谐振峰其中心波长能够运用相位匹配条件来明确，其表现形式为：

是基模是第个阶包层模中折射率，而属于长周期的光纤光栅周期。针对长周期光纤光栅其对于在环境折射率的变化下敏感性主要因包层模的折射率对于环境折射率具有的依赖性而出现。如果其环境的折射率呈现逐渐加大的趋势，那么其逼近了长周期光纤光栅的包层折射率，其对于环境折射率会出现较大的敏感性。可以说运用转变外加磁场具有的场强，能够对磁流体折射率进行转变，并且长周期光纤光栅具有的谐振波长也能进行被调谐。

参考文献：

[1] 赵勇, 董俊良, 陈菁菁,等. 磁流体的光学特性及其在光电信息传感领域中的应用[J]. 光电工程, 2009, 36(7):6.

[2] 张杉, 迟宗涛, 孙文轩. 磁流体的光特性及其在光纤领域中的应用[J]. 青岛大学学报:工程技术版, 2021, 36(3):10.