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        基于石英玻璃微流控芯片的磁流體雙折射效應(yīng)研究*

        2021-08-23 02:36:00趙鑫媛張鳳萱
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021年22期
        關(guān)鍵詞:磁場效應(yīng)研究

        趙鑫媛,張鳳萱,盧 迎,蘇 波

        (首都師范大學 物理系,北京100048)

        磁流體通常是由直徑為納米量級(10納米以下)的磁性固體顆粒、載基液混合而成的一種穩(wěn)定的膠狀液體。磁流體在靜態(tài)時無磁性吸引力,當外加磁場作用時,表現(xiàn)出磁性;若撤去外磁場,磁性液體又重新恢復(fù)雜亂無章的無序狀態(tài)而消失磁性。除此之外,在外磁場的作用下,磁性液體內(nèi)部的磁性顆粒會在一定程度上沿著外磁場排列,這樣的排列方式將使得原來的各向同性結(jié)構(gòu)變成各向異性的結(jié)構(gòu),進而使磁性液體具有類似單軸晶體的雙折射效應(yīng)、線性二色性、法拉第旋轉(zhuǎn)和圓二色性。因此,它在實際生活中有著廣泛的應(yīng)用,在理論上具有很高的學術(shù)價值。用納米金屬及合金粉末生產(chǎn)的磁流體性能優(yōu)異,可廣泛應(yīng)用于各種苛刻條件的磁性流體密封、減震、醫(yī)療器械、聲音調(diào)節(jié)、光顯示、磁流體選礦等領(lǐng)域。而在本研究當中所采用的磁性液體是由Fe3O4納米級顆粒以及礦物質(zhì)油作為載基液混合而成。

        由于薄膜狀的磁流體才會產(chǎn)生較為明顯的雙折射效應(yīng),因此可以引入微流控技術(shù)進行該實驗研究。微流控技術(shù)因其試劑消耗少、檢測速度快、操作簡便,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于化學、物理、生物檢測等領(lǐng)域。武亞雄等人[1]將太赫茲技術(shù)和微流控技術(shù)相結(jié)合,分別研究了微流控芯片上微流控溝道的尺寸,微流控芯片的材料及其制作流程,最后用去離子水對該芯片進行了初步測試,證明了該太赫茲微流控芯片的可行性。王楷宬等人[2]對微流控芯片的技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)及其在微生物檢測中的應(yīng)用進行了研究,為動物疫病的高通量檢測打下了基礎(chǔ)。范寧等人[3]研究設(shè)計了兩種可利用透射式太赫茲時域光譜(THz-TDS)系統(tǒng)檢測的夾心式微流控芯片,通過減小THz與水的作用距離來減少水對THz的吸收。劉長春等人[4]利用聚二甲基硅氧烷(PDMS),作為微流控生物芯片的基質(zhì)材料,發(fā)現(xiàn)它顯示出了非常理想的材料特征。

        荊雅潔等人[5]通過理論分析,分別從磁場大小、方向、以及溫度三個因素對磁流體折射率的可調(diào)諧特性進行研究。錢萍等人[6]在理論層面解釋了磁流體磁光效應(yīng)的產(chǎn)生機理。潘學禮等人[7]研究稀磁流體的磁致雙折射效應(yīng)與磁液各參量及磁場的關(guān)系,并基于其磁光弛豫特性與載液粘度的關(guān)系(愛因斯坦方程),初步分析磁液光纖磁光粘度特性及其應(yīng)用的可行性。潘應(yīng)天等人[8]報道了磁流體磁光效應(yīng)的研究動態(tài),并進行磁流體的磁致雙折射現(xiàn)象及其光學雙穩(wěn)特性的研究。實驗表明磁液具有良好的紅外傳輸特性,可用作新型紅外磁光材料。方曉鵬等人[9]基于磁流體的微觀聚集結(jié)構(gòu),建立了研究磁流體薄層光學性質(zhì)的模型,運用蒙特卡洛方法模擬計算了磁流體薄層的光譜透射率,并分析了外加磁場對磁流體薄層透射率的影響。龔雁等人[10]研究了硅油基納米磁流體在梯度磁場作用下,納米磁粉會發(fā)生定向移動,可以聚集到磁場對應(yīng)處,其他部位的硅油基納米磁流體光透過率將恢復(fù)正常,接近純硅油的可見光透過率。都有為[11]對磁性液體的磁光效應(yīng)進行了深入的研究。由此可見,研究者們已經(jīng)從理論上和實驗上對磁流體的光學特性進行了深入的研究。

        1 實驗光系統(tǒng)及裝置

        1.1 實驗光路圖

        本實驗光路由一個波長為532nm的He-Ne激光器、偏振片、電磁鐵系統(tǒng)、裝有濃度為35%磁性液體的微流控芯片及光屏組成。實驗光路圖如圖1所示。

        圖1 實驗光路圖

        1.2 微流控芯片的制作

        石英玻璃對激光具有較高的透過率,且不與載基液發(fā)生反應(yīng),是制備微流控芯片的理想材料。本實驗采用兩片尺寸為3cm×3cm×2mm的石英玻璃作為基片和蓋片,然后在厚度為50μm的3M雙面膠上刻出長寬分別為2cm的方形區(qū)域,再將雙面膠和基片、蓋片相粘合,最終制成微流控芯片,其制作過程如圖2所示。

        圖2 微流控芯片制作示意圖

        1.3 電磁鐵系統(tǒng)

        磁流體的雙折射效應(yīng)需要在外加磁場的條件下才能表現(xiàn)出來,因此在本實驗中,采用一種微型電磁鐵來提供磁場,其通過WYJ-9B型晶體管穩(wěn)壓電源供電,通過調(diào)節(jié)晶體管穩(wěn)壓電源的輸出電壓(輸出電壓范圍:1-30V)來改變電磁鐵的工作電壓,進而調(diào)節(jié)磁場強度的大小。將注有磁性液體的微流控芯片置于不同磁場強度的穩(wěn)定外部環(huán)境中,使激光透過樣品,外加磁場系統(tǒng)裝置如圖3所示。

        圖3 外加磁場系統(tǒng)裝置圖

        2 實驗

        本實驗光路由一個波長為532nm的激光器作為光源,其經(jīng)過一個偏振片后變?yōu)榫€偏光。將裝有磁流體的微流控芯片放置在電磁鐵中間,給微流控芯片中的磁流體樣品施加一垂直于線偏光透射方向的磁場,從而使磁場方向與光的傳播方向垂直。通過調(diào)節(jié)晶體穩(wěn)壓管的輸出電壓,進行磁場大小的調(diào)節(jié)。最終線偏光透過裝有磁流體的微流控芯片,在光屏上觀察雙折射現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)在主光斑旁出現(xiàn)了另一個小光斑,因此證實了磁流體在外加磁場作用下會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。在此之后研究不同溫度對磁流體雙折射效應(yīng)明顯程度的影響,如圖4所示;第二,研究磁流體濃度對雙折射效應(yīng)明顯程度的影響,如圖5所示;第三,研究磁場強度對磁流體雙折射效應(yīng)明顯程度的影響,如圖6所示。

        圖4 溫度對磁流體雙折射效應(yīng)的影響

        圖5 磁流體濃度對雙折射效應(yīng)的影響

        圖6 磁場強度對磁流體雙折射效應(yīng)的影響

        3 結(jié)果與討論

        磁流體磁光效應(yīng)的本質(zhì)是由于磁流體在外磁場作用下產(chǎn)生各向異性,主要由兩個因素決定:一是Fe3O4顆粒的各向異性排列,二是Fe3O4顆粒的磁矩定向。

        磁性液體的磁致雙折射效應(yīng)是由于在外磁場中,外磁場及磁粒間磁偶相互作用使磁粒沿磁場方向旋轉(zhuǎn)和排列形成有序結(jié)構(gòu),磁液成超順磁性。由于磁粒粒徑遠小于光波波長,磁液為光學均勻介質(zhì),其在外磁場中的光學性質(zhì)可近似為單軸晶體光學各向異性,介電張量為:

        其中ε為物質(zhì)常數(shù),對于單軸晶體來說x和y方向的ε與z方向的ε0不同,i為虛部,a為常數(shù)。

        在外磁場的作用下,當人射光沿垂直磁場方向入射時,入射光要分為光振動方向垂直于磁場的o光和光振動方向平行于磁場的e光,o光和e光的折射率no和ne不同,即o光和e光在磁性液體中的傳播速度不同,磁性液體的雙折射即Δn是入射光通過磁液引起的no與ne之差的絕對值:

        其中c為光在真空中的傳播速度,vo與ve分別為o光和e的傳播速度。設(shè)L為磁流體樣品槽的厚度,Δφ為o光和e光通過磁液時的位相差,則有,進而產(chǎn)生了雙折射效應(yīng)。

        在本實驗過程中,觀察到了磁流體在外加磁場的作用下具有雙折射效應(yīng)。在此之后,研究了濃度、溫度、磁場強度對磁流體雙折射現(xiàn)象的影響情況。發(fā)現(xiàn)磁性液體的雙折射效應(yīng)與環(huán)境溫度有關(guān),其雙折射效應(yīng)隨溫度的升高而減小,當溫度為20℃左右時現(xiàn)象最為明顯;第二,磁性液體的雙折射效應(yīng)與磁性液體的濃度有關(guān)。在其他相同條件下,高濃度磁性液體的雙折射效應(yīng)現(xiàn)象明顯,這是由于高濃度磁流體樣品的磁鏈數(shù)量和尺寸較多,進而導(dǎo)致各向異性顯著;第三,磁性液體的雙折射效應(yīng)與外加磁場大小有關(guān),在其他相同條件下,磁場強度越大,雙折射現(xiàn)象越明顯。

        4 結(jié)論

        磁性液體是一種新型的功能材料,它的應(yīng)用十分廣泛,磁光效應(yīng)的研究為許多光學器件的開發(fā)提供了有利的幫助。由于其具有良好的磁光特性,如本研究中研究的磁流體雙折射現(xiàn)象,可用于制作磁光調(diào)制器、衰減器、隔離器、傳感器等。因此,將其作為新型磁光材料進行研究和開發(fā),應(yīng)用前景非常廣闊。

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