磁流体的光学特性探讨

因为水对太赫兹波有强吸收,因此选择以有机溶液为载体的磁流体进行研究。这里使用的铁磁流体是由美国Ferrotec生产的EMG900系列产品,是通过将10 nm大小的四氧化三铁纳米颗粒分散在轻质矿物油液体石蜡中构成的,并通过表面活性剂保证颗粒的单分散性。三种铁磁流体纳米颗粒的浓度分别为3.9%、7.9%和17.7%。从图7.14(a)可以看出,在没有施加外磁场的情况下,纳米粒子是随机分散的。在施加30 mT电磁场对磁流体磁化后,可以明显看到纳米粒子的团簇现象,如图7.14(b)所示。由于团簇现象产生的磁粉团尺度在1~5μm,因此需要使用50倍显微镜才能观察到。从图7.14(c)可以发现,当铁磁流体没有磁化时,磁流体不存在磁粉团簇链,这表明四氧化三铁颗粒以纳米颗粒的形式均匀散布在载液中(显微镜无法观测到)。在施加外磁场后,纳米颗粒被磁化,聚集成磁粉团。受磁场力、范德瓦耳斯力、液体表面张力等因素的综合影响,形成的磁颗粒团簇大小基本一致,并沿着外磁场方向有序排列,构成磁链结构,如图7.14(d)、图7.14(e)所示。此外,根据反复测试发现,如果没有加热、摇晃和超声等外力影响,这些铁磁流体在一定时间内具有剩磁,这意味着撤掉外磁场后磁链结构仍然可以保持较长时间的稳定。

图7.14　

(a)3.9%的磁流体在没有外磁场作用下的透射电镜图;(b)3.9%的磁流体在30 mT外磁场下的透射电镜图;(c)没有外磁场作用时磁流体的显微照片;(d,e)施加外磁场后磁流体的显微照片[9]

利用可以施加外磁场的太赫兹时域光谱系统对磁流体进行了光谱特性的检测。磁流体被填充在一个对太赫兹波高透的石英比色皿中,比色皿内壁间隔3 mm。样品置于THz-TDS系统的焦点处,如图7.15(a)所示。

(www.xing528.com)

图7.15　

(a)THz TDS系统示意图;(b)参考信号(空比色皿)和0%(不含纳米颗粒的液体石蜡)、3.9%、7.9%、17.7%的磁流体的时域信号;(c,d)0%、3.9%、7.9%和17.7%的磁流体的折射率和吸收系数[9]

我们测量了不同浓度的磁流体在没有施加外磁场时的太赫兹时域光谱,空比色皿的太赫兹时域信号为参考信号。图7.15(b)显示了载液和三种浓度磁流体样品的太赫兹时域光谱信号,从图中可以发现相对于参考信号,样品信号的主脉冲延迟时间与磁流体浓度成正比,而样品信号的幅值衰减也与磁流体的浓度成正比。延迟时间与折射率相关,幅值衰减与样品的吸收系数相关,这说明随着纳米颗粒浓度的增加,磁流体的平均折射率和吸收率都在增加。此外,由于样品信号的脉冲波形几乎与参考信号保持一致,这说明磁流体在太赫兹波段的色散不大。

采用第3章介绍的太赫兹时域光谱系统参数提取和数据处理方法,可以得到三种磁流体在太赫兹波段的折射率和吸收系数谱,如图7.15(c)和图7.15(d)所示。这里定义吸收系数α=[ln(I 1/I 0)]/L,其中I 0是初始强度,I 1是透射强度,L是样品厚度,α的单位是cm-1。

关于磁流体的折射率特性,从图7.15(c)可以看到,这些磁流体在0.2~1.6 THz频率间的色散非常小,折射率随着频率的增加而略有下降。当太赫兹频率为1 THz时,石蜡载液、3.9%、7.9%和17.7%浓度的磁流体的折射率分别为1.46、1.52、1.65和1.92。而从图7.15(d)可以看到,随着磁流体浓度的增加,其吸收系数逐渐增大,同时吸收系数随着太赫兹频率增加而有所增加。在频率为0.2 THz时,石蜡载液、3.9%、7.9%和17.7%浓度的磁流体的吸收系数分别为1.78 cm-1、2.11 cm-1、2.33 cm-1和3.98 cm-1。总的来说,这种载体为液体石蜡的磁流体对THz波的吸收很低。因此可以得出结论：磁流体在太赫兹波段具有低色散和低损耗的光学特性,并且可以通过控制四氧化三铁纳米颗粒的浓度来控制磁流体的折射率,折射率为1.5~1.95。这样的光学性质表明它可以作为THz波段的折射率匹配液体来使用。