磁流体的光特性及其在光纤领域中的应用

张杉 迟宗涛 孙文轩

摘要：  针对磁流体在光纤领域的应用及其发展，本文综述了有关磁流体的成分组成、应用、特点和国内外的研究进展等。对磁流体的可调谐折射率、热透镜效应、光透射特性、双折射性、磁致色散特性等相关光学特性进行总结，并介绍了磁流体在光纤磁场传感器、可调谐磁流体光栅、可调谐光滤波器、光开关、光纤调制器、可调谐偏振光分束器等不同光器件中的应用，同时，分析了近年来国内外学者在光纤领域的研究进展。研究结果表明，虽然光纤磁场传感器凭借优良的性能，在航空航天、土木工程、石油化工、电力行业等领域具有重要作用，但随着光纤传感器的发展，光纤传感器应克服多参数交叉敏感性，其高灵敏度和微型化需要更为严格的封装技术，而且通过各种封装技术光纤传感器可以满足不同环境的应用要求。磁流体光特性的研究在光通信和传感技术等领域具有越来越重要的作用。

关键词：  磁流体; 四氧化三铁; 光学性质; 传感性能; 光纤磁场传感器

中图分类号： TN253  文献标识码： A

收稿日期： 20210402; 修回日期： 20210520

作者简介：  张杉（1994），女，硕士研究生，主要研究方向为信息获取与传感器技术。

通信作者：  迟宗涛（1964），男，教授，硕士生导师，主要研究方向为信息获取与传感器技术、电子测量与电子计量、仪器仪表和光电应用技术。 Email： zoc545s@sohu.com

磁流体也叫磁性液体，是一种稳定的胶体，这是一种新兴的功能材料，主要材料为磁性纳米颗粒（四氧化三铁、三氧化二铁、铁酸锰等）、基液和表面活性剂[1]。磁流体的性质特点是兼具固态磁性物质的磁性和液态物质的流动性[2]。因磁流体具有磁性，可以被磁场控制，广泛应用于密封、润滑、减震、选矿、油水分离、喷墨印刷等领域。1779年，G. Knight将铁磁颗粒和载液混合在一起，但是其性能不稳定，静置一段时间后，二者会分离[3];F. Bitter[4]制作了一种磁粒直径为1 000 nm的水基铁磁流体;W. C. Elmore基于化学共沉法Elmore制备出直径约为10 nm的水基Fe3O4磁流体，但是其稳定性能仍旧很差[5]。为解决太空服头盔转动密封的技术难题，S. S. Papell[6]利用碾磨法制作了一款磁流体，并取得了专利，但其制作方法费时费力、效率低、成本高，因此，此类磁流体并没有得到推广;1966年，日本第1次使用化学方法制得磁流体，此方法效率高，适于工业生产。自20世纪70年代起，磁流体开始转入民用，磁流体的类型多为铁氧型。而金属型磁流体（铁、钴、镍及其合金）的研制成功[7]，使磁流体的饱和磁化强度有了大幅度的提高。20世纪90年代，日本研制出了氮化铁型磁流体[8]，这种磁流体具有良好的抗腐蚀、抗氧化性及较高的磁性能，具有广泛的应用前景。20世纪初，德国塞尔多夫大学制备出新型感热铁磁流体[9];印度本地治里工程学院物理系制备出Co0.5Zn0.5Fe2O4和Mn0.5Zn0.5Fe2O4纳米粒子的热敏磁流体[10]。与国外相比，国内在磁流体制备和应用技术的开发等方面起步较晚。1980年左右，十几所科研机构如北京交通大学、西南应用磁学研究所、北京理工大学等相继开展该领域研究，并取得一定的成果[11];1989年，北京交通大学李德才教授根据磁流体的理论开始对其进行研究与制作，随着不断的探索与实验，已经成功研制出水基、煤油基、双酯基等氧化铁型磁流体，这些磁流体具有性能稳定的优点，可以将其应用于密封和传感器等领域，同时对磁性液体往复运动密封进行了理论研究[12]。由于氧化铁型磁流体中Fe2+易被氧化成稳定态的Fe3+，导致其磁性能衰减，因此使用Mn2+、Zn2+、Co2+代替Fe2+，通过改变锰锌铁氧体和CoFe2O4离子型磁流体[13]的离子结构，可以提高化学稳定性。1990年，我国钢铁研究总院开始研制氮化铁铁磁液，化学稳定性和饱和磁化强度相对较高[14];2005年，东华理工学院成功制作出金属型磁流体CoB，具有强抗氧化性和饱和磁化强度高的优点[15]。此外，国内也成功研制出真空密封的特殊性能的磁流体以及治疗肿瘤的磁热疗磁流体等。基于此，本文主要综述了有关磁流体的成分组成、应用、特点和国内外的研究进展等。该研究推动了光纤磁场传感领域的发展。

1 磁流体的光学特性

1.1 可调谐折射率

当磁流体处于磁场环境中，磁流体中的纳米粒子会发生聚集，形成磁柱，使液相分离，等效介电常数将会随之产生变动。等效介电常数为

εMF=-εcol（1-f）-εliq（f-1）+[εcol（1-f）+εliq（f-1）]2+4（f+1）2εcolεliq2（1+f）（1）

其中，εcol是磁柱的介電常数;εliq是液相的介电常数，且其强度随着场强的变化而变化。

定义f=（Acol/A）/（1-Acol/A），其中，A表示磁流体一定区域的表面积，Acol/A表示一定区域内A中磁柱所占的面积比。磁流体的折射率与等效介电常数及电磁化系数（χ）的关系为

nMF=εMF=1+χ（2）

式中，χ为电磁化系数;nMF为磁流体的折射率;εMF为等效介电常数。

电磁化系数不仅与磁场强度有关，而且还与磁场的方向相关。当磁场方向与光纤轴垂直时，χ/H<0，所以nMF随着场强的增大而减小;当磁场与光纤轴平行时，χ/H>0，所以nMF随着场强的增大而增大[16]。由此可知，磁流体折射率的改变趋势不仅与磁场强度有关，还与光和磁场的相对方向有关。

1.2 热透镜效应

当一束激光通过磁流体时，磁流体将会发生热透镜效应，最终导致横向上的磁流体折射率不均匀，所以当光束通过磁流体后会发散，在一定条件下，远场可以观察到同心圆环状的干涉环。不同场强条件下的热透镜干涉环图案如图1所示。

给磁流体加一个垂直于光束的磁场，热透镜效应得到抑制，而且场强越大，抑制程度越高[17]。其主要原因如下：

1） 外加磁场会导致磁性纳米颗粒具有额外的磁体积力，纳米粒子会因此发生转移，破坏由原来温度梯度而形成的粒子浓度分布，所以热透镜效应受到抑制。

2） 当外加磁场稍大时，磁性纳米颗粒的磁能大于其本身热能，粒子间产生团簇现象，引起磁流体发生相分离，同时破坏由温度梯度而形成的粒子浓度分布，抑制热透镜效应产生[18]，而磁流体的热透镜效应可用于制作光学限幅器。

1.3 光透射特性

磁流体的光透射特性主要受外磁场作用的影响。外加磁场可以使磁液中的微粒沿磁场方向排成链状，且磁链方向和磁场方向相同，磁链之间存在一定的距离。当一束光入射磁流体膜，光强为I0，出射光强为I，磁场方向垂直于磁流体膜，则改变磁场大小，將得到光透过率I/I0，磁流体光透射率与外磁场随时间变化曲

线如图2所示[19]。由图2可以看出，随着外加磁场场强的增加，光的透过率值将逐渐降低;将给定磁场加入300 s后，再将磁场撤掉，则光的透过率发生急速增加，直到成为稳定值。

此外，磁流体薄膜的厚度以及磁流体质量浓度也对磁流体的光透射特性产生影响[20]，磁流体光透过率与膜厚度的关系如图3所示，磁流体光透过率与质量浓度的关系如图4所示。由图3可以看出，随着磁流体膜厚度的增加，光的透过率随之减小;由图4可以看出，当磁流体的浓度逐渐增大时，光的透过率随之减小。

1.4 双折射性

在外加磁场作用下，可导致磁流体的双折射效应[21]。磁流体的双折射效应是指当一束光垂直穿过磁流体薄膜时，在平行于磁流体薄膜方向再外加一个磁场，则光束将发生发散现象，其中，一束发散为寻常光（φo为寻常光的初相位），满足折射定律;另一束发散为反常光（φe为反常光的初相位），两个光束之间的相对相位差为

Δφ=φo-φe=2πno-neL/λ（3）

式中，no为寻常光的折射率;ne为反常光的折射率。双折射Δn可表示为

Δn=sin-12Imin/Imax1+Imin/Imaxchh1-h2×λ/（2πd）（4）

式中，d通常为几微米的量级;Imax是最大输出强度;Imin是最小输出强度;hii=1，2可以由Ii=Ioie-2hiH计算得出，其中，Ioi为零磁场中的输出强度;H为磁场强度。

由此可见，外加磁场，MF膜表现出双折射，其强弱取决于磁场的方向和大小。根据该特性，磁流体可用作可调谐双折射滤波器、光学衰减器和光开关等器件。

1.5 磁致色散特性

当垂直于磁流体薄膜的外磁场较强时，磁流体内部的磁性粒子会形成六角形的磁柱结构，磁柱之间的距离d（2π/r）通常在几微米左右。这种磁柱结构可以起到二维衍射光栅的作用，即当一束平行自然光垂直入射到磁流体薄膜时，不同颜色的光发生衍射，并形成环状衍射条纹，这是磁流体的磁致色散特性。根据该特性，磁流体可用作可调谐光栅，可应用于光学开关、光学调制器和光学显示器件等。

2 磁流体应用

利用磁流体的磁场敏感性和光学特性，使之与传统光纤相结合，可以制作出一系列高性能的光学器件。与传统的光纤器件制作方法相比，用这种方法制作的光纤器件，费用低、更小巧、灵敏度高、不易受环境影响。如：光纤磁场传感器、可调谐磁流体光栅、可调谐光滤波器、光开关、光纤调制器、可调谐偏振光分束器等。

2.1 光纤磁场传感器

由于光纤磁场传感器具有抗干扰、小巧、灵敏度高等独特特性，已得到了国内外学者的广泛关注。

2.1.1 MZ型

基于MZ型的磁场传感器，其输出光强为

Iout=Icore（λ）+Iclad（λ）+2cos（2πΔneffL/λ）（5）

式中，Icore和Iclad是纤芯和包层模式的强度;Δneff是纤芯模式和包层模式的有效折射率差;L是传感臂的长度。

当相位差Φ=（2m+1）π时，m阶干涉波谷的波长为

λm=2ΔneffL/（2m+1）（6）

当环境折射率发生变化时，由于纤芯模式和包层模式对环境折射率变化的响应灵敏度不同。根据式（5）和式（6），有效折射率差发生变化，导致输出透射强度及波长发生变化，因此可以达到磁场传感的目的。

2013年，苗银萍等人[22]通过光纤熔接机将单模光纤制作成单一S型结构，单S结构的模式干涉仪原理图如图5所示。当场强从25～200 Oe变化时，测得强度灵敏度和波长灵敏度分别为0.130 56 dB/Oe和0.056 nm/Oe;2014年，吴继漩等人[23]基于单模拉锥及核偏移，制作了一款双向磁场传感器，双向MZ干涉仪原理图如图6所示。实验结果显示，当磁场垂直于（平行于）光纤轴时，强度灵敏度为-0.025 34 dB/Oe（0.011 11 dB/Oe）。

卜胜利等人[24]基于多模干涉效应，制作了由2个上拉节点构成的传感器。基于上拉节点模式干涉仪如图7所示，该结构对场强变化反应灵敏，灵敏度达到325.3 pm/mT。其制作的多膜（multi mode fiber， MMF）单膜（single mode fiber， SMF）多膜结构对场强的灵敏度最高可达215 pm/mT[25]。由于高低阶包层模式对外界环境变化的响应灵敏度不同，基于光纤拉锥和核偏移制作磁场传感器，基于拉锥和核偏移模式干涉仪如图8所示，其灵敏度可达-0.024 dB/Oe[26]。

2015年，罗龙峰等人[27]将单模光纤拉锥并在光纤的输出端口，外加一个反射镜，与反射镜结合的磁场传感器如图9所示。通过监测其反射谱在不同场强下的变化，测得磁场灵敏度分别为174.4 pm/Oe。2016年，刘海峰等人[28]将单模光纤与微纤维错芯结合，制作一款磁场传感器，微纤维辅助模式干涉仪如图10所示。该传感器在低磁场条件下具备超高灵敏度，当磁场在3～21 Oe变化时，其磁场灵敏度为-1.193 nm/Oe。

2017年，Qian J K等人[29]基于单模多模单模及纤芯偏移结构，制作了多模干涉仪，单模多模单模干涉仪原理图如图11所示。当外加磁场变化时，折射率灵敏度为156.63 nm/RIU（refractive index unit），磁场灵敏度为-97.24 pm/Oe;2018年，Zhang X等人[30]制作了一款双S型模式干涉仪，双S型模式干涉仪如图12所示。测量结果显示，其强度灵敏度为0.011 dB/Oe。

以上研究均基于常规光纤所制得的传感器，基于MZ干涉原理将磁流体与非常规光纤（如中空光纤、光子晶体光纤）结合，也可制得磁场传感器。

2015年，Zhao Y等人[31]将光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF）拉锥，制得在线MZ干涉仪，光子晶体光纤拉锥结构如图13所示。当场强从100～600 Gs变化时，其波长灵敏度为16.04 pm/Gs，分辨率为0.62 Gs，与传统的磁场传感器相比，具有免受电磁干扰的优点。

2017年，Shi F等人[32]制作了一个小巧的磁场传感器，SMFHOFSMF结构如图14所示。将中空光纤（hollow optical fiber，HOF）和单模光纤相结合，形成一个SMFHOFSMF结构。通过监测其波长漂移和透射强度的变化，测得其波长和强度灵敏度分别为-170 pm/Oe和-0.212 68 dB/Oe。

2.1.2 非MZ型

2015年，罗龙峰等人[3334]利用微纤维耦合器（microfiber coupler，MFC），对环境折射率表现出高灵敏度，而磁流体的折射率又受磁场的影响，因此将微纤维耦合器和磁流体相结合，可以实现高灵敏度传感，单MFC结构如图15所示。实验结果表明，其波长和强度灵敏度分别为191.8 pm/Oe和-0.037 dB/Oe。此结构除了可以用于磁场传感，也可应用于磁光调制和滤波等。随后，其团队通过级联2个微纤维耦合器，制作磁场传感器，双MFC结构如图16所示，所制得的磁场传感器波长灵敏度为125 pm/Oe。

2017年，Wang W H等人[35]将含有磁流体的毛细管置于Sagnac环中，基于Sagnac干涉环传感器如图17所示。基于Sagnac干涉效应，利用磁流体的双折射效应，当场强从0～250 Oe变化时，所制作的传感器最大灵敏度为0.006 dB/Oe。

将光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF）、无芯光纤（nocore fiber，NCF）、细芯光纤（thin core fiber，TCF）、空芯光纤（hollow optical fiber，HOF）与传统的单模光纤结合，基于多模干涉效应，通过监测波长漂移或者透射强度变化，也可达到磁场传感的目的。

2012年，Zu P等人[36]制作了一款SMFPCFSMF结构的传感器，基于SMFPCFSMF结构传感器如图18所示。该传感器利用PCF的可调谐光子带隙效应，将折射率引导型的光纤转换为光子带隙光纤，实验结果显示，该传感器的灵敏度为1.56 nm/Oe，比其它类型的传感器高2～3个等级。

2.2 可调谐磁流体光栅

光栅是一种重要的光器件，广泛应用于集成光学、光谱分析和光通信中。当外加平行于磁流体膜的磁场时，随着场强的不断增加，磁性微粒聚集，并开始形成磁链。当场强超过一定阈值时，所有磁链将会聚集，形成一个一维周期性的磁柱链，在平行磁场作用下，磁流体薄膜的磁链结构如图19所示。

由于这些磁柱呈规则排列，因此该结构可看成是一个二维磁流体光栅结构，光栅周期Δχ可以通过磁场的大小和扫频速度调谐，Δχ与场强及扫频速度之间的关系如图20所示。由图20可以看出，当场强从55～150 Oe变化时，Δχ将以指数形式下降;当场强继续增加时，由于饱和磁化强度，Δχ将不再变化。由此可知，Δχ随场强的增大而减小。

Pu S L等人[37]利用传统的光刻技术，设计制作了可调谐磁流体光栅，即用光刻胶刻蚀一个衬底，形成周期性梳状凹槽，烘干之后在凹槽内填入磁流体，最后将一个覆盖层置于光栅之上进行封装，可调谐磁流体光栅制作如图21所示。

因为磁流体具有场依存折射率，所以当给此光栅加上磁场时，由于场强的变化导致折射率和吸收系数变化，进而导致各阶的衍射效率发生变化，即零阶和高阶衍射光的能量发生变化，不同场强下的衍射模式如图22所示。如果光栅吸收系数的调制不是太大，则零阶衍射光的能量可以全部转移到高阶衍射光的能量。

2.3 可调谐光滤波器

利用磁流体折射率的可控性，将磁流体作为包层，通过调整外加场强的大小，可以对长周期光纤光栅（long period grating，LPG）基模与包层模之间的耦合特性进行调谐。第i阶衰减带的中心波长为

λi=nco-niclΛ（7）

式中，nco和nicl分别为纤芯和i阶包层模式的有效折射率;Λ为光栅周期。

Liu Ting等人[38]基于这一特性制作了一款长周期光纤光栅可调谐滤波器。将长周期光纤光栅置于含有磁流体的毛细管中，外加磁场的方向垂直于长周期光纤光栅，长周期光栅可调谐滤波器结构示意图如图23所示。长周期光纤光栅对环境折射率变化的敏感性是由包层膜有效折射率对环境折射率的依赖性引起，当环境折射率靠近长周期光纤光栅包层的折射率时，长周期光纤光栅对环境折射率变化的敏感性急剧增加。所以通过改变磁流体的折射率，LPG衰减带的中心波长可以被相应的调谐。

2.4 光开关

当一束光入射到磁流体膜时，由于磁流体的场依存透射，所以改变外加磁场的大小可以改变磁流体薄膜的光透射特性，而磁流体作为折射率可调谐媒介，又可以影响透射光與反射光的能量分配，从而可以实现光开关的效果[39]，光开关原理图如图24所示。

2.5 光纤调制器

J. J. Chieh等人[40]将磁流体作为包层，设计了一种光纤调制器，基于磁流体光纤调制器结构示意图如图25所示。将磁流体代替SiO2包层，其折射率可通过磁流体的浓度和场强来调整[41]。在无外加场强时，磁流体包层的有效折射率略小于包纤芯折射率。在光纤中，光的传导机制为全内反射，但当外加场强超过一定阈值，纤芯折射率小于包层折射率时，全内反射消失，部分光强将透射进入包层。因此，通过此调制器，在外加场强作用下，可以调节光的透射强度。

实验结果表明，此光纤调制器的透射损耗与场强作用下磁流体包层中的磁柱数量有关。此外，光纤调制器的透射还取决于裸纤芯部分的长度和调制器数量。当级联两个调制器或增加裸纤芯部分长度，调制器的调制深度可以大于20%。因此，通过合理选择调制器的数量、裸纤芯的长度及场强的大小，可以得到理想的调制深度。

2.6 可调谐偏振光分束器

Wang J S等人[42]基于双芯光子晶体光纤（dublecore photonic crystal fiber，DCPCF），设计了一款可调谐偏振光分束器（polarized beam splitter，PBS）。当一束X、Y偏振光通过双芯光子晶体光纤时，通过调整场强，偏振模式可以以任意比例输出，且在一定场强下，偏振模式可以完全转化，PBS原理图如图26所示。

根据光波导理论，在DCPCF中有4种超模传输，分别为Xeven，Yeven，Xodd和Yodd。其耦合特性可以通过模式耦合理论获得。在给定波长条件下，偏振分束器的耦合长度分别定义为

Lx=λ2nxeven-nxodd，

Ly=λ2nyeven-nyodd（8）

式中，nx，yeven和nx，yodd是4种超模的有效折射率;λ为真空中光的波长。

实验结果表明，在PBS为8.13 mm，场强为25 mT时，偏振模式可以进行转化。

3 光纤研究展望

光纤传感原理的基础是光纤导波，外界参量的改变使光纤中传输光的参量被调制，然后再对调制后的光进行检测，以达到感知外界信息的目的，实现对外界各参量的测量[43]。现已提出用于光纤磁场传感的各种基于磁流体的光纤结构，即将单模光纤经过特殊处理（如拉锥、腐蚀、熔融等）后进行拼接，实现光纤传感;将单模光纤与特殊光纤（NCF、TCF、HCF、HOF、PCF等）进行整合，实现光纤传感。在以上传感结构中，光纤磁场传感器凭借优良的性能，在航空航天、土木工程、石油化工、电力行业等领域发挥着重要作用。但随着光纤传感器的发展，人们对其提出了更高的要求。目前，光纤磁场传感器应从解决以下问题来实现具有卓越性能的磁场传感器。

1） 克服光纤传感器多参数交叉敏感性。由于磁场传感器应用时会受到多个环境变量的同时影响，导致其测量精确性降低，因此可通过设计复合参数传感器，实现多参数同时测量。

2） 光纤传感器的高灵敏度和微型化。灵敏度是光纤传感器的重要性能指标之一，设计结构简单且小巧的光纤传感器，可以提高其灵敏度，但会降低其机械性能，因此需要更为严格的封装技术。

3） 光纤传感器在极端环境中的应用。随着时代的发展，如何实现抗腐蚀、抗电磁干扰、抗高温高压的光纤传感器已经成为人们关注的焦点。因此，通过各种封装技术满足不同环境的要求，将会是光纤传感器一个重要的研究方向。

4 结束语

综上所述，光纤传感在未来仍将是国内外学者研究的热点。随着光纤器件的发展，其必定朝着多参量和高灵敏度、结构简单、成本低、适应极端环境的方向发展。本文对磁流体的性质和在光学中的发展和应用做了较为全面的叙述，列举了不同光纤磁场传感器并对其传感机理进行了阐述，重点分析了传感器的灵敏度和磁流体的填充，为研究磁流体的学者们提供了比较全面的理论参考。经研究发现，由于磁流体自身的特殊光学特性，基于磁流体填充的光纤磁场传感器的灵敏度更高。由于磁流体同时具有温度特性，因此在进行磁场测量时会受到外界温度的影响。为了解决磁场与温度的交叉敏感问题，还需要开展更加深入的研究工作。

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Optical Properties of Magnetic Fluid and its Application in Optical Fiber Field

ZHANG Shan， CHI Zongtao， SUN Wenxuan

（The College of Electronic Information， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：  For the application of magnetic fluid in the optical fiber field， this paper reviews the component composition， application， characteristics and the research progress at home and abroad. It summarize the related optical characteristics of tunable refractive index， thermal lens， optical transmission， birefringence and magnetic dispersion， introduces magnetic fluid in optical field sensor， adjustable magnetic fluid grille， optical switch， optical modulator， tunable polarization beam divider and other different optical devices， and analyzes the research progress of scholars at home and abroad in the field of optical fiber. The research results show that although the fiber magnetic field sensors play important roles in aerospace， civil engineering， petrochemical， and power industry， with the development of fiber sensors， they should overcome the cross sensitivity of multiparameters， its high sensitivity and miniaturization need more stringent packaging technology， and the packaging of fiber sensors can meet the application requirements of different environments. The study of magnetofluid optical properties plays an increasingly important role in fields such as optical communication and sensing technology.

Key words： magnetic fluid; Fe3O4; optical properties; sensing performance; optical fiber magnetic field sensor the introductio