[发明专利]一种用于研究磁流体折射率与温度和磁场关系的实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于研究磁流体折射率与温度和磁场关系的实验装置，属于敏感材料与传感器技术研究领域。

背景技术

磁流体是磁性微粒借助表面活性剂均匀地弥散在基液中而形成的稳定胶体体系。它兼具固体的磁性和液体的流动性，作为一种新型的功能材料，磁流体有很多独特的光学性质，如可调谐折射率特性、双折射效应、热透镜效应等等。近年来，随着光纤传感领域的飞速发展，基于磁流体折射率可调谐特性的光纤器件层出不穷，因此研究磁流体的折射率与温度和磁场的关系有助于推动磁流体在光学传感领域的进一步应用。

现有文献中对于磁流体折射率测量方法的研究并不多，Yang 等人在2002年首次提出了全反射的方法来测量磁流体的折射率（Yang S Y, Chen Y F, Horng H E, et al. “Magnetically-modulated refractive index of magnetic fluid films,” Applied physics letters, 2002, 81(26): 4931-4933.）。该文章证明了磁流体薄膜的折射率可受外磁场调制。其不足在于：全反射的方法需要一个折射率大于磁流体的棱镜去构建全反射光路，且对于光路的调节十分严格，实验中难以保证很高的精度和重复性。2005年，卜胜利提出了一种基于光纤端面后向反射的方法来测量磁流体折射率（Pu S, Chen X, Chen Y, et al. “Measurement of the refractive index of a magnetic fluid by the retroreflection on the fiber-optic end face,” Applied Physics Letters, 2005, 86(17): 171184-171184-3.）。该方法与全反射方法相比，改进之处在于：结构简单且不涉及光路调节。其不足在于：将光纤插入装有大量磁流体的烧杯中，容易造成磁流体的污染和浪费。

发明内容

在本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提出了一种用于研究磁流体折射率与温度和磁场关系的实验装置，能分别测得当温度场和磁场作用于磁流体时其折射率的变化特性，该特性为磁流体与光纤器件的结合提供理论依据。

在本发明是一种用于研究磁流体折射率与温度和磁场关系的实验装置，包括：激光光源1、光纤耦合器2、光纤环形器3和4、光电探测器5和6、基准探头9、传感探头10及其光纤链路17、除法运算电路7、计算机8及其连接导线18和温度与磁场可控实验装置16，其特征是：激光光源1发出的光经过一个3dB光纤耦合器2，将光分成强度比为50:50的两束，一束光通过光纤环形器3进入传感探头10，另一束光经过光纤环形器4进入基准探头9，经过两个探头反射后的光强信号分别由光电探测器5和6接收，经过除法运算电路7后传输到计算机8处理。在不同的温度和磁场下，磁流体的折射率不同，光电探测器能检测到反射回来的光强变化，进而能用于研究温度和磁场对磁流体折射率特性的影响。

本发明所述的光源采用功率恒定的中心波长为1550nm的激光光源。

在本发明所述的基准探头9和传感探头10是将单模光纤11分别插入填充了去离子水13和磁流体14的毛细管12中后两端由UV胶15密封构成的反射式探头。其中，单模光纤包层直径为125                                                ，毛细管内径为128。

本发明所述的温度和磁场可控实验装置16，其特征在于：当温度与磁场可控实验装置16在用于研究磁流体折射率与温度的关系时，使用装置为温控箱19；在用于研究磁流体折射率与磁场的关系时，使用装置为可编程电源20、液冷恒温均匀磁场发生单元21、液冷循环散热单元22、高斯计23及温控箱19。可编程电源20和液冷恒温均匀磁场发生单元21之间是通过电缆连接，液冷恒温均匀磁场发生单元21和液冷循环散热单元22之间是通过水管连接。液冷恒温均匀磁场发生单元21能够长时间提供稳定的磁场，温控箱19用于保持环境温度不变。通过调节传感探头10和液冷恒温均匀磁场发生单元21的相对位置，可以产生平行于传感探头光路方向的磁场或者垂直于传感探头光路方向的磁场，以实现研究不同的磁场方向和磁场强度对磁流体折射率特性的影响。