磁性液体是一种新型的智能型材料,在磁场的作用下会表现出许多独特的光学性质。随着对磁性液体磁光效应研究的不断深入,磁性液体已经在光开关、调制器、滤波器等光子器件方面得到了广泛应用。本论文主要研究磁性液体中的磁性纳米颗粒及非磁性颗粒与激光的相互作用。在磁光效应方面,我们系统地研究了磁性纳米颗粒及非磁性颗粒在磁场作用下对激光的调制；在微纳米粒子光操纵方面,我们对磁性纳米颗粒以及磁空穴(magnetic holes)进行了光操纵。此外,在激光的作用下,我们利用磁性纳米颗粒对二氧化硅小球热迁移系数(即Soret系数)的调制作用对二氧化硅小球进行热力操纵并实现了二氧化硅小球三维周期性结构的自组装。　　 本论文的研究内容主要是作者在博士期间的一些研究工作,全文分为七章,其主要内容如下:　　 在第一章中,我们主要介绍了本论文的研究背景。首先,我们简要的综述了光与物质的相互作用研究进展。其次,我们对磁性液体及反磁性液体(inversemagnetic fluids)的研究进展进行了简单的介绍,最后,我们详细的综述了在磁性液体与光的相互作用方面的研究现状,提出了开展磁性液体与激光相互作用研究的必要性。　　 在第二章中,我们系统地研究了激光的功率密度对磁性液体开关性能的影响。通过实验我们发现,磁性液体的开关速度与激光的功率密度有着密切的关系,通过适当的选择如射光的光功率密度,磁性液体的开关性能得到了极大的改善,对比度达到12 dB,开关的时间达到1.5 s。此外,我们还在实验中发现,磁性纳米颗粒在光势阱的作用下也会形成磁性团簇。这些磁性团簇的生成加速了磁性纳米颗粒在磁场作用下的成团速率。　　 在第三章中,利用磁性纳米颗粒在激光(532 nm)作用下的成团效应实现了光控光开关(用532 nm激光控制1550 nm的激光),其对比度可达40 dB,开关时间减小到44 ms。通过测量磁性液体在激光及磁场作用下的透过谱,我们发现在由磁性团簇形成的无序系统中存在着光子带隙。随着磁场强度的增加,光子带隙的中心波长会往长波方向移动。这个实验结果表明,在磁场作用的前后,光通过磁性液体后光强的变化不能简单地归结为几何屏蔽效应,其内在的物理机制应该是无序系统对光的安德森局域化。　　 在第四章中,我们系统地研究了磁空穴在磁场作用下的动力学过程。通过测量反磁性液体在磁场作用下的白光透过谱,我们发现反磁性液体具有很强的增透效应。当反磁性液体中的磁空穴浓度为2.3 x109 ml-1时,其最大增透因子在红外波段达到150；当反磁性液体中的磁空穴浓度大于2.3 x109ml-1时,最大增透因子从150下降到了2；随后最大增透因子随着磁空穴浓度的进一步增加再次出现上升的趋势。通过观察磁空穴在平行磁场作用下的排列情况我们发现,反磁性液体可以根据所含磁空穴浓度大小分为不同的相——气相、液相、固相。当反磁性液体处于不同的相区时,在磁场的作用下,磁空穴之间的相互作用有很大的差别,所形成的结构也不一样。正是这种结构的不一样导致了含不同浓度磁空穴的反磁性液体在磁场作用下的最大增强因子会出现不一样的变化趋势。很显然,当最大增透因子从150下降到2时,反磁性液体由液相过渡到了固相。此外,我们还比较含不同磁空穴浓度的反磁性液体的开关性能并分析其内在的物理机制。　　 在第五章中,我们对反磁性液体中的磁空穴进行了光操纵。在引入磁场情况下,不同粒径的磁空穴在操纵光的作用下会表现出不一样的动力学行为。在薄样品中,当磁场强度达到一定的阈值时,被光势阱俘获的11μm磁空穴会在排斥力的作用下迅速逃离光势阱的束缚,在光斑处形成磁空穴的耗尽区；而对于4.3μm的磁空穴,则不会出现类似的现象。当我们在厚样品池中开展同样的实验时,11μm即使在强磁场的作用下还是会被光势阱束缚在光斑处。通过观察磁性团簇以及磁空穴在样品池顶部及底部的分布情况,我们发现磁性团簇大都集中在样品池的上部,而磁空穴都集中在样品池的底部。这种现象表明,在厚的样品中,在垂直样品的方向上存在磁场的梯度,正是由于磁场梯度的存在使得11μm的磁空穴仍然被光势阱束缚在光斑处。除了磁空穴的光操控,我们观察了磁空穴在平行磁场作用下形成的链结构在光散射力作用下的运动过程并分析了其内在的物理机制。　　 在第六章中,我们提出了一种制备胶体晶体的新方法。通过改变反磁性液体中磁性纳米颗粒的浓度来调制对掺入其中的二氧化硅小球的Soret系数。通过适当地选择反磁性液体中磁性纳米颗粒的浓度,二氧化硅小球的有效Soret系数会得到显著的提高(20倍)。在聚焦激光的作用下,磁性纳米颗粒在温度梯度的作用下快速地向光斑四周运动,在光斑处会形成磁性纳米颗粒的耗尽区；与此同时,二氧化硅小球在有效Soret系数得到增强的情况下快速地向光斑中心运动并组装成有序的三维周期性结构。通过改变反磁性液体中磁性纳米颗粒的浓度,我们系统地研究了有效Soret系数对二氧化硅小球三维自组装的影响。为了制备胶体晶体,我们还在盖玻片上对二氧化硅小球进行了自组装,并利用磁性纳米颗粒吸收激光能量所产生的热量将水分蒸干后获得了二氧化硅胶体晶体。　　 在第七章中,我们对主要研究内容进行了总结,分析了我们在研究中存在的不足以及还未解决的问题。在此基础之上,我们对后期工作中的研究方向进行了展望。