磁光使用說明書

1、CGT1型磁光調(diào)制實驗儀使用說明書目錄一概述（一）磁光效應(yīng)原理1（二）磁光調(diào)制實驗儀功能特點4二技術(shù)指標(biāo)4三儀器結(jié)構(gòu)（一）光路系統(tǒng)5（二）電路系統(tǒng)6（三）系統(tǒng)連接8四 儀器使用方法（一）實驗前的準(zhǔn)備9（二）實驗內(nèi)容10實驗注意事項11CGT11型磁光調(diào) 制 實驗儀 使 用說明書概述磁光調(diào)制實驗儀作為高等院校新一代的物理實驗儀器，在基礎(chǔ)物理實驗和 相關(guān)專業(yè)的實驗中， 用以研究磁場與光場相互作用的物理過程； 測量磁光效應(yīng)的 旋光特性和調(diào)制特性； 也適用于研究旋光材料的物理性能以及光信息處理的實驗 研究。磁光調(diào)制器在激光通訊、激光顯示等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。一）磁光效應(yīng)原理1 磁光效應(yīng) 當(dāng)平面偏振光穿

2、透某種介質(zhì)時，若在沿平行于光的傳播方向施加一磁場， 光波的偏振面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)， 實驗表明其旋轉(zhuǎn)角 正比于外加的磁場強度 B，這種 現(xiàn)象稱為法拉第（ Faraday）效應(yīng)，也稱磁致旋光效應(yīng)，簡稱磁光效應(yīng)，即： vlB （1）式中 l 為光波在介質(zhì)中的路徑， 為表征磁致旋光效應(yīng)特征的比例系數(shù)， 稱 為維爾德（Verdet）常數(shù)。由于磁致旋光的偏振方向會使反射光引起的旋角加倍， 而與光的傳播方向無關(guān)， 利用這一特性在激光技術(shù)中可制成具有光調(diào)制、 光開關(guān)、 光隔離、光偏轉(zhuǎn)等功能性磁光器件，其中磁光調(diào)制為其最典型的一種。圖 1 磁光效應(yīng)示意圖如圖 1 所示，在磁光介質(zhì)的外圍加一個勵磁線圈就構(gòu)成基本的磁光調(diào)

3、制器 件。2 直流磁光調(diào)制 當(dāng)線偏振光平行于外磁場入射磁光介質(zhì)的表面時， 偏振光的光強 I 可以分解 成如圖 2 所示的左旋圓偏振光 IL和右旋圓偏振光 IR（兩者旋轉(zhuǎn)方向相反 ）。由于CGT11型磁光調(diào) 制 實驗儀 使 用說明書介質(zhì)對兩者具有不同的折射率 nL 和 nR，當(dāng)它們穿過厚度為 l 的介質(zhì)后分別產(chǎn)生2RnRl不同的相位差，體現(xiàn)在角位移上有：nLl式中 為光波波長12L RnL nR l （ 2 ）2如折射率差 nL nR 正比于磁場強度 B，即可得（ 1）式，并由 值與測得的 B與 l 求出維爾德常數(shù) 。圖2 入射光偏振面的旋轉(zhuǎn)運動3 交流磁光調(diào)制 用一交流電信號對勵磁線圈進(jìn)行激勵

4、，使其對介質(zhì)產(chǎn)生一交變磁場，就組成了交流（ 信號 ）磁光調(diào)制器（ 此時的勵磁線圈稱為調(diào)制線圈 ），在線圈未通電 流并且不計光損耗的情況下，設(shè)起偏器 P的線偏振光振幅為 A0，則 A0可分解為 A0 cos及 A0 sin兩垂直分量，其中只有平行于 P平面的 A0 cos分量才能通過 檢偏器，故有輸出光強I （A0 cos ）2 I 0 cos2（馬呂斯定律 ）其中 I 0 A02為其振幅。式中 為起偏器 P 與檢偏器 A 主截面之間的夾角， I0 為光強的幅值，當(dāng)線 圈通以交流電信號 i=i 0 sint 時，設(shè)調(diào)制線圈產(chǎn)生的磁場為 B=B0 sint，則介質(zhì) 相應(yīng)地會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角 = 0 si

5、nt，則從檢偏器輸出的光強為：2I I0 cos ( )CGT11型磁光調(diào) 制 實驗儀 使 用說明書3)I 0 1 cos2( ) I0 1 cos2( 0 sin t) 由此可知光輸出可以是調(diào)制波的倍頻信號。 以上就是電信號致使入射光旋光角變化從而完成對輸出光強調(diào)制的基本原 理。4 磁光調(diào)制的基本參量磁光調(diào)制的性能主要由以下兩個基本參量來描述1)調(diào)制深度 ImaxIminmaxI min4)式中 Imax 和 Imin 分別為調(diào)制輸出光強的最大值和最小值，在 02 的條件下，參照圖 3 應(yīng)用倍角公式，由( 3)式得到在時的輸出光強分別為：I max I20 1 cos2( )I min I2

6、0 1 cos2( )(5)如圖 3 所示：圖3 調(diào)制光強幅度隨旋光角變化的情況2)調(diào)制角幅度 0令 I A I max Imin 為光強調(diào)制幅度將( 5)式代入化簡得IA I0 sin2 sin2由此可見， 若起偏器 P與檢偏器 A 主截面間夾角 45 時，調(diào)制幅度可達(dá) 最大值 IAmax I0 sin2CGT11型磁光調(diào) 制 實驗儀 使 用說明書此時調(diào)制輸出的極值光強為：Imax I20 （1 sin2 ）6）Imin I0 （1 sin 2 ）min 2將此式代入（ 4）式得45 時的調(diào)制深度和調(diào)制角幅度：sin20 1si2n1I m a x Im i nIm i nI m a7） 磁

7、光介質(zhì) 激光光源 激光波長 激光器輸出功率2.5mW 直流勵磁電流01.5A 連續(xù)可調(diào)（ 3.5 位數(shù)字顯示）二）磁光調(diào)制儀功能特點1 本儀器可進(jìn)行下列實驗： 顯示磁光調(diào)制波形，觀察磁光調(diào)制現(xiàn)象 測定磁光介質(zhì)的旋光角與磁場強度的特性曲線 測量磁光介質(zhì)的特征參量 進(jìn)行磁光調(diào)制的光通訊實驗與演示 測量磁光介質(zhì)的維爾德常數(shù)2 本儀器特征 提供光功率可調(diào)的半導(dǎo)體激光器作為光源 采用鋱玻璃與重火石玻璃作為磁光介質(zhì) 具有大幅度的交流調(diào)制信號和直流勵磁，且勵磁穩(wěn)流正負(fù)連續(xù)可調(diào) 偏置電流與光強輸出大小用數(shù)字顯示，量程寬廣，精確直觀 調(diào)制光接收靈敏度高，輸出波形穩(wěn)定；調(diào)制信號與解調(diào)輸出波形可 同時顯示進(jìn)行比較分

8、析 光電轉(zhuǎn)換器帶游標(biāo)測角機構(gòu)，分辨率高技術(shù)指標(biāo)鋱玻璃及重火石玻璃半導(dǎo)體激光器（或氦氖激光管）630 680 nmCGT11型磁光調(diào) 制 實驗儀 使 用說明書 交流內(nèi)調(diào)制信號（另附外接信號插座 ） 光電轉(zhuǎn)換測角器分辨率 磁感應(yīng)強度 靜態(tài)光電流顯示精度 電源 環(huán)境溫度電壓 0 40Vpp連續(xù)可調(diào) 電流 0 200mA連續(xù)可調(diào) 頻率 1KHz 正弦波200.2 T （電磁鐵）100 A（3。5 位數(shù)字顯示）AC 220V10% 頻率 50Hz040三 儀器結(jié)構(gòu)磁光調(diào)制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由兩大單元組成，如圖 4 所示一）光路系統(tǒng)由激光管（ L）、起偏器（ P2）、帶調(diào)制線圈的磁光介質(zhì)（ TG 或 ZF6）、有

9、測 角裝置的檢偏器（ A ），檢偏器與光電轉(zhuǎn)換成一體的接收單元 （R）以及附加的減光 器（P1）和直流勵磁的電磁鐵（ M ）等組裝在精密光具座上，組成磁光調(diào)制器的 光路系統(tǒng)（圖 4 上部）。注：鋱玻璃與火石玻璃系磁光效應(yīng)相異懸殊的兩種介質(zhì)，后者因維爾德常數(shù)甚小而必須置于電磁鐵的勵磁線圈中，才能顯著呈現(xiàn)光電接收器組件前部的檢偏器（ A ）有兩個刻度盤，位于前端的圓盤，其四 周由四檔 090的刻度盤構(gòu)成（以 2.5 分度）。旋轉(zhuǎn)帶光孔和刻線的錐體可調(diào)圓盤用以粗調(diào)檢偏器的角度， 后面的精密測微量角器， 用以細(xì)調(diào)檢偏器的旋角， 如CGT11型磁光調(diào) 制 實驗儀 使 用說明書圖 5 檢偏與光電接收組件注

10、 ： 檢偏器的粗調(diào)盤預(yù)置在 0 度，調(diào)節(jié)旋角時除大幅角調(diào)節(jié)外通常二）電路系統(tǒng)除激光電源與光電轉(zhuǎn)換接收部件，其余電路組裝在主控單元中（圖 4 ）圖 6 為電路主控單元的儀器前面板圖， 各控制與顯示部分的作用如下： 電源開關(guān) 用于控制主電源，接通時開關(guān)指示燈亮，同時對半導(dǎo)體 激光器供電外調(diào)輸入 用以對磁光介質(zhì)施加外接音頻調(diào)制信號的插座（插入外來信號時內(nèi)置信號自動斷開） 。調(diào)制加載 用于對磁光介質(zhì)施加交流調(diào)制信號（內(nèi)置 1KHz 的正弦波）調(diào)制幅度 用以調(diào)制交流調(diào)制信號的幅度CGT11型磁光調(diào) 制 實驗儀 使 用說明書直流勵磁 用于對電磁鐵施加直流調(diào)制電流的開關(guān)（僅在打開電源后有效）勵磁強度 調(diào)節(jié)直

11、流勵磁電流大小，用以改變對磁光介質(zhì)施加的直 流磁場勵磁極性 用以改變直流磁場的極性的開關(guān)解調(diào)幅度 用以調(diào)節(jié)監(jiān)視或解調(diào)輸出信號的幅度光強指示 數(shù)字顯示經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的光電流接收強度的量計，可反 映接收光強的大小勵磁指示 數(shù)字顯示直流勵磁電流的量計調(diào)制監(jiān)視 將調(diào)制信號輸出送到示波器顯示的插座解調(diào)監(jiān)視 將光電接收放大后的信號輸出送到示波器顯示的插座解調(diào)輸出 解調(diào)信號的輸出插座，可直接插入有源揚聲器圖 7 為電路主控單元的后面板圖，各插座作用如下： 至接收器 與光電接收單元連接的線纜接口 至激光器 供半導(dǎo)體激光器的電源插座 勵磁輸出 供直流調(diào)制電流的插座 調(diào)制輸出 供交流調(diào)制信號電流的插座注： “勵磁輸

12、出”的直流電流主要供火石玻璃的鐵磁線圈；必要時也 可用于對鋱玻璃等的空芯線圈供電。圖 8、圖 9 分別為測試鋱玻璃與重火石玻璃磁光介質(zhì)時的實驗系統(tǒng)CGT11型磁光調(diào) 制 實驗儀 使 用說明書圖 8 系統(tǒng)實驗測試 1圖 9 系統(tǒng)實驗測試 2三）系統(tǒng)連接1 光源 將半導(dǎo)體激光器電源線纜插入后面板的“至激光器”插座 中。如使用 He Ne 激光管需另配套專用電源， 其輸出直流高壓務(wù)必按正負(fù)極性正確連接 ）。2 磁光調(diào)制 將鋱玻璃調(diào)制線圈兩端引出線插入后面板上調(diào)制輸出端 插座。3 光電接收 將光電接收部件（ 位于光具座末端 ）的電纜連接到電路主CGT11型磁光調(diào) 制 實驗儀 使 用說明書控單元后面板上

13、“至接收器”插座，以便將接收信號送到 主控單元，同時主控單元也為光電接收電路提供電源。4 信號輸出 光電接收信號經(jīng)主控單元轉(zhuǎn)接后由解調(diào)監(jiān)視插座輸出； 主 控單元中的內(nèi)置信號（ 或外調(diào)輸入信號 ）則由調(diào)制監(jiān)視插 座輸出。兩者分送到雙蹤示波器，以便同時顯示波形，進(jìn) 行比較。5 揚聲器 將有源揚聲器插入解調(diào)輸出插座， 以便作調(diào)制通訊的演示 實驗。注：揚聲器發(fā)聲的音質(zhì)與光路調(diào)整、調(diào)制幅度以及信號源的性6 交流電源 主控單元后面板裝有帶開關(guān)的三芯標(biāo)準(zhǔn)插座，用以連接 220V 市電交流電源。四 儀器使用方法（一）實驗前的準(zhǔn)備1 按圖 4 的系統(tǒng)組成圖以及圖 8（或圖 9）的實驗系統(tǒng)圖， 首先在光具座的 滑

14、座上放置好激光器和光電接收器 （通常光電接收器位于光具座右側(cè)末 端）2 參照圖 8 的實驗系統(tǒng)，按系統(tǒng)連接方法將激光器、鋱玻璃介質(zhì)磁光調(diào)制 器以及與檢偏器一體的光電接收器等組件連接到位。 檢偏器的兩刻度盤 均預(yù)置在 0 位（參見圖 5）3 光路準(zhǔn)直：打開電源開關(guān)，接通激光器電源，點亮激光器，調(diào)節(jié)激光器 尾部的旋鈕，使激光器達(dá)足夠光強。按照同軸等高方法，測量激光器出 光點與接受器接收孔兩處高度或?qū)⒓す馄魍平怆娊邮掌鳎?調(diào)節(jié)激光器 架的前后各三只夾持螺釘， 使激光器基本與光具座導(dǎo)軌平行并使激光束 落在接收部件塑蓋的中心點上。然后將激光器遠(yuǎn)離（移至導(dǎo)軌的另一 端），再次微調(diào)后側(cè)的夾持螺釘，務(wù)使光點

15、仍落在接收孔中心位置上。 調(diào)準(zhǔn)激光器與接收器的位置后不必再動。4 用所提供的電纜線分別將“調(diào)制監(jiān)視”與“解調(diào)監(jiān)視”插座與雙蹤示波 器的 Y與 Y的輸入端相連。5 插入起偏器（ P2 ），接收光強指示應(yīng)呈現(xiàn)讀數(shù)；調(diào)節(jié)起偏器，使光強指 示器近于 0，表示檢偏器與起偏器的光軸正處于正交狀態(tài)（ PA ），記 下起偏器角度。再將起偏器旋轉(zhuǎn)約 45角，使兩偏振面在此夾角下調(diào)制CGT11型磁光調(diào) 制 實驗儀 使 用說明書幅度達(dá)最大值。（參見（ 6）式）6 調(diào)節(jié)激光強度，使光強指示的讀數(shù)在“ 4 5”左右注 ：若激光器調(diào)至最大值而光強仍感太小時， 需要適當(dāng)調(diào)節(jié)起偏器7 將磁光調(diào)制器插入鏡片架中，擰緊定位壓環(huán)的

16、兩只滾花螺釘，將調(diào)制器 予以固定，然后將鏡片架插入光具座后對準(zhǔn)中心， 務(wù)使激光束正射透過。注 ： 為使激光能正射透過磁光介質(zhì)，必需反復(fù)對激光、磁光調(diào)制介質(zhì)與光 電接收孔三者加以準(zhǔn)直調(diào)整。（二）實驗內(nèi)容1 觀察磁光調(diào)制現(xiàn)象（1）按圖 4 所示，參照圖 8“系統(tǒng)連接”方法準(zhǔn)備就緒（ 用鋱玻璃調(diào)制器線纜插入主控單元后面板的“調(diào)制輸出”兩插座中）。（2）打開調(diào)制加載開關(guān)，調(diào)制幅度開關(guān)最大，此時直流磁場為零，轉(zhuǎn) 動檢偏器，在示波器上同時觀察到調(diào)制波形與解調(diào)輸出波形；再細(xì)調(diào)檢偏 器的轉(zhuǎn)角，即可明顯地看到解調(diào)波與調(diào)制波的倍頻關(guān)系，此時光強指示為 最小值，檢偏器透光軸與起偏器透光軸垂直， 90 。2 測量調(diào)制

17、深度與調(diào)制角幅度 在示波器中顯示出解調(diào)波形時，調(diào)節(jié)檢偏器偏角，讀出波形曲線上相應(yīng) 的光強信號的最大值 Imax 和最小值 Imin ，代入（6）式和（7）式，計算出調(diào) 制深度 和調(diào)制角幅度 0。3 測定旋光角與外加磁場的關(guān)系 改變調(diào)制幅度大小，讀出不同幅度下示波器波形曲線上相應(yīng)的 Imax 與Imin 值（以格值表示），計算出對應(yīng)的 和 0 值。4 測量直流磁場對磁光介質(zhì)的影響 （1）按實驗內(nèi)容 1 中（ 2）步驟，調(diào)出調(diào)制波的倍頻信號。（ 2）將勵磁電磁鐵（ M ）插入可調(diào)滑座上置于接收器前，電磁鐵中間 放入磁光介質(zhì)重火石， （先將重火石插在兩磁軛之間，磁軛平面與兩磁極相CGT11型磁光調(diào)

18、制 實驗儀 使 用說明書吻合）如圖 10 所示。將電磁鐵引出線纜插入后面板的“勵磁輸出”兩插座中（注意：紅對紅，黑對黑）圖 10（3）調(diào)節(jié)可調(diào)滑座高低左右，使激光能準(zhǔn)確穿過重火石中心。調(diào)節(jié)接 收器滑座，使激光能精確進(jìn)入接收孔。此時，示波器可見倍頻信號。（ 4）開啟直流勵磁， 使勵磁線圈通以直流電流 IDC，轉(zhuǎn)動勵磁強度旋鈕， 使勵磁指示表達(dá)到 1.5A ，示波器無倍頻信號顯示，此時記下接受器上測角 器的讀數(shù)（建議做此實驗前將測角器刻度 0對 0），旋轉(zhuǎn)測角器微調(diào)，使示 波器重顯倍頻信號，再記下此時測角器讀數(shù)，其差值為重火石磁致旋光角。（5）將測角器刻度 0對 0，改變直流電流（由勵磁電流表讀出 ），每隔 0.3A 測量一次，記下旋光角度與相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角，畫出 B（IDC）的關(guān)系曲線。注：調(diào)制線圈中部頂端開有小孔， 用以插入特斯拉 （場強） 計測量線圈的磁感應(yīng)強度 B（由于測試探頭處于線圈邊緣，其中部的 B應(yīng)為 2倍測試值）。根據(jù) B 與偏角 ? 值，即可由（ 1）式計算出磁光介質(zhì)的維爾德常數(shù)5 磁光調(diào)制與光通訊實驗演示將音頻信號（ 來自收音機、錄音機、 CD 唱盤等音源 ）輸入到“外調(diào)制