法拉第旋光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告題目: 法拉第旋光效應(yīng) 姓 名 翟浩淋 學(xué) 院 理學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 應(yīng)用物理學(xué) 班 級(jí) 2013214103 學(xué) 號(hào) 2013212819 班內(nèi)序號(hào) 06 2015年 10 月 4 日【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.了解磁光效應(yīng)現(xiàn)象和法拉第效應(yīng)的機(jī)理 。2.測(cè)量磁致旋光角，驗(yàn)證法拉第費(fèi)爾德定律=VBL 。3.法拉第效應(yīng)與自然旋光的區(qū)別 。4.了解磁光調(diào)制原理 ?！緦?shí)驗(yàn)儀器】LED發(fā)光二極管（或白光光源和濾光片），偏振片，透鏡，直流勵(lì)磁電源，導(dǎo)軌，偏振片，集成霍爾援建，5V穩(wěn)壓電源等?！緦?shí)驗(yàn)原理】 介質(zhì)因外加磁場(chǎng)而改變其光學(xué)性質(zhì)的現(xiàn)象稱(chēng)之為磁光效應(yīng)。其中，光通過(guò)處于磁場(chǎng)中的物質(zhì)時(shí)偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的效應(yīng)較為重要

2、，我們稱(chēng)這種偏振面的磁致旋轉(zhuǎn)效應(yīng)為法拉第效應(yīng)。它與克爾效應(yīng)一起揭示了光的電磁本質(zhì)，是光的電磁理論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。法拉第在尋找磁與光現(xiàn)象的聯(lián)系時(shí)首先發(fā)現(xiàn)了線偏振光在通過(guò)處于磁場(chǎng)當(dāng)中的各向同性介質(zhì)時(shí)其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。在磁場(chǎng)不是非常強(qiáng)時(shí)，偏振面的旋轉(zhuǎn)角度 與介質(zhì)的長(zhǎng)度及磁感應(yīng)強(qiáng)度在光的傳播方向上的分量B成正比 （1）比例系數(shù)V成為維爾德（Verdet）常數(shù)，它取決于光的波長(zhǎng)和色散關(guān)系，一般物質(zhì)的維爾德常數(shù)比較小，表1給出了幾種材料的維爾德常數(shù)V。法拉第效應(yīng)與自然旋光不同。在法拉第效應(yīng)中對(duì)于給定的物質(zhì)，光矢量的旋轉(zhuǎn)方向只由磁場(chǎng)的方向決定，而與光的傳播方向無(wú)關(guān)，即當(dāng)光線經(jīng)樣品物質(zhì)往返一周時(shí)，旋光角將倍

3、增。線偏振光可看作兩個(gè)相反偏振量+和 的圓偏振光的相干疊加，從原子物理知識(shí)可知，磁場(chǎng)將使原子中的振蕩電荷產(chǎn)生旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)，旋進(jìn)的頻率等于拉莫爾頻率，即 L =,這里e和m分別為振蕩粒子的電荷和質(zhì)量，B為磁場(chǎng)強(qiáng)度。線偏振光的+和 分量有不同的旋進(jìn)頻率，分別為 和，相應(yīng)的折射率n+和n-，相速度v+和v- 都不同，而在光學(xué)行為中是等效的，偏振面旋轉(zhuǎn)角由下述等式得到，旋轉(zhuǎn)角由光通過(guò)的材料長(zhǎng)度決定,即 （2）上式中，c為光速，為入射光的頻率，上式的推導(dǎo)較為簡(jiǎn)單，是建立在經(jīng)典電磁理論的基礎(chǔ)之上。 由量子理論知道，介質(zhì)中原子的軌道電子磁矩µ= - （3） 式中，e為電子電荷，m為電子質(zhì)量，L為軌道角

4、動(dòng)量，在磁場(chǎng)B中，一個(gè)電子磁矩具有勢(shì)能: EP EP=-µ·B=·B= （4） 其中為電子的軌道角動(dòng)量沿磁場(chǎng)方向的分量。 當(dāng)平面偏振光在磁場(chǎng)B作用下通過(guò)樣品介質(zhì)時(shí)，光子與束縛電子發(fā)生相互作用，光子使束縛電子由基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的電子吸收了光量子的角動(dòng)量（）。因此電子的勢(shì)能增加了 （5）其中正號(hào)對(duì)應(yīng)于左旋圓偏振光量子，負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)于右旋圓偏振光量子，在電子的勢(shì)能增加同時(shí)，光子的能量減少了。由量子理論知道，光子具有的能量為，樣品介質(zhì)對(duì)光子的折射率n=n（）。當(dāng)光子的能量減少了時(shí)，n=n（-），函數(shù)形式未發(fā)生改變。將n在n（）附近展開(kāi)有n=n（-）n（）±

5、; （6）將（5）式代入（6）式有nn（）± （7）正號(hào)為介質(zhì)對(duì)左旋光的折射率，負(fù)號(hào)為介質(zhì)對(duì)右旋光的折射率。將上式代入（2）式 ，并用波長(zhǎng)表示（），則有 （8）上式表明法拉第旋光角的大小與樣品介質(zhì)厚度S、磁場(chǎng)強(qiáng)度B正比，并且和入射光的波長(zhǎng)及介質(zhì)的色散有關(guān)。若用CGS單位制，則有， （9）將（9）式代入（1）式有，V= (10)【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1、 自搭電路，用集成霍爾原件（UGN3503）測(cè)量磁場(chǎng)。2、 測(cè)量勵(lì)磁電流I與磁場(chǎng)B的之間對(duì)應(yīng)的關(guān)系。3、 分別測(cè)量不同的波長(zhǎng)、不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度下的旋光角度。注意：測(cè)量時(shí)要改變磁場(chǎng)方向?！緮?shù)據(jù)處理要求】1、做B-I的曲線圖；2、根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)做不同波長(zhǎng)

6、下磁場(chǎng)強(qiáng)度與旋光度的曲線圖，即-B圖：3、計(jì)算不同波長(zhǎng)嚇的維爾德常數(shù)V：4、根據(jù)上述結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，并給出結(jié)論?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理】1、根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)：0.1A0.2A0.3A0.4A0.5A0.6A0.7A0.8A0.9A1.0A正向電壓/V2.4732.5402.6172.6902.7602.8282.9052.9813.0513.125反向電壓/V2.3182.2472.1742.1032.0321.9621.8921.8241.7541.680根據(jù)公式： 計(jì)算出磁場(chǎng)B：0.1A0.2A0.3A0.4A0.5A0.6A0.7A0.8A0.9A1.0A正向/T5.9211.08172

7、2.622833.2339.154550.3856.08反向/T-6-11.46-17.07-22.54-28-33.38-38.77-44-49.38-55.08matlab擬合圖像： 正向：擬合結(jié)果：得出正向B-I的關(guān)系為： B=55.84I+0.134反向：擬合結(jié)果：得出反向B-I的關(guān)系為： B=-54.3I-0.70532、 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)：正向消光處角度：0A0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A藍(lán)光/°305311.5319327.2332.2339.7綠光/°124.8130134.5139.5144.5148紅光/°124.9128131.3134

8、.5137.5140.5反向消光處角度：0A0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A藍(lán)光/°305296.5289.5280.5273268.5綠光/°124.8119.5114.3109.5104.5100.5紅光/°124.9121.5118114.5110.8108.3根據(jù)內(nèi)容1中的B-I關(guān)系：0A0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A正向B/T0.134028.054055.974083.8940111.8140139.7340反向B/T-0.7053-27.8553-55.0053-82.1553-109.3053-136.4553消除勵(lì)磁線圈中的剩磁

9、影響，消除零點(diǎn)誤差：0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A正向B/T27.9255.8483.76111.68139.6反向B/T-27.15-54.3-81.45-108.6-135.75正向旋光角度：（與勵(lì)磁線圈電流為0A時(shí)的消光角度差）0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A藍(lán)光/°6.51422.227.234.7綠光/°5.29.714.719.723.2紅光/°3.16.49.612.615.6反向旋光角度：（與勵(lì)磁線圈電流為0A時(shí)的消光角度差）0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A藍(lán)光/°-8.5-15.5-24.5-32-36.5綠光

10、/°-5.3-10.5-15.3-20.3-24.3紅光/°-3.4-6.9-10.4-14.1-16.61)、正向藍(lán)光（465nm）圖：擬合數(shù)據(jù)：關(guān)系：2）、正向綠光（565nm）圖：擬合數(shù)據(jù)：關(guān)系：3）、正向紅光（635nm）圖：擬合數(shù)據(jù)：關(guān)系：4）、反向藍(lán)光（465nm）圖：擬合數(shù)據(jù)：關(guān)系：5）、反向綠光（565nm）圖：擬合數(shù)據(jù)：關(guān)系：6）、反光紅光（635nm）圖：擬合數(shù)據(jù)：關(guān)系：3、 計(jì)算不同波長(zhǎng)的維爾德常數(shù)V：根據(jù)公式： 得出： 晶體長(zhǎng)度為：3cm藍(lán)光（465nm）的維爾德常數(shù)V：（單位：度/特斯拉·厘米）0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A正向

11、V0.07760.08360.08830.08120.08290.0827反向V0.10440.09520.10030.09820.08960.0975綠光（565nm）的維爾德常數(shù)V：（單位：度/特斯拉·厘米）0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A正向V0.06210.05790.05850.05880.05540.0585反向V0.06510.06450.06260.06230.05970.0628紅光（635nm）的維爾德常數(shù)V：（單位：度/特斯拉·厘米）0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A正向V0.03700.03820.03820.03760.03720.0377反向V0.04170.04240.04260.04330.04080.04214、 結(jié)論：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理可以得到：1、 電流反向時(shí)，得到的維爾德常數(shù)值較大；2、對(duì)于同一物質(zhì)，照射光的波長(zhǎng)越大，維爾德常數(shù)值越大；3、磁致旋光效應(yīng)中，對(duì)于同一波長(zhǎng)的光，旋光度隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大，并且成線性關(guān)系。【實(shí)驗(yàn)注意事