磁光效應(yīng)實驗報告

1、磁光效應(yīng)實驗報告班級：光信息31姓名：張圳學(xué)號：21210905023同組：白燕，陳媛，高睿孺 近年來，磁光效應(yīng)的用途愈來愈廣，如磁光調(diào)制器，磁光開關(guān)，光隔離器，激光陀螺中的偏頻元件，可擦寫式的磁光盤。所以掌握磁光效應(yīng)的原理和實驗方法非常重要。1 實驗?zāi)康?. 掌握磁光效應(yīng)的物理意義，掌握磁光調(diào)制度的概念。2. 掌握一種法拉第旋轉(zhuǎn)角的測量方法（磁光調(diào)制倍頻法）。3. 測出鉛玻璃的法拉第旋轉(zhuǎn)角度和磁感應(yīng)強度B之間的關(guān)系。2 實驗原理 1. 磁光效應(yīng)當(dāng)平面偏振光穿過某種介質(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)，實驗表面其旋轉(zhuǎn)角正比于外加的磁場強度B，這種現(xiàn)象稱為法拉第（F

2、araday）效應(yīng)，也稱磁致旋光效應(yīng)，簡稱磁光效應(yīng)，即： （9-1） 式中為光波在介質(zhì)中的路徑，v為表征磁致旋光效應(yīng)特征的比例系數(shù)，稱為維爾德常數(shù)，它是表征物質(zhì)的磁致旋光特性的重要參數(shù)。根據(jù)旋光方向的不同(以順著磁場方向觀察)，通常分為右旋(順時針旋轉(zhuǎn))和左旋(逆時針旋轉(zhuǎn))，右旋時維爾德常數(shù)vO，左旋時維爾德常數(shù)v nL時，q 0，表示右旋；當(dāng)nR 0，表示左旋。假如nR和nL的差值正比于磁感應(yīng)強度B，由（5）式便可以得到法拉第效應(yīng)公式（1）。式中的為單位長度上的旋轉(zhuǎn)角，稱為比法拉第旋轉(zhuǎn)。因為在鐵磁或者亞鐵磁等強磁介質(zhì)中，法拉第旋轉(zhuǎn)角與外加磁場不是簡單的正比關(guān)系，并且存在磁飽和，所以通常用比法

3、拉第旋轉(zhuǎn)q F的飽和值來表征法拉第效應(yīng)的強弱。式(5)也反映出法拉第旋轉(zhuǎn)角與通過波長l 有關(guān)，即存在旋光色散。微觀上如何理解磁場會使左旋、右旋圓偏振光的折射率或傳播速度不同呢？上述解釋并沒有涉及這個本質(zhì)問題，所以稱為唯象理論。從本質(zhì)上講，折射率nR和nL的不同，應(yīng)歸結(jié)為在磁場作用下，原子能級及量子態(tài)的變化。這已經(jīng)超出了我們所要討論的范圍，具體理論可以查閱相關(guān)資料。其實，從經(jīng)典電動力學(xué)中的介質(zhì)極化和色散的振子模型也可以得到法拉第效應(yīng)的唯象理解。在這個模型中，把原子中被束縛的電子看做是一些偶極振子，把光波產(chǎn)生的極化和色散看作是這些振子在外場作用下做強迫振動的結(jié)果。現(xiàn)在除了光波以外，還有一個靜磁場作

4、用在電子上，于是電子的運動方程是 （6）式中是電子離開平衡位置的位移，m和e分別為電子的質(zhì)量和電荷， k是這個偶極子的彈性恢復(fù)力。上式等號右邊第一項是光波的電場對電子的作用，第二項是磁場作用于電子的洛侖茲力。為簡化起見，略去了光波中磁場分量對電子的作用及電子振蕩的阻尼（當(dāng)入射光波長位于遠離介質(zhì)的共振吸收峰的透明區(qū)時成立），因為這些小的效應(yīng)對于理解法拉第效應(yīng)的主要特征并不重要。假定入射光波場具有通常的簡諧波的時間變化形式eiwt，因為我們要求的特解是在外加光波場作用下受迫振動的穩(wěn)定解，所以的時間變化形式也應(yīng)是eiwt，因此式（6）可以寫成 （7）式中，為電子共振頻率。設(shè)磁場沿 +z方向，又設(shè)光波

5、也沿此方向傳播并且是右旋圓偏振光，用復(fù)數(shù)形式表示為將式（7）寫成分量形式 （8） （9）將式（9）乘并與式（8）相加可得 （10）因此，電子振蕩的復(fù)振幅為 （.11）設(shè)單位體積內(nèi)有N個電子，則介質(zhì)的電極化強度矢量。由宏觀電動力學(xué)的物質(zhì)關(guān)系式（c 為有效的極化率張量）可得 （12）將式（10）代入式（12）得到 （13）令wc=eB/m（wc稱為回旋加速角頻率），則 （14）由于，因此 （15）對于可見光，w 為（2.5-4.7）1015s-1，當(dāng)B=1T時，wc1.71011s-1 w，這種情況下式（5.16.15）可以表示為 （16）式中wL= wc/2=(e/2m)B,為電子軌道磁矩在外磁

6、場中經(jīng)典拉莫爾（Larmor）進動頻率。 若入射光改為左旋圓偏振光，結(jié)果只是使wL前的符號改變，即有 （17）對比無磁場時的色散公式 （18）可以看到兩點：一是在外磁場的作用下，電子做受迫振動，振子的固有頻率由w0變成w0wL，這正對應(yīng)于吸收光譜的塞曼效應(yīng)；二是由于w0的變化導(dǎo)致了折射率的變化，并且左旋和右旋圓偏振的變化是不相同的，尤其在w 接近w0時，差別更為突出，這便是法拉第效應(yīng)。由此看來，法拉第效應(yīng)和吸收光譜的塞曼效應(yīng)是起源于同一物理過程。實際上，通常nL、nR和n相差甚微，近似有 （19）由式（5）得到 （20）將式（19）代入上式得到 （21）將式（16）、式（17）、式（18）代入

7、上式得到 （22）由于，在上式的推導(dǎo)中略去了項。由式（5.16.18）得 （23）由式（5.16.22）和式（5.16.23）可以得到 （24）式中l(wèi) 為觀測波長，為介質(zhì)在無磁場時的色散。在上述推導(dǎo)中，左旋和右旋只是相對于磁場方向而言的，與光波的傳播方向同磁場方向相同或相反無關(guān)。因此，法拉第效應(yīng)便有與自然旋光現(xiàn)象完全不同的不可逆性。3 測量原理和方法根據(jù)馬呂斯定律，如果不計光損耗，則通過起偏器，經(jīng)檢偏器輸出的光強為 （25）式中，I0為起偏器同檢偏器的透光軸之間夾角a =0或a =p 時的輸出光強。若在兩個偏振器之間加一個由勵磁線圈（調(diào)制線圈）、磁光調(diào)制晶體和低頻信號源組成的低頻調(diào)制器（參見圖

8、.4），則調(diào)制勵磁線圈所產(chǎn)生的正弦交變磁場B=B0sinwt，能夠使磁光調(diào)制晶體產(chǎn)生交變的振動面轉(zhuǎn)角q= q0sinwt，q0稱為調(diào)制角幅度。此時輸出光強由式（25）變?yōu)?（26）由式（26）可知，當(dāng)a 一定時，輸出光強I僅隨q 變化，因為q 是受交變磁場B或信號電流i=i0sinwt控制的，從而使信號電流產(chǎn)生的光振動面旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化為光的強度調(diào)制，這就是磁光調(diào)制的基本原理。圖4 磁光調(diào)制裝置根據(jù)倍角三角函數(shù)公式由式（26）可以得到 （27）顯然，在的條件下，當(dāng)q=-q0 時輸出光強最大，即 （28）當(dāng)q=q0時，輸出光強最小，即 （.29）定義光強的調(diào)制幅度 （.30）由式（28）和式（29）代

9、入上式得到 （31）由上式可以看出，在調(diào)制角幅度q0一定的情況下，當(dāng)起偏器和檢偏器透光軸夾角a=45時，光強調(diào)制幅度最大 （32）所以，在做磁光調(diào)制實驗時，通常將起偏器和檢偏器透光軸成45角放置，此時輸出的調(diào)制光強由式（27）知 （33）當(dāng)a=90時，即起偏器和檢偏器偏振方向正交時，輸出的調(diào)制光強由式（26）知 （34）當(dāng)a=0，即起偏器和檢偏器偏振方向平行時，輸出的調(diào)制光強由式（26）知 （35）若將輸出的調(diào)制光強入射到硅光電池上，轉(zhuǎn)換成光電流，在經(jīng)過放大器放大輸入示波器，就可以觀察到被調(diào)制了的信號。當(dāng)a=45時，在示波器上觀察到調(diào)制幅度最大的信號，當(dāng)a=0或a=90，在示波器上可以觀察到由

10、式（34）和式（35）決定的倍頻信號。但是因為一般都很小，由式（34）和式（35）可知，輸出倍頻信號的幅度分別接近于直流分量0或I0。4 實驗儀器與裝置半導(dǎo)體激光器及其電源，電磁鐵，樣品，偏振片，小角度擺幅裝置，測角儀，光電接受器，電源，特斯拉計，導(dǎo)軌，支架等。五實驗步驟1.首先在光具座的滑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.按系統(tǒng)連接方法將激光器、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。 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，節(jié)激光器尾部的選鈕，使激光器達足夠光強。將激光器基本與光具坐導(dǎo)軌平行并使激光束落在接收部件塑蓋的

11、中心點上。然后將激光器遠離（移至導(dǎo)軌的另一端），再次微調(diào)后側(cè)的夾持螺釘，務(wù)使光點仍落在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和Y的輸入端相連。5.插入起偏器（P2），移去接收單元塑蓋時，接收光強指示應(yīng)呈現(xiàn)讀數(shù)：調(diào)節(jié)起偏器，使光強指使器近于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)制幅度達最大值。6.調(diào)節(jié)激光強度，使光強指示的讀書在“4-5”左右。7.將磁光調(diào)制器插入片架中，擰緊定位壓環(huán)的兩只滾花螺釘，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)必使激光束正射透過。 六.實驗內(nèi)容1

12、觀察磁光調(diào)制現(xiàn)象打開調(diào)制信號開關(guān)，調(diào)節(jié)輸出幅度，在示波器上可同時觀察到調(diào)制波形與解調(diào)輸出波形；再仔細跳檢偏器的轉(zhuǎn)角，即可明顯地看到解調(diào)波與調(diào)制波的倍頻關(guān)系。2. 測定旋光角和外加磁場的關(guān)系曲線。I/ABI/AB0247.7171-172171.51.4245.353882-415040160.2247.2703-7077051.6245.04695-47504722.50.4246.8751266-127012681.8244.85210-535052800.6246.61807-18341820.52.0244.3755455-60605757.50.8246.32352-24152383.52.2244.156320-65816450.51.0245.952860-298029202.4243.8756082-72116646.51.2245.73200-35953397.52