2023年法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告完整版法拉效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名:學(xué)號(hào)：專業(yè)班級(jí)：應(yīng)物１01班實(shí)驗(yàn)時(shí)間:教師編號(hào)：Ｔ0１7成績(jī)：法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解和掌握法拉第效應(yīng)的原理;2.了解和掌握法拉第效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)原理；3.測(cè)量法拉第效應(yīng)偏振面旋轉(zhuǎn)角與外加磁場(chǎng)電流I的關(guān)系曲線二、實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)采用FD-FZ-I型法拉第-塞滿效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)儀,儀器結(jié)構(gòu)示意圖如下:實(shí)驗(yàn)原理法拉第效應(yīng)18４5年法拉第發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)會(huì)引起磁性介質(zhì)折射率變化而產(chǎn)生旋光現(xiàn)象,即加在介質(zhì)上的磁場(chǎng)引起了平行于磁場(chǎng)方向傳播的線偏振光偏振面的旋轉(zhuǎn)，且光波偏振面偏轉(zhuǎn)角(磁致旋光角)與光在介質(zhì)中通過(guò)的長(zhǎng)度D及介質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度在光傳播方向上的分量B成正比。此即為法拉第效應(yīng)。法拉第效應(yīng)在固體、液體和氣體中都存在。大部分物質(zhì)的法拉第效應(yīng)很弱，摻稀土離子玻璃的法拉第效應(yīng)稍明顯些,而有些晶體如YIG等的法拉第效應(yīng)較強(qiáng)。同時(shí)，由于法拉第效應(yīng)弛豫時(shí)間極短，對(duì)溫度穩(wěn)定性規(guī)定低。故法拉第效應(yīng)有許多重用的應(yīng)用，如光纖通訊中的磁光隔離器、單通器，激光通訊，激光雷達(dá)等技術(shù)中的光頻環(huán)行器、調(diào)制器等,以及磁場(chǎng)測(cè)量的磁強(qiáng)計(jì)等。磁光隔離器可減少光纖中器件表面反射光對(duì)光源的干擾；磁光隔離器也被廣泛用于激光多級(jí)放大技術(shù)和高分辨的激光光譜技術(shù)，激光選模等技術(shù)中。在磁場(chǎng)測(cè)量和電流方面，可測(cè)量脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)、交變強(qiáng)磁場(chǎng)、等離子體中強(qiáng)磁場(chǎng)、低溫超導(dǎo)磁場(chǎng)、幾千-幾千ＫV的高壓電流等。此外,運(yùn)用法拉第效應(yīng)還可研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、載流子有效質(zhì)量、能帶等。不同物質(zhì)偏振面旋轉(zhuǎn)方向也許不同。通常規(guī)定:振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)方向和產(chǎn)生磁南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名：劉惠文學(xué)號(hào)：專業(yè)班級(jí)：應(yīng)物10１班實(shí)驗(yàn)時(shí)間:教師編號(hào):Ｔ017成績(jī):場(chǎng)的螺旋線圈中電流方向一致，稱為正旋(V＞0)；反之,叫做負(fù)旋(V<０）。對(duì)于給定物質(zhì),其固有旋光效應(yīng)沿順光線和逆光線方向觀測(cè)時(shí)線偏振光的振動(dòng)面的旋向完全相反，因此，當(dāng)光波往返兩次穿過(guò)固有旋光物質(zhì)時(shí)振動(dòng)面復(fù)位。而法拉第效應(yīng)則不然，其旋轉(zhuǎn)方向僅由磁場(chǎng)方向決定，而與光傳播方向無(wú)關(guān)。若磁場(chǎng)方向不變，光線往返穿過(guò)磁致旋光物質(zhì)時(shí),法拉第轉(zhuǎn)角將加倍。運(yùn)用該特性,可令光線在介質(zhì)中往返數(shù)次，從而加強(qiáng)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。與固有旋光效應(yīng)類似,法拉第效應(yīng)也有旋光色散,即V隨波長(zhǎng)λ而變。一束白色線偏振光穿過(guò)磁致旋光物質(zhì),紫光振動(dòng)面要比紅光振動(dòng)面轉(zhuǎn)角大。法拉第效應(yīng)的旋光角及其計(jì)算如圖，一束平面偏振光可看作由兩個(gè)等振幅、不同頻率的左旋和右旋圓偏振光構(gòu)成,如(圖１)。設(shè)線偏振光的電矢量為E，角頻率為ω，則E為左旋圓偏振光ＥＬ和右旋圓偏振光ＥR之和。通過(guò)長(zhǎng)度D的介質(zhì)后，EＬ和ＥR之間產(chǎn)生相位差圖1旋光示意圖

(1)式中vL、tL、nＬ及vＲ、tR、nR分別為ＥL及ＥＲ通過(guò)磁場(chǎng)中磁性介質(zhì)時(shí)的傳播速度、時(shí)間及介質(zhì)折射率。出射介質(zhì)后的線偏振光的轉(zhuǎn)角（法拉第效應(yīng)旋光角）為

(2)在磁場(chǎng)Ｂ中介質(zhì)中原子的電子具有勢(shì)能U,即南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名：劉惠文學(xué)號(hào)：專業(yè)班級(jí)：應(yīng)物1０1班實(shí)驗(yàn)時(shí)間：教師編號(hào)：T017成績(jī):

式中ｅ為電子電荷,ｍ為電子質(zhì)量，LB為電子的軌道角動(dòng)量在磁場(chǎng)方向的分量。在磁場(chǎng)B的作用下,當(dāng)平面偏振光通過(guò)介質(zhì)時(shí),光子與軌道電子發(fā)生互相作用，使軌道電子從基態(tài)躍遷到較高能級(jí)，并獲得角動(dòng)量。躍遷后電子動(dòng)能不變，而勢(shì)能增長(zhǎng)△Ｕ,即

（+相應(yīng)于左旋光子；-相應(yīng)于右旋光子）

由于,因此，在磁場(chǎng)作用下,能量為的左旋圓偏振光子所激發(fā)的躍遷電子的能級(jí)結(jié)構(gòu)等于無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)能量為的左旋光子所激發(fā)的躍遷電子的能級(jí)結(jié)構(gòu)相同。因此

亦即

同理，對(duì)右旋光子,有

則(3)將式(3）代入式(2)得

即

（4）其中南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名：劉惠文學(xué)號(hào):專業(yè)班級(jí):應(yīng)物101班實(shí)驗(yàn)時(shí)間：教師編號(hào)：T017成績(jī)：

(5)為費(fèi)爾德常數(shù)，反映了介質(zhì)的特性,其值由介質(zhì)和工作波長(zhǎng)決定。式（4)即為法拉第效應(yīng)旋轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式。它表白法拉第旋光角的大小與樣品厚度、磁場(chǎng)強(qiáng)度成成正比,并且與入射波光波長(zhǎng)及介質(zhì)的色散有密切關(guān)系。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.接通燈源,調(diào)整各個(gè)部件,使之在同一軸線上(接通電源,預(yù)熱5分鐘，使單色儀輸出單色光）(1)調(diào)節(jié)氦氖激光器使光完全通過(guò)縱向放置的電磁鐵中心的小孔;（２）調(diào)節(jié)刻度盤(pán)高度，使光斑正好打在光電轉(zhuǎn)換盒的通光孔上，此時(shí)旋轉(zhuǎn)刻度盤(pán)上的旋鈕,可發(fā)現(xiàn)光度計(jì)讀數(shù)發(fā)生變化；（３)調(diào)數(shù)顯表靈敏度旋鈕在合適位置（順時(shí)針增長(zhǎng)，逆時(shí)針減少)。靈敏度不同數(shù)顯表數(shù)值跳動(dòng)的快慢不同（注意：同一波長(zhǎng)下選用同一靈敏度）。(４)將檢偏鏡測(cè)角手輪順時(shí)針旋到頭后,再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)兩周,按一下角度數(shù)顯表的清零按鈕，使角度顯示值為零。(5）微動(dòng)光電流數(shù)顯表的調(diào)零旋鈕,使其示值為零。(6）調(diào)節(jié)樣品測(cè)試臺(tái)，并旋動(dòng)測(cè)試臺(tái)上的調(diào)節(jié)旋鈕，使樣品緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)升起，此時(shí)光應(yīng)完全通過(guò)樣品；(７)旋動(dòng)刻度盤(pán)上的按鈕,改變刻度盤(pán)內(nèi)偏振片的檢偏方向。轉(zhuǎn)動(dòng)刻度盤(pán)，找到光度計(jì)示值最小時(shí)的角度(此時(shí)激光器發(fā)出的線偏振光的偏振方向與檢偏方向垂直)，通過(guò)游標(biāo)盤(pán)讀取此時(shí)的角度θ1。2．測(cè)量法拉第效應(yīng)角(1)啟動(dòng)勵(lì)磁電源,給樣品加穩(wěn)定磁場(chǎng),法拉第效應(yīng)產(chǎn)生。將勵(lì)磁電流由零增長(zhǎng)到１A，觀測(cè)數(shù)顯表達(dá)值的變化，此時(shí)可以看到光度計(jì)讀數(shù)增大。再次轉(zhuǎn)動(dòng)刻度盤(pán)，使光度計(jì)讀數(shù)最小,讀取此時(shí)讀數(shù)θ2（２）關(guān)閉激光器電源，旋下樣品,移動(dòng)樣品測(cè)試臺(tái),使磁場(chǎng)測(cè)量探頭正好位于磁隙中心,讀取此時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量值Ｂ，用游標(biāo)卡尺測(cè)量樣品厚度,根據(jù)公式求出樣品的費(fèi)爾德常數(shù)。(3）改變勵(lì)磁電流，在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量三次,取平均值。南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名:劉惠文學(xué)號(hào):專業(yè)班級(jí):應(yīng)物101班實(shí)驗(yàn)時(shí)間：教師編號(hào)：T0１7成績(jī)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解決由實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),化簡(jiǎn)旋光角、I、Ｂ的數(shù)據(jù)表格12345/分03121624Ｂ／ｍT２００4477２８976１1２７I00.51.0１.5２.0[2023/１1/261４：29"／Graph1"（2４5６２５7)]LｉnｅarRｅgresｓioｎforＤａt(yī)a1＿B：Y=Ａ+Ｂ＊XＰarａｍetｅr Valｕe?Error-－－----－-----－-－----------------－----－-----－－-－--－－-－----－－-Ａ －6.57563 2．2121２B?０.0252７ 0.00286----------－--－－--－－-－-－---－－－-－－---------－－-－---－-----－－----從origiｎ7.5軟件分析的數(shù)據(jù)可知:南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名：劉惠文學(xué)號(hào)：