磁光效應實驗報告講解

1、磁光效應實驗報告班級：光信息31姓名：張圳學號：21210905023 同組：白燕，陳媛，高睿孺近年來，磁光效應的用途愈來愈廣，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 光效應的原理和實驗方法非常重要。一.實驗目的1 .掌握磁光效應的物理意義，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e和磁感應強度B之間的關(guān)系。二.實驗原理1 .磁光效應當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8正比于外加 的磁場強度B,這種現(xiàn)象稱為

2、法拉第（Faraday）效應，也稱磁致旋 光效應，簡稱磁光效應，即：0 = vlB（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)v>0,左旋時維爾德 常數(shù)實驗還指出，磁致旋光的方向與磁場的方向有關(guān)，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、 光偏振等功能性磁光器件，在激光技術(shù)發(fā)展后，其應用價值倍增。如用于光纖

3、通訊系統(tǒng)中的磁光隔離器等。2 .在磁場作用下介質(zhì)的旋光作用從光波在介質(zhì)中傳播的圖象看，法拉第效應可以做如下理解：一 束平行于磁場方向傳播的線偏振光，可以看作是兩束等幅左旋和右旋 圓偏振光的迭加。這里左旋和右旋是相對于磁場方向而言的。圖3法拉第效應的唯象解釋如果磁場的作用是使右旋圓偏振光的傳播速度c/版和左旋圓偏 振光的傳播速度c/機不等，于是通過厚度為4的介質(zhì)后，便產(chǎn)生不 同的相位滯后：所爭定，附苧M(2)式中4為真空中的波長。這里應注意，圓偏振光的相位即旋轉(zhuǎn)電矢量 的角位移；相位滯后即角位移倒轉(zhuǎn)。在磁致旋光介質(zhì)的入射截而上, 入射線偏振光的電矢量E可以分解為圖3所示兩個旋轉(zhuǎn)方向不同的 圓偏振

4、光比和2,通過介質(zhì)后，它們的相位滯后不同，旋轉(zhuǎn)方向也 不同，在出射界而上，兩個圓偏振光的旋轉(zhuǎn)電矢量如圖5.16.3(b)所示。 當光束射出介質(zhì)后，左、右旋圓偏振光的速度又恢復一致，我們又可 以將它們合成起來考慮，即仍為線偏振光。從圖上容易看出，由介質(zhì) 射出后，兩個圓偏振光的合成電矢量E的振動而相對于原來的振動而 轉(zhuǎn)過角度夕其大小可以由圖3(b)直接看出，因為夕我一8 =少心+6( 3 )所以(4)由(6.16.2)式得0 = (nR nL)d = 0p d(.5)A當時，90,表示右旋；當時，。0,表示左旋。假如 做和m的差值正比于磁感應強度8,由(5)式便可以得到法拉第效 應公式(1)。式中

5、的許為單位長度上的旋轉(zhuǎn)角，稱為比法 A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，所以通常用比法拉第 旋轉(zhuǎn)外的飽和值來表征法拉第效應的強弱。式也反映出法拉第旋 轉(zhuǎn)角與通過波長義有關(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。 從木質(zhì)上講，折射率加和m的不同，應歸結(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 到法拉第效應的唯象理解。

6、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，還有一個靜磁場占作 用在電子上，于是電子的運動方程是m勺-+ kr = -eE（ 6 ） drI dt）式中M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），因為這些小的效應對 于理解法拉第效應的主要特征并不重要。假定入射

7、光波場具有通常的簡諧波的時間變化形式即明因為我 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，所以尸的時 間變化形式也應是因此式（6）可以寫成/2,、一 廿 一 E 8蘆（四）一"）/+/ corxB = - E mm（7） 式中豌=4而，為電子共振頻率。設(shè)磁場沿+z方向，又設(shè)光波也沿 此方向傳播并且是右旋圓偏振光，用復數(shù)形式表示為E = E、m+iE、 * 將式（7）寫成分量形式Bv = -£t（8）mm（3？ 一ar）,-? Bx = -Ey（ 9 ）mm將式（9）乘i并與式（8）相加可得10(%2 -療)*+匯)+ B(x + 60 = -(£v+ iE

8、J mm因此，電子振蕩的復振幅為(10)x + iy =;( Ex + iEv)1(例:- 6?*) + ecoB(.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，= -N/。由宏觀電動力學的物質(zhì)關(guān)系式(Z為有效的極化率張量)可得_ A _N4_ _Ne(x + 3)J""%E £yE q (Ex + iEjJu(12)將式(10)代入式(12)得到nJ/i“-2213ng - co HBm(13)令恐二eB/m (念稱為回旋加速角頻率)，則Ne2 /ms(Z =；-3： -co1 +G)COc(14)由于 = £/% = 1 + 7 ,因此(1

9、5)對于可見光,口為(2.547)x10*，當8=仃 時,公L7x10”s-i«g,這種情況下式(5.16.15)可以表示為2_Ne" ”人心一 (3+例)2_療(16)式中公二公/2=(e/2m)&為電子軌道磁矩在外磁場中經(jīng)典拉莫爾(Larmor)進動頻率。若入射光改為左旋圓偏振光，結(jié)果只是使公前的符號改變，即有Nel(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，振子的固有頻率由磔變成曲士電，這正對應于吸收光譜的塞曼效應；二是由于映的變化導致了折射率的變化，并且左旋和右旋圓偏振的變化是不相同的，尤其在。接近砥時，差別更為

10、突出，這便是法拉第效應。由此看來，法拉第效應和吸收光譜的塞曼效應是起源于同一物理過程。實際上，通常m、&和相差甚微，近似有2n(19)由式（5）得到0 7T-叱)(20)將式（19）代入上式得到將式（16）、式（17）、式（18）代入上式得到(21)0 - NeJ 1=，* , £jd 2cm1 s n (就一/(22)由于龍?zhí)K,在上式的推導中略去了說項。由式（5.16.18）得dn Ne2 co(23)由式（5.16.22）和式（5.16.23）可以得到0 - edn1 ed 2c mdco2c mdnABcU(24)式中a為觀測波長，a為介質(zhì)在無磁場時的色散。在上述推導中

11、，左 uA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，法拉第效應便有與自然旋光現(xiàn)象完全不同的不可逆性。三.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I = /Ocos2 a(25)式中，/o為起偏器同檢偏器的透光軸之間夾角。二0或。二兀時的輸出 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.4),則調(diào)制勵磁線 圈所產(chǎn)生的正弦交變磁場B二Bosin成，能夠使磁光調(diào)制晶體產(chǎn)生交變 的振動面轉(zhuǎn)角edsin就，仇稱為調(diào)制角幅度。此時輸出光強由式(25) 變?yōu)镮 =

12、/0 cos2(a + 0)= /0 cos2(a + sin cot)( 26 )由式(26)可知，當。一定時，輸出光強/僅隨8變化，因為e是受 交變磁場B或信號電流曰osin雙控制的，從而使信號電流產(chǎn)生的光振動而旋轉(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/=，ol + cos2(c + 8)(27)顯然，在0Ka + 8W9(r的條件下，當時輸出光強最大，即(28)(.29)/max =向1 +COS 23 劣) 當。=自時，輸出光強最小，即(.30)，min = l+8S2(a + 4) 定義光強的調(diào)制幅度4 = z _

13、/ cJmin由式(28)和式(29)代入上式得到(31)A = /0 sin 2a sin 2。由上式可以看出，在調(diào)制角幅度66一定的情況下，當起偏器和檢偏器 透光軸夾角戶45。時，光強調(diào)制幅度最大An ax = /() sin 2 4(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)冷(1528)當好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)當方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)/島=/08(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

14、大器放大輸入示波器，就可以觀察到被調(diào)制了的信號。當圻45。時, 在示波器上觀察到調(diào)制幅度最大的信號，當疥0?；蛉?0。，在示波器 上可以觀察到由式(34)和式(35)決定的倍頻信號。但是因為6 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/oo四.實驗儀器與裝置半導體激光器及其電源，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，導軌，支架等。五.實驗步以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I的光電接收器等組件連接

15、到位。3 .光路準直：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。然后將激光器遠離（移 至導軌的另一端），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 I和YH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)（P±A）,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

16、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中心，務(wù)必使激光束正 射透過。六.實驗內(nèi)容1.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/A0B*BI/AeB'B0247.7171-172171.51.4245.353882-415040160.2247.2703-7077051.6245.04695-47504

17、722.50.4246.8751266-127012681.8244.85210-535052800. 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. 5243.756985-7455722080007000757.55280 >722,54016292023835<820.512&8705171.5244244.524