法拉第效应与磁光调制实验报告(共7篇).doc

法拉第效应与磁光调制实验报告(共7篇) 法拉第效应实验报告终结版 法拉第效应实验报告 学号： 姓名： 实验日期：2013年9月16日 指导教师：廖红波 【摘要】 本实验中，我们通过磁场与电感线圈电流的对应关系来确定磁场。通过使用消光 法和磁光调制法测定了MR3和ZF7的法拉第磁致旋光效应，并测定了样品的旋光角，计算 给定条件下的费尔德常数，得到MR3-2的费尔德常数为?105.9000?????? ?????，ZF7的费尔 德常数为19.0750?????? ?????。最后设计实验验证了法拉第效应的旋光非互易性，并依此区 分自然旋光和法拉第旋光。 关键词：法拉第效应、磁光调制法、消光法、费尔德常数、旋光非互易性 一、引言 19世纪中至20世纪初是科学发现的黄金时期，若干种对于了解固体物理特性并揭示其 内部电子态结构有着重要意义的磁光效应现象相继被发现。1845年，英国物理学家法拉第 （Faraday）发现了法拉第效应。法拉第效应的非旋光互易性使得它在激光技术、光纤通信 技术中获得重要应用。 此次实验就是利用晶体的磁光学原理，通过消光法和磁光调制法测定MR3和ZF7晶体 的θ?B关系曲线并得出MR3和ZF7晶体的费尔德常数，区分了石英晶体自然旋光与MR3 玻璃磁致旋光的“旋光非互易性”。 二、 实验原理： 法拉第效应就是当在光的传播方向上加上一个强磁场时，平面偏振光穿过处于该磁场中 的样品后，其偏振面会偏转一个角度。实验结果表明，光的偏振面旋转的角度θF与其在介 质中传播的距离及l介质中磁感应强度在光传播方向上的分量B成正比，即 ?F?Vd(?)Bl （1） 上式中，比例系数Vd称为费尔德常数，它由材料本身的性质和工作波长决定，表征物质的磁光特性。 法拉第效应与自然旋光不同。在法拉第效应中对于给定的物质，偏振面的旋转方向只由 磁场的方向决定而和光的传播方向无关。法拉第效应是不可逆的光学过程，光线往返一种， 旋光角将倍增，这称为法拉第效应的“旋光非互易性”。而自然旋光过程是可逆的，旋光方 向和光的传播方向有关，本实验中如何判定自然旋光和法拉第效应也是根据这一性质来设计 实验的。 1、法拉第效应原理 一束平行于磁场方向传播的平面偏振光E（E表示电场强度矢量），可以看作两束等幅 的左旋????和右旋????圆偏振光的叠加。在没有外加磁场时，介质对这两种圆偏振光具有相同 的折射率和传播速度，通过距离为l的介质后，两种偏振光产生的相位移相同，因此透过 介质后平面偏振光的振动面不发生偏转；当有外加磁场存在时，由于磁场使得物质的光学性 质发生改变，左旋和右旋圆偏振光在介质中具有不同的折射率和传播速度，使得相位移等发 生变化。经典电动力学中的介质极化和色散的振子模型中加磁场后电子的运动方程可以写成 m????2+????=???????? ????×?? (2) 根据式(2)通过假设并利用光学、电动力学、经典电子论等相关知识可以得到 ????= 令 ???? λ =??λ????2??????????λ????2??????????2??dr???? (3) （4） ???? λ 就是前面定义的费尔德常数，λ为入射波的波长，???? dλ为介质在无磁场时的色散。因 此（4）式就是法拉第旋光角的计算公式（1）。 2、测量法拉第旋光角 1) 消光法：利用了偏振光与检偏器垂直时光强最小即消光现象来测量。 2）磁光调制倍频法 磁光调制器如图2所示，它利用法拉第效应使通过的平面偏振光的偏振方向做小角度简 谐振动θ’=θ0sinωt，那么透过检偏器A的光强为I(α+θ’)=I0cos2(α+θ’)= I0 [1+cos2（α+ θ’）]/2，α为起偏器P和检偏器A之间的夹角。在检偏器后放置光电二极管就可以使用示 波器显示光强变化的频率。 图2磁光调制倍频法原理图 若在图1中的检偏器A前插入一个待测样品，经过调制后的线偏振光通过样品当样品被磁化 时，偏振面由原来的P方向旋转 ????角后变为??‘方向，并在 ????±??’范围内摆动。 若检偏器语序通过的光的偏振方向A与 ????的夹角为β，则透过检偏器后的强度为 2I=I0cos2 β±θ′ =I0[cos2β?2θ0cosβsinβsinωt+2θ20sinβ(1?cos2ωt)]? （5） 1当β=90时，处于消光位置，基频信号消失，仅剩倍频信号。由（13）式得到透过检 偏器的光强为： I=I0θ20(1?cos2ωt) （6） 21° 根据样品放入前后出现倍频信号的位置（由示波器上的波形变化观察）就可得到法拉第 旋光角。 三、 实验内容 实验仪器：法拉第效应实验仪，磁