磁光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告講解

1、磁光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告班級(jí)：光信息31姓名：張圳學(xué)號(hào)：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(shí)驗(yàn)方法非常重要。一.實(shí)驗(yàn)?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(cè)量方法（磁光調(diào)制倍頻法）。3 .測(cè)出鉛玻璃的法拉第旋轉(zhuǎn)角度e和磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的關(guān)系。二.實(shí)驗(yàn)原理1 .磁光效應(yīng)當(dāng)平面偏振光穿過某種介質(zhì)時(shí)，若在沿平行于光的傳播方向施加 一磁場(chǎng)，光波的偏振面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)表面其旋轉(zhuǎn)角8正比于外加 的磁場(chǎng)強(qiáng)度B,這種現(xiàn)象稱為

2、法拉第（Faraday）效應(yīng)，也稱磁致旋 光效應(yīng)，簡(jiǎn)稱磁光效應(yīng)，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(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(chǎng)方向觀察），通常分為右旋（順時(shí)針 旋轉(zhuǎn)）和左旋（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)），右旋時(shí)維爾德常數(shù)v>0,左旋時(shí)維爾德 常數(shù)實(shí)驗(yàn)還指出，磁致旋光的方向與磁場(chǎng)的方向有關(guān)，由于磁 致旋光的偏振方向會(huì)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(yīng)用價(jià)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(chǎng)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(yīng)可以做如下理解：一 束平行于磁場(chǎng)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(duì)于磁場(chǎng)方向而言的。圖3法拉第效應(yīng)的唯象解釋如果磁場(chǎng)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(jī)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(zhēng)定，附苧M(2)式中4為真空中的波長。這里應(yīng)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(gè)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(gè)圓偏振光的旋轉(zhuǎn)電矢量如圖5.16.3(b)所示。 當(dāng)光束射出介質(zhì)后，左、右旋圓偏振光的速度又恢復(fù)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(gè)圓偏振光的合成電矢量E的振動(dòng)而相對(duì)于原來的振動(dòng)而 轉(zhuǎn)過角度夕其大小可以由圖3(b)直接看出，因?yàn)橄ξ乙? =少心+6( 3 )所以(4)由(6.16.2)式得0 = (nR nL)d = 0p d(.5)A當(dāng)時(shí)，90,表示右旋；當(dāng)時(shí)，。0,表示左旋。假如 做和m的差值正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度8,由(5)式便可以得到法拉第效 應(yīng)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?yàn)樵阼F磁或者亞鐵磁等強(qiáng)磁介質(zhì)中，法拉第旋轉(zhuǎn)角與外 加磁場(chǎng)不是簡(jiǎn)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(yīng)的強(qiáng)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(chǎng)會(huì)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(gè)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(yīng)歸結(jié)為在磁場(chǎng)作用下，原子 能級(jí)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(shí)，從經(jīng)典電動(dòng)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。

6、在這個(gè)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(chǎng) 作用下做強(qiáng)迫振動(dòng)的結(jié)果?，F(xiàn)在除了光波以外，還有一個(gè)靜磁場(chǎng)占作 用在電子上，于是電子的運(yùn)動(dòng)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(gè)偶極子的彈性恢復(fù)力。上式等號(hào)右邊第一項(xiàng)是光波的電場(chǎng)對(duì) 電子的作用，第二項(xiàng)是磁場(chǎng)作用于電子的洛侖茲力。為簡(jiǎn)化起見，略 去了光波中磁場(chǎng)分量對(duì)電子的作用及電子振蕩的阻尼（當(dāng)入射光波長 位于遠(yuǎn)離介質(zhì)的共振吸收峰的透明區(qū)時(shí)成立），因?yàn)檫@些小的效應(yīng)對(duì) 于理解法拉第效應(yīng)的主要特征并不重要。假定入射

7、光波場(chǎng)具有通常的簡(jiǎn)諧波的時(shí)間變化形式即明因?yàn)槲?們要求的特解是在外加光波場(chǎng)作用下受迫振動(dòng)的穩(wěn)定解，所以尸的時(shí) 間變化形式也應(yīng)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(chǎng)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(fù)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(fù)振幅為(10)x + iy =;( Ex + iEv)1(例:- 6?*) + ecoB(.11)設(shè)單位體積內(nèi)有N個(gè)電子，則介質(zhì)的電極化強(qiáng)度矢量，= -N/。由宏觀電動(dòng)力學(xué)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(duì)于可見光,口為(2.547)x10*，當(dāng)8=仃 時(shí),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(chǎng)中經(jīng)典拉莫爾(Larmor)進(jìn)動(dòng)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(hào)改變，即有Nel(17)對(duì)比無磁場(chǎng)時(shí)的色散公式(18)可以看到兩點(diǎn)：一是在外磁場(chǎng)的作用下，電子做受迫振動(dòng)，振子的固有頻率由磔變成曲士電，這正對(duì)應(yīng)于吸收光譜的塞曼效應(yīng)；二是由于映的變化導(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。接近砥時(shí)，差別更為

10、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(shí)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(dǎo)中略去了說項(xiàng)。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(cè)波長，a為介質(zhì)在無磁場(chǎng)時(shí)的色散。在上述推導(dǎo)中

11、，左 uA旋和右旋只是相對(duì)于磁場(chǎng)方向而言的，與光波的傳播方向同磁場(chǎng)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。三.測(cè)量原理和方法根據(jù)馬呂斯定律，如果不計(jì)光損耗，則通過起偏器，經(jīng)檢偏器輸 出的光強(qiáng)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(shí)的輸出 光強(qiáng)。若在兩個(gè)偏振器之間加一個(gè)由勵(lì)磁線圈(調(diào)制線圈)、磁光調(diào) 制晶體和低頻信號(hào)源組成的低頻調(diào)制器(參見圖.4),則調(diào)制勵(lì)磁線 圈所產(chǎn)生的正弦交變磁場(chǎng)B二Bosin成，能夠使磁光調(diào)制晶體產(chǎn)生交變 的振動(dòng)面轉(zhuǎn)角edsin就，仇稱為調(diào)制角幅度。此時(shí)輸出光強(qiáng)由式(25) 變?yōu)镮 =

12、/0 cos2(a + 0)= /0 cos2(a + sin cot)( 26 )由式(26)可知，當(dāng)。一定時(shí)，輸出光強(qiáng)/僅隨8變化，因?yàn)閑是受 交變磁場(chǎng)B或信號(hào)電流曰osin雙控制的，從而使信號(hào)電流產(chǎn)生的光振動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化為光的強(qiáng)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(dāng)時(shí)輸出光強(qiáng)最大，即(28)(.29)/max =向1 +COS 23 劣) 當(dāng)。=自時(shí)，輸出光強(qiáng)最小，即(.30)，min = l+8S2(a + 4) 定義光強(qiáng)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(dāng)起偏器和檢偏器 透光軸夾角戶45。時(shí)，光強(qiáng)調(diào)制幅度最大An ax = /() sin 2 4(32)所以，在做磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)時(shí)，通常將起偏器和檢偏器透光軸成45。角放置，此時(shí)輸出的調(diào)制光強(qiáng)由式(27)知(33)冷(1528)當(dāng)好90。時(shí)，即起偏器和檢偏器偏振方向正交時(shí)，輸出的調(diào)制光強(qiáng)由 式(26)知(34)當(dāng)方0。，即起偏器和檢偏器偏振方向平行時(shí)，輸出的調(diào)制光強(qiáng)由式(26)/島=/08(35)若將輸出的調(diào)制光強(qiáng)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(hào)。當(dāng)圻45。時(shí), 在示波器上觀察到調(diào)制幅度最大的信號(hào)，當(dāng)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(hào)。但是因?yàn)? 般都很小，由式(34)和式(35)可知，輸出倍頻信號(hào)的幅度分別接 近于直流分量0或/oo四.實(shí)驗(yàn)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(cè)角儀，光電接受器，電源，特斯拉計(jì)，導(dǎo)軌，支架等。五.實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)直：打開電源開關(guān)，接通激光器電源，點(diǎn)亮激光器，節(jié)激光 器尾部的選鈕，使激光器達(dá)足夠光強(qiáng)。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中心點(diǎn)上。然后將激光器遠(yuǎn)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(diǎn)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(shí)，接收光強(qiáng)指示應(yīng)呈現(xiàn)讀 數(shù)：調(diào)節(jié)起偏器，使光強(qiáng)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(dá)最大值。6 .調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度，使光強(qiáng)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(duì)準(zhǔn)中心，務(wù)必使激光束正 射透過。六.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.觀察磁光調(diào)制現(xiàn)象打開調(diào)制信號(hào)開關(guān)，調(diào)節(jié)輸出幅度，在示波器上可同時(shí)觀察到調(diào)制波 形與解調(diào)輸出波形；再仔細(xì)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(cè)定旋光角和外加磁場(chǎng)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