法拉第效应实验报告终结版.docx

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1、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-105.9000radT*m，ZF7的费尔德常数为19.0750radT*m。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

2、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

3、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介质中磁感应强度在光传播方向上的分量B成正比，即（1）上式中，比例系数称为费尔德常数，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

4、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（表示电场强度矢量），可以看作两束等幅的左旋ΕL和右旋ER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

5、场后电子的运动方程可以写成md2rdt2+kr=-eE-edrdt×B(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θF=eλ2cmdndλBl(3)令Vdλ=eλ2cmdndλ（4）Vdλ就是前面定义的费尔德常数，λ为入射波的波长，dndλ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

6、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θF角后变为P‘方向，并在θF±θ’范围内摆动。若检偏器语序通过的光的偏振方向A与θF的夹角为β，则透过检偏器后的强度为I=I0cos2β±θ'=I0[cos2β∓2

7、θ0cosβsinβsinωt+12θ02sin2β(1-cos2ωt)]…（5）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=12I0θ02(1-cos2ωt)（6）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。二、实验内容实验仪器：法拉第效应实验仪，磁光调制器，He-Ne激光器，示波器，起偏器，特斯拉计等。实验装置如图：图3法拉第旋光角测量装置图实验步骤：1.测定磁场的均匀性及磁场的标定。2.测定励磁电流I与磁感应强度B的关

8、系。作出I-B的关系曲线，并分析实验结果。3.测定ZF6/ZF7和MR3玻璃的θ-B关系曲线利用步骤2得到的关系曲线，分别用消光法和倍频法测出在不同磁场B下MR3和ZF7的旋光角θ，分别作出θ-B关系曲线，对实验结果进行分析，判断样品的旋光方向，并根据样品厚度计算出费尔德常数。4.测定石英晶体自然旋光的旋向和旋光角。5.区分石英晶体自然旋光与M