法拉第磁旋光效應(yīng)

1、專業(yè)物理實(shí)驗(yàn)法拉第磁旋光效應(yīng)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.1. 通過對重火石玻璃磁光效應(yīng)的測量，加深磁場對光學(xué)介質(zhì)物性常數(shù)影響的理解；2. 了解光波隔離器的工作原理。二、 實(shí)驗(yàn)原理 .1845年，法拉第發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一束平面偏振光沿著磁場方向通過受磁場作用的物質(zhì)，如玻璃、二硫化碳、汽油等時，透射光的偏振面會轉(zhuǎn)過一個角度。這種磁致旋光現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。它和發(fā)生于糖溶液中的自然旋光效應(yīng)是不同的。在法拉第效應(yīng)中，對于給定的物質(zhì)，偏振面的旋轉(zhuǎn)方向相對于實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)只由磁場B 的方向決定，和光的傳播方向無關(guān)，是不可逆的光學(xué)過程。光線往返一周，累積旋光角倍增。而自然旋光效應(yīng)是可逆的，光線往返一周，累積旋光角為零。利用法拉第

2、效應(yīng)的這一特性，可制造一種不可逆的光學(xué)儀器：光波隔離器或單通器。此外，法拉第效應(yīng)還可用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體物理方面的研究。當(dāng)磁場不是非常強(qiáng)時，法拉第效應(yīng)中偏振面轉(zhuǎn)過的角度，與沿介質(zhì)厚度方向所加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 及介質(zhì)厚度d 成正比，即VBd（1）式中比例常數(shù) V叫做費(fèi)爾德常數(shù)。幾乎所有的物質(zhì)都存在法拉第效應(yīng)。不同的物質(zhì)偏振面旋轉(zhuǎn)的方向可能不同。設(shè)想磁場 B 是由繞在樣品上的螺旋線圈產(chǎn)生的。習(xí)慣上規(guī)定： 振動面的旋轉(zhuǎn)方向和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 ）； V 由物質(zhì)和工作波長決定，它表征物質(zhì)的磁光特性。根據(jù)自然旋光的菲涅耳唯象描述，對于法

3、拉第效應(yīng)可作這樣的經(jīng)典解釋：一束平行于磁場方向傳播的平面偏振光可看作兩束等幅的左旋和右旋圓偏振光的疊加，進(jìn)入介質(zhì)后由于磁場的作用使得它們以稍微不同的速度c , c向前傳播，從介質(zhì)出射后，合成線nrnl圖 1 線偏振光沿磁場方向傳播偏振光，偏振面相對于入射光轉(zhuǎn)過了一定的角度。下面來進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算：設(shè)有一束偏振光沿介質(zhì)磁場方向穿過介質(zhì)，如圖 1 所示。入射線偏振光的場強(qiáng)為x 0 cosntzc02t coszn 為空氣中的折射率。在進(jìn)入介質(zhì)的地方（z = 0 ）0 cos t進(jìn)入介質(zhì)后分成右旋、左旋圓偏振光。右旋偏振光為r1rysin2 tz20r12 cosrz tx20左旋圓偏振光為1l2

4、lnx20 cos ztl12lysinntz20其中 nr、 nl 分別為右旋和左旋圓偏振光在介質(zhì)中的折射率。從介質(zhì)射出后（z=d）合成的線偏振光為xrlxx1cos2 nr2 nl0d t cosd t20 cosnrnldt cosnlnrdyyrly102 nrdt2 nld t2sinsin0nr nldnlnr cost sind出射偏振光相對于入射偏振光（x 軸）轉(zhuǎn)過的角度為arctgyxnlnrd（ 2）磁場會使左旋、右旋圓偏振光的折射率不同。對于這一點(diǎn)，我們不妨作這樣的理解：將圓偏振單色光看做是一個受彈性束縛的電子被旋轉(zhuǎn)電場所驅(qū)動而作穩(wěn)態(tài)的圓周運(yùn)動。當(dāng)在垂直于軌道平面上加一個

5、恒定磁場之后，此電子將右受一個徑向力。此力與旋轉(zhuǎn)方向和恒定磁場有關(guān)。對于不同旋轉(zhuǎn)方向的電子，在給定的恒定磁場中將受到兩個不同方向的徑向力，結(jié)果，總的徑向力不同，從而軌道半徑不同，偶極矩、極化率、電容率都不同。最后，也就有兩個不同的折射率nr 、 ni 。磁場越強(qiáng)， nr 與 nl 差別也越大，即nr - n l 正比于 B。在考慮式（1）就可得出式（2）。三、 實(shí)驗(yàn)儀器：He Ne 激光器（）、二向色性偏振片、高斯計(jì)、電磁鐵、硅光電池、光電流放大器、光具座及支架。四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、利用實(shí)驗(yàn)室所給儀器設(shè)備自己搭建實(shí)驗(yàn)裝置（可參考圖二）；硅光電池樣品起偏器檢偏器光電流放大器偏圖二 .磁光旋轉(zhuǎn)測試裝置示意圖He Ne激光發(fā)出的 =的激光，通過起偏器P1（二向色性偏振片）后，成為線性偏振光，該偏振光通過置于磁場中的樣品后，偏振面發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，這個偏轉(zhuǎn)的角度由檢偏器P2 配合光電流放大器而檢測出來。2、自擬實(shí)驗(yàn)步驟（要求：必須要