晶體磁光效應(yīng)

中國石油大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告績：班級： 姓名： 同組者： 教師:晶體磁光效應(yīng)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹坷斫獯殴庑?yīng)的物理意義；掌握法拉第旋轉(zhuǎn)角的測量方法；計(jì)算物樣品的費(fèi)爾德常數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)原理】1、 法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律當(dāng)磁場不是非常強(qiáng)時(shí)，法拉第效應(yīng)中偏振面轉(zhuǎn)過的角度e,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L成正比，即：e=VBL （1—1）式中比例常數(shù)V叫做費(fèi)爾德常數(shù)，由物質(zhì)和工作波長決定，它表征物質(zhì)的磁光特件，隨波長九的增加而減小。實(shí)驗(yàn)表明，法拉第旋光方向僅由磁場方向決定，而與光的傳播方向無關(guān)。2、 法拉第效應(yīng)的旋光角一束線偏振光可以視為兩個(gè)頻率相等，振幅相等的左旋和右旋圓偏振光的疊加，它們在加有磁場的介質(zhì)中傳播的速度不同，也就是兩偏振光在介質(zhì)中的折射率不同，在介質(zhì)中通過相同的距離，產(chǎn)生的相位延遲不同。設(shè)線偏振光的電矢量為E=Er+El。角頻率為3,真空中的波長為入El的傳播速度為匸折射率為%。Er的傳播速度為V.，斯射率為%。正入射到磁場中的介質(zhì)時(shí)，兩光振動的相位差為零。通過長度D的介質(zhì)后，出射的線偏振光相對于入射介質(zhì)前的線偏振光振動方向轉(zhuǎn)過的角度a即為法拉第效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角:F3、法拉第旋轉(zhuǎn)角的計(jì)算在磁場作用下，具有能量為（方①）的左旋光子所遇到的軌道電子能級機(jī)構(gòu)等于不加磁場時(shí)能量為（護(hù)-巴）的左旋光子所遇到的軌道電子能級結(jié)構(gòu)（其中AVleB2m方），因此有nL為（護(hù)-巴）的左旋光子所遇到的軌道電子能級結(jié)構(gòu)（其中AVleB2m方），因此有nL（方①）=叫①_avl）n（w）=（w-）沁n（w）-— =n（w）- —L 右 dw厲 2mdw同理，右旋光量子，有：1—3)1—4)n(w)=(w-R=n(力w-avr)1—5)AVrrn(w)-也AVr=n(w)+dw九eBdn2mdwDBedn①-2mcd?DBedn①-2mcd?路入dn=v（“1—7)把式（1—5）和式（1—6）代入式（1—3）得：DBe2mc2DBe2mc2dnd九1—8)edn其中V（九）=- 九，稱費(fèi)爾德常數(shù)，它反映了介質(zhì)材料的光學(xué)特性。對于CGS制，則有:2mcd人1、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】

儀器調(diào)整11、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】

儀器調(diào)整1）4調(diào)正激光器的位置，使得出射光線與電磁鐵的通光孔在一條水平線上。1—9)1—7）和（1—9）就是法拉第效應(yīng)旋轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式。它表明法拉第旋光角的大小和樣品厚度成正比，和磁場強(qiáng)度成正比，并且和入射波光的波長及介質(zhì)獸的色散有密切關(guān)系。實(shí)驗(yàn)裝置】半導(dǎo)體激光器，偏振片，光功率計(jì)，光學(xué)導(dǎo)軌，滑座，電磁鐵，特斯拉計(jì)，樣品。實(shí)驗(yàn)裝置圖如下圖圖1所示。電?第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝2）注意在電磁體中間樣品的位置，通光孔徑應(yīng)與樣品表面垂直。3）打開激光器光源及光功率計(jì)的電源，預(yù)熱5分鐘，使儀器工作狀態(tài)處于穩(wěn)定。2、實(shí)驗(yàn)步驟：測量法拉第效應(yīng)偏振面旋轉(zhuǎn)角e與外加磁場電流i的關(guān)系曲線。1） 關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室頂燈，打開試驗(yàn)臺上小臺燈，并注意使功率計(jì)處于位于臺燈的背光處；2） 調(diào)整靠近激光器的偏振片片的偏振方向，使透過樣品的光功率最強(qiáng)；3） 調(diào)整靠近功率計(jì)的偏振片p2的偏振方向，使功率計(jì)的讀數(shù)顯示最小（可能小于零）；4） 記錄樣品處（記住此位置，每次都在同一位置處測量B）的磁感應(yīng)強(qiáng)度，記為B0；5） 記錄P2指針的角度讀數(shù)，記為申J；6） 打開電磁鐵電源，逐漸增加直流電流至0.3A，測量樣品的B值，不再增加后，邊觀察光功率計(jì)讀數(shù)，邊旋轉(zhuǎn)偏振片P2,調(diào)整旋轉(zhuǎn)方向使得光功率計(jì)讀數(shù)逐漸減為最小，記錄P2指針的角度讀數(shù)，記為申03i;7）申1-申d即為0.3A直流電流下第一次測量的角度讀數(shù)（法拉第旋轉(zhuǎn)角）；0.3 01

8） 緩慢降低直流電流至零，（注意：不能直接關(guān)閉電源）測量樣品的B值，待B值不再改變或者等于B0后，邊觀察光功率計(jì)讀數(shù)，邊旋轉(zhuǎn)偏振片P2,使得光功率計(jì)讀數(shù)逐漸減為最小，記錄P2指針的角度讀數(shù)，記為申訝'9）b1-申1'即為0.3A直流電流下第一次測量的重復(fù)誤差；I0.3 010） b2=br0.3 011） 逐漸增加直流電流至0.3A，測量樣品的B值，不再增加后，邊觀察光功率計(jì)讀數(shù)，邊旋轉(zhuǎn)偏振片P2,使得光功率計(jì)讀數(shù)逐漸減為最小，記錄P2指針的角度讀數(shù)，記為％.32；12） 重復(fù)上述操作。每增加0.1A電流，重復(fù)測量三次，求平均值，減小誤差。電流范圍0.3A?0.7A。【注意事項(xiàng)】1、 磁鐵中間的樣品位置必須保證其表面與入射光方向垂直，否則會嚴(yán)重影響測量結(jié)果。2、 施加或撤除磁化電流時(shí)，應(yīng)先將電源輸出電位器逆時(shí)針旋回到零，以防止接通或切斷電源時(shí)磁體電流的突變。3、 為了保證能重復(fù)測得磁感應(yīng)強(qiáng)度及與之相應(yīng)的磁體激磁電流的數(shù)據(jù)，磁體電流應(yīng)從零上升到正向最大值，否則要進(jìn)行消磁。4、 測量過程中，不能直接關(guān)閉直流恒流電源，要逐漸減小電流直到為零。5、 光功率計(jì)未與其主機(jī)相連接之前切勿接通電源，以免激光直接入射造成器件損害。6、 測量樣品處磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，必須始終在同一位置?！緮?shù)據(jù)記錄及處理】1、測量法拉第效應(yīng)偏振面旋轉(zhuǎn)角。與外加磁場電流I的關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)測量旋轉(zhuǎn)角，外加電流以及磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)表格如下表表1：表1旋轉(zhuǎn)角e與外加磁場電流I的關(guān)系數(shù)據(jù)記錄表電流/A角度讀數(shù)/°重復(fù)誤差/°磁場強(qiáng)度/mT平均讀數(shù)/°平均誤差讀數(shù)/°平均磁場強(qiáng)度/mT0.3229.71.830.179.8722101.529.90.42.5311.52.67r011.4332112.5311.80.532.515.43r015.53315.333.515.80.63.53.518.23.50.1718.433.518.44318.60.74420.24F0.1721.6744.522.34422.5依據(jù)表1,可以作出旋轉(zhuǎn)角e與外加磁場電流i的關(guān)系圖，如下圖圖1所示。

I(A)圖i旋轉(zhuǎn)角e與外加磁場電流i的關(guān)系曲線由圖像得出：旋轉(zhuǎn)角e與電流I成線性關(guān)系，因?yàn)榇艌鰪?qiáng)度b和電流成線性關(guān)系，所以可以得到旋轉(zhuǎn)角e和磁感應(yīng)強(qiáng)度b也成線性關(guān)系，這與法拉第實(shí)驗(yàn)效應(yīng)理論o=vbl吻合。誤差分析：1、 偏振片旋轉(zhuǎn)時(shí)讀數(shù)存在一定誤差。2、 電磁鐵器件在低電流時(shí)發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。2、計(jì)算物樣品的費(fèi)爾德常數(shù)根據(jù)公式0=VBL可以計(jì)算出在不同電流下的費(fèi)爾德常數(shù)，如下表表3所示。表3費(fèi)爾德常數(shù)計(jì)算e/°L/cmB/mTVX105/。?T-1?m-11.8319.870.1852.67111.430.2343115.50.1943.5118.40.1904121.670.185因?yàn)榉茽柕鲁?shù)在材料等確定時(shí)為一常數(shù)，表中第二組數(shù)據(jù)和其余組數(shù)據(jù)相差太大，可能是由操作錯(cuò)誤造成的，故舍去不用。由測量結(jié)果可以求出V的平均值為：”0.18+50.19+40.19+)0.185.qqa",?！ǘ　疺= 4 =1.88x5104 /(T-1xm-1)誤差分析：1、 旋光角度e的讀數(shù)存在一定誤差。2、 磁感應(yīng)強(qiáng)度B的測量有一定誤差，讀數(shù)不穩(wěn)定。【思考題】1、電磁鐵的剩磁現(xiàn)象會對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄帶來一定程度的影響，請問實(shí)驗(yàn)過程中用何方法能夠消除剩磁現(xiàn)象？首先在給鐵磁沖磁使用結(jié)束后應(yīng)該緩慢將電流調(diào)小，使磁性漸漸消失。如果仍有剩磁可以通過施加適當(dāng)?shù)姆聪虼艌鱿?、為什么實(shí)驗(yàn)中電流值及其測量范圍小會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果？電流值小首先會影響測量的廣度，進(jìn)而不能保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，其次電流值小時(shí)，旋轉(zhuǎn)角與磁場的基數(shù)小，可能在一段變化中，儀器示數(shù)都不會有變化?！緦?shí)驗(yàn)總結(jié)】光學(xué)實(shí)