磁光效應(yīng)實驗報告

PAGE1-沈陽工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新性實驗報告實驗課題:磁光效應(yīng)專業(yè)班級：XXXXXX姓名:XXX學(xué)號:XXXXXX指導(dǎo)教師:趙騫磁光效應(yīng)實驗【實驗?zāi)康摹?、了解法拉第效應(yīng)產(chǎn)生的原因。2、會用消光法檢測磁光玻璃的費爾德常數(shù)。3、學(xué)會用消光法檢測磁光玻璃的費爾德常數(shù)能?！緦嶒瀮x器】半導(dǎo)體激光器、起偏器、電磁鐵（螺線管）、檢偏器、直流穩(wěn)壓電源、多量程電流表、光電功率計【實驗原理】概述：1845年，法拉第（M.Faraday）在探索電磁現(xiàn)象和光學(xué)現(xiàn)象之間的聯(lián)系時，發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)象：當一束平面偏振光穿過介質(zhì)時，如果在介質(zhì)中，沿光的傳播方向上加上一個磁場，就會觀察到光經(jīng)過樣品后偏振面轉(zhuǎn)過一個角度，即磁場使介質(zhì)具有了旋光性，這種現(xiàn)象后來就稱為法拉第效應(yīng)。法拉第效應(yīng)第一次顯示了光和電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系，促進了對光本性的研究。之后費爾德（Verdet）對許多介質(zhì)的磁致旋光進行了研究，發(fā)現(xiàn)了法拉第效應(yīng)在固體、液體和氣體中都存在。法拉第效應(yīng)有許多重要的應(yīng)用，尤其在激光技術(shù)發(fā)展后，其應(yīng)用價值越來越受到重視。，，從而減少光纖中器件表面反射是應(yīng)用法拉第效應(yīng)中偏振面的旋轉(zhuǎn)只取決于磁場的方向，而與光的傳播方向無關(guān)，這樣使光沿規(guī)定的方向通過同時阻擋反方向傳播的光光對光源的干擾；磁光隔離器也被廣泛應(yīng)用于激光多級放大和高分辨率的激光光譜，激光選模等技術(shù)中。在磁場測量方面，利用法拉第效應(yīng)馳豫時間短的特點制成的磁光效應(yīng)磁強計可以測量脈沖強磁場、交變強磁場。在電流測量方面，利用電流的磁效應(yīng)和光纖材料的法拉第效應(yīng)，可以測量幾千安培的大電流和幾兆伏的高壓電流。法拉第效應(yīng)實驗表明，在磁場不是非常強時，如圖1所示，偏振面旋轉(zhuǎn)的角度與光波在介質(zhì)中走過的路程及介質(zhì)中的磁感應(yīng)強度在光的傳播方向上的分量成正比，即：比例系數(shù)由物質(zhì)和工作波長決定，表征著物質(zhì)的磁光特性，這個系數(shù)稱為費爾德（Verdet）常數(shù)。費爾德常數(shù)與磁光材料的性質(zhì)有關(guān)，對于順磁、弱磁和抗磁性材料（如重火石玻璃等），為常數(shù)，即與磁場強度有線性關(guān)系；而對鐵磁性或亞鐵磁性材料（如YIG等立方晶體材料），與不是簡單的線性關(guān)系。圖1法拉第磁致旋光效應(yīng)不同的物質(zhì)，偏振面旋轉(zhuǎn)的方向也可能不同。習(xí)慣上規(guī)定，以順著磁場觀察偏振面旋轉(zhuǎn)繞向與磁場方向，滿足右手螺旋關(guān)系的稱為“右旋”介質(zhì)，其費爾德常數(shù)；反向旋轉(zhuǎn)的稱為“左旋”介質(zhì)，費爾德常數(shù)。對于每一種給定的物質(zhì)，法拉第旋轉(zhuǎn)方向僅由磁場方向決定，而與光的傳播方向無關(guān)（不管傳播方向與磁場同向或者反向），這是法拉第磁光效應(yīng)與某些物質(zhì)的固有旋光效應(yīng)的重要區(qū)別。固有旋光效應(yīng)的旋光方向與光的傳播方向有關(guān)，即隨著順光線和逆光線的方向觀察，線偏振光的偏振面的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，因此當光線往返兩次穿過固有旋光物質(zhì)時，線偏振光的偏振面沒有旋轉(zhuǎn)。而法拉第效應(yīng)則不然，在磁場方向不變的情況下，光線往返穿過磁致旋光物質(zhì)時，法拉第旋轉(zhuǎn)角將加倍。利用這一特性，可以使光線在介質(zhì)中往返數(shù)次，從而使旋轉(zhuǎn)角度加大。這一性質(zhì)使得磁光晶體在激光技術(shù)、光纖通信技術(shù)中獲得重要應(yīng)用。與固有旋光效應(yīng)類似，法拉第效應(yīng)也有旋光色散，即費爾德常數(shù)隨波長而變，一束白色的線偏振光穿過磁致旋光介質(zhì)，則紫光的偏振面要比紅光的偏振面轉(zhuǎn)過的角度大，這就是旋光色散。實驗表明，磁致旋光物質(zhì)的費爾德常數(shù)隨波長的增加而減小，如圖2所示，旋光色散曲線又稱為法拉第旋轉(zhuǎn)譜。圖2磁致旋光色散曲線從光波在介質(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于磁場方向而言的。圖3法拉第效應(yīng)的唯象解釋通過測量偏振面偏轉(zhuǎn)角度與電流的關(guān)系，由Δθ=kdI知，只要測出流過螺線管的電流和偏振面偏轉(zhuǎn)的角度就可以求出常數(shù)ｋ。【實驗過程】正交消光法測量法拉第效應(yīng)實驗1）將半導(dǎo)體激光器、起偏器、電磁鐵（螺線管）、檢偏器、光電接收器依次放置在光學(xué)導(dǎo)軌上；2）將半導(dǎo)體激光器與電源相連，將光電接收器與光功率計的“輸入”端相連；3）將恒流電源與電磁鐵（螺線管）、多量程電流表相連；4）調(diào)節(jié)激光器，使激光依次穿過起偏器、磁鐵中心、檢偏器，并能夠被光電接收器接收；5）由于半導(dǎo)體激光器為部分偏振光，可調(diào)節(jié)起偏器來調(diào)節(jié)輸入光強的大小；調(diào)節(jié)檢偏器，使其與起偏器偏振方向正交，這時檢測到的光信號為最小，讀取此時檢偏器的角度；6）打開恒流電源，加上恒定磁場，可看到光功率計讀數(shù)增大，轉(zhuǎn)動檢偏器，使光功率計讀數(shù)為最小，讀取此時檢偏器的角度，得到樣品在該磁場下的偏轉(zhuǎn)角；7）通過改變勵磁電流而改變中心磁場的場強，測量不同電流下（即不同場強下）的偏轉(zhuǎn)角，以研究材料的磁光特性。8）利用最小二乘法求出常數(shù)k,得偏轉(zhuǎn)角度θ與勵磁電流I的關(guān)系θ=kdI。 【實驗數(shù)據(jù)記錄】正交消光法測量法拉第效應(yīng)實驗數(shù)據(jù)記錄螺線管長度ｄ＝２０ｃｍN1234567891011121314X:Ii/A0.51.01.21.51.61.82.02.22.42.62.83.03.53.8Y：θi/1.12.53.03.64.04.44.55.35.56.36.87.28.59.0Xi-X-1.64-1.14-0.94-0.64-0.54-0.34-0.140.060.260.460.660.861.361.66Yi-Y-4.02-2.62-2.12-1.52-1.12-0.72-0.620.180.381.181.682.083.383.88【實驗數(shù)據(jù)處理】Δθ=kdI；其中，y:Δθ，y:Δθ，則上式可變?yōu)閥=ax。（a=kd）.根據(jù)實驗過程中測得的數(shù)據(jù)，畫出偏振面偏轉(zhuǎn)得角度θ與通過螺線管得電流I的關(guān)系曲線（直線）如下：利用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行擬合，如下：X=1n1nY=1nlxx=1n(lxy=1n(Xi-X)(Y∴a=lxylxx可得常數(shù)k=ad=2.38∴θ=0.119dI.【實驗結(jié)論】偏振面偏轉(zhuǎn)得角度θ與通過螺線管得電流I的關(guān)系符合：θ=0.119dI.（其中d為螺線管長度）【注意事項】1．起偏器和檢偏器都是兩個裝有偏振片的轉(zhuǎn)盤