磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)

磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私獯殴庑?yīng)的原理，掌握光線偏振面旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量方法。通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證費(fèi)爾德常數(shù)公式，并計(jì)算荷質(zhì)比。實(shí)驗(yàn)原理1845年，英國(guó)科學(xué)家法拉第(Faraday)在探索電磁現(xiàn)象和光學(xué)現(xiàn)象之間的聯(lián)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)平面偏振光沿著磁場(chǎng)方向通過(guò)磁場(chǎng)中的透明介質(zhì)時(shí)，光的偏振面發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的角度正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度及光波通過(guò)介質(zhì)的路程。這種現(xiàn)象叫做磁致旋光效應(yīng)或法拉第效應(yīng)。在磁場(chǎng)作用下介質(zhì)的旋光作用在磁場(chǎng)作用下，處于磁場(chǎng)中的介質(zhì)呈現(xiàn)各向異性，其光軸方向?yàn)檠刂艌?chǎng)的方向。當(dāng)束平面偏振光和沿著磁場(chǎng)方向通過(guò)磁場(chǎng)中介質(zhì)的時(shí)候，便會(huì)產(chǎn)生如圖1所示的情形：平面偏振光沿磁場(chǎng)B通過(guò)介質(zhì)平面偏振光沿磁場(chǎng)B通過(guò)介質(zhì)圖2在波振面內(nèi)平面偏振光電矢量的旋轉(zhuǎn)

設(shè)平面偏振光的電矢量為E，角頻率為o，研究問(wèn)題時(shí)我們可以把E看成兩個(gè)圓偏振光成

分(左旋圓偏振光El和右旋圓偏振光Er)的矢量合成。在磁場(chǎng)8作用下通過(guò)介質(zhì)時(shí)，我

—* —? —? ?們可以認(rèn)為Er傳播速度比el慢，那么通過(guò)介質(zhì)后er和el之間將產(chǎn)生相位差。，合成矢量E，則旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度4:（1）這就是說(shuō)，在磁場(chǎng)g作用下，一束平面偏振光沿著磁場(chǎng)方向通過(guò)介質(zhì)后，它的電矢量的振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，也就是該平面偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。設(shè)介質(zhì)的厚度為D，El的傳播速度為匕，Er的傳播速度為%則有:DD、 3D, 、（2）（3）0=3（t-1）=3（丁- ）=w（2）（3）RLVVCRL入3D， 、卜2C（，一"l）（2），（3）中nR為在磁場(chǎng)B作用下，右旋圓偏振光通過(guò)介質(zhì)的折射率，匕為左旋圓偏振光通過(guò)介質(zhì)的折射率，C為真空的光速。法拉第旋光角度的計(jì)算由量子理論知道，介質(zhì)中原子的軌道電子具有磁偶極矩R:R=——L （4）2m―lr其中e為電子電荷，m為電子質(zhì)量，L為電子的軌道角動(dòng)量。 9-在磁場(chǎng)B作用下，一個(gè)電子磁矩具有勢(shì)能V：--e-一eBV=—r?B=2L-B=2L軸 （5）其中L軸為電子軌道角動(dòng)量的軸向分量。 F在磁場(chǎng)B作用下，當(dāng)平面偏振光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，光子與軌道電子發(fā)生交互作用，使軌道電子發(fā)生能級(jí)躍遷。躍遷時(shí)軌道電子吸收角動(dòng)量AL=AL軸=±力，躍遷后軌道電子動(dòng)能不變，而勢(shì)能則增加了AV:TOC\o"1-5"\h\zAV=竺AL=±也方 （6）2m軸 2m當(dāng)左旋光子參與交互作用時(shí)：AV=竺方 （7）2m

而右旋光子參與交互作用時(shí)：TOC\o"1-5"\h\zAV=一竺■方 （8）2m我們知道，介質(zhì)對(duì)光的折射率是光子能量（方①）的函數(shù)：\o"CurrentDocument"n=n（尬） （9）其函數(shù)形式取決于介質(zhì)的軌道電子能級(jí)結(jié)構(gòu)?？梢哉J(rèn)為，在磁場(chǎng)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(jí)結(jié)構(gòu)，等價(jià)于不加磁場(chǎng)時(shí)能量為伽-*）的左旋光子所遇到的軌道電子能級(jí)結(jié)構(gòu)。因此有:nL（方①）=n（方①—A匕）或n（方o）=n（o一 AVl ）澆n（o）- dn-AVl =n（o）-eB -dn （10）L 方 do方 2m do同理：nR（方o）=n（方o-AVR）或n（方o）=n（o_AV^）牝n（o）一蟲?AV^=n（o）+魚.也 （11）R 方 do 方 2mdo將（10）和（11）式代入（3）式得到：（12）（13）（14）（15）TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"eBDdn9 ① -（12）（13）（14）（15）2mC do2兀C因?yàn)棰俣?，代入?2）式得:人,eBD人dn2mC d人Vn）=-盤*%V（A）稱費(fèi)爾德常數(shù)，它反映了介質(zhì)材料的一種特性。公式（13）和（15）式適用于MKS制，B的單位為韋伯/米2，1韋伯/米2=10000高斯。對(duì)于CGS制，則有:（16）,=_eBD人dn（16）-2mC2 d

(17)公式（1）和（16）就是法拉第效應(yīng)旋光角的計(jì)算公式。它表示法拉第旋光角的大小和介質(zhì)dn一厚度成正比，和磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，并且和入射光波長(zhǎng)及介質(zhì)的色散M有密切關(guān)系。d人實(shí)驗(yàn)儀器WFC型法拉第效應(yīng)測(cè)試儀。圖3為儀器的示意圖，該儀器由光源、磁場(chǎng)、樣品和旋光1、光源系統(tǒng)光源產(chǎn)生復(fù)合白光，通過(guò)單色儀可獲得波長(zhǎng)360nm-800nm的單色光。單色光經(jīng)過(guò)偏振片變成平面偏振光。其中波長(zhǎng)與鼓輪讀數(shù)關(guān)系如表1所示。表1可見波長(zhǎng)部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表波長(zhǎng)（以m）鼓輪讀數(shù)（棱鏡30°）0.43412.7500.43582.7850.48613.7850.54614.5860.57704.8920.57904.9100.58764.9820.58935.0000.65635.4780.66785.5492、 磁場(chǎng)和樣品介質(zhì)直流電磁鐵采用DT4電工純鐵做成磁路，磁極柱直徑①40mm，磁路中有④6mm通光空。因此，能保證入射光的光軸方向與磁場(chǎng)B的方向一致。磁極間隙為11mm，激磁電流4A時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)8200高斯，圖4為激磁電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線，其中B的單位為1韋伯?米2=10000高斯。樣品介質(zhì)ZF6為重火石玻璃呈三棱鏡（8=60°）的形狀，樣品固定在電磁鐵兩級(jí)之間的夾具上。3、 旋光角的檢測(cè)系統(tǒng)該系統(tǒng)時(shí)用以測(cè)出旋光角。光電倍增KGDB404）用來(lái)接收旋光信號(hào)，反映到數(shù)顯表上，則是監(jiān)測(cè)透光最大和最小，而旋光角則由角度數(shù)顯表直接讀出，角度顯示值為99°59’，分辨率1’。54003000GS90008000700054003000GS9000800070006000500040003000200010009000/82007000圖4激磁電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線實(shí)驗(yàn)內(nèi)容將白熾燈電源線插入電源變壓器后，接通電源，開啟單色儀入射狹縫（注意開啟方向切勿關(guān)閉過(guò)零）。將電源、單色儀與電磁鐵配合后銜接起來(lái)（即把偏板片座套插入電磁鐵之圓凹槽里），從電磁鐵另一磁極圓孔中，用30X讀數(shù)顯微鏡觀察，調(diào)整單色儀與電磁鐵的配合，使光束（即狹縫像）位于圓孔中心，隨即將光電接收的連接罩插入到電磁鐵的圓凹槽中。實(shí)驗(yàn)步驟如下：接通電源，預(yù)熱5分鐘，開始實(shí)驗(yàn)：首先將檢偏器手柄（標(biāo)記為紅點(diǎn)）與連接座的標(biāo)記（為紅點(diǎn)）及電磁鐵一端的標(biāo)記（為紅點(diǎn)），三點(diǎn)調(diào)成一直線。靈敏度旋鈕，順時(shí)針為增加，逆時(shí)針為減少，靈敏度的高低直接反映在數(shù)顯表的數(shù)字跳動(dòng)的快慢。注意在同一波長(zhǎng)情況下，一經(jīng)調(diào)定，在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中即不應(yīng)再動(dòng)此旋鈕。把檢偏測(cè)角的手輪（以下簡(jiǎn)稱手輪）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到頭，再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)兩周后，按一下清零按鈕，角度表示值為零，微動(dòng)調(diào)零旋鈕，使數(shù)顯表的示值為零，既可以進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量前，驗(yàn)證一下角度表的零位正確與否，可通過(guò)加磁場(chǎng)來(lái)檢驗(yàn)。把穩(wěn)流電源接電磁鐵，將電流值分別從1A、2A、…直到5A，觀察其數(shù)顯表的示值應(yīng)成線性增加，這說(shuō)明角度表的零位在此，微動(dòng)調(diào)零手鈕使數(shù)顯表的示值為零。測(cè)量法拉第效應(yīng)角a首先增加電流1A，電流逐漸增加，數(shù)顯表的示值也同步增加，觀察數(shù)顯表示值從0增加到兩位數(shù)左右。再旋轉(zhuǎn)手輪，使角度表的示值從0°增加到若干度數(shù)，使其數(shù)顯表的示值從兩位數(shù)逐漸變化到零。將1A的電流關(guān)閉，觀察其數(shù)顯表的示值從零增加到兩位數(shù)，這是角度表的示值為法拉第效應(yīng)角a。旋轉(zhuǎn)手輪，觀察數(shù)顯表的示值為零時(shí)，則角度表的示值為重復(fù)性誤差。電流從1A、2A增至4A為止，在不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度下測(cè)量三次，取其平均數(shù)，填入表2。注意：每次往返測(cè)量應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)完成，以免因電路零點(diǎn)漂移引起誤差。表2旋轉(zhuǎn)角a與外加磁場(chǎng)電流I的關(guān)系原始數(shù)據(jù)電流角度表讀數(shù)平均讀數(shù)1A2A3A4A測(cè)量條件為狹縫寬度1.500mm，鼓輪讀數(shù)5.000mm

鼓輪讀數(shù)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)法拉第效應(yīng)角1A2A3A4A3.7850.48614.5860.54614.8920.57704.9100.57905.0000.58935.4780.65635.5490.66783.固定磁場(chǎng)強(qiáng)度B,測(cè)旋光角a和波長(zhǎng)入的關(guān)系曲線，其方法步驟同上，將結(jié)果填入表3。表3旋轉(zhuǎn)角a和波長(zhǎng)的關(guān)系原始數(shù)據(jù)檢驗(yàn)試驗(yàn)精度，計(jì)算電子荷質(zhì)比e/m。通過(guò)試驗(yàn)所測(cè)各曲線的線性或近線性范圍內(nèi)，選擇a、8、入和dn/d入值（見表4,取三組數(shù)據(jù)），由公式導(dǎo)出：計(jì)算e/m值，與比較經(jīng)典e/m=1.7588X1011（庫(kù)侖/千克），求出本實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差，并分析誤差來(lái)源。（L=0.01m）表4入--dn/dA相對(duì)值對(duì)照表從埃）480050005200540056005800600062006400dn/d入1.611.441.221.040.90.7650.6730.6280.533（度/埃）X10-3X10-3X10-3X10-3X10-3X10-3X10-3X10-3X10-34.4.法拉第效應(yīng)和晶體的旋光效應(yīng)有何相同點(diǎn)和不同點(diǎn)?利用法拉第效應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)單向通光閥，畫出示意圖。注意事項(xiàng)關(guān)啟單色儀入射狹縫時(shí)，切勿過(guò)零。施加或撤除磁化電流時(shí)，首先將電源輸出電位器逆時(shí)針回到零，以防止接通或切斷電源時(shí)磁體電流的突變。測(cè)量過(guò)程中，不能直