磁光效应实验报告讲解

1、磁光效应实验报告班级：光信息31姓名：张圳学号：21210905023 同组：白燕，陈媛，高睿孺近年来，磁光效应的用途愈来愈广，如磁光调制器，磁光开关， 光隔离器，激光陀螺中的偏频元件，可擦写式的磁光盘。所以掌握磁 光效应的原理和实验方法非常重要。一.实验目的1 .掌握磁光效应的物理意义，掌握磁光调制度的概念。2 .掌握一种法拉第旋转角的测量方法（磁光调制倍频法）。3 .测出铅玻璃的法拉第旋转角度e和磁感应强度B之间的关系。二.实验原理1 .磁光效应当平面偏振光穿过某种介质时，若在沿平行于光的传播方向施加 一磁场，光波的偏振面会发生旋转，实验表面其旋转角8正比于外加 的磁场强度B,这种现象称为

2、法拉第（Faraday）效应，也称磁致旋 光效应，简称磁光效应，即：0 = vlB（9-1）式中/为光波在介质中的路径，v为表征磁致旋光效应特征的比例 系数，称为维尔德常数，它是表征物质的磁致旋光特性的重要参数。 根据旋光方向的不同（以顺着磁场方向观察），通常分为右旋（顺时针 旋转）和左旋（逆时针旋转），右旋时维尔德常数v>0,左旋时维尔德 常数实验还指出，磁致旋光的方向与磁场的方向有关，由于磁 致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍，而与光的传播方向无 关，利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、 光偏振等功能性磁光器件，在激光技术发展后，其应用价值倍增。如用于光纤

3、通讯系统中的磁光隔离器等。2 .在磁场作用下介质的旋光作用从光波在介质中传播的图象看，法拉第效应可以做如下理解：一 束平行于磁场方向传播的线偏振光，可以看作是两束等幅左旋和右旋 圆偏振光的迭加。这里左旋和右旋是相对于磁场方向而言的。图3法拉第效应的唯象解释如果磁场的作用是使右旋圆偏振光的传播速度c/版和左旋圆偏 振光的传播速度c/机不等，于是通过厚度为4的介质后，便产生不 同的相位滞后：所争定，附苧M(2)式中4为真空中的波长。这里应注意，圆偏振光的相位即旋转电矢量 的角位移；相位滞后即角位移倒转。在磁致旋光介质的入射截而上, 入射线偏振光的电矢量E可以分解为图3所示两个旋转方向不同的 圆偏振

4、光比和2,通过介质后，它们的相位滞后不同，旋转方向也 不同，在出射界而上，两个圆偏振光的旋转电矢量如图5.16.3(b)所示。 当光束射出介质后，左、右旋圆偏振光的速度又恢复一致，我们又可 以将它们合成起来考虑，即仍为线偏振光。从图上容易看出，由介质 射出后，两个圆偏振光的合成电矢量E的振动而相对于原来的振动而 转过角度夕其大小可以由图3(b)直接看出，因为夕我一8 =少心+6( 3 )所以(4)由(6.16.2)式得0 = (nR nL)d = 0p d(.5)A当时，90,表示右旋；当时，。0,表示左旋。假如 做和m的差值正比于磁感应强度8,由(5)式便可以得到法拉第效 应公式(1)。式中

5、的许为单位长度上的旋转角，称为比法 A拉第旋转。因为在铁磁或者亚铁磁等强磁介质中，法拉第旋转角与外 加磁场不是简单的正比关系，并且存在磁饱和，所以通常用比法拉第 旋转外的饱和值来表征法拉第效应的强弱。式也反映出法拉第旋 转角与通过波长义有关，即存在旋光色散。微观上如何理解磁场会使左旋、右旋圆偏振光的折射率或传播速 度不同呢？上述解释并没有涉及这个本质问题，所以称为唯象理论。 从木质上讲，折射率加和m的不同，应归结为在磁场作用下，原子 能级及量子态的变化。这已经超出了我们所要讨论的范围，具体理论 可以查阅相关资料。其实，从经典电动力学中的介质极化和色散的振子模型也可以得 到法拉第效应的唯象理解。

6、在这个模型中，把原子中被束缚的电子看做是一些偶极振子，把光波产生的极化和色散看作是这些振子在外场 作用下做强迫振动的结果。现在除了光波以外，还有一个静磁场占作 用在电子上，于是电子的运动方程是m勺-+ kr = -eE（ 6 ） drI dt）式中M是电子离开平衡位置的位移,m和e分别为电子的质量和电荷, k是这个偶极子的弹性恢复力。上式等号右边第一项是光波的电场对 电子的作用，第二项是磁场作用于电子的洛仑兹力。为简化起见，略 去了光波中磁场分量对电子的作用及电子振荡的阻尼（当入射光波长 位于远离介质的共振吸收峰的透明区时成立），因为这些小的效应对 于理解法拉第效应的主要特征并不重要。假定入射

7、光波场具有通常的简谐波的时间变化形式即明因为我 们要求的特解是在外加光波场作用下受迫振动的稳定解，所以尸的时 间变化形式也应是因此式（6）可以写成/2,、一 廿 一 E 8芦（四）一"）/+/ corxB = - E mm（7） 式中豌=4而，为电子共振频率。设磁场沿+z方向，又设光波也沿 此方向传播并且是右旋圆偏振光，用复数形式表示为E = E、m+iE、 * 将式（7）写成分量形式Bv = -£t（8）mm（3？ 一ar）,-? Bx = -Ey（ 9 ）mm将式（9）乘i并与式（8）相加可得10(%2 -疗)*+汇)+ B(x + 60 = -(£v+ iE

8、J mm因此，电子振荡的复振幅为(10)x + iy =;( Ex + iEv)1(例:- 6?*) + ecoB(.11)设单位体积内有N个电子，则介质的电极化强度矢量，= -N/。由宏观电动力学的物质关系式(Z为有效的极化率张量)可得_ A _N4_ _Ne(x + 3)J""%E £yE q (Ex + iEjJu(12)将式(10)代入式(12)得到nJ/i“-2213ng - co HBm(13)令恐二eB/m (念称为回旋加速角频率)，则Ne2 /ms(Z =；-3： -co1 +G)COc(14)由于 = £/% = 1 + 7 ,因此(1

9、5)对于可见光,口为(2.547)x10*，当8=仃 时,公L7x10”s-i«g,这种情况下式(5.16.15)可以表示为2_Ne" ”人心一 (3+例)2_疗(16)式中公二公/2=(e/2m)&为电子轨道磁矩在外磁场中经典拉莫尔(Larmor)进动频率。若入射光改为左旋圆偏振光，结果只是使公前的符号改变，即有Nel(17)对比无磁场时的色散公式(18)可以看到两点：一是在外磁场的作用下，电子做受迫振动，振子的固有频率由磔变成曲士电，这正对应于吸收光谱的塞曼效应；二是由于映的变化导致了折射率的变化，并且左旋和右旋圆偏振的变化是不相同的，尤其在。接近砥时，差别更为

10、突出，这便是法拉第效应。由此看来，法拉第效应和吸收光谱的塞曼效应是起源于同一物理过程。实际上，通常m、&和相差甚微，近似有2n(19)由式（5）得到0 7T-叱)(20)将式（19）代入上式得到将式（16）、式（17）、式（18）代入上式得到(21)0 - NeJ 1=，* , £jd 2cm1 s n (就一/(22)由于龙苏,在上式的推导中略去了说项。由式（5.16.18）得dn Ne2 co(23)由式（5.16.22）和式（5.16.23）可以得到0 - edn1 ed 2c mdco2c mdnABcU(24)式中a为观测波长，a为介质在无磁场时的色散。在上述推导中

11、，左 uA旋和右旋只是相对于磁场方向而言的，与光波的传播方向同磁场方向相同或相反无关。因此，法拉第效应便有与自然旋光现象完全不同的不可逆性。三.测量原理和方法根据马吕斯定律，如果不计光损耗，则通过起偏器，经检偏器输 出的光强为I = /Ocos2 a(25)式中，/o为起偏器同检偏器的透光轴之间夹角。二0或。二兀时的输出 光强。若在两个偏振器之间加一个由励磁线圈(调制线圈)、磁光调 制晶体和低频信号源组成的低频调制器(参见图.4),则调制励磁线 圈所产生的正弦交变磁场B二Bosin成，能够使磁光调制晶体产生交变 的振动面转角edsin就，仇称为调制角幅度。此时输出光强由式(25) 变为I =

12、/0 cos2(a + 0)= /0 cos2(a + sin cot)( 26 )由式(26)可知，当。一定时，输出光强/仅随8变化，因为e是受 交变磁场B或信号电流曰osin双控制的，从而使信号电流产生的光振动而旋转，转化为光的强度调制，这就是磁光调制的基本原理。图4磁光调制装置根据倍角三角函数公式由式(26)可以得到/=，ol + cos2(c + 8)(27)显然，在0Ka + 8W9(r的条件下，当时输出光强最大，即(28)(.29)/max =向1 +COS 23 劣) 当。=自时，输出光强最小，即(.30)，min = l+8S2(a + 4) 定义光强的调制幅度4 = z _

13、/ cJmin由式(28)和式(29)代入上式得到(31)A = /0 sin 2a sin 2。由上式可以看出，在调制角幅度66一定的情况下，当起偏器和检偏器 透光轴夹角户45。时，光强调制幅度最大An ax = /() sin 2 4(32)所以，在做磁光调制实验时，通常将起偏器和检偏器透光轴成45。角放置，此时输出的调制光强由式(27)知(33)冷(1528)当好90。时，即起偏器和检偏器偏振方向正交时，输出的调制光强由 式(26)知(34)当方0。，即起偏器和检偏器偏振方向平行时，输出的调制光强由式(26)/岛=/08(35)若将输出的调制光强入射到硅光电池上，转换成光电流，在经过 放

14、大器放大输入示波器，就可以观察到被调制了的信号。当圻45。时, 在示波器上观察到调制幅度最大的信号，当疥0。或取90。，在示波器 上可以观察到由式(34)和式(35)决定的倍频信号。但是因为6 般都很小，由式(34)和式(35)可知，输出倍频信号的幅度分别接 近于直流分量0或/oo四.实验仪器与装置半导体激光器及其电源，电磁铁，样品，偏振片，小角度摆幅装置, 测角仪，光电接受器，电源，特斯拉计，导轨，支架等。五.实验步以1 .首先在光具座的滑上放置好激光器和光电接收器(通常光电接收器 位于光具座右侧末端)。2 .按系统连接方法将激光器、玻璃介质磁光调制器以及与检偏器一体I的光电接收器等组件连接

15、到位。3 .光路准直：打开电源开关，接通激光器电源，点亮激光器，节激光 器尾部的选钮，使激光器达足够光强。将激光器基本与光具坐导轨平 行并使激光束落在接收部件塑盖的中心点上。然后将激光器远离（移 至导轨的另一端），再次微调后侧的夹持螺钉，务使光点仍落在4 .用所提供的电缆线分别将“调制监视”与“解调监视”插座与双踪 示波器的Y I和YH的输入端相连。5 .插入起偏器（P2）,移去接收单元塑盖时，接收光强指示应呈现读 数：调节起偏器，使光强指使器近于0,表示检偏器与起偏器的光轴 正处于正交状态（P±A）,记下起偏器角度。再将起偏器旋转约45° 角，使两偏振面在此夹角下调制幅度

16、达最大值。6 .调节激光强度，使光强指示的读书在“4-5”左右。7 .将磁光调制器插入片架中，拧紧定位压环的两只滚花螺钉，将调制 器予以固定，然后将镜片架插入光具座后对准中心，务必使激光束正 射透过。六.实验内容1.观察磁光调制现象打开调制信号开关，调节输出幅度，在示波器上可同时观察到调制波 形与解调输出波形；再仔细跳检偏器的转角，即可明显地看到解调波 与调制波的倍频关系。2.测定旋光角和外加磁场的关系曲线。I/A0B*BI/AeB'B0247.7171-172171.51.4245.353882-415040160.2247.2703-7077051.6245.04695-47504

17、722.50.4246.8751266-127012681.8244.85210-535052800. 6246.61807-18341820.52.0244.3755455-60605757.50.8246.32352-24152383.52.2244.156320-65816450.51.0245.952860-298029202.4243.8756082-72116646.51.2245.73200-35953397.52. 5243.756985-7455722080007000757.55280 >722,54016292023835<820.512&8705171.5244244.524