磁光调制实验

磁光调制实验实验目的了解磁光效应的原理，掌握光线偏振面旋转角度的测量方法。通过试验，验证费尔德常数公式，并计算荷质比。实验原理1845年，英国科学家法拉第(Faraday)在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现平面偏振光沿着磁场方向通过磁场中的透明介质时，光的偏振面发生了旋转，其旋转的角度正比于磁感应强度及光波通过介质的路程。这种现象叫做磁致旋光效应或法拉第效应。在磁场作用下介质的旋光作用在磁场作用下，处于磁场中的介质呈现各向异性，其光轴方向为沿着磁场的方向。当束平面偏振光和沿着磁场方向通过磁场中介质的时候，便会产生如图1所示的情形：平面偏振光沿磁场B通过介质平面偏振光沿磁场B通过介质图2在波振面内平面偏振光电矢量的旋转

设平面偏振光的电矢量为E，角频率为o，研究问题时我们可以把E看成两个圆偏振光成

分(左旋圆偏振光El和右旋圆偏振光Er)的矢量合成。在磁场8作用下通过介质时，我

—* —► —► ►们可以认为Er传播速度比el慢，那么通过介质后er和el之间将产生相位差。，合成矢量E，则旋转一个角度4:（1）这就是说，在磁场g作用下，一束平面偏振光沿着磁场方向通过介质后，它的电矢量的振动方向旋转了一个角度，也就是该平面偏振光的偏振面旋转了一个角度。设介质的厚度为D，El的传播速度为匕，Er的传播速度为%则有:DD、 3D, 、（2）（3）0=3（t-1）=3（丁- ）=w（2）（3）RLVVCRL入3D， 、卜2C（，一"l）（2），（3）中nR为在磁场B作用下，右旋圆偏振光通过介质的折射率，匕为左旋圆偏振光通过介质的折射率，C为真空的光速。法拉第旋光角度的计算由量子理论知道，介质中原子的轨道电子具有磁偶极矩R:R=——L （4）2m―lr其中e为电子电荷，m为电子质量，L为电子的轨道角动量。 9-在磁场B作用下，一个电子磁矩具有势能V：--e-一eBV=—r•B=2L-B=2L轴 （5）其中L轴为电子轨道角动量的轴向分量。 F在磁场B作用下，当平面偏振光通过介质时，光子与轨道电子发生交互作用，使轨道电子发生能级跃迁。跃迁时轨道电子吸收角动量AL=AL轴=±力，跃迁后轨道电子动能不变，而势能则增加了AV:TOC\o"1-5"\h\zAV=竺AL=±也方 （6）2m轴 2m当左旋光子参与交互作用时：AV=竺方 （7）2m

而右旋光子参与交互作用时：TOC\o"1-5"\h\zAV=一竺■方 （8）2m我们知道，介质对光的折射率是光子能量（方①）的函数：\o"CurrentDocument"n=n（尬） （9）其函数形式取决于介质的轨道电子能级结构。可以认为，在磁场作用下，具有能量为（方①）的左旋光子所遇到的轨道电子能级结构，等价于不加磁场时能量为伽-*）的左旋光子所遇到的轨道电子能级结构。因此有:nL（方①）=n（方①—A匕）或n（方o）=n（o一 AVl ）浇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）一虫・AV^=n（o）+鱼.也 （11）R 方 do 方 2mdo将（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因为①二〒，代入（12）式得:人,eBD人dn2mC d人Vn）=-盘*%V（A）称费尔德常数，它反映了介质材料的一种特性。公式（13）和（15）式适用于MKS制，B的单位为韦伯/米2，1韦伯/米2=10000高斯。对于CGS制，则有:（16）,=_eBD人dn（16）-2mC2 d

(17)公式（1）和（16）就是法拉第效应旋光角的计算公式。它表示法拉第旋光角的大小和介质dn一厚度成正比，和磁场强度成正比，并且和入射光波长及介质的色散M有密切关系。d人实验仪器WFC型法拉第效应测试仪。图3为仪器的示意图，该仪器由光源、磁场、样品和旋光1、光源系统光源产生复合白光，通过单色仪可获得波长360nm-800nm的单色光。单色光经过偏振片变成平面偏振光。其中波长与鼓轮读数关系如表1所示。表1可见波长部分实测数据表波长（以m）鼓轮读数（棱镜30°）0.43412.7500.43582.7850.48613.7850.54614.5860.57704.8920.57904.9100.58764.9820.58935.0000.65635.4780.66785.5492、 磁场和样品介质直流电磁铁采用DT4电工纯铁做成磁路，磁极柱直径①40mm，磁路中有④6mm通光空。因此，能保证入射光的光轴方向与磁场B的方向一致。磁极间隙为11mm，激磁电流4A时，磁场强度可达8200高斯，图4为激磁电流与磁场强度的关系曲线，其中B的单位为1韦伯•米2=10000高斯。样品介质ZF6为重火石玻璃呈三棱镜（8=60°）的形状，样品固定在电磁铁两级之间的夹具上。3、 旋光角的检测系统该系统时用以测出旋光角。光电倍增KGDB404）用来接收旋光信号，反映到数显表上，则是监测透光最大和最小，而旋光角则由角度数显表直接读出，角度显示值为99°59’，分辨率1’。54003000GS90008000700054003000GS9000800070006000500040003000200010009000/82007000图4激磁电流与磁场强度的关系曲线实验内容将白炽灯电源线插入电源变压器后，接通电源，开启单色仪入射狭缝（注意开启方向切勿关闭过零）。将电源、单色仪与电磁铁配合后衔接起来（即把偏板片座套插入电磁铁之圆凹槽里），从电磁铁另一磁极圆孔中，用30X读数显微镜观察，调整单色仪与电磁铁的配合，使光束（即狭缝像）位于圆孔中心，随即将光电接收的连接罩插入到电磁铁的圆凹槽中。实验步骤如下：接通电源，预热5分钟，开始实验：首先将检偏器手柄（标记为红点）与连接座的标记（为红点）及电磁铁一端的标记（为红点），三点调成一直线。灵敏度旋钮，顺时针为增加，逆时针为减少，灵敏度的高低直接反映在数显表的数字跳动的快慢。注意在同一波长情况下，一经调定，在整个测量过程中即不应再动此旋钮。把检偏测角的手轮（以下简称手轮）顺时针旋转到头，再逆时针旋转两周后，按一下清零按钮，角度表示值为零，微动调零旋钮，使数显表的示值为零，既可以进行测量。在测量前，验证一下角度表的零位正确与否，可通过加磁场来检验。把稳流电源接电磁铁，将电流值分别从1A、2A、…直到5A，观察其数显表的示值应成线性增加，这说明角度表的零位在此，微动调零手钮使数显表的示值为零。测量法拉第效应角a首先增加电流1A，电流逐渐增加，数显表的示值也同步增加，观察数显表示值从0增加到两位数左右。再旋转手轮，使角度表的示值从0°增加到若干度数，使其数显表的示值从两位数逐渐变化到零。将1A的电流关闭，观察其数显表的示值从零增加到两位数，这是角度表的示值为法拉第效应角a。旋转手轮，观察数显表的示值为零时，则角度表的示值为重复性误差。电流从1A、2A增至4A为止，在不同的磁场强度下测量三次，取其平均数，填入表2。注意：每次往返测量应在短时间内完成，以免因电路零点漂移引起误差。表2旋转角a与外加磁场电流I的关系原始数据电流角度表读数平均读数1A2A3A4A测量条件为狭缝宽度1.500mm，鼓轮读数5.000mm

鼓轮读数对应波长法拉第效应角1A2A3A4A3.7850.48614.5860.54614.8920.57704.9100.57905.0000.58935.4780.65635.5490.66783.固定磁场强度B,测旋光角a和波长入的关系曲线，其方法步骤同上，将结果填入表3。表3旋转角a和波长的关系原始数据检验试验精度，计算电子荷质比e/m。通过试验所测各曲线的线性或近线性范围内，选择a、8、入和dn/d入值（见表4,取三组数据），由公式导出：计算e/m值，与比较经典e/m=1.7588X1011（库仑/千克），求出本实验的相对误差，并分析误差来源。（L=0.01m）表4入--dn/dA相对值对照表从埃）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.法拉第效应和晶体的旋光效应有何相同点和不同点?利用法拉第效应设计一个单向通光阀，画出示意图。注意事项关启单色仪入射狭缝时，切勿过零。施加或撤除磁化电流时，首先将电源输出电位器逆时针回到零，以防止接通或切断电源时磁体电流的突变。测量过程中，不能直