法拉第效应教案

PAGEPAGE5课时安排：3学时教学课型：实验课题目：法拉第效应教学目的要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：通过实验，让学生达到以下目的：1、观察磁旋光现象，学习测定样品的磁旋光特性2、了解磁旋光调制器的结构和使用教学内容（注明：*重点#难点？疑点）：一、实验所用仪器：1.半导体激光器2.起偏器，检偏器3.高频螺旋线圈4.控制电源5.磁光材料6.光电探测器7.光具座。二、实验原理部分：一、磁旋光现象有些物质，如顺磁性、铁磁性和亚铁磁性材料等，其内部组成的原子或离子都具有一定的磁矩，由这些磁性原子或离子组成的化合物有很强的磁性，称为磁性物质。人们发现，在磁性物质内部有很多的小区，在每个小区内，所有原子或离子的磁矩都互相平行的排列着，这种小区成为磁畴；因为各个磁畴的磁矩方向不同，因而其作用相互抵消，所以宏观上并不显示出磁性。若沿物体的某一方向施加一外磁场，那么物体内各磁畴的磁矩就会从各个不同的方向转到磁场方向上来，这样对外就显示出磁性。当光波通过这种磁化的物质时，其传播特性就会发生变化，这种现象成为磁光效应。磁光效应包括法拉第旋转效应，克尔效应，磁双折射效应等。其中最主要的是法拉第旋转效应，它使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转角度的大小与沿光束方向的磁场强度和光在介质中传播的长度L之积成正比，即：式中，V称为Verder常数，它表示在单位磁场强度下线偏振光通过单位长度的磁光介质后偏振方向旋转的角度。对旋光效应的物理原因，可解释为外加磁场使介质分子的磁矩定向排列，当一束线偏振光通过它时，分解为两个频率相同，初相位相同的圆偏振光，其中，一个圆偏振光的电矢量是顺时针方向旋转，称为右旋偏振光，而另一个偏振光是逆时针方向旋转，称为左旋偏振光。这两个圆偏振光无相互作用的以两种略有不同的速度传播，它们通过一定厚度的介质之后产生不同的相位延迟，所以两圆偏振光间存在相位差，当它们通过介质之后，又合成一线偏振光，其偏振方向相对于入射光旋转了一个角度。图1中YZ表示入射介质的线偏振光的振动方向，将振幅分解为左旋和右旋两矢量和，假设介质长度L使右旋矢量在出射面刚好转回到原来的方向，此时左旋光矢量转到，于是合成的线偏振光相对于入射光的偏振方向转了一个角度。磁旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光学传播方向的正逆无关，这是磁旋光效应与晶体自然旋光现象的不同之处。当光束往返经过自然旋光晶体时，因旋转角相等方向相反而相互抵消，但通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角都朝一个方向增加。此现象说明磁旋光效应是一个不可逆的光学过程，因而可用来作为光隔离器等光学器件。二、磁光调制器磁光调制是把传递的信息转换成光波强度等参量随时间的变化，将电信号先转换成与之对应的交变磁场，由磁光效应改变在介质中传播的光波偏振态，从而达到改变光强度等参量的目的。磁光调制器的组成见图2。磁光材料放在入射光轴上，其两端放置有起、检偏器，高频螺旋线圈环绕其上，受驱动电源的控制，用以提供平行于光轴的信号磁场，当驱动电源输出电流强度变化，信号磁场也随之同步变化（驱动电源输出电流强度变大，信号磁场也变大）。入射光通过磁场时，由于法拉第旋转效应，其偏振面发生旋转，就会使光的偏振面发生相应的变化。三、实验内容及步骤1、将设备按下图摆放。2、分别连接半导体激光器和光探头到OPT－1A型功率计上（插头均在后面板上），打开激光器和功率计电源（此时先不开FLD－1法拉第效应驱动电源开关），调整光路，使光束可穿过电磁线圈中心的磁致旋光材料。3、旋转检偏器，使功率计指示值最小（选用最小档位），这时起偏器和检偏器相互垂直，处于消光状态。4、用导线将“电磁线圈和磁光材料”器件连接到FLD－1法拉第效应驱动电源上（红与红接，黑与黑接），然后打开线圈驱动电源，将驱动电源电流调到0.5A，此时功率指示值将发生变化。5、重新旋转检偏器，使功率指示值尽可能的小，系统重新进入消光状态，记下此时的电流值和检偏器的角度变化值和方向。6、按一定间隔（约0.5A）增大电流，重复步骤5，记下相应的电流值和检偏器的角度变化值。7、根据电流与电磁线圈中磁场的关系和以上实验数据，作关系图，并说明与B的大致关系。（如有高斯计，可测出材料的Verdet常数，其中L=30mm。）8、将激光器与光探头对换位置，使光束从电磁线圈的另一端穿过磁致旋光材料，改变励磁电流，重复步骤5和6，作关系图，并与步骤7中的数据进行比较，说明它们之间的关系。9、交换驱动电源的电流输出导线，改变电磁线圈中的电流方向，改变电流大小，重复步骤5和6，作关系图，并与步骤7及8中的数据进行比较，说明它们之间的关系。。【数据与处理】1、根据表1数据，在坐标纸上做出电流强度—偏振角关系直线。表1正向电流，从左向右照射的关系I（A）2、根据表2数据，在坐标纸上做出电流强度—偏振角关系直线。表2正向电流，从右向左照射的关系I（A）3、根据表3数据，在坐标纸上做出电流强度—偏振角关系直线。表3反向电流，从右向左照射的关系I（A）【注意事项】1、各仪器的中心轴一定要调节等高共轴。2、实验测量时，要保证起偏器和检偏器的角度面板朝同一方向。3、实验测量时，光探头要尽量靠近检偏器，以减少周围背景光对实验的影响。教学方式、手段、媒介：实验讲义和板书。板书设计：一、原理部分1、什么叫磁光效应？2、磁光效应包括哪些？3、磁旋光效应与晶体自然旋光现象的不同之处是什么？（磁旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光学传播方向的正逆无关，这是磁旋光效应与晶体自然旋光现象的不同之处。）4、一些公式：一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转角度的大小与沿光束方向的磁场强度和光在介质中传播的长度L之积成正比。二、测量部分1、正向电流，从左向右照射的关系2、正向电流，从右向左照射的关系3、反向电流，从右向左照射的关系注意：以上测量数据时按一定间隔（约0.5A）增大电流，重复讲义上的步骤5，记下相应的电流值和检偏器的角度变化值。当将激光器与光探头对换位置，重新测量时，起偏器与检偏器的面板要转个180度，面板统一朝向激光光源。讨论、思考题、作业：完整地实验报告做一份参考书目：1．黄志高．近代物理实验.福州:福建教育出版社，2001年2．吴思诚，王祖铨．近代物理实验(第二版).北京:北京大学出版社，1986年3．吴思诚，王祖铨．近代物理实验(第三版).北京:北京大学出版社，2005年附：实验数据测量及处理部分1、根据表1数据，在坐标纸上做出电流强度—偏振角关系直线。表1正向电流，从左向右照射的关系I（A）0.511.011.542.032.532.98(°)90868379.576730.60.91.52.23.03.72、根据表2数据，在坐标纸上做出电流强度—偏振角关系直线。表2正向电流，从右向左照射的关系I（A）0.491.011.532.012.523.07(°)368365361.53593553510.20.20.30.40.50.63、根据表3数据，在坐标纸上做出电流强度—偏振角关系直线。表3反向电流，从右向左照射的关系I（A）0.481.041.532.022.533.02(°)151921.5252831.50.20.30.40.450.550.71