法拉第效应-副本概述.docx

法拉第效应 学号： 姓名： 实验日期：2013/10/18 指导教师：廖红波 【摘要】实验首先测量磁场B和励磁电流I为B=0.3185*I+0.0036的线性关系，利用磁场和励磁电流之间的线性关系，用电流表征磁场的大小；再利用磁光调制器和示波器，采用消光法和倍频法测量石英、ZF7、MR3－2样品在不同强度的磁场下的法拉第旋光角，找出旋光角θ和磁场强度B的线性关系；最后让偏振光分别两次通过MR3样品和石英晶体，比较了不同样品的旋光特性并区分自然旋光和法拉第旋光，验证法拉第旋光的非互易性。 关键词：法拉第效应、旋光角、倍频法、消光法、非互易性 引言 1845年英国物理学家法拉第（faraday1791-1867）发现原本没有旋光性的铅玻璃在磁场中出现了旋光性，这种磁致旋光现象后来被称为法拉第效应，这也是人类第一次认识到电磁现象和光现象之间的联系。后来，费尔德（Verdet）研究了许多介质的磁致旋光效应，发现法拉第效应普遍存在于固体、液体、和气体中，只是大部分物质的法拉第效应很弱，而掺稀土离子的玻璃的费尔德常数稍大。近年来研究的石榴石（YIG）等晶体的费尔德常数更大一些。法拉第效应只是磁光效应中的一种。磁光效应是描述在磁场的作用下，在具有固有磁矩的介质中传播的光气无力性质发生变化的现象，比如光的频率，偏振面，相位或散射特性等性质发生了变化。磁光效应有很多种类，常见的有法拉第效应、塞曼（Zeeman）效应、克尔（Kerr）效应、科顿-穆顿效应和磁激发光散射等。 法拉第效应的应用领域极其广泛。它可以作为物质结构研究的手段，比如，根据结构对法拉第效应的影响来分析碳氢化合物的结构；在光谱学中，可以用于研究激发能级的有关信息；在电工测量中，可用来测量电路中的电流和磁场。如今，利用法拉第效应原理制成的偏频盒、旋转器、环行器、相移器、锁式开关、Q开关、光纤隔离器等能快速控制激光参数的各种元器件，已广泛地应用于激光雷达、激光测距、激光陀螺、光纤通信中。 本实验的目的是：通过实验理解法拉第效应的本质，掌握测量旋光角的基本方法，并测量不同类型材料的旋光角，同时学会计算费尔德常数。 实验原理 法拉第效应就是，当线偏振光穿过介质时，若在介质中加一平行于光的传播方向的磁场，则光的振动面将发生旋转，振动面转过的角度称为法拉第效应旋光角。实验发现 （1） 其中θ为法拉第效应旋光角，L为介质的厚度,B为平行与光传播方向的磁感强度分量,V称为费尔德常数，它由材料本身的性质和工作波长决定的，表征物质的磁光特性。一般约定，当光的旋转方向与产生磁场的电流的方向一致时，称法拉第旋转是左旋，V0;反之则叫右旋,V0。 法拉第效应与自然旋光不同在于：法拉第效应对于给定的物质，偏振面的旋转方向只由磁场的方向决定而与光的传播方向无关，光线往返一周，旋光角将倍增，这叫做法拉第效应的“旋光非互易性”。而自然旋光过程是可逆的。 1、法拉第效应原理 一束平面偏振光可以分解为两个不同频率等振幅的左旋和右旋圆偏振光。在没有外加磁场时，介质对它们具有相同的折射率和传播速度，他们通过距离为 的介质后，他们产生的相位移相同，不发生偏转。当有外磁场时，由于磁场使物质的光学性质改变，两束光具有不同的折射率和传播速度，产生不同的相位移： （2） （3） 其中，分别为左旋、右旋圆偏振光的相位，、分别为其折射率，λ为真空中的波长。 线偏振光的电场强度矢量应始终位于和的角平分线上，可以导出，所以有 （4） 利用经典电动力学中的介质极化和色散的振子模型，可以得 （5） （6） 其中N为单位体积的电子数，为电子的固有振动频率，是电子轨道磁矩在外磁场中的经典拉莫尔进动频率。m、e分别为电子质量和电子电荷。 而无磁场时介质色散公式为 （7） 由以上推到得出如下结论： （1）在加磁场的作用下，电子作受迫振动，振子的固有频率由变为，这正是对应的吸收光谱的塞曼效应（倒塞曼效应）； （2）由于的变化导致了折射率的变化，并且左、右旋圆偏振光的变化是不同的，尤其是在接近时，差别更为突出，这就是法拉第效应。 实际上，、和n相差很小，可以近似认为 （8） 将（5）－（8）式代入（4）式，再用到条件≤（略去项），整理 （9） 式中，c是光速。对（7）式微分，再代入（9）式，同时利用关系式，得 （10） 结合（1）式可