法拉第效应实验报告_2.doc

南昌大学物理实验报告 学生姓名： ___ 学号： 专业班级________ 实验时间： 教师编号： 成绩：_______ 法拉第效应 实验目的 1.了解和掌握法拉第效应的原理； 2.了解和掌握法拉第效应的实验装置结构及实验原理； 3.测量法拉第效应偏振面旋转角与外加磁场电流I的关系曲线 二、实验仪器 本实验采用FD-FZ-I型法拉第-塞满效应综合试验仪，仪器结构示意图如下: 实验原理 法拉第效应 1845年法拉第发现磁场会引起磁性介质折射率变化而产生旋光现象，即加在介质上的磁场引起了平行于磁场方向传播的线偏振光偏振面的旋转，且光波偏振面偏转角（磁致旋光角）与光在介质中通过的长度D及介质中磁感应强度在光传播方向上的分量B成正比。此即为法拉第效应。 法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。大部分物质的法拉第效应很弱，掺稀土离子玻璃的法拉第效应稍明显些，而有些晶体如YIG等的法拉第效应较强。同时，由于法拉第效应弛豫时间极短，对温度稳定性要求低。故法拉第效应有许多重用的应用，如光纤通讯中的磁光隔离器、单通器，激光通讯，激光雷达等技术中的光频环行器、调制器等，以及磁场测量的磁强计等。磁光隔离器可减少光纤中器件表面反射光对光源的干扰；磁光隔离器也被广泛用于激光多级放大技术和高分辨的激光光谱技术，激光选模等技术中。在磁场测量和电流方面，可测量脉冲强磁场、交变强磁场、等离子体中强磁场、低温超导磁场、几千-几千KV的高压电流等。此外，利用法拉第效应还可研究物质结构、载流子有效质量、能带等。 不同物质偏振面旋转方向可能不同。通常规定：振动面的旋转方向和产生磁 南昌大学物理实验报告 学生姓名： ___ 学号： 专业班级________ 实验时间： 教师编号： 成绩：_______ 场的螺旋线圈中电流方向一致，称为正旋(V＞0)；反之，叫做负旋(V＜0)。 对于给定物质，其固有旋光效应沿顺光线和逆光线方向观察时线偏振光的振动面的旋向完全相反，因此，当光波往返两次穿过固有旋光物质时振动面复位。而法拉第效应则不然，其旋转方向仅由磁场方向决定，而与光传播方向无关。若磁场方向不变，光线往返穿过磁致旋光物质时，法拉第转角将加倍。利用该特性，可令光线在介质中往返数次，从而加强旋转效应。 与固有旋光效应类似，法拉第效应也有旋光色散，即V随波长λ而变。一束白色线偏振光穿过磁致旋光物质，紫光振动面要比红光振动面转角大。 法拉第效应的旋光角及其计算 如图，一束平面偏振光可看作由两个等振幅、不同频率的左旋和右旋圆偏振光构成，如（图1）。设线偏振光的电矢量为E，角频率为ω，则E为左旋圆偏振光EL和右旋圆偏振光ER之和。通过长度D的介质后, EL和ER之间产生相位差 图1 旋光示意图 ?? ?? (1) 式中vL、tL、nL及vR、tR、nR分别为EL及ER通过磁场中磁性介质时的传播速度、时间及介质折射率。 出射介质后的线偏振光的转角（法拉第效应旋光角）为 ? ??? ?? ?? ?? ? (2) 在磁场B中介质中原子的电子具有势能U,即 南昌大学物理实验报告 学生姓名： ___ 学号： 专业班级________ 实验时间： 教师编号： 成绩：_______ ?????????????? ??? 式中e为电子电荷,m为电子质量,LB为电子的轨道角动量在磁场方向的分量。 在磁场B的作用下,当平面偏振光通过介质时,光子与轨道电子发生相互作用,使轨道电子从基态跃迁到较高能级，并获得角动量。跃迁后电子动能不变,而势能增加△U，即 ????（+对应于左旋光子；-对应于右旋光子）???????? 由于 ，因此，在磁场作用下,能量为的左旋圆偏振光子所激发的跃迁电子的能级结构等于无外磁场时能量为的左旋光子所激发的跃迁电子的能级结构相同。因此 ?????????? 亦即 ?? ?? 同理，对右旋光子，有 ?????? ????????????????? 则 (3) 将式（3）代入式（2）得 ????????????? ?????????????????????????即 ?? ??????????? ?