法拉第效应-磁光调制实验

  • 物理楼149房间
  • 实验由姚红英老师负责教学

1845年,法拉第(M.Faraday)在探索电磁现象和光学现象之间的联系时,发现了一种现象:当一束平面偏振光穿过介质时,如果在介质中,沿光的传播方向上加上一个磁场,就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度,即磁场使介质具有了旋光性,这种现象后来就称为法拉第效应。法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系,促进了对光本性的研究。之后费尔德(Verdet)对许多介质的磁致旋光进行了研究,发现了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。

法拉第效应有许多重要的应用,尤其在激光技术发展后,其应用价值越来越受到重视。如用于光纤通讯中的磁光隔离器,是应用法拉第效应中偏振面的旋转只取决于磁场的方向,而与光的传播方向无关,这样使光沿规定的方向通过同时阻挡反方向传播的光,从而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应用激光光谱,激光选模等技术中。在磁场测量方面,利用法拉第效应驰豫时间短的特点制成的磁光效应磁强计可以测量脉冲强磁场、交变强磁场。在电流测量方面,利用电流的磁效应和光纤材料的法拉第效应,可以测量几千安培的大电流和几兆伏的高压电流。

磁光调制主要应用于光偏振微小旋转角的测量技术,它是通过测量光束经过某种物质时偏振面的旋转角度来测量物质的活性,这种测量旋光的技术在科学研究、工业和医疗中有广泛的用途,在生物和化学领域以及新兴的生命科学领域中也是重要的测量手段。如物质的纯度控制、糖分测定;不对称合成化合物的纯度测定;制药业中的产物分析和纯度检测;医疗和生化中酶作用的研究;生命科学中研究核糖和核酸以及生命物质中左旋氨基酸的测量;人体血液中或尿液中糖份的测定等。

光与电磁的相互作用,是一类重要的物理现象。即磁光效应。磁光效应应具有下面几种现象。

1,塞曼效应:把具有光辐射的介质原子放在磁场中,原子光谱的谱线发生分裂。

2,佛埃特效应:在磁场作用下,平面偏振光沿着磁场法向通过置于磁场中的透明介质,产生光的双折射现象。

3,法拉第效应:在磁场作用下,平面偏振光沿着磁场方向通过置于磁场中的透明介质,光的偏振面发生旋转。

法拉第效应应有着多方面的应用,如物质分析,电工测量技术中的电流、磁场测量,激光技术中的隔离器,以及激光通信、雷达技术中的光频率环形器,调制器等。

一、实验原理

1845年,英国科学家法拉第在研究光现像与电磁现象的联系时,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。实个发现在物理学史上有着重要的意义,这是光学过程与电磁学过程有密切联系的最早证据。

θ=VBL

式中:

  • 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(Verdet)常数。

法拉第效应实验装置如图所示。由光源产生的复合白光通过小型单色仪后可以获得波长在360~800nm的单色光,经过起偏镜成为单色线偏振光,然后穿过电磁铁。电磁铁采用直流供电,中间磁路有通光孔,保证人射光与磁场B方向一致。根据励磁电流的大小可以求得对应的磁场值。入射光穿过样品后从电磁铁的另一极穿出人射到检偏器上,透过检偏器的光进入光电倍增管,由数显表显示光电流的大小,即出射光强的大小。根据出射光强最大(或最小)时检偏器的位置读数即可得出旋光角。检偏器的角度位置读数也由数显表读出。

测量法拉第旋转角与磁场的关系

测量法拉第旋转角与波长的关系


讨论区

两个电源预热10分钟一定不能省

测量磁场:高斯计尽量保持在三棱镜要放的那个位置,测量多花点时间仔细测,这些都是比较trivial的。有一点是要注意,调节电流缓慢一点,在测磁场以及之后的旋光角时,要注意电流是否稳定。

测量旋光角:对仪器灵敏度的调整,不要完全照搬教材上的灵敏度旋钮转到底再反转两圈,这里调节灵敏度,只要保证:1,在测量时不要超过量程;2,在一定时间内读数稳定。有时候即使灵敏度能保证不超量程但是偏大,在测量时,读数的波动会比较大,我们小组在做时,就发现刚记下角度,回头看示数就变了,适当减小灵敏度能避免这种情况。对于旋光角的记录,建议不要按照教材上的记录“数显表值最小时对应的角度”;相对的,选择两个零点对应的角度α1、α2求平均比较好。

测量折射率:这个在大二应该都做过,靠的是耐心,测完后最好让眼睛休息下。拟合柯西公式,四次项一定不能省。

这是我们小组做下来的体会,其中一些步骤的原因都是比较基础的,在此不讲明,选择做这个实验还是需要多思考的。 ——俞天伦 2014/7/3

感谢俞天伦同学的分享。 — 乐永康 2014/07/03 23:50

因为我们组今年用的仪器是新仪器,发现了仪器的几个问题:
1、测量磁场:仪器自带的高斯计的测量结果是不准确的,尽管测量出来的励磁曲线还是直线,但是定标出了问题,斜率和截距都相差了很多,这样算出来的结果误差很大。测量磁场不能用自带的高斯计测量。
2、测量旋光角与波长、磁场的关系:这一部分有两点,一是单色仪鼓轮上的波长读数是不准确的,也要进行定标,定标的方法可以利用汞灯作为光源,用光电二极管进行探测,利用汞灯的标准谱线进行定标,汞灯应该能够测到4条谱线左右。二是在测量旋光角的时候光路很重要,一定要先把光路对准,这直接影响光电倍增管信号的强弱,光路不对准的话磁场变化很大可能都没有示数。
最后再推荐一个网站https://refractiveindex.info/,这个网站可以查询各材料的n,k与波长的关系,也可以直接给出不同波长下的折射率,这样可以直接对自己的测量结果的误差进行计算。 — 吴锂 2017/12/15 18:39

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  • 最后更改: 2018/11/18 14:19
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