创新性实验报告

实验课题:  磁光效应

专业班级：   XXXXXX     

姓名: XXX

学号: XXXXXX

指导教师: 赵骞

磁光效应实验

【实验目的】

1、了解法拉第效应产生的原因。

2、会用消光法检测磁光玻璃的费尔德常数。

3、学会用消光法检测磁光玻璃的费尔德常数能。

【实验仪器】

半导体激光器、起偏器、电磁铁（螺线管）、检偏器、直流稳压电源、多量程电流表、光电功率计

【实验原理】

概述：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。 ，，从而减少光纤中器件表面反射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光对光源的干扰；磁光隔离器也被广泛应用于激光多级放大和高分辨率的激光光谱，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。                                            

法拉第效应

实验表明，在磁场不是非常强时，如图1所示，偏振面旋转的角度与光波在介质中走过的路程及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量成正比，即：

                                                                                      比例系数由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔德（Verdet）常数。

费尔德常数与磁光材料的性质有关，对于顺磁、弱磁和抗磁性材料（如重火石玻璃等），为常数，即与磁场强度有线性关系；而对铁磁性或亚铁磁性材料（如YIG等立方晶体材料），与不是简单的线性关系。

图1  法拉第磁致旋光效应

不同的物质，偏振面旋转的方向也可能不同。习惯上规定，以顺着磁场观察偏振面旋转绕向与磁场方向，满足右手螺旋关系的称为“右旋”介质，其费尔德常数；反向旋转的称为“左旋”介质，费尔德常数。

对于每一种给定的物质，法拉第旋转方向仅由磁场方向决定，而与光的传播方向无关（不管传播方向与磁场同向或者反向），这是法拉第磁光效应与某些物质的固有旋光效应的重要区别。固有旋光效应的旋光方向与光的传播方向有关，即随着顺光线和逆光线的方向观察，线偏振光的偏振面的旋转方向是相反的，因此当光线往返两次穿过固有旋光物质时，线偏振光的偏振面没有旋转。而法拉第效应则不然，在磁场方向不变的情况下，光线往返穿过磁致旋光物质时，法拉第旋转角将加倍。利用这一特性，可以使光线在介质中往返数次，从而使旋转角度加大。这一性质使得磁光晶体在激光技术、光纤通信技术中获得重要应用。

与固有旋光效应类似，法拉第效应也有旋光色散，即费尔德常数随波长而变，一束白色的线偏振光穿过磁致旋光介质，则紫光的偏振面要比红光的偏振面转过的角度大，这就是旋光色散。实验表明，磁致旋光物质的费尔德常数随波长的增加而减小，如图2所示，旋光色散曲线又称为法拉第旋转谱。

图 2  磁致旋光色散曲线

从光波在介质中传播的图象看，法拉第效应可以做如下理解：一束平行于磁场方向传播的线偏振光，可以看作是两束等幅左旋和右旋圆偏振光的迭加。这里左旋和右旋是相对于磁场方向而言的。

图3 法拉第效应的唯象解释

通过测量偏振面偏转角度与电流的关系，由Δθ=kdI知，只要测出流过螺线管的电流和偏振面偏转的角度就可以求出常数ｋ。

【实验过程】

正交消光法测量法拉第效应实验

1）将半导体激光器、起偏器、电磁铁（螺线管）、检偏器、光电接收器依次放置在光学导轨上；

2）将半导体激光器与电源相连，将光电接收器与光功率计的“输入”端相连；

3）将恒流电源与电磁铁（螺线管）、多量程电流表相连；

4）调节激光器，使激光依次穿过起偏器、磁铁中心、检偏器，并能够被光电接收器接收；

5）由于半导体激光器为部分偏振光，可调节起偏器来调节输入光强的大小；调节检偏器，使其与起偏器偏振方向正交，这时检测到的光信号为最小，读取此时检偏器的角度；

6）打开恒流电源，加上恒定磁场，可看到光功率计读数增大，转动检偏器，使光功率计读数为最小，读取此时检偏器的角度，得到样品在该磁场下的偏转角；

7）通过改变励磁电流而改变中心磁场的场强，测量不同电流下（即不同场强下）的偏转角，以研究材料的磁光特性。

8）利用最小二乘法求出常数k,得偏转角度θ与励磁电流I的关系θ=kdI。

      

【实验数据记录】

正交消光法测量法拉第效应实验数据记录　　　　　　　　　　　　　　　    　螺线管长度ｄ＝２０ｃｍ

 【实验数据处理】

Δθ=kdI ；其中，  y:Δθ，y:Δθ，

则上式可变为y=ax。（a=kd　）.

根据实验过程中测得的数据，画出偏振面偏转得角度θ与通过螺线管得电流I的关系曲线（直线）如下：

利用最小二乘法对数据进行拟合，如下：

X===2.14

Y==5.12

===11.724

=X)(Y)=2.14)(5.12)=28.0692

∴    a===2.38

可得常数  k===0.119

∴    θ=0.119dI.

【实验结论】

  偏振面偏转得角度θ与通过螺线管得电流I的关系符合：

θ=0.119dI. （其中d为螺线管长度）

【注意事项】

1．起偏器和检偏器都是两个装有偏振片的转盘，读数精度都为，

2. 实验结束后，将电源拔掉及，偏振片元件取下放好。

3.用正交消光法测量样品费尔德常数时，必须注意加磁场后要求保证样品在磁场中的位置不发生变化，否则光路改变会影响到测量结果。

【误差分析】

1外界光对光功率计读数的影响；

2读偏转角度时的视觉误差；

3指针式电流表读数时会有误差。