1、實驗二十磁光效應實驗目的:1、進一步加深對磁致旋光的理解，掌握法拉第效應的實質(zhì)。2、學習用正交消光法與倍頻法測量費爾德常數(shù)。一、簡介1845年，法拉第(M. Faraday)在探索電磁現(xiàn)象和光學現(xiàn)象之間的聯(lián)系時， 發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)象：當一束平面偏振光穿過介質(zhì)時;如果在介質(zhì)中，沿光的傳播方 向上加上一個磁場，就會觀察到光經(jīng)過樣品后偏振面轉過一個角度，即磁場使介 質(zhì)具有了旋光性，這種現(xiàn)象后來就稱為法拉第效應。法拉第效應第一次顯示了光 和電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系，促進了對光本性的研究。之后費爾德(Verdet)對許多 介質(zhì)的磁致旋光進行了研究，發(fā)現(xiàn)了法拉第效應在固體、液體和氣體中都存在。M.Faraday (

2、1791-1876)法拉第效應有許多重要的應用，尤其在激光技術發(fā)展后，其應用 價值越來越受到重視。如用于光纖通訊中的磁光隔離器，是應用法拉 第效應中偏振面的旋轉只取決于磁場的方向，而與光的傳播方向無關， 這樣使光沿規(guī)定的方向通過同時阻擋反方向傳播的光，從而減少光纖 中器件表面反射光對光源的干擾；磁光隔離器也被廣泛應用于激光多 級放大和高分辨率的激光光譜，激光選模等技術中。在磁場測量方面， 利用法拉第效應馳像時間短的特點制成的磁光效應磁強計可以測量 脈沖強磁場、交變強磁場。在電流測量方面，利用電流的磁效應和光 纖材料的法拉第效應，可以測量幾千安培的大電流和幾兆伏的高壓電流。磁光調(diào)制主要應用于光偏

3、振微小旋轉角的測量技術，它是通過測量光束經(jīng)過 某種物質(zhì)時偏振面的旋轉角度來測量物質(zhì)的活性，這種測量旋光的技術在科學研 究、工業(yè)和醫(yī)療中有廣泛的用途，在生物和化學領域以及新興的生命科學領域中 也是重要的測量手段。如物質(zhì)的純度控制、糖分測定；不對稱合成化合物的純度 測定；制藥業(yè)中的產(chǎn)物分析和純度檢測；醫(yī)療和生化中酶作用的研究；生命科學 中研究核糖和核酸以及生命物質(zhì)中左旋氨基酸的測量；人體血液中或尿液中糖份 的測定等。據(jù)了解，目前已有許多國家規(guī)定在制藥工業(yè)中，必須對有效成分的旋 光對映體進行分離，而不能把消旋物以一種純藥物來俏售。在工業(yè)上，光偏振的 測量技術可以實現(xiàn)物理的在線測量，食品工業(yè)中的制酒業(yè)

4、、制糖業(yè)都需要實施監(jiān) 控以提高產(chǎn)品質(zhì)量，在磁光物質(zhì)的研制方面，光偏振旋轉角的測量技術也有很重 要的應用。二、實驗原理（-）法拉第效應實驗表明，在磁場不是非常強時，如圖1所示，偏振面旋轉的角度e與光波 在介質(zhì)中走過的路程”及介質(zhì)中的磁感應強度在光的傳播方向上的分量8成正 比，即：O = VBd（1）比例系數(shù)V由物質(zhì)和工作波長決定，表征著物質(zhì)的磁光特性，這個系數(shù)稱為費爾 德（Verdet）常數(shù)。費爾德常數(shù)V與磁光材料的性質(zhì)有關，對于順磁、弱磁和抗磁性材料（如重 火石玻璃等），V為常數(shù)，即8與磁場強度8有線性關系；而對鐵磁性或亞鐵磁 性材料（如YIG等立方晶體材料），8與8不是簡單的線性關系。圖1法

5、拉第磁致旋光效應表1為幾種物質(zhì)的費爾德常數(shù)。幾乎所有物質(zhì)（包括氣體、液體、固體）都 存在法拉第效應，不過一般都不顯著。表1幾種材料的費爾德常數(shù)（單位:弧分/特斯拉厘米）物質(zhì)2 (nm )V水589. 31. 31xl02二硫化碳589.34. 17xl02輕火石玻璃589.33. 17xl02重火石玻璃830.08xl02-10xl02冕玻璃632.84. 36x107. 27xl02石英632.84. 83x10?磷素589.312.3xl02不同的物質(zhì)，偏振面旋轉的方向也可能不同。習慣上規(guī)定，以順著磁場觀察偏振面旋轉繞向與磁場方向滿足右手螺旋關系的稱為“右旋”介質(zhì),其費爾德常數(shù)v0；反向旋

6、轉的稱為 “左旋”介質(zhì)，費爾德常數(shù)V0,表示右旋;當&v /時，。0,表示左旋。假如k和勺的差值正比于磁感應強度8,山（5）式便可以得到法拉第效應公式（Do式中的 %=（.由）為單位長度上的旋轉角，稱為比法拉第旋轉。因為在鐵磁或者亞 A鐵磁等強磁介質(zhì)中，法拉第旋轉角與外加磁場不是簡單的正比關系，并且存在磁 飽和，所以通常用比法拉第旋轉外的飽和值來表征法拉第效應的強弱。（4）式也反映出法拉第旋轉角與通過波長久有關，即存在旋光色散。微觀上如何理解磁場會使左旋、右旋圓偏振光的折射率或傳播速度不同呢？上述解釋并沒有涉及這個本質(zhì)問題，所以稱為唯象理論。從本質(zhì)上講，折射率心和”的不同，應歸結為在磁場作用下

7、，原子能級及量子態(tài)的變化。這已經(jīng)超出了我們所要討論的范圍，具體理論可以查閱相關資料。其實，從經(jīng)典電動力學中的介質(zhì)極化和色散的振子模型也可以得到法拉第效 應的唯象理解。在這個模型中，把原子中被束縛的電子看做是一些偶極振子，把 光波產(chǎn)生的極化和色散看作是這些振子在外場作用下做強迫振動的結果。現(xiàn)在除 了光波以外，還有一個靜磁場力作用在電子上，于是電子的運動方程是(6)式中7是電子離開平衡位置的位移，加和e分別為電子的質(zhì)量和電荷，攵是這個 偶極子的彈性恢復力。上式等號右邊第一項是光波的電場對電子的作用，第二項 是磁場作用于電子的洛侖茲力。為簡化起見，略去了光波中磁場分量對電子的作 用及電子振蕩的阻尼（

8、當入射光波長位于遠離介質(zhì)的共振吸收峰的透明區(qū)時成 立），因為這些小的效應對于理解法拉第效應的主要特征并不重要。假定入射光波場具有通常的簡諧波的時間變化形式*,因為我們要求的特 解是在外加光波場作用下受迫振動的穩(wěn)定解.，所以尸的時間變化形式也應是6出， 因此式（6）可以寫成(3； - a)2)r +i airxB = - - E mm(7)式中為=跖而，為電子共振頻率。設磁場沿+z方向，乂設光波也沿此方向傳播并且是右旋圓偏振光，用復數(shù)形式表示為E = Exe,a + iEyeia將式(7)寫成分量形式(4 - ox )x + i - By = - Ev(8)m m(g _0-)yT Bx =E、

9、 m m(9)將(9)式乘i并與式(8)式相加可得(4 -。-)(x + iy) + B(x + iy) =(E +，EV)(10)in m因此，電子振蕩的復振幅為x + iy =-(Ex+/Ev)(11)設單位體積內(nèi)有N個電子，則介質(zhì)的電極化強度矢量A = -N/。由宏觀電動力學的物質(zhì)關系式。/(/為有效的極化率張量)可得_ A _ _ Ner _ _ Ne(x +蔗二%左=。(且+，耳)/(12)將(10)式代入(12)式得到Ne2 lma 、*uz _；)-67 + Bm(13)令4 =/？(在稱為回旋加速角頻率)，則nJ i in與- co1 + cocoe(14)由于 =/% =1

10、+ / ,因此(15)對于可見光，Q為（2.54.7） X 1015 5-1 ,當8 = 1 7時，利力1.7x10”這種情況下式（15）可以表示為Ne1 /ms0(16)式中e=9./2 =（，/22）8,為電子軌道磁矩在外磁場中經(jīng)典拉莫爾（Larmor）進動頻率。若入射光改為左旋圓偏振光，結果只是使以前的符號改變，即有21=1 +Ne2 /?(g -g)(17)對比無磁場時的色散公式2=1+吸 /一 -少(18)可以看到兩點：一是在外磁場的作用下，電子做受迫振動，振子的固有頻率由為 變成這正對應于吸收光譜的塞曼效應；二是由于g的變化導致了折射 率的變化，并且左旋和右,旋圓偏振的變化是不相同

11、的，尤其在口接近g時，差 別更為突出，這便是法拉第效應。由此看來，法拉第效應和吸收光譜的塞曼效應 是起源于同一物理過程。實際上，通常4,心和相差甚微，近似有(19)由(5)式得到0 冗 7 = 7(火一牲)a A(20)將式(19)代入上式得到0 n ：一； (1 2 In(21)將式(16), (17), (18)代入上式得到(22)(24)0 - Neha1 1 八 =Rd lenrs n (就 一#)：由于就 ，在上式的推導中略去了就項。由式(18)得dn _ Ne2 co dco ?%) :一2(23)由式(22)和(23)可以得到0 edn D 1 e . dn n(1 2c m d

12、co 2c m d九式中2為觀測波長，9為介質(zhì)在無磁場時的色散。在上述推導中，左旋和右旋 只是相對于磁場方向而言的，與光波的傳播方向同磁場方向相同或相反無關。因 此，法拉第效應便有與自然旋光現(xiàn)象完全不同的不可逆性。(三)磁光調(diào)制原理根據(jù)馬呂斯定律，如果不計光損耗，則通過起偏器，經(jīng)檢偏器輸出的光強為:/ = /0 cos2 a(25)式中，/。為起偏器同檢偏器的透光軸之間夾角& = 0或=加時的輸出光強。若在兩個偏振器之間加一個由勵磁線圈(調(diào)制線圈)、磁光調(diào)制晶體和低頻信號源組成的低頻調(diào)制器，則調(diào)制勵磁線圈所產(chǎn)生的正弦交變磁場B = 8sina,能夠使磁光調(diào)制晶體產(chǎn)生交變的振動面轉角e = 6s

13、inM。稱為調(diào)制角幅度。此時輸出光強由式(25)變?yōu)镮 = /() cos2(z + 0) = /() cos2 a + sin cot)(26)由式(26)可知，當。一定時，輸出光強/僅隨夕變化，因為e是受交變磁場8或 信號電流、isinw控制的，從而使信號電流產(chǎn)生的光振動面旋轉，轉化為光的強度調(diào)制，這就是磁光調(diào)制的基本原理。圖4磁光調(diào)制裝置根據(jù)倍角三角函數(shù)公式由式(26)可以得到/0l + cos2(tz + )(27)顯然，在04。+ 690。的條件下，當。=-%時輸出光強最大，即/max =41 + COS2(C - 練)(28)當6 =%時，輸出光強最小，即Anin =Tl+Cs2(

14、a + 8。)(29) 定義光強的調(diào)制幅度：A =，max -，min(30)由式(28)和(29)代入上式得到A = /)sin 2a sin 20(31)山上式可以看出，在調(diào)制角幅度綜一定的情況下，當起偏器和檢偏器透光軸夾角2 = 45。時，光強調(diào)制幅度最大，Amax = 4 sin 28。(32)所以，在做磁光調(diào)制實驗時，通常將起偏器和檢偏器透光軸成45。角放置，此時輸出的調(diào)制光強由式(27)知兒5* sin 28)(33)當。= 90。時，即起偏器和檢偏器偏振方向正交時，輸出的調(diào)制光強山式(26) 知兒劃=1。sin*(34)當a = O。，即起偏器和檢偏器偏振方向平行時，輸出的調(diào)制光

15、強由式(26)知ZL- = A)cos2 0(35)若將輸出的調(diào)制光強入射到硅光電池上，轉換成光電流，在經(jīng)過放大器放大 輸入示波器，就可以觀察到被調(diào)制了的信號。當2=45。時，在示波器上觀察到 調(diào)制幅度最大的信號，當。=0或a = 90。，在示波器上可以觀察到由式(34)和 (35)決定的倍頻信號。但是因為8一般都很小，由式(34)和(35)可知，輸出倍頻信號的幅度分別接近于直流分量0或/。以下介紹作為實驗補充，對本公司生產(chǎn)的FD-MOC-A型磁光效應綜合實驗儀 不作要求，需要進一步深入了解的老師和學生可以自行有選擇的完成。定義磁光調(diào)制器的光強調(diào)制深度 . ni3X min(36)實驗中，一般

16、要求在a = 45。位置時，測量調(diào)制角幅度6。和光強調(diào)制深度77,因為此時調(diào)制幅度最大。當。=45。，8 = 時，磁光調(diào)制器輸出最大光強，由式（33）知(37)(38)&x = （l + sin26。）當a = 45。，時，磁光調(diào)制器輸出最小光強，由式（33）知=寸（1 一 sin2G（） 由式（37）和（38）得max - Anin = /。Sh】2%, /max + ；min = Z()所以有(39)調(diào)制角幅度名為% = sin12max minmax + min(40)由式（39）和（40）可以知道，測得磁光調(diào)制器的調(diào)制角幅度就可以確定磁 光調(diào)制器的光強調(diào)制深度，由于綜隨交變磁場3的幅度

17、必連續(xù)可調(diào)，或者說 隨輸入低頻信號電流的幅度i。連續(xù)可調(diào)，所以磁光調(diào)制器的光強調(diào)制深度連續(xù)可調(diào)。只要選定調(diào)制頻率/ （如/=500Hz）和輸入勵磁電流，并在示波器上讀出在。=45。狀態(tài)下相應的/max和（以格為單位）將讀出的/max和值，代入式（39）和（40）,即可以求出光強調(diào)制深度77 和調(diào)制角幅度。逐漸增大勵磁電流i。測量不同磁場瓦或電流下的/強、和L 值，做出% i。和。曲線圖，其飽和值即為對應的最大調(diào)制幅度（a）max和最 大光強調(diào)制幅度%ax。三、儀器結構FD-M0C-A磁光效應綜合實驗儀主要有導軌滑塊光學部件、兩個控制主機、 直流可調(diào)穩(wěn)壓電源以及手提零件箱組成。另外實驗時需要一臺

18、雙蹤示波器（選配 件，用戶根據(jù)需要另配）。其中一米長的光學導軌上有八個滑塊，分別有激光器、起偏器、檢偏器、測 角器（含偏振片）、調(diào)制線圈、會聚透鏡、探測器、電磁鐵。直流可調(diào)穩(wěn)壓電源 通過四根連接線與電磁鐵相連，電磁鐵既可以串連，也可以并聯(lián)，具體連接方式 及磁場方向可以通過特斯拉計測量確定。兩個控制主機主要有五部分組成：特斯拉計、調(diào)制信號發(fā)生器、激光器電源、 光功率計和選頻放大器。1） .特斯拉計及信號發(fā)生器面板說明如下：/一7不FD-M0C-A磁光效應綜合實驗儀 科斯抽計1 .調(diào)零旋鈕2.接特斯拉計探頭3.調(diào)節(jié)調(diào)制信號的頻率4.調(diào)節(jié)調(diào)制信號的幅 度5.接示波器，觀察調(diào)制信號6.半導體激光器電源

19、7.電源開關8.調(diào)制信號輸 出，接調(diào)制線圈9.特斯拉計測量數(shù)值顯示2） .光功率計和選頻放大器面板說明如下：_7_61 .琴鍵換檔開關2.調(diào)零旋鈕3.基頻信號輸入端，接光電接收器4.倍頻信號 輸入端，接光電接收器5.接示波器，觀察基頻信號6.接示波器，觀察倍頻信號7.電源開關8.光功率計輸入端，接光電接收器9,光功率計表頭顯示四、儀器技術指標1 .儀器工作電壓DC220V10% 50Hz2Hz2 .儀器工作環(huán)境溫度：0 40,相對濕度：90%3 .特斯拉計量程：0-2. 000T,分辨率：0. 001T量程：0-200. OmT,分辨率：0. ImT4.信號發(fā)生器信號頻率：500Hz,頻率微調(diào)

20、：8Hz正弦波輸出幅度：0 9V （有效值，連續(xù)可調(diào)）5.光功率計量程:0-2. OOOuW,分辨率0. OOluW量程:0-20. OOuW,分辨率0. OluW量程:0-200. OuW,分辨率0. luW量程:0-2. OOOmW,分辨率0. OOlmW6 .直流可調(diào)穩(wěn)壓電源電壓量程：0 30.0V,分辨率：0. IV電流量程：0-5. 00A,分辨率：0.01A7 .導軌（燕尾結構）總長度：100mm,分辨率1mm8 .半導體激光器工作電壓：DC3V 輸出波長：650nm偏振性：部分偏振光輸出功率穩(wěn)定度：5%光斑直徑：2mm （可調(diào)焦）9 .起偏器（檢偏器）轉動角度：0 360角度分辨

21、率：r通光孔徑：020mm10 .聚焦透鏡透鏡焦距：157mm通光孔徑：030mmn.測角器（檢偏）外盤轉動角：0360分辨率：r測微頭移動量程：0 10mm,分辨率：0. 01mm12 .光電探測器信號檢測：硅光電池可調(diào)光闌孔徑：01.0mm、0 1.5mm、02.0mm、02.5mm03.0mm、.5mm、04. 0mm、0 4. 5mm、 5. 0mm、6. 0mm13 .實驗樣品樣品A：法拉第旋光玻璃，長度：8mm左右，直徑：06mm左右樣品B：冕玻璃，長度：20mm左右，直徑：025mm左右 五、實驗內(nèi)容1 .用特斯拉計測量電磁鐵磁頭中心的磁感應強度，分析線性范圍。2 .法拉第效應實

22、驗：消光法檢測磁光玻璃的費爾德常數(shù)。3 .磁光調(diào)制實驗：熟悉磁光調(diào)制的原理，理解倍頻法精確測定消光位置。4 .磁光調(diào)制倍頻法研究法拉第效應，精確測量不同樣品的費爾德常數(shù)。六、實驗過程1 .電磁鐵磁頭中心磁場的測量1）將直流穩(wěn)壓電源的兩輸出端（“紅”“黑”兩端）用四根帶紅黑手槍插頭的連 接線與電磁鐵相連，注意：一般情況下，電磁鐵兩線圈并聯(lián)。2）調(diào)節(jié)兩個磁頭上端的固定螺絲，使兩個磁頭中心對準（驗證標準為中心孔完 全通光），并使磁頭間隙為一定數(shù)值，如：20mm或者10mm。3）將特斯拉計探頭與裝有特斯拉計的磁光效應綜合實驗儀主機對應五芯航空插 座相連，另外一端通過探頭臂固定在電磁鐵上，并使探頭處于兩

23、個磁頭正中心， 旋轉探頭方向，使磁力線垂直穿過探頭前端的霍爾傳感器，這樣測量出的磁感應 強度最大，對應特斯拉計此時測量最準確。4）調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源的電流調(diào)節(jié)電位器，使電流逐漸增大，并記錄不同電流情 況下的磁感應強度。然后列表畫圖分析電流一中心磁感應強度的線性變化區(qū)域， 并分析磁感應強度飽和的原因。捽制主機（特斯拉計）圖5磁場測量裝置連接示意2 .正交消光法測量法拉第效應實驗1）將半導體激光器、起偏器、透鏡、電磁鐵、檢偏器、光電接收器依次放置在 光學導軌上；2）將半導體激光器與主機上“3V輸出”相連，將光電接收器與光功率計的“輸 入”端相連；3）將恒流電源與電磁鐵相連（注意電磁鐵兩個線圈一般選擇

24、并聯(lián)）；4）在磁頭中間放入實驗樣品，樣品共兩種；5）調(diào)節(jié)激光器，使激光依次穿過起偏器、透鏡、磁鐵中心、樣品、檢偏器，并能夠被光電接收器接收：6）由于半導體激光器為部分偏振光，可調(diào)節(jié)起偏器來調(diào)節(jié)輸入光強的大小；調(diào) 節(jié)檢偏器，使其與起偏器偏振方向正交，這時檢測到的光信號為最小，讀取此時 檢偏器的角度優(yōu)；7）打開恒流電源，給樣品加上恒定磁場，可看到光功率計讀數(shù)增大，轉動檢偏 器，使光功率計讀數(shù)為最小，讀取此時檢偏器的角度內(nèi)，得到樣品在該磁場下 的偏轉角6=2-耳；8）關掉半導體激光器，取下樣品，用高斯計測量磁隙中心的磁感應強度B,用 游標卡尺測量樣品厚度，根據(jù)公式：e = 可以求出該樣品的費爾德常數(shù)

25、;9）教師可以根據(jù)實際需要，合理安排實驗過程，比如可以采用改變電流方向求 平均值的方法來測量偏轉角；也可以通過改變勵磁電流而改變中心磁場的場強, 測量不同場強下的偏轉角，以研究材料的磁光特性。IfaTl控制主機特斯拉計直流稔壓電源匚tlEEIEI控制主機（光功率計）圖6正交消光法測量法拉第效應裝置連接示意3 .磁光調(diào)制實驗1）將激光器、起偏器、調(diào)制線圈、檢偏器、光電接收器依次放置在光學導軌上;2）將主機上調(diào)制信號發(fā)生器部分的“示波器”端與示波器的“CH1”端相連，觀察調(diào)制信號，調(diào)節(jié)“幅度”旋鈕可調(diào)節(jié)調(diào)制信號的大小，注意不要使調(diào)制信號變 形，調(diào)節(jié)“頻率”旋鈕可微調(diào)調(diào)制信號的頻率；3）將激光器與主

26、機上“3V輸出”相連，調(diào)節(jié)激光器，使激光從調(diào)制線圈中心樣 品中穿過，并能夠被光電接收器接收；4）將調(diào)制線圈與主機上調(diào)制信號發(fā)生器部分的“輸出”端用音頻線相連；5）將光電接收器與主機上信號輸入部分的“基頻”端相連；用Q9線連接選頻放 大部分的“基頻”端與示波器的“CH2”端；6）用示波器觀察基頻信號，調(diào)節(jié)調(diào)制信號發(fā)生器部分的“頻率”旋鈕，使基頻 信號最強，調(diào)節(jié)檢偏器與起偏器的夾角，觀察基頻信號的變化；7）調(diào)節(jié)檢偏器到消光位置附近，將光電接收器與主機上信號輸入部分的“倍頻” 端相連，同時將示波器的“CH2”端與選頻放大部分的“倍頻”端相連，調(diào)節(jié)調(diào) 制信號發(fā)生器部分的“頻率”旋鈕，使倍頻信號最強，微

27、調(diào)檢偏器，觀察信號變 化，當檢偏器與起偏器正交時，即消光位置，可以觀察到穩(wěn)定的倍頻信號。4 .磁光調(diào)制倍頻法測量法拉第效應實驗1）將半導體激光器、起偏器、透鏡、電磁鐵、調(diào)制線圈、有測微機構的檢偏器、 光電接收器依次放置在光學導軌上；2）在電磁鐵磁頭中間放入實驗樣品，將恒流電源與電磁鐵相連，將主機上調(diào)制 信號發(fā)生器部分的“示波器”端與示波器的“CH1”端相連；將激光器與主機上“3V輸出”相連，調(diào)節(jié)激光器，使激光依次穿過各元件，并能夠被光電接收器 接收；將調(diào)制線圈與主機上調(diào)制信號發(fā)生器部分的“輸出”端用音頻線相連；將 光電接收器與主機上信號輸入部分的“基頻”端相連；用Q9線連接選頻放大部 分的“基

28、頻”端與示波器的“CH2”端；3）用示波器觀察基頻信號，旋轉檢偏器到消光位置附近，將光電接收器與主機 上信號輸入部分的“倍頻”端相連，同時將示波器的“CH2”端與選頻放大部分 的“倍頻”端相連，微調(diào)檢偏器的側微器到可以觀察到穩(wěn)定的倍頻信號，讀取此 時檢偏器的角度劣；4）打開恒流電源，給樣品加上恒定磁場，可看到倍頻信號發(fā)生變化，調(diào)節(jié)檢偏 器的側微器至再次看到穩(wěn)定的倍頻信號，讀取此時檢偏器的角度外,得到樣品 在該磁場下的偏轉角6 = % -優(yōu)；5）關掉半導體激光器，取下樣品，用高斯計測量磁隙中心的磁感應強度B,用 游標卡尺測量樣品厚度，根據(jù)公式：8 =可以求出該樣品的費爾德常數(shù)。圖8磁光調(diào)制倍頻法

29、測量法拉第效應連接示意七、實驗數(shù)據(jù)例1.電磁鐵中心磁場測量1）大間隙條件下（20mm左右）實驗條件:磁頭間隙：19. 36mm (冕玻璃樣品的測量長度);直流穩(wěn)壓電源：電壓0V-30V電流OA5A(連續(xù)可調(diào))； 勵磁線圈連接方式：兩線圈并聯(lián)。測量數(shù)據(jù)如下:300B 二 4. 188*1 + 2.：205c。o 8pX)X/250200100505 150 CQ表2勵磁電流I和磁場中心磁感應強度B數(shù)據(jù)記錄(間隙19. 36mm)勵磁電流I(A)磁感應強度B(mT)勵磁電流1(A)磁感應強度B(mT)勵磁電流1(A)磁感應強度B(mT)0. 0881.451402. 702170. 26251.5

30、81522.912230. 34331.671603.062260. 55541.811723. 192300. 83822.011863. 432350. 96942. 181963.672401. 131102. 262013.872441.261232. 372053.932451.361322. 55212做二者的關系曲線得到:0. 00 0. 50 1. 001. 50 2. 00 2. 50 3. 00 3. 50 4. 00 4. 501(A)圖9勵磁電流I與中心磁場磁感應強度B關系曲線從測量曲線上可以看出，在電流達到2A時，電磁鐵磁頭達到飽和，電流小 于2A的情況下，勵磁電流和

31、中心磁感應強度較好的滿足線性關系。結合勵磁線 圈線徑及溫升的關系，在兩線圈并聯(lián)的實驗條件下，電流在2A以下調(diào)節(jié)使用， 即單個線圈內(nèi)通過的電流最好小于1A的條件。另外，通過擬合曲線可以得到，在線性范圍內(nèi)，磁頭中心的磁感應強度B（單 位：mT）和勵磁電流1（單位:A）的關系為B=94. 188X1+2. 205,所以,在后續(xù)的實 驗中，保持磁頭間隙為19. 36mm的條件，只要測量所加的勵磁電流，即可以求出 對應的磁感應強度，而勵磁電流可以通過直流穩(wěn)壓電源上數(shù)字面板表直接讀出， 這樣給后面實驗帶來了方便。同樣道理，在磁頭間隙為10mm左右，即可以測量將另外一個實驗樣品正好 放在磁頭間時情況。2）小

32、間隙條件下（10mm左右）實驗條件：磁頭間隙：10.00mm （旋光玻璃樣品的測量長度）；直流穩(wěn)壓電源：電壓0V-30V電流0A5A（連續(xù)可調(diào)）：勵磁線圈連接方式：兩線圈并聯(lián)。測量數(shù)據(jù)如下：表3勵磁電流I和磁場中心磁感應強度B數(shù)據(jù)記錄（間隙10. 00mm）勵磁電流I（A）磁感應強度B（mT）勵磁電流1（A）磁感應強度B（mT）勵磁電流1（A）磁感應強度B（mT）0. 13271. 122352.614310. 25531. 352782.824420. 32661.442953.024520. 491011.603263. 204600. 641331.843653.414690. 7315

33、11.983843.654790. 851772. 123963.804840. 931932. 284093.854852112.434211.02圖10勵磁電流I與中心磁場磁感應強度B關系曲線同樣，從測量曲線上可以看出，在電流達到2A時，電磁鐵磁頭達到飽和， 電流小于2A的情況下，勵磁電流和中心磁感應強度較好的滿足線性關系。另外, 通過擬合曲線可以得到，在線性范圍內(nèi)，磁頭中心的磁感應強度B和勵磁電流I 的關系為B=197. 2X1+6. 5251。（式中電流I單位為A,中心磁感應強度B單位為 mT ）o2 .正交消光法測量法拉第效應實驗（測量樣品選擇法拉第旋光玻璃）儀器連接如圖6所示，圖中

34、透鏡視光路調(diào)節(jié)情況，可以加進去，也可以不放。 實驗中測量樣品選擇法拉笫旋光玻璃，即裝有黑色金屬外殼的實驗樣品（因為此 樣品的費爾德常數(shù)較大，實驗現(xiàn)象比較明顯）。另外起偏和檢偏可以選擇角度分辨率為1的檢偏器，也可以選擇配有螺旋測 微頭的檢偏器，這樣可以精確測量偏轉的角度。關于配有螺旋測微的檢偏器，主 要原理是將角位移轉換為直線位移，因為每臺儀器的機械加工誤差，實驗時應該 對其進行定標。定標過程如下：因為外轉盤的最小刻度為了，螺旋測微頭的最小讀數(shù)為0.01mm,因為在所 測量的近似范圍內(nèi)，角位移和直線位移是線性的（關于這一點，實驗者可以自行求證，這里不再詳述）。所以只要找出對應外轉盤轉動10?；蛘?/p>

35、20。時螺旋測微頭所移動的距離，就可以找出測微頭0. 01mm對應的角位移是多少度或者多少分。筆者測量得到:外轉盤角度測微頭讀數(shù)1301.3201507. 540計算得出測微頭移動0. 01mm,對應轉動角度1. 9mino所以螺旋測微頭lOmni 行程對應角度約為32。首先按照圖6連接光路和主機，先拿去檢偏器，調(diào)節(jié)激光器，使激光斑正好 入射進光電探測器（可以調(diào)節(jié)探測器前的光闌孔的大小，使激光完全入射進光電 探測器），轉動起偏器，使光功率計輸出數(shù)值最大（可以換檔調(diào)節(jié)），這樣調(diào)節(jié)是 因為，半導體激光器輸出的是部分偏振光，所以實驗前應該使起偏器的起偏方向 和激光器的振動方向較強的方向一致，這樣輸出

36、光強最大，以后的實驗中就可以 固定起偏器的方向。放入檢偏器（或者裝有偏振片的測角器），并將實驗樣品放入磁場中間（我 們選擇費爾德常數(shù)較大的法拉第旋光玻璃做樣品，此時磁頭間隙調(diào)節(jié)為10mm）, 調(diào)節(jié)檢偏器到正交消光位置，此時輸出光強最小，即光功率計輸出數(shù)值最小，改 變電流，可以看到光功率計數(shù)值增大，根據(jù)馬呂斯定律知道，此時由于磁致旋光 （法拉第效應），穿過樣品的線偏振光的偏振面發(fā)生了旋轉，轉動檢偏器使光功 率計輸出數(shù)值重新達到最小，則檢偏器轉過的角度即為法拉第旋轉角8,根據(jù)公 式（1）,測量樣品厚度”和中心磁場強度8,即可以求出樣品的費爾德常數(shù)V。實驗測量，磁頭間隙10mm,電流為I = 1.7

37、7A時，相對于未加磁場的情況， 偏轉角度為4. 525mm （螺旋測微頭移動距離）。所以根據(jù)前面電流一磁感應強度測量公式：B=197. 2X1+6. 5251,可以求出 電流為1. 77A時,對應磁感應強度B=355. 6mT；乂因為測微頭移動0.01mm,對應轉動角度1.9min,所以轉動角度為 859. 8mino樣品長度=7. 96mm,所以材料的費爾德常數(shù)：V = =學=30. 4x10 miii/T cmBd 355.6x0.001x7.96x0.1對比表1中的不同樣品的費爾德常數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)我們所測量的樣品的費爾德常數(shù)遠遠大于其他樣品，所以在后面的磁光調(diào)制實驗中，調(diào)制晶體就采用這種樣

38、 品。3 .磁光調(diào)制實驗實驗連接如圖7所示，其中測角器可以換為檢偏器，兩者的共同點是都裝有 偏振片，不同點是檢偏器的角度測量分辨率為1,而測角器的角度分辨率比較高, 從前面的測量中可以看出，其分辨率大致為1. 9min。并且測角器可以粗調(diào)角度, 也可以通過螺旋測微頭進行微調(diào)。在輸入光強及調(diào)制磁場幅度不變的情況下，轉動檢偏器，即改變。的值，可 以看到示波器上輸出調(diào)制波形的變化如下：（1）檢偏器轉動到一定角度，磁光調(diào)制輸出幅度最大，從原理部分可知，此時。= 45。；如圖11中上半部分。圖11調(diào)制輸出波形隨。的變化（2）在光強輸出接近最大或者最小時，磁光調(diào)制幅度逐漸減小，即a-0。或者90。時，正弦

39、波輸出幅度逐漸減小，這也符合上面的理論推斷。（3）當a = 0。時，即起偏器和檢偏器正交時，磁光調(diào)制輸出幅度達到最小, 如圖11下半部分。（4）當磁光調(diào)制輸出幅度達到最小時，將光電檢測的信號接入主機面板上 的“倍頻”輸入端，將連示波器的Q9線的一端也接入主機面板上的“倍頻”輸 出端，可以看到倍頻信號。即輸入調(diào)制線圈的500Hz的正弦波，經(jīng)過調(diào)制之后，從光電探測器中輸出的是1000Hz的正弦波，當偏離消光位置時，可以看到，波 形將發(fā)生畸變,逐漸由1000Hz的正弦波變?yōu)?00Hz的正弦波，如圖12所示。八/八/八八 八八八/八/八，AAAAAAAA/AAAAA/AAAf圖12調(diào)制輸出波形的畸變將

40、信號發(fā)生器的信號輸出端也接入示波器，通過李薩如圖形觀測，可以發(fā)現(xiàn) 調(diào)制輸出信號確實為信號發(fā)生器輸出信號（輸入調(diào)制線圈的信號）的兩倍，如圖 13所示，這可以精確確定消光的位置，為后面倍頻法測量樣品費爾德常數(shù)做好 準備。圖13調(diào)制輸入信號和調(diào)制輸出信號倍頻點時的李薩如圖 由以上可見，實驗和理論取得了很好的一致。4 .磁光調(diào)制倍頻法測量法拉第效應實驗實驗連接如圖8所示，導軌上需要防止激光器、起偏器、透鏡（看實際需要 放置，目的是調(diào)節(jié)激光光斑的大小和改變光路）、電磁鐵、調(diào)制線圈、測角器、 探測器?？刂圃枰獌膳_磁光效應總和實驗儀主機和穩(wěn)壓電源、雙蹤示波器。（1）首先放置激光器和電磁鐵，調(diào)節(jié)激光器微調(diào)俯仰角和扭轉角的調(diào)節(jié)螺 絲，使激光斑完全穿過電磁鐵中心孔，其中激光斑的大小可以通過調(diào)節(jié)激光器前 端的小透鏡組使激光斑不至于發(fā)散角過大。（2）放入起偏器和調(diào)制線圈，使光斑正好穿過調(diào)制線圈中間的調(diào)制晶體， 這一點非常重要，需要仔細調(diào)節(jié)，然后再放入測角器（或者檢偏器）和探測器， 調(diào)節(jié)探測器前端的可調(diào)孔光闌，使激光斑正好穿過并能夠被光電接收器接收。（3）調(diào)節(jié)電磁鐵的兩個磁頭，使其間隙正好放入冕玻璃樣品，因為冕玻璃 樣品加工長度為20mm,所以此時磁頭間隙也正好為