法拉第效应实验报版.docx

法拉第旋光效应 【摘要】 本实验中，我们通过磁场与电感线圈电流的对应关系来确定磁场。通过使用消光法试了样品晶体的法拉第磁致旋光效应，测定了不同波长光线下样品的旋光角，计算给定条件下的费尔德常数，探究了其与通过光线波长的关系。最后设计实验验证了法拉第效应的旋光非互易性，并依此区分自然旋光和法拉第旋光。关键词：法拉第效应、磁光调制法、消光法、费尔德常数、旋光非互易性一、引言19世纪中至20世纪初是科学发现的黄金时期，若干种对于了解固体物理特性并揭示其内部电子态结构有着重要意义的磁光效应现象相继被发现。1845年，英国物理学家法拉第（Faraday）发现了法拉第效应。法拉第效应的非旋光互易性使得它在激光技术、光纤通信技术中获得重要应用。法拉第效应有很多测试方法，如交变磁场频谱分析法，磁光调制法测等。本次试验采用的是最为简单的消光法，同时利用改变发射器和接收器位置的法证明了法拉第旋光效应的旋光非互易性。二、 实验原理：法拉第效应就是当在光的传播方向上加上一个强磁场时，平面偏振光穿过处于该磁场中的样品后，其偏振面会偏转一个角度。实验结果表明，光的偏振面旋转的角度F与其在介质中传播的距离及介质中磁感应强度在光传播方向上的分量B成正比，即 （1）上式中，比例系数称为费尔德常数，它由材料本身的性质和工作波长决定，表 征物质的磁光特性。法拉第效应与自然旋光不同。在法拉第效应中对于给定的物质，偏振面的旋转方向只由磁场的方向决定而和光的传播方向无关。法拉第效应是不可逆的光学过程，光线往返一种，旋光角将倍增，这称为法拉第效应的“旋光非互易性”。而自然旋光过程是可逆的，旋光方向和光的传播方向有关。 1、法拉第效应原理一束平行于磁场方向传播的平面偏振光（表示电场强度矢量），可以看作两束等幅的左旋L和右旋ER圆偏振光的叠加。在没有外加磁场时，介质对这两种圆偏振光具有相同的折射率和传播速度，通过距离为的介质后，两种偏振光产生的相位移相同，因此透过介质后平面偏振光的振动面不发生偏转；当有外加磁场存在时，由于磁场使得物质的光学性质发生改变，左旋和右旋圆偏振光在介质中具有不同的折射率和传播速度，使得相位移等发生变化。经典电动力学中的介质极化和色散的振子模型中加磁场后电子的运动方程可以写成md2rdt2+kr=-eE-edrdtB (2)根据式(2)通过假设并利用光学、电动力学、经典电子论等相关知识可以得到 F=e2cmdndBl (3)令 Vd=e2cmdnd （4）Vd就是前面定义的费尔德常数，为入射波的波长，dnd为介质在无磁场时的色散。因此（4）式就是法拉第旋光角的计算公式（1）。2、测量法拉第旋光角 消光法：利用了偏振光与检偏器垂直时光强最小即消光现象来测量。先用起偏器保证输入光的偏振方向，再用检偏器和光屏确认输出的方向，得到偏转角度三、 实验内容实验仪器：法拉第效应实验仪，三色led灯，起偏器，检偏器，光屏，电源等。实验装置如图： 图3 法拉第旋光角测量装置图 实验步骤：实验步骤：1. 自搭电路，用集成霍尔元件测磁场。2. 测量励磁电流I与磁场B之间的对应关系。3. 放置好实验器材，光源，起偏器，样品，检偏器平行共轴。4. 不加磁场，起偏器偏振方向垂直，调整检偏器使光屏上光强最小。此时两偏振片平行。5. 在不同波长、不同电流强度下旋转检偏器寻找光强最小时旋转件，记录电流和角度。6. 计算维尔德常数，讨论它和波长的关系。7. 交换光源和光屏位置，用同样方法观察偏转角度（起偏器检偏器功能互换），验证旋光非互易性四、 实验数据处理与实验结果：1.励磁电流大小I与磁场大小B的关系实验数据I/AU/VB/T34.0420.1266152.54.0270.12546223.990.1226151.53.6970.10007713.2770.0677690.52.8410.03423102.3960-0.51.949-0.03438-11.516-0.06769-1.51.096-0.1-20.804-0.12246-2.50.768-0.12523-30.754-0.12631图像可见在电路为-2A到2A之间时，所测得的磁场虽电流线性变化，超过时变化速率降低，在未知是霍尔元件还是磁场生成器原因时，尽量避免使用。线性部分B=0.666I（T）2.不同波长下偏转角与磁场大小的关系，以及费尔德常数2.1红光B=0.666I（T）I/A/B/T-1.6-12-1.0656-1.2-9.5-0.7992-0.8-6-0.5328-0.4-3-0.26640000.430.26640.85.50.53281.290.79921.611.51.0656VL=B11.262.2绿光B=0.666I（T）I/A/B/T-1.6-16.5-1.0656-1.2-12.5-0.7992-0.8-8-0.5328-0.4-4-0.26640000.440.26640.87.50.53281.2120.79921.6161.0656VL=B15.172.3蓝光B=0.666I（T）I/A/B/T-1.6-22-1.0656-1.2-16.5-0.7992-0.8-11.5-0.5328-0.4-5-0.26640000.450.26640.8110.53281.216.50.79921.621.51.0656VL=B22.522.4 综合3. 旋光非互易性交换后，光线旋转方向和原来相同。说明如果光线反射回去不会回复原状，证明了旋光的非互易性五、 结论（一） 结论：实验结果的数据中，我们可以得到结论，在相同材料，相同磁场的情况下，线偏振光波长越短（蓝绿红），旋光角的绝对值越大。同时说明同一晶体在相同条件下，对波长越短的光线，维尔德常数越大（蓝绿红）个人分析原因可能与双折射效应类似，对波长越长的光线，偏光物质对传播速度的影响越小，同时左旋光和右旋光的相位差也越小。所以偏光角也越小。实验同时也得出了法拉第旋光的“旋光非互异性”，但因为没有天然旋光晶体而无法进一步验证。在网上粗略查找，原因为在磁场下（平行于光线入射方向的平行矢量），电子受到向心或是离心的洛伦兹力作用，以为电子有左旋与右旋之分，受力方向相反，导致自旋的速度也不同了，从而，光矢量的左右转动速度也不同，再通过磁场后，由于左右的光矢量转动不同，合成后造成了法拉第旋光效应。（二）建议：1：对霍尔元件进行调整，使其探头大小与晶体棒相同，能够更加准确地测量晶体所受的磁场。2：利用游标卡尺或其他小量测量工具的原理对偏光片的刻度部分进行改造，使其准确度上升。测量更精确。3：在光线出口不用肉眼而使用光学感应器材测量光线强度，将其量化，更准确地寻找光强最小的角度。六、 参考文献杨胡江，肖井华. 近代物理实验讲义王春梅. 法拉第效应旋光不可逆性的