磁光调制实验.doc

磁光调制实验仪磁光调制实验仪磁旋光效应(法拉第效应)实验，对不同物质的旋光特性有所认识。实验发现，磁旋光性物质具有左旋和右旋之分,而且它的旋光方向是由磁场的方向来决定。根据实验数据分析获得磁场强度与偏振角之关系，观察磁场电流与旋光方向的关系,进一步了解不同介质的旋光特性。实验目的1观察和了解磁旋光现象及其基本特征。 2学习测量介质的磁旋光费尔德常数的数值的方法。3思考磁旋光效应的应用。实验内容对给定的两个样品进行下面测量1、在350nm-750nm波长范围内，分散选取5个以上不同波长，对其在不同磁场强度（在50mT-600mT范围内取10个以上点）下测量样品的磁旋光角。2、对两个样品，做不同波长的磁旋光角-磁场强度关系图，并由图确定相应的费尔德常数值。3、分析实验所得磁旋光角-磁场强度关系是否符合式（1）线性关系，以及费尔德常数值随光波长变化的色散关系。 实验原理 1845年由M.法拉第发现。当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。这种现象称为法拉第效应或磁致旋光效应 当一束平面偏振光穿过某介质时，如果对介质在沿光的传播方向加上磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度(见图1)，亦即磁场使介质具有了旋光性，这种现象就是磁旋光效应，也称为法拉第效应。 实验表明，在磁场不很强时，偏振面旋转的角度与光波在介质中走过的路程及加在介质中的磁感应强度沿光传播方向上的分量B成正比，即比例系数V称为费尔德(Verdet) 常数, 表征着物质的磁光特性，其值由介质和光波长决定。几乎所有的物质(气体、液体，固体)都存在法拉第效应，不过大多不显著。不同的物质，偏振面旋转的方向也可能不同。习惯上规定，旋转方向与产生磁场的螺线管中电流方向一致的，叫正旋（）;反之叫负旋（）。表1、2 给出某些物质的费尔德常数的数值。表1 一些物质的费尔德常数物 质空 气0580一氧化碳0580水20580甲 醇20589水 晶20589（垂直C轴）重火石玻璃20589磁旋光与自然旋光有不同的地方，也有相同的地方。不同的地方是磁旋光效应是不可逆的光学过程，即对于给定的物质偏振面的旋转方向相对于实验室坐标，只由B的方向决定，和光的传播方向无关，光线往返一次，旋转角将是单方向的2倍，而自然旋光则是可逆的，光线往返一次，累积旋转角为零。 相同的地方是旋光存在色散。对磁旋光效应，色散表现为费尔德常数V值随入射光波长而变(见图2)，称为旋光色散。如介质是含有三价稀土离子的玻璃，旋光色散可用下式近似表示式中K是跃迁波长、有效的电偶极矩阵元、温度和浓度等物理量的函数，但与人射光波长无关。实验装置本实验所使用的实验装置是GCCGT-A型磁旋光效应仪，其功能部件如图4所示。下面对几个主要部件予以简介。1、光源及照明系统：光源使用有足够亮度的白炽灯。白光通过单色仪分光得到可见光波段的近单色光。为保证在不同波段有一定的单色性和适当的亮度，设备设计有一宽度可调狭缝。同时入射狭缝前和出射狭缝后加有透镜组，以便起偏器的视场获得尽可能均匀的照明。2、起偏器：位于单色仪处口，其位置固定，需要时可以微调。 3、斩光器：由在同一圆周上具有间歇透明的可旋转斩光盘构成，斩光盘旋转时，进入起偏器的光成通断交替状态，相当于被一方波调制。斩光器可以在提供射入样品光时也提供一路参考光，以减小实验误差。4、电磁铁、电源与特斯拉计：电磁铁用直流电源供电，最大电流10A。电磁铁间的磁场强度由安装在那里的特斯拉计给出。5、检偏器：用面板上的检偏调节旋钮调节其检偏角，调节范围180度，分辩率为0.1度，角度由面板上的角度指示度盘读出。6、接收装置：经检偏器输出的光强用光电倍增管接收器接收并转化为电信号，电信号经放大器放大后在面板上的输出指示表上显示出来。实验方法1将待测样品玻璃放入样品抽屉上的圆孔内，轻轻旋紧样品，防止压碎样品。2将输出电流调节和倍增管电压调节旋钮逆时针方向调到最小，打开电源。3调节磁场调节旋钮，使磁场为0，将倍增管电压调到最小，并且将输出指针调节至0。4微调检测灵敏度旋纽（即倍增管电压调节）观察输出指示到满刻度2/3附近，再微调检偏器角度，使锁定示出电压最小，再重新缓慢调节高检测灵敏度选钮，使得输出指示再次增大，重新调节检偏器角度，使输出指示电压最小。以此依次反复调节几次，当检偏器的微小变化都会带来输出增加时，记录下此时的检偏器的角度，此时检偏器角度被认作为与偏振光无偏振时的原偏振角相差90度。5微调磁场调节旋钮，使输出磁场50mT注意观察输出数据在增，如果增加的过多或接近饱和，则停止增加电流，逆时针方向调低灵敏度。当磁场到达50mT时，重复步骤4的开始方法，检测磁化时的最小输出偏振角，并记录数据。6按照步骤5的方法，分别测量50mT100mT150mT200mT250mT300mT350m400mT450mT500mT注意事项（1）磁极间距要固定好，使刚好能放下样品又不使样品受压力（2）施加或撤除磁化电流时，应先将电源输出电位器逆时针旋回到零，以防止接通或切断电源时磁体电流的突变。 （3）为了保证能重复测得磁感应强度及与之相应的磁体激磁电流的数据，磁体电流应从零上升到正向最大值，否则要进行消磁。 （4）半荫式起偏器的粘合缝最好水平放置，否则当狭缝较宽时，用单色仪分光，出射光颜色左右两半不同，不利于比较它们的亮度。相关理论 法拉第效应的经典理论从光波在介质中传播的图像看，法拉第效应可以做如下的理解:一束平行于磁场方向传播的平面偏振光，可以看做是两束等幅的左旋和右旋圆偏振光的叠加，这里左旋和右旋是相对于磁场方向而言的。如果磁场的作用是使左旋圆偏振光的折射率和右旋圆偏振光的折射率不相等，于是通过厚度为的介质后，便产生不同的相位滞后， （1）上式中为真空中的波长。圆偏振光的相位即旋转矢量的角位移，相位滞后即角位移的倒转。在介质的人射面上，入射的平面偏振光E可分解为图4(a)所示的两个旋转方向不同的圆偏振光和。通过介质后，它们的相位滞后不同，旋转方向也不同。在出射面，两个圆偏振光的旋转矢量如图4(b)所示，从图上容易看出，从介质出射以后，两个圆偏振光的合成矢量E的偏振方向相对于原来的方向转过的角度为 （2） 微观上怎样来理解磁场会使左、右旋圆偏振光的折射率不同呢?本质上说，应归结为在磁场作用下原子、分子能级和量子态的变化，这已越出了我们课程的范围;其实，从经典电动力学中的介质极化和色散的振子模型也可以得到法拉第效应的唯象理解问.在这个模型中，把原子中被束缚的电子看作是一些偶极振子,把光波产生的极化和色散看作是这些振子在外场作用下作强迫振动的结果。现在除了光波以外，还有一个静磁场B作用在电子上，于是电子的运动方程是 （3）式中，是电子离开平衡位置的位移，和e分别是电子的质量和电荷，是这个偶极子的弹性恢复力。上式等号右边第一项是光波的电场对电子的作用，第二项是磁场作用于电子的洛伦兹力。为简化起见，略去了光波中磁场分量对电子的作用及电子振荡的阻尼(当人射光波长位于远离介质的共振吸收峰的透明区时成立)，因为这些小的效应对于理解法拉第效应的主要特征并不重要。假定人射光波场具有通常的简谐波的时间变化形式，因我们要求的特解是在外加光波场作用下受迫振动的稳定解，所以的时间变化形式也应是。因此式(3)可以写成 （4）式中，为电子共振频率。设磁场沿+方向，又设光波也沿此方向传播并且是右旋圆偏振光，用复数形式裘示为 将式(4)写成分量形式 （5） （6）再将上式乘以，并与式(5)相加可得 （7）因此，电子振荡的复振幅为 （8）设单位体积内有N个电子，则介质的电极化强度矢量。由宏观电动力学的物质关系式 (为有效的极化率张量)可得 （9）将式（7）代入式（9）得到 令 (称为回旋加速角频率)，则 （10）由于，因此 （11） 对于可见光，为，当时，这种情况下式（11）可以表示为： (12)式中,为电子轨道磁矩在外磁场中经典拉莫尔（Larmor）进动频率。 若入射光改为左旋圆偏振光，结果只是使前的符号改变，即有 (13)对比无磁场时的色散公式 （14）可以看到两点:一是在外加磁场的作用下，电子作受迫振动，振子的固有频率由变成，这正对应于吸收光谱的塞曼效应(倒塞曼效应)；二是由于的变化导致了折射率的变化，并且左圆和右圆偏振的变化是不相同的，尤其在接近时，差别更为突出，这便是法拉第效应。由此看来，法拉第效应和吸收光谱的塞曼效应乃是起源于同一物理过程。