晶体磁光效应

中国石油大学品体磁光效应实验报告成绩：班级：物理1班姓名：李承俊同组者：马盛翔陈沛萧_教师：陈东猛晶体磁光效应【实验目的】理解磁光效应的物理意义；掌握法拉第旋转角的测量方法；计算物样品的费尔德常数。【实验原理】1.法拉第效应实验规律：1当磁场不是非常强时，法拉第效应中偏振面转过的角度0,与沿介质厚度方向所加磁场的磁感应强度B及介质厚度L成正比，即。=VBL (1)或。=VjLBdl (2)0式中比例常数V叫做费尔德常数。 图1法拉第效应实验装置图几乎所有的物质都存在法拉第效应。在不同的物质偏振面旋转的方向不同。假设样品放置在一个均匀密绕长直螺线管中轴线上。螺线管内部为匀强磁场，方向沿轴向，与电流方向满足右手法则。习惯上规定：振动面的旋转方向和螺旋线圈中电流方向一致，称为正旋(V>0)；反之，叫做负旋(V<0)。V由物质和工作波长决定，它表征物质的磁光特件。2对于每一种给定的物质，法拉第旋光方向仅由磁场方向决定，而与光的传播方向无为不管传播方向与B同向或反向)。这是法拉第磁光效应与天然旋光效应的重要区别。天然旋光效应的旋光方向与光的传播方向有关。对固有旋光效应而言，随着顺光线和逆光线方向观察，线偏振光的振动面的旋向是相反的，因此，当光波往返两次穿过天然旋光物质时，第一次向某一方向旋转，另一次沿相反方向旋转，结果是振动面两次旋转方向相反，旋转角度大小相同，即振动面没有旋转。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，法拉第转角将加倍，即转角为20。利用法拉第旋向与光传播方向无关这一特性，可令光线在介质中往返数次，从而使效应加强。3与固有天然旋光效应类似，法拉第效应存在旋光色散，即费尔德常数V随波长入而变。一束白色线偏振光穿过磁致旋光物质，紫光的振动面要比红先振动面转过的角度大。这就是旋光色散。实验表明，磁致旋光物质的费尔德常数V随波长入的增加而减小。旋光色散曲线又称法拉第旋转谱。法拉第效应的旋光角

一束线偏振光可以视为两个频率相等，振幅相等的左旋和右旋圆偏振光的叠加，它们在加有磁场的介质中传播的速度不同，也就是两偏振光在介质中的折射率不同，在介质中通过相同的距离，产生的相位延迟不同。设线偏振光的电矢量为E=Er+El。角频率为①，真空中的波长为力El的传播速度为v，折射率为n。e的传播速度为％，折射率为n。正入射到磁场中的介质时，Ll，，__R_R两光振动的相位差为零。通过长度D的介质后，El和Er之间产生的相位差为：一 （3）2冗©-©=T^^n]D出射后的线偏振光相对于入LR人LLR」 射介质前的线偏振光振动方向转过角度：TOC\o"1-5"\h\z。尸2[©LFr]=tlL-nR]D ⑷a夕即为法拉第效应的旋转角。3.法拉第旋转角的计算由量子理论知道，介质中原子的轨道电子具有磁偶极矩R，且R=一一L （5）2m其中e为电子电荷，m为电子质量，L为电子的轨道角动量。在磁场B的作用下，一个电子磁矩具有势能V，则V=-rB=-^—LB=竺L （6）2m2m轴其中L轴为电子轨道角动量的轴向分量。在磁场B的作用下，当线偏振光通过介质时，光子与轨道电子发生相互作用，使轨道电子发生能级跃迁时轨道电子吸收角动量AL=AL=±，跃迁后轨道电子动能不变，而势能增加了AV，轴/且：eB eB(7)AV=Al=(7)2m轴2m乃当左旋光子参与交互作用时，则(8)而右旋光子参与交互作用时，则eB(9)AV(9)R2mn我们知道，介质对光的折射率n是光子能量（®）的函数，所以n=n（力①） （10）可以认为，在磁场作用下，具有能量为（方①）的左旋光子所遇到的轨道电子能级机构等于不加(11)磁场时能量为（方①—av）的左旋光子所遇到的轨道电子能级结构，因此有乙 睥=n（舟-AVl）

(11)/、/AV ,、dn京 (、eBdnn皿)=(① l)an(①) l=g) L d① 2md①n n同理，右旋光量子，有：七铲)=〃铲-AVR)或小、/，、AV、小、dnAV 小、eBdnn皿)=皿 r)an皿) r=n((^)H R d①夫 2md^n n把式(13)和式(14)代入式(11)得。=DBe们dn2mcds因为们=亍，代入式（15）得人.=DBe冗dn2mcd冗或0=V（人）DB其中V（冗）=—二冗胃2mcd冗称费尔德常数，它反映了介质材料的光学特性。对于CGS制，则有DBedn

= A—-2mc2dAV(A)=^—A*2mc2dA(12)(13)(14)(15)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)dn正比，和磁场强度成正比，并且和入射波光的波长及介质云的色散有密切关系。dA【实验装置】名称数量参数备注半导体激光器2波长650nm偏振片2带旋转镜架光功率计1多档显示输出光学导轨11m滑座4电磁铁1特斯拉计10-2T量程样品1长度1cm【实验内容】仪器调整1） 调正激光器的位置，使得出射光线与电磁铁的通光孔在一条水平线上。2） 注意在电磁体中间样品的位置，通光孔径应与样品表面垂直。3） 打开激光器光源及光功率计的电源，预热5分钟，使仪器工作状态处于稳定。实验步骤：测量法拉第效应偏振面旋转角。与外加磁场电流I的关系曲线。1） 关闭实验室顶灯，打开试验台上小台灯，并注意使功率计处于位于台灯的背光处；2） 调整靠近激光器的偏振片P1的偏振方向，使透过样品的光功率最强；3） 调整靠近功率计的偏振片P2的偏振方向，使功率计的读数显示最小（可能小于零）；4） 记录样品处（记住此位置，每次都在同一位置处测量B）的磁感应强度，记为B0；5） 记录P2指针的角度读数，记为中°1；6） 打开电磁铁电源，逐渐增加直流电流至0.5A，测量样品的B值，不再增加后，边观察光功率计读数，边旋转偏振片P2，调整旋转方向使得光功率计读数逐渐减为最小，记录P2指针的角度读数，记为^051；7） |9051-9011即为0.5A直流电流下第一次测量的角度读数（法拉第旋转角）；8） 缓慢降低直流电流至零，（注意：不能直接关闭电源）测量样品的B值，待B值不再改变或者等于B0后，边观察光功率计读数，边旋转偏振片？2，使得光功率计读数逐渐减为最小，记录p2指针的角度读数，记为e0.5〃；9） 9051-901'|即为0.5A直流电流下第一次测量的重复误差；10） 902=9「'；11） 逐渐增加直流电流至0.5A，测量样品的B值，不再增加后，边观察光功率计读数，边旋转偏振片p2，使得光功率计读数逐渐减为最小，记录p2指针的角度读数，记为中0.52；12） 重复上述操作。每增加0.5A电流，重复测量三次，求平均值，减小误差。电流范围0.5A〜3A。【注意事项】1、 磁铁中间的样品位置必须保证其表面与入射光方向垂直，否则会严重影响测量结果。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、 测量过程中，不能直接关闭直流恒流电源，要逐渐减小电流直到为零。5、 光功率计未与其主机相连接之前切勿接通电源，以免激光直接入射造成器件损害。【数据记录及处理】将实验数据填入下表

电流角度读数磁场强度重复误差角度读数平均值重复误差平均值0.5A182.4-102.9181.92.4181.5-92181.7-92.21A188.3-218.8188.79.2188.1-238.6189.8-2210.31.5A194.3-2714.8194.715.2194.9-2615.4194.9-2615.42A190.3-2910.8190.811.3191.2-2911.7190.8-3011.32.5A195.1-3015.6195.015.5195.2-3015.7194.8-2915.33A192.7-3113.2193.013.5193.4-3213.9192.8-3113.3将数据输入Excel绘制出平滑曲线图，并求样品的费尔德常数。X轴：电流Y轴：偏振旋转角度由于实验仪器存在较大误差，导致实验数据与理论值偏差严重，此处舍去后3组数据，只针对前3组数据进行简略处理：用最小二乘法对数据进行拟合，如下:x=E；q