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法拉第效应实验报告学号： 姓名：实验日期：2013年9月16日 指导教师：廖红波【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。
通过使用消光法和磁光调制法测定了MR3和ZF7的法拉第磁致旋光效应，并测定了样品的旋光角，计算给定条件下的费尔德常数，得到MR3-2的费尔德常数为−105.9000rad T ∗m ⁄，ZF7的费尔德常数为19.0750rad T ∗m ⁄。
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。
此次实验就是利用晶体的磁光学原理，通过消光法和磁光调制法测定MR3和ZF7晶体的θ−B 关系曲线并得出MR3和ZF7晶体的费尔德常数，区分了石英晶体自然旋光与MR3玻璃磁致旋光的“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θF 与其在介质中传播的距离及l 介质中磁感应强度在光传播方向上的分量B 成正比，即()F d V Bl θλ= （1）上式中，比例系数d V 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，本实验中如何判定自然旋光和法拉第效应也是根据这一性质来设计实验的。
实验四、磁光调制实验[实验目的]1.了解法拉第效应的工作原理；2.掌握磁光调制器件性能参数的测量方法；[实验原理]原来没有旋光性的透明介质，如水、铅玻璃等，放在强磁场中，可产生旋光性，这种现象称为法拉第效应。
具体的现象是，把磁光介质放到磁场中，使光线平行于磁场方向通过介质时，入射的平面偏振光的振动方向就会发生旋转，转移角度的大小与磁光介质的性质、光程和磁场强度等因素有关。
对于不同的介质其振动面的旋转方向不同，顺着磁场方向看，使振动面向右旋的，称为右旋或正旋介质，反之，则称为左旋或负旋介质。
ψ＝VlBcosα式中，ψ为振动面旋转的角度， l为光程，B为磁感应强度，α为光线与磁场的夹角，V为比例常数，称费尔德常数，单位rad/Tm，它与磁光介质和入射光的波长有关，是一个表征介质磁光特性强弱的参量。
对于给定的磁光介质，振动面的旋转方向只决定于磁场方向，与光线的传播方向无关。
这点是磁光介质和天然旋光介质之间的重要区别。
就是说，天然旋光性物质，它的振动面旋转方向不只是与磁场方向有关，而且还与光的传播方向有关。
例如，光线两次通过天然性的旋光物质，一次是沿着某个方向，另一次是与这个方向相反，观察结果，振动面并没旋转。
可是磁光物质则不同，光线以相反的两个方向两次通过磁光物质时，其振动面的旋转角是叠加的。
因此，在磁致旋光的情况下，使光线多次通过磁光物质可得到旋转角累加。
图1 磁光调制器结构简图磁光调制器就是根据法拉第效应制成的，其结构见图67-1。
将磁光介质（铁钇石榴石Y3Fe5O12或三溴化铬CrBr3）置于激磁线圈中。
在它的左右两边，各加一个偏振片。
安装时，使它们的光轴彼此垂直。
没有磁场时，自然光通过起偏振片变为平面偏振光通过磁光介质。
达到检偏振片时，因振动面没有发生旋转，光因其振动方向与检偏振片的光轴垂直而被阻挡，检偏振片无光输出。
有磁场时，入射于检偏振片的偏振光，因振动面发生了旋转，检偏振片则有光输出。
光输出的强弱与磁致的旋转角ψ有关。
实验七 磁光调制实验一、 实验背景介绍（一）概述磁光调制是利用某些晶体的磁光效应，对光信号进行调制，使光信号的幅度随着调制信号的变化而变化，实现把调制信号加载到光信号上。
磁光调制在光电检测，光通讯，光显示等领域有着广泛的应用。
（二）磁光效应原理 磁光效应置于外磁场中的物体，在光与外磁场作用下，其光学特性（如吸光特性，折射率等）发生变化的现象。
法拉第效应 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，偏转角度θ与磁感应强度B 和光穿越介质的长度l 的乘积成正比，即V B L θ=⋅⋅，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。
2 直流磁光调制当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的表面时，偏振光的光强I 可以分解成如图2所示的左旋圆偏振光I L 和右旋圆偏振光I R ，对应的电矢量为E L 和E R ，两者旋转方向相反。
在磁场作用下，处于磁场中的介质呈现各向异性，由于介质对两者具有不同的折射率n L 和n R ，E L 的传播速度与E R 不同，当它们穿过厚度为L 的介质后会产生相位差，E L 与E R 旋转角度为θL 与θR ，合成电矢量则旋转一个角度θ。
2L L n L πθλ= y=Acos(wt+θ) 初相位的改变 2R R n L πθλ=因θθθθ+=-R L1()()()22L R L R R L Ln n L n n cπωθθθλ=-=-=- （2）其中n R 为在磁场作用下，右旋圆偏振光通过介质的折射率，n L 为左旋圆偏振光通过介质的折射率，c 为真空中的光速。
如折射率差()R L n n -正比于磁场强度B ，即可得（1）式，并由θ值与测得的B 与L 求出维尔德常数V图2 入射光偏振面的旋转运动3 交流磁光调制二、磁光调制实验（一）实验要求1、了解磁光调制实验的原理和方法2、了解磁光调制器用于光通讯的基本原理3、掌握磁光调制器的主要参数的测试方法 （二）实验内容1、测定旋光角与激励电流的关系2、出来晶体的半波电压和工作电压3、观察输出光强极小时，产生的倍频信号4、电光调制实现光通讯演示5、测试电光晶体的消光比和透射率 （三）实验步骤1、实验前的准备（1）按图组成实验系统，首先在光具座上放置好激光器和电接受器（2）设置实验仪（3）光路校准（4）插入起偏器，调节起偏器的高度和转角，使激光束垂直入射镜面，旋转起偏器，使透射光强最大。
磁光调制实验报告课程：_____光电子实验_____学号：姓名：专业：信息工程南京大学工程管理学院磁光调制实验报告一、实验目的1 观察磁光调制现象2 测量调制深度与调制角幅度3测定旋光角与外加磁场的关系4 测量直流磁场对磁光介质的影响5 磁光调制与光通讯实验演示二、实验原理1 磁光效应当平面偏振光穿透某种介质时，若在沿平行于光的传播方向施加一磁场，光波的偏振面会发生旋转，实验表明其旋转角θ正比于外加的磁场强度B，这种现象称为法拉第（Faraday）效应，也称磁致旋光效应，简称磁光效应，即：θ (1)=vlB式中l为光波在介质中的路径，ν为表征磁致旋光效应特征的比例系数，称为维尔德（Verdet）常数。
由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍，而与光的传播方向无关，利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、光偏转等功能性磁光器件，其中磁光调制为其最典型的一种。
图1 磁光效应示意图如图1所示，在磁光介质的外围加一个励磁线圈就构成基本的磁光调制器件。
2 直流磁光调制当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的表面时，偏振光的光强I可以分解成如图2所示的左旋圆偏振光I L和右旋圆偏振光I R（两者旋转方向相反）。
由于介质对两者具有不同的折射率n L 和n R ，当它们穿过厚度为l 的介质后分别产生不同的相位差，体现在角位移上有：l n L L λθ=l n R R λθ=式中λ为光波波长 R L()()l n n R L R L ⨯-=-=λθθθ2 ( 2 ) ()R L B ，即可得（1）式，并由值与测得的B 与l 求出威德尔常数υ。
图2 入射光偏振面的旋转运动3 交流磁光调制用一交流电信号对励磁线圈进行激励，使其对介质产生一交变磁场，就组成了交流（信号）磁光调制器（此时的励磁线圈称为调制线圈），在线圈未通电流并且不计光损耗的情况下，设起偏器P 的线偏振光振幅为A 0，则A 0可分解为A 0 cos α及A 0 sin α两垂直分量，其中只有平行于P 平面的A 0 cos α分量才能通过检偏器，故有输出光强cos )cos (I A I ==（马吕斯定律）A I =式中α为起偏器P 与检偏器A 主截面之间的夹角，I 0为光强的幅值，当线圈通以交流电信号i=i 0 sin ωt 时，设调制线圈产生的磁场为B=B 0 sin ωt ，则介质相应地会产生旋转角θ=θ0 sin ωt ，则从检偏器输出的光强为：[][])sin (2cos 12)(2cos 12)(cos 00020t I I ωθαθαθα++=++=+= （3） 由此可知光输出可以是调制波的倍频信号。
法拉第效应—磁光调制实验汪能06300190058摘要当线偏振光穿过介质时，若在介质中加一平行于光的传播方向的磁场，则光的振动面将发生旋转，这种磁致旋光现象是1845年由法拉第首先发现的，故称为法拉第效应。
通过法拉第效应—慈光调制实验可以研究ZF6重火石玻璃在不同波长下的费尔德而常量，研究其色散曲线，进而测量电子的荷质比。
关键词法拉第效应旋光角费德尔常量荷质比1.引言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。
如图⑴所示：图⑴法拉第效应偏振面转过的角度φ满足以下公式：φ＝VBD其中B为磁场强度，D为介质厚度，V为费德尔常量。
下表为若干物质的费德尔常量。
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。
如用于光纤通讯中的磁光隔离器，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。
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。
磁光调制主要应用于光偏振微小旋转角的测量技术，它是通过测量光束经过某种物质时偏振面的旋转角度来测量物质的活性，这种测量旋光的技术在科学研究、工业和医疗中有广泛的用途，在生物和化学领域以及新兴的生命科学领域中也是重要的测量手段。
如物质的纯度控制、糖分测定；不对称合成化合物的纯度测定；制药业中的产物分析和纯度检测；医疗和生化中酶作用的研究；生命科学中研究核糖和核酸以及生命物质中左旋氨基酸的测量；人体血液中或尿液中糖份的测定等。
2.费德尔常量的测量实验中，直接利用公式：φ＝VBD作φ～B曲线求斜率得到费德尔常量。
法拉第效应与磁光调制实验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。
如用于光纤通讯中的磁光隔离器，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，从而减少光于激光多级放大和高分辨率的纤中器件表面反射光对光源的干扰；磁光隔离器也被广泛应用Array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。
磁光调制主要应用于光偏振微小旋转角的测量技术，它是通过测量光束经过某种物质时偏振面的旋转角度来测量物质的活性，这种测量旋光的技术在科学研究、工业和医疗中有广泛的用途，在生物和化学领域以及新兴的生命科学领域中也是重要的测量手段。
如物质的纯度控制、糖分测定；不对称合成M.Faraday(1791－1876)化合物的纯度测定；制药业中的产物分析和纯度检测；医疗和生化中酶作用的研究；生命科学中研究核糖和核酸以及生命物质中左旋氨基酸的测量；人体血液中或尿液中糖份的测定等。
一、实验目的1. 用特斯拉计测量电磁铁磁头中心的磁感应强度，分析线性范围。
2. 法拉第效应实验：正交消光法检测法拉第磁光玻璃的费尔德常数。
3. 磁光调制实验：熟悉磁光调制的原理，用倍频法精确测定消光位置；精确测量不同样品的费尔德常数。
二、实验原理1、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θ与光波在介质中走d B成正比，即：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θ （1）=VBd比例系数V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。
附录中，表1为几种物质的费尔德常数。
几乎所有物质（包括气体、液体、固体）都存在法拉第效应，不过一般都不显著。
不同的物质，偏振面旋转的方向也可能不同。
习惯上规定，以顺着磁场观察偏振面旋 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0>V 0<V 。
图1 法拉第磁致旋光效应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。
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V 随波长λ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。
2、法拉第效应的唯象解释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如果磁场的作用是使右旋圆偏振光的传播速度和左旋圆偏振光的传播速度不等，于是通过厚度为的介质后，便产生不同的相位滞后：R n c /L n c /d d n R R λπϕ2=, d n L L λπϕ2= （2）式中λ为真空中的波长。
这里应注意，圆偏振光的相位即旋转电矢量的角位移；相位滞后即角位移倒转。
在磁致旋光介质的入射截面上，入射线偏振光的电矢量E 可以分解为图3-(a)所示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，在出射界面上，两个圆偏振光的旋转电矢量如图3-(b)所示。
当光束射出介质后，左、右旋圆偏振光的速度又恢复一致，我们又可以将它们合成起来考虑，即仍为线偏振光。
从图上容易看出，由介质射出后，两个圆偏振光的合成电矢量R E L E E 的振动面相对于原来的振动面转过角度θ，其大小可以由图3-(b)直接看出，因为θϕθϕ+=−L R （3） 所以)(21L R ϕϕθ−= （4） 由（2）式得： d d n n F L R⋅=−=θλπθ)( （5） 当时，L R n n >0>θ，表示右旋；当L R n n <时，0<θ，表示左旋。
假如和的差值正比于磁感应强度R n L n B ，由（5）式便可以得到法拉第效应公式（1）。
式中的)(L R F n n −=λπθ为单位长度上的旋转角，称为法拉第旋转比。
3、磁光调制原理根据马吕斯定律，如果不计光损耗，则通过起偏器，经检偏器输出的光强为：α20cos I I = （6）式中，为起偏器同检偏器的透光轴之间夹角0I 0=α或πα=时的输出光强。
若在两个偏振器之间加一个由励磁线圈（调制线圈）、磁光调制晶体和低频信号源组成的低频调制器，则调制励磁线圈所产生的正弦交变磁场t B B ωsin 0=，能够使磁光调制晶体产生交变的振动面转角t ωθθsin 0=，0θ称为调制角幅度。
此时输出光强由式（6）变为)sin (cos )(cos 02020t I I I ωθαθα+=+= （7）由式（7）可知，当α一定时，输出光强I 仅随θ变化，因为θ是受交变磁场B 或信号电流t i i ωsin 0=控制的，从而使信号电流产生的光振动面旋转，转化为光的强度调制，这就是磁光调制的基本原理。
图4 磁光调制装置 根据倍角三角函数公式由式（7）可以得到[)(2cos 1210θα++=I I ] （8） 显然，在的条件下，当o 900≤+≤θα0θθ−=时输出光强最大，即[)(2cos 1200max θα−+=I I ] （9） 当0θθ=时，输出光强最小，即 [)(2cos 1200min θα++=I I ] （10） 定义光强的调制幅度：min max I I A −≡ （11）由式（9）和（10）代入上式得到θα2sin 2sin 0I A = （12）由上式可以看出，在调制角幅度0θ一定的情况下，当起偏器和检偏器透光轴夹角时，光强调制幅度最大， o45=α00max 2sin θI A = （13）所以，在做磁光调制实验时，通常将起偏器和检偏器透光轴成角放置，此时输出的调制光强由式（27）知 o 45)2sin 1(2045θα−==I I o （14） 当时，即起偏器和检偏器偏振方向正交时，输出的调制光强由式（7）知o 90=α θα2090sinI I ==o （15） 当，即起偏器和检偏器偏振方向平行时，输出的调制光强由式（7）知o 0=α θα200cos I I ==o （16）若将输出的调制光强入射到硅光电池上，转换成光电流，再经过放大器放大输入示波器，就可以观察到被调制了的信号。
当时，在示波器上观察到调制幅度最大的信号，当或，在示波器上可以观察到由式（15）和（16）决定的倍频信号。
o45=αo 0=αo 90=α 定义磁光调制器的光强调制深度ηminmax min max I I I I +−=η （17） 实验中，一般要求在位置时，测量调制角幅度o 45=α0θ和光强调制深度η，因为此时调制幅度最大。
当，o45=α0θθ−=时，磁光调制器输出最大光强，由式（14）知 )2sin 1(200max θ+=I I （18） 当，o 45=α0θθ+=时，磁光调制器输出最小光强，由式（14）知)2sin 1(200min θ−=I I （19） 由式（18）和（19）得00min max 2sin θI I I =−，0min max I I I =+所以有0minmax min max 2sin θη=+−=I I I I （20） 调制角幅度0θ为 minmax min max 10sin 21I I I I +−=−θ （21） 由式（20）和（21）可以知道，测得磁光调制器的调制角幅度0θ，就可以确定磁光调制器的光强调制深度η，由于0θ随交变磁场B 的幅度连续可调，或者说随输入低频信号电流的幅度连续可调，所以磁光调制器的光强调制深度连续可调。
只要选定调制频率（如）和输入励磁电流，并在示波器上读出在状态下相应的和（以格为单位）。
m B 0i 0i f Hz f 500=0i o 45=αmax I min I 将读出的和值，代入式（20）和（21），即可以求出光强调制深度max I min I η和调制角幅度0θ。
逐渐增大励磁电流测量不同磁场或电流下的和值，做出0i 0B 0i max I min I 00~i θ和0~i η曲线图，其饱和值即为对应的最大调制幅度max 0)(θ和最大光强调制幅度max η。
四、实验内容1、电磁铁磁头中心磁场的测量1）将直流稳压电源的两输出端（“红” “黑”两端）用四根连接线与电磁铁相连。
2）调节两个磁头上端的固定螺丝，使两个磁头中心对准，并使磁头间隙为一定数值，如：20mm 或者10mm。
3）将特斯拉计探头与装有特斯拉计的磁光效应综合实验仪主机对应插座相连，另外一端通过探头臂固定在电磁铁上，并使探头处于两个磁头正中心，旋转探头方向，使磁力线垂直穿过探头前端的霍尔传感器。
4）调节直流稳压电源的电流调节电位器，使电流逐渐增大，并记录不同电流情况下的磁感应强度。
然后列表、画图分析电流—中心磁感应强度的线性范围，并分析磁感应强度饱和的原因。
2、正交消光法测量样品的费尔德常数。
1）将半导体激光器、起偏器、电磁铁、检偏器、光电接收器依次放置在光学导轨上；将半导体激光器与主机上DC3V 相连，将光电接收器与主机面板上信号输入端相连；将恒流电源与电磁铁相连（注意电磁铁两个线圈可以并联也可以串连）。
2）在磁头中间放入实验样品，样品共两种；这里选择费尔德常数比较大的法拉第旋光玻璃样品。
