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磁光调制实验报告

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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：
vlB

(1)

式中l为光波在介质中的路径，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IL和右旋圆偏振光IR（两者旋转方向相反）。由
于介质对两者具有不同的折射率nL和nR，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：

lnLL2
lnRR2
式中λ为光波波长
因RL

lnnRLRL



221

( 2 )

如折射率差RLnn正比于磁场强度B，即可得（1）式，并由值与测得
的B与l求出威德尔常数。


L

R

B

L



R

L


R

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A0，则A0可分解为
A0 cosα及A0 sinα两垂直分量，其中只有平行于P平面的A0 cosα
分量才能通过

检偏器，故有输出光强


202
0
cos)cos(IAI
（马吕斯定律）

其中200AI为其振幅。
式中为起偏器P与检偏器A主截面之间的夹角，I0为光强的幅值，当线圈
通以交流电信号i=i0 sinωt时，设调制线圈产生的磁场为B=B0 sinωt，则介质
相应地会产生旋转角θ=θ0 sinωt，则从检偏器输出的光强为：


)sin(2cos12)(2cos12)(cos00020tIIII
（3）

由此可知光输出可以是调制波的倍频信号。
以上就是电信号致使入射光旋光角变化从而完成对输出光强调制的基本原
理。
4 磁光调制的基本参量
磁光调制的性能主要由以下两个基本参量来描述。
（1）调制深度η

minmax
minmax
IIII




（4）

式中Imax和Imin分别为调制输出光强的最大值和最小值，在20
的条件下，参照图3应用倍角公式，由（3）式得到在时的输出光强分别为：

)(2cos120maxII


)(2cos120minII
（5）

如图3所示：




图3 调制光强幅度随旋光角变化的情况
（2）调制角幅度θ0

令minmaxIIIA为光强调制幅度
将（5）式代入化简得

2sin2sin0IIA

由此可见，若起偏器P与检偏器A主截面间夹角45时，调制幅度可达
最大值2sin0maxIIA
此时调制输出的极值光强为：
)2sin1(20maxII

)2sin1(20minII
（6）

将此式代入（4）式得45时的调制深度和调制角幅度：

sin2

minmaxminmax10sin21IIII （7）
三、实验内容
1 观察磁光调制现象
（1）按图4所示，参照图8“系统连接”方法准备就绪（用铽玻璃调制
器线缆插入主控单元后面板的“调制输出”两插座中）。
（2）打开调制加载开关，调制幅度开关最大，此时直流磁场为零，转
动检偏器，在示波器上同时观察到调制波形与解调输出波形；再细调检偏
器的转角，即可明显地看到解调波与调制波的倍频关系，此时光强指示为
最小值，检偏器透光轴与起偏器透光轴垂直， 90。

2 测量调制深度与调制角幅度
在示波器中显示出解调波形时，调节检偏器偏角，读出波形曲线上相应
的光强信号的最大值Imax和最小值Imin ，代入（6）式和（7）式，计算出调
制深度η和调制角幅度θ0。

实验测得：Imax=4.56 I
min =0.24

调制角幅度minmaxminmax10sin21IIII=32.08

调制深度：sin2=0.9

3、测定旋光角与外加磁场的关系
数据表格：
磁感应
强度
0.076 0.135 0.203 0.281 0.342 0.415 0.482 0.545 0.612

旋转角
0.68 1.02 1.48 2.12 2.56 3.13 3.58 4.45 4.87
磁感强度与旋光角的图像：

分析:
由上图可以看出两者基本上呈线性关系。实验中线偏振光的偏振方向和产
生磁场的电流的旋转方向一致，根据上面原理定义为右旋。
误差分析：
实验过程中，励磁电流计读数有一定的误差；读数有一定误差将角度转化
位弧度制4舍5入导致一定的误差；光路不够满足实验要求，精度不够导致测
量不准确；消光法测量时光电流反应不够灵敏，最小值不够准确，导致对于的
检偏器角度读取有误差。
4 、测量直流磁场对磁光介质的影响
（1）按实验内容1中（2）步骤，调出调制波的倍频信号。

（2）将励磁电磁铁（M）插入可调滑座上置于接收器前，电磁铁中间放
入磁光介质重火石，（先将重火石插在两磁轭之间，磁轭平面与两磁极相吻
合）如图10所示。将电磁铁引出线缆插入后面板的“励磁输出”两插座中
（注意：红对红，黑对黑）。
图10
（3）调节可调滑座高低左右，使激光能准确穿过重火石中心。调节接收
器滑座，使激光能精确进入接收孔。此时，示波器可见倍频信号。

（4）开启直流励磁，使励磁线圈通以直流电流IDC，转动励磁强度旋钮，
使励磁指示表达到1.5A，示波器无倍频信号显示，此时记下接受器上测角
器的读数（建议做此实验前将测角器刻度0对0），旋转测角器微调，使示
波器重显倍频信号，再记下此时测角器读数，其差值为重火石磁致旋光角。
（5）将测角器刻度0对0，改变直流电流（由励磁电流表读出），每隔0.3A
测量一次，记下旋光角度与相应的偏转角，画出θ~ B(IDC)的关系曲线。

• 注：调制线圈中部顶端开有小孔，用以插入特斯拉（场强）计测量线圈的
磁感应强度B（由于测试探头处于线圈边缘，其中部的B应为2倍测试值）。
• 根据B与偏角Ө值，即可由（1）式计算出磁光介质的维尔德常数。

磁感应
强度
0.0758 0.1375 0.2029 0.2889 0.3515 0.4267 0.569 0.595 0.636

7
旋转角
-1.34 -4.84 -6.77 -9.54 -12 -14.03 -17 -19.57 -21.7
7

θ~ B(IDC)的关系曲线：

分析：由上图可知，MR3玻璃的~B关系基本是线性关系。根据上面原理
定义，MR3玻璃的法拉第旋光性为左旋。
倍频：

四、实验总结
1、在设计倍频时，开始过程中遇到很大困难，主要是实验方法的错误，后来经过请教他人
得以解决。
2、如果不使用倍频法做直流磁光调制实验，则偏振面的磁致旋转角通过消光法测得，由检
偏器在平面偏振光振动方向变化前后的消光位置来确定。由于消光位置附近光强变化率较小，
检偏器的精度不够，确定精度消光位置较困难，这样就影响了磁致旋转角的精确测量。

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近代物理实验二十 磁光效应解析

近代物理实验二十 磁光效应解析

（3）
所以
（4）
由（2）式得：
（5）
当 时， ，表示右旋；当 时， ，表示左旋。假如 和 的差值正比于磁感应强度 ，由（5）式便可以得到法拉第效应公式（1）。式中的 为单位长度上的旋转角，称为比法拉第旋转。因为在铁磁或者亚铁磁等强磁介质中，法拉第旋转角与外加磁场不是简单的正比关系，并且存在磁饱和，所以通常用比法拉第旋转 的饱和值来表征法拉第效应的强弱。(4)式也反映出法拉第旋转角与通过波长 有关，即存在旋光色散。
微观上如何理解磁场会使左旋、右旋圆偏振光的折射率或传播速度不同呢？上述解释并没有涉及这个本质问题，所以称为唯象理论。从本质上讲，折射率 和 的不同，应归结为在磁场作用下，原子能级及量子态的变化。这已经超出了我们所要讨论的范围，具体理论可以查阅相关资料。
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。在这个模型中，把原子中被束缚的电子看做是一些偶极振子，把光波产生的极化和色散看作是这些振子在外场作用下做强迫振动的结果。现在除了光波以外，还有一个静磁场 作用在电子上，于是电子的运动方程是
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于激光多级放大和高分辨率的激光光谱，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。
8 102～10 102
磁光效应物理实验报告(3篇)

磁光效应物理实验报告(3篇)

第1篇一、实验目的1. 理解磁光效应的原理及其在光学领域中的应用；2. 掌握磁光效应实验的基本操作；3. 通过实验，测定磁光效应中的一些关键参数，如磁光克尔效应和法拉第效应；4. 分析实验数据，得出磁光效应的相关规律。

二、实验原理磁光效应是指电磁波在磁场中传播时，其电磁场分布发生变化的现象。

主要包括磁光克尔效应和法拉第效应。

1. 磁光克尔效应：当线偏振光通过具有磁光性质的介质时，其偏振面会旋转一个角度，称为克尔角。

克尔效应的大小与磁场的强度和介质的磁光常数有关。

2. 法拉第效应：当线偏振光通过具有法拉第效应的介质时，其偏振面会旋转一个角度，称为法拉第角。

法拉第效应的大小与磁场的强度、介质的法拉第常数以及光在介质中的传播速度有关。

三、实验仪器与材料1. 磁光克尔效应实验装置：包括线偏振光源、磁光克尔效应样品、检偏器、光电池等；2. 法拉第效应实验装置：包括线偏振光源、法拉第效应样品、检偏器、光电池等；3. 直流稳压电源、磁铁、光具座、光电池读数仪等。

四、实验步骤1. 磁光克尔效应实验：（1）将线偏振光源发出的光通过检偏器，得到线偏振光；（2）将线偏振光照射到磁光克尔效应样品上，调节磁铁的位置，使样品处于磁场中；（3）通过检偏器观察光电池的输出信号，记录克尔角；（4）改变磁场强度，重复上述步骤，得到一系列克尔角数据。

2. 法拉第效应实验：（1）将线偏振光源发出的光通过检偏器，得到线偏振光；（2）将线偏振光照射到法拉第效应样品上，调节磁铁的位置，使样品处于磁场中；（3）通过检偏器观察光电池的输出信号，记录法拉第角；（4）改变磁场强度，重复上述步骤，得到一系列法拉第角数据。

五、实验数据整理与归纳1. 对磁光克尔效应实验数据进行处理，得到克尔角与磁场强度的关系曲线；2. 对法拉第效应实验数据进行处理，得到法拉第角与磁场强度的关系曲线；3. 根据实验数据，分析磁光克尔效应和法拉第效应的规律。

六、实验结果与分析1. 磁光克尔效应实验结果表明，克尔角与磁场强度呈线性关系，符合磁光克尔效应的规律；2. 法拉第效应实验结果表明，法拉第角与磁场强度呈线性关系，符合法拉第效应的规律；3. 通过实验，验证了磁光效应在光学领域中的应用，如光学隔离器、光开关等。

晶体磁光效应实验

晶体磁光效应实验

LMG-Ⅱ型晶体磁光效应仪实验指导书外加磁场作用所引起材料的光学各向异性称为磁光效应。

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：当一束平面偏振光穿过非旋光性介质时，如果给介质沿光的传播方向加上磁场，就会观察到光经过介质后偏振面转过角度（即磁场使介质具有了旋光性），这种磁光效应称为法拉第效应。

法拉第效应在许多方面都有应用。

它可以作为物质结构研究的手段，比如，根据结构不同的碳氢化合物其法拉第效应的表现不同来分析碳氢化合物;在半导体物理的研究中,它可以用来测量载流子的有效质量和提供能带结构的知识；在电工测量中，它还被用来测量电路中的电流和磁场；在激光通讯、激光雷达技术中，利用法拉第效应可制成光频环行器、调制器等重要器件；特别是在激光技术中，利用法拉第效应，可制成光波隔离器或单通器，这些在激光多级放大技术和高分辨激光光谱技术都是不可缺少的器件。

[实验目的]通过实验研究磁致旋光现象，加深理解法拉第效应。

测出磁旋光玻璃的θ～β关系。

计算样品的维尔德常数。

[实验原理]1．磁光效应的物理起因我们知道，两个同频率的垂直简谐振动能够合成为一个圆运动，同样，一个圆运动可以分解成一对相互垂直的简谐振动。

现在我们要讨论的是：一个直线简谐振动可以分解为一对圆运动（即左旋圆偏振和右旋圆偏振为磁光介质中光波的两种传播简谐模式，这就是把一个直线简谐振动分解为一对圆运动的原因）。

图1，和是两个大小相等（皆为A）而不变的旋转矢量。

它们的角速度（±ω）大小相等方向相反。

设在t=0时刻它们沿某一方向重合（图1(a)），由于过任意时刻Δt后两个矢量的角位移（±ωt）也大小相等方向相反，它们的合矢量总保持在原来的方向上（图1(b)），这时的瞬时值为：由此可见，和两个旋转矢量合成一个沿直线作简谐振动的矢量，其振幅为2A，方向永远在，瞬时位置的角平分线上。

上述结论也可以反过来叙述：即一个沿直线作简谐振动的矢量，可以分解成一对左、右旋的旋转矢量和，它们的大小是矢量的振幅之半，角速度的大小是矢量的角频率ω。

光电子技术 磁光调制

光电子技术 磁光调制

§3.4磁光调制
磁光调制主要是应用法拉第旋转效应: VBL
一、磁光调制器结构与原理
结构与电光强度调制器 结构相同，需要相互正交的 起、检偏振器。
为了获得线性调制，在 垂直于光传播的方向上加一 恒定的偏置磁场Hdc. 其强度 足以使晶体饱和磁化。它不 仅影响透射光的旋转角，还 影响透射光的振幅，因而影 响透过率。
§3.4磁光调制
工作时，高频信号
电流通过线圈就会感生 出平行于光传播方向的 磁场，入射光通过磁光 晶体YIG(钇铁石榴石: Y3Fe5O12)时，由于法 拉第旋转效应，其偏振 面发生旋转，旋转角正H t
H dc
L0
(3 64)
s是单位长度饱和法拉
第旋转角；H 0 sinH t
是调制磁场。
再通过检偏器，就可以获得一定强度变化的调制光。
§3.4磁光调制
二、磁光调制器特点 优点：工作所需的功率低，受温度影响小。 缺点：仍限于红外波段。 实际上，磁光器件更多地用于光隔离器等光通信器
件。