近代物理实验(法拉第效应)

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。

的折射率和传播速度，通过距离为 l 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 m
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：
F Vd ( ) Bl （1）
上式中，比例系数 Vd 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 E （ E 表示电场强度矢量） ，可以看作两束等幅 的左旋������������ 和右旋������������ 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

法拉第效应1845年8月，英国科学家法拉第发现原来没有旋光性的重玻璃在强磁场作用下产生旋光性，使偏振光的偏振面发生偏转。

磁致旋光效应后来称为法拉第效应。

法拉第效应有许多应用，特别是在激光技术中制造光调制器、光隔离器和光频环行器，在半导体物理中测量有效质量、迁移率等。

一、实验目的1． 了解法拉第效应的原理；2． 观察线偏振光在磁场中偏振面旋转的现象，确定维尔德（Verdet ）常数；3． 验证偏振面旋转角度、光波波长和磁场强度间的关系。

二、实验器材12v/100w 卤素灯、法拉第效应实验仪、光电器件及平衡指示仪、三、实验原理介质因外加磁场而改变其光学性质的现象称之为磁光效应。

其中，光通过处于磁场中的物质时偏振面发生旋转的效应较为重要，我们称这种偏振面的磁致旋转效应为法拉第效应（Faraday effect ）。

它与克尔效应一起揭示了光的电磁本质，是光的电磁理论的实验基础。

法拉第在寻找磁与光现象的联系时首先发现了线偏振光在通过处于磁场当中的各向同性介质时其偏振面发生旋转的现象。

在磁场不是非常强时，偏振面的旋转角度ϕ∆ 与介质的厚度S 及磁感应强度在光的传播方向上的分量B 成正比VBS =∆ϕ （1）比例系数V 成为维尔德（Verdet ）常数，它取决于光的波长和色散关系，一般物质的维尔德常数比较小，表1给出了几种材料的维尔德常数V 。

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，光矢量的旋转方向只由磁场的方向决定，而与光的传播方向无关，即当光线经样品物质往返一周时，旋光角将倍增。

线偏振光可看作两个相反偏振量σ+和σ –的圆偏振光的相干叠加，从原子物理知识可知，磁场将使原子中的振荡电荷产生旋进运动，旋进的频率等于拉莫尔频率，即ωL =B me ⋅,这里e 和m 分别为振荡粒子的电荷和质量，B 为磁场强度。

线偏振光的σ+和σ –分量有不同的旋进频率，分别为L ωω- 和L ωω+，相应的折射率n +和n -，相速度v +和v - 都不同，而在表1.几种材料的维尔德常数V光学行为中是等效的，偏振面旋转角由下述等式得到，旋转角由光通过的材料长度S 决定,即S c n n ⋅-=∆-+2)(ωϕ （2）上式中，c 为光速，ω为入射光的频率，上式的推导较为简单，是建立在经典电磁理论的基础之上。

法拉第效应法拉第效应【摘要】本实验研究了磁致旋光现象，测量了ZK2、ZF7、MR3玻璃的旋光⾓度与磁场⼤⼩的关系并判断出了三个样品的法拉第旋转⽅向；计算了波长为632.8nm 时的费尔德常数；设计了实验进⾏了对于⾃然旋光与法拉第旋光的区分。

【关键词】磁致旋光法拉第效应费尔德常数⾃然旋光1. 引⾔1845年英国物理学家法拉第（1791-1867）发现原本没有旋光性的铅玻璃在磁场中出现旋光性，之中旋光现象后来被称为法拉第效应。

磁光效应是描述在磁场作⽤下，在具有固有磁矩的介质中传播的光其物理性质发⽣变化的现象。

法拉第效应应⽤领域极其⼴泛，可以作为物质结构研究的重要⼿段。

本实验的⽬的是通过实验理解法拉第效应的本质，掌握旋光⾓的基本⽅法，并测量⼏种不同类型材料的旋光⾓，学会计算费尔德常数。

⽐较法拉第旋光以及⾃然旋光的区别。

2. 实验原理介质中原⼦的轨道电⼦具有磁偶极矩µ，有s L m e 2-=µ；磁场作⽤下，⼀个电⼦的磁矩具有势能ψ，有：s L meB B 2=-=ψµ （1） s L 为电⼦轨道⾓动量沿磁场⽅向的分量。

此时若偏振光通过介质时，光⼦与轨道电⼦相互作⽤，电⼦由基态激发。

发⽣能级跃迁时电⼦吸收了光量⼦⾓动量π2h ±；跃迁后电⼦动能不变，势能增加?ψ；对于左旋光⼦： meBh π4+=?ψ (2) 对于右旋光⼦： meBh π4-=?ψ（3）同时光量⼦失去?ψ的能量，⼜由于介质对光的折射率n 为光⼦能量（πω2h ）的函数。

ωωπωd dn m eB n h n n L L 2)()2(-≈?ψ-= （4）ωωπωd dn m eB n h n n R R 2)()2(-≈?ψ-= （5）经过⼀系列的近似得：λλλd dn mc e V 2)(-= （6）实验测量⽤到了倍频法或消光法进⾏了测量，分别介绍如下：（1）倍频法：起偏器做⼩⾓度振动，与不振时相⽐，偏离量θ'；β为F θ为检偏夹⾓；则在检偏后：)(cos 20θβ'±=I I （7） )2c o s 1(s i n 21s i n s i n c o s 2c o s )(c o s 220022t t ωβθωββθβθβ-+='± （8）可由（8）式可知，第⼀项为直流信号；第⼆项为基频信号；第三项为倍频信号。