法拉第效应
法拉第效应名词解释
法拉第效应名词解释一、法拉第效应名词解释在物理学里，法拉第效应(又叫法拉第旋转，磁致旋光)是一种磁光效应，是在介质内光波与磁场的一种相互作用。
法拉第效应会造成偏振平面的旋转，这旋转与磁场朝着光波传播方向的分量呈线性正比关系。
二、法拉第效应简介磁光效应是光与具有磁矩的物质共同作用的产物。
磁光效应主要有三种，即:法拉第效应、克尔效应、塞曼效应。
在光学电流传感器领域，法拉第磁光效应的应用最为广泛。
光学电流传感器中磁光介质即磁光效应中具有磁矩的物质，是决定光学电流传感器性能的重要器件。
具有磁矩的物质可以分为五大类，而在光学电流传感器领域，顺磁性物质的应用最为广泛。
三、法拉第效应应用法拉第效应可以应用于测量仪器。
例如，法拉第效应被用于测量旋光度、或光波的振幅调变、或磁场的遥感。
在自旋电子学里，法拉第效应被用于研究半导体内部的电子自旋的极化。
法拉第旋转器可以用于光波的调幅，是光隔离器与光循环器的基础组件，在光通讯与其它激光领域必备组件。
具体应用如下:(1) 量糖计(自然旋光)(2) 磁光开关与磁光调制器(点调制与空间调制)(3) 磁光光盘:光信息存储(4) 磁光电流传感器(或互感器):测量大电流(5) 磁光隔离器:在光通信和级联式激光器系统中用以隔离后续系统反馈的光信号(6) 磁光偏频器:零锁区激光陀螺中通过产生偏频来消除激光陀螺的闭锁现象法拉第效应可用于混合碳水化合物成分分析和分子结构研究。
在激光技术中这一效应被利用来制作光隔离器和红外调制器。
该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性;在光谱研究中，可借以得到关于激发能级的有关知识;在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段。
因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉穆尔进动，当光的传播方向相反时，偏振面旋转角方向不倒转，所以法拉第效应是非互易效应。
这种非互易的本质在微波和光的通信中是很重要的。
许多微波、光的隔离器、环行器、开关就是用旋转角大的磁性材料制作的。
2法拉第效应
法拉第效应1845年法拉第（Micha1 Faraday ）发现玻璃在强磁场的作用下，当平面偏振光沿磁场方向通该物体时，发现透过光仍为平面偏振光，但其偏转面旋转了一个角度，旋转角度的大小与磁场强度成正比具有旋光性，这种旋光作用(Optical nat ation)称为法拉弟效应。
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转进行了研究，发现法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。
大部分物质的法拉第效应很弱，掺稀土离子玻璃的费尔德常数稍大。
近年来研究的YIG 等晶体的费尔德常数较大，从而大大提高了实用价值。
法拉第效应有许多重用的应用，尤其在激光技术发展后，其应用价值倍增。
如用于光纤通讯系统中的磁光隔离器，因为偏振面的磁致旋转取决于磁场的方向，与光的传播方向无关，由此可设计成光隔离器，使光沿规定的方向通过同时阻挡反向传播的光，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用于激光多级放大技术和高分辨的激光光谱技术，激光选模等技术中。
法拉第效应的弛豫时间不大于10-10秒量级。
在激光通讯，激光雷达等技术中已发展成类似微波器件的光频环行器、调制器等，利用法拉第效应的调制器（磁光调制器）在μμ5~1的红外波段将起重用作用。
且磁光调制器需要的驱动功率较电光调制器小的多。
对温度稳定性的要求也较低。
所以磁光调制是激光调制技术的重用组成之一，也常用于激光强度的稳定装置。
又如作为重要的传感机理应用于电工测量技术中。
在磁场测量方面，利用它弛豫时间短（约10-10秒）的特点制成的磁光效应磁强计可测量脉冲强磁场、交变强磁场；利用它对温度不敏感的特点，磁光效应磁强计可适用于较宽的温度范围，如等离子体中强磁场、低温超导磁场；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，可测量几千个安培的大电流或几千KV 的高压电流等。
1. 实验目的1、了解磁光效应，掌握光线偏振面旋转角度的测量方法。
大物实验4——法拉第磁光效应(一)
法拉第磁光效应（一）实验目的1、了解磁光效应现象和法拉第效应的机理。
2、测量磁致旋光角，验证法拉第—费尔德定律θ=VBL 。
3、法拉第效应与自然旋光的区别。
4、了解磁光调制原理。
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5.16.1所示，偏振面旋转的角度与光波在介质中走过的路程d及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量B 成正比，即：θ=VBd（5.16.1）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。
费尔德常数V与磁光材料的性质有关，对于顺磁、弱磁和抗磁性材料（如重火石玻璃等），V为常数，即θ与磁场强度B有线性关系；而对铁磁性或亚铁磁性材料（如YIG等立方晶体材料），θ与B不是简单的线性关系。
图5.16.1 法拉磁致旋光效应表5.16.1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转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V>0；反向旋转的称为“左旋”介质，费尔德常数V<0。
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。
这一性质使得磁光晶体在激光技术、光纤通信技术中获得重要应用。
表5.16.1 几种材料的费尔德常数（单位：弧分/特斯拉·厘米）物质（mm）V水589.3 1.31⨯102 二硫化碳589.3 4.17⨯102轻火石玻璃589.3 3.17⨯102重火石玻璃830.0 8⨯102～10⨯102冕玻璃632.8 4.36⨯102～7.27⨯102石英632.8 4.83⨯102磷素589.3 12.3⨯102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。
法拉第效应
法拉第效应引言1845年，英国科学家法拉第(M.Faraday, 1791-1867)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介质时，如果在介质中沿光的传播方向加上一个磁场，就会观察到光经过样品后光的振动面转过一个角度（见图3.2-1），也就是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。
法拉第效应有许多方面的应用，它可以作为物质结构研究的手段，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、迁移率和提供能带结构的信息；在激光技术中，利用法拉第效应的特性，制成了光波隔离、光频环形器、调制器 等。
实验目的1.了解法拉第效应的经典理论。
2.初步掌握进行磁光测量的方法。
实验原理1.法拉第效应实验表明，偏振面的磁致偏转可以这样定量描述：当磁场不是很强时，振动面旋转的角度θF 与光波在介质中走过的路程l 及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量B H 成正比，这个规律又叫法拉第_费尔得定律。
(3.2-1)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，这个系数称为费尔得(V erdet)常数，它与光频和温度有关。
几乎所有的物质(包括气体液体固体)都有法拉第效应，但一般都很不显著。
不同物质的振动面旋转的方向可能不同。
一般规定：旋转方向与产生磁场的螺线管中电流方向一致的，叫正旋（V>0），反之叫负旋（V<0）。
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，偏振面相对于实验室坐标的旋转方向，只由B 的方向决定和光的传播方向无关，这个光学过程是不可逆的。
光线往返一周，旋光角将倍增。
而自然旋光则是可逆的，光线往返一周，累积旋光角为零。
与自然旋光类似，法拉第效应也有色散（如图2）。
含有三价稀土离子的玻璃，费尔得常数可以近似表示为：lVB H F =θ(3.2-2)这里K 与入射光波长λ无关，是跃迁波长λt 、有效的电偶极矩阵元C4、温度和浓度等物理量的函数[错误！未找到引用源。
法拉第效应
A
CR
L2
1
3
R
R
B
E
D
L
2．旋光现象的解释 菲涅耳的解释只是唯象理论，它不能说明旋光现象 的根本原因，不能回答为什么在旋光介质中二圆偏振 光的速度不同。
这个问题必须从分子结构去考虑，即光在物质中传 播时，不仅受分子的电矩作用，还要受到诸如分子的 大小和磁矩等次要因素的作用。
2．旋光现象的解释
E
ei
1（ei 2
1（ei 2
ei ) ei
)
e i
cos sin
(122)
E=
1 2
1 i
ei(kR
kL
)
l 2
1
i
ei(kR
kL
)
l 2
E
1 2
1 i
eiR
1 2
1
i
eiL
1 2
1 i
eikR
l
1 2
1
i
eikLl
=
1 2
ei(kR
kL
)
l 2
1 i
ei(kR
kL
)
l 2
1
i
e
i(kR
kL
)
l 2
螺线管
输入光束
P1改进型 格-汤棱镜
磁致旋
光材料
激光放器2 输出
P2(与P1成 450的格-汤 棱镜)
法拉第效应
法拉第效应引言法拉第效应（Faraday Effect）是指当光线通过受磁场作用的物质时，光线的传播方向会发生旋转的现象。
这个现象是1852年英国物理学家迈克尔·法拉第首先发现并描述的。
法拉第效应不仅在物理学中具有重要意义，而且在光学传感器、光纤通信和磁场测量等领域也得到广泛应用。
原理法拉第效应的产生基于磁光色散效应。
当线偏振光通过受磁场作用的物质时，光的传播方向会产生旋转。
这一旋转的现象可以通过法拉第转角来度量。
法拉第转角（Verdet Constant）是一个物质特性，表示单位长度内磁场引起的光传播方向旋转的角度。
如果磁场方向与光传播方向垂直，则法拉第转角达到最大。
应用光学传感器法拉第效应可用于光学传感器，特别是磁场传感器。
通过将光纤固定在受磁场影响的物质附近，当磁场改变时，光纤中的光将发生相应的传播方向旋转。
通过测量光传播方向旋转的角度，可以推断出磁场的强度和方向。
这种光学传感器具有高精度、快速响应和不受电磁干扰的优点，被广泛应用于磁场测量和磁共振成像等领域。
光纤通信法拉第效应在光纤通信领域也得到了应用。
由于光纤材料的法拉第转角是一个固定值，通过控制磁场的强度和方向，可以实现对光信号的相位调制。
这样可以在光纤中传输信息，并实现光信号的调制和解调。
法拉第效应在光纤通信中起到了重要作用，提高了光纤通信的传输速率和容量。
磁场测量由于法拉第效应与磁场的强度和方向紧密相关，因此可以通过测量光传播方向的旋转角度来精确测量磁场的强度和方向。
这种磁场测量方法具有高精度、快速响应和不受外部电磁干扰的优势，被广泛应用于科学研究、电磁学实验和工业生产等领域。
例如，地球的磁场测量和磁共振成像都是基于法拉第效应的原理。
结论法拉第效应是磁光色散效应的一种表现形式，描述了当光通过受磁场作用的物质时，光传播方向发生旋转的现象。
由于法拉第效应与磁场的强度和方向紧密相关，因此它在光学传感器、光纤通信和磁场测量等领域得到广泛应用。
法拉第效应的应用课件
法拉第效应的意义
法拉第效应的意义在于揭示了光的电磁性质和磁场之间的 相互作用。它为光学和电磁学的发展提供了重要的理论基 础，也为现代科技领域的发展提供了基础支撑。
通过法拉第效应，我们可以深入了解光的偏振现象和磁场 对光的影响机制，进而推动相关领域的技术和应用的发展 。
细胞生长环境
在细胞培养技术中，法拉第效应也被用于调节细胞生 长环境中的磁场和电场。这种调节有助于控制细胞的 生长、分化和凋亡过程。
细胞检测
利用法拉第效应可以检测细胞内的化学物质和生物分子 的变化。例如，通过调节磁场和电场，可以诱导细胞产 生特定的生理反应，进而观察和分析细胞的功能和特性 。
05
法拉第效应在环境科学中的应用
详细描述
近年来，法拉第效应的理论研究不断深入，研究者们通过实 验观测、数值模拟等方法，对法拉第效应的原理和机制进行 了更加深入的探究，为未来技术应用创新提供了重要的理论 支撑。
法拉第效应的技术应用创新
总结词
不断拓展法拉第效应的技术应用领域，涉及能源、环保等多个领域。
详细描述
随着理论研究的不断深入，法拉第效应的技术应用也在不断创新。目前，法拉第效应已经广泛应用于能源、环保 等多个领域，如太阳能电池、磁场传感器、磁流体发电等。未来，随着新材料的不断发现和技术的不断进步，法 拉第效应的技术应用将更加广泛。
这种效应可以用公式表示为：θ = V × B × l / c，其中θ表示偏振方向旋转的角 度，V表示线偏振光的速度，B表示磁感应强度，l表示光通过磁场的距离，c表示 光速。
法拉第效应的现象
法拉第效应的现象包括：偏振光的偏振方向在通过磁场后发 生旋转，旋转方向与磁场方向和光传播方向有关。当改变磁 场方向或光传播方向时，偏振方向的旋转方向也会相应改变 。
1_近物实验II 法拉第效应
法拉第效应一、引言1845年英国物理学家法拉第（Faraday ）发现原本没有旋光性的铅玻璃在磁场中出现了旋光性，这种磁致旋光现象后来被称为法拉第效应，这也是人类第一次认识到电磁现象和Verdet ）研究了许多介质的磁致旋光效应，发现法拉第效应普遍存在于固体、液体和气体中，只是大部分物质的法拉第效应很弱，而掺稀土离子的玻璃的费尔德常数稍大。
近年来研制的磁性石榴石（YIG ）等晶体的费尔德常数更大一些。
法拉第效应只是磁光效应中的一种。
磁光效应是描述在磁场的作用下，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，比如光的频率、偏振面、相位或者散射特性等性质发生了变化。
磁光效应有很多种类型，常见的有法拉第效应、塞曼（Zeeman ）效应、克尔（Kerr ）效应、科顿-穆顿（Cotton-Mouton ）效应和磁激发光散射等。
法拉第效应的应用领域极其广泛。
它可以作为物质结构研究的手段，比如，根据结构对法拉第效应的影响来分析碳氢化合物的结构；在光谱学中，可以用于研究激发能级的有关信息；在电工测量中，可用来测量电路中的电流和磁场。
如今利用法拉第效应原理制成的偏频盒、旋转器、环行器、相移器、锁式开关、Q 开关、光纤隔离器等能快速控制激光参数的各种元器件，已广泛应用于激光雷达、激光测距、激光陀螺、光纤通信中。
本实验的目的是：通过实验理解法拉第效应的本质，掌握测量旋光角的基本方法，并测量几种不同类型材料的旋光角，同时学会计算费尔德常数。
二、实验原理所谓的法拉第效应就是，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l 及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V d (λ)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。
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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 m
e ⋅,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。
由量子理论知道，介质中原子的轨道电子磁矩
µ= -L m
e 2 （3） 式中，e 为电子电荷，m 为电子质量，L 为轨道角动量，在磁场B 中，一个电子磁矩具有势能: E P
E P =-µ·B=L m e 2·B=z L m
eB 2 （4） 其中z L 为电子的轨道角动量沿磁场方向的分量。
当平面偏振光在磁场B 作用下通过样品介质时，光子与束缚电子发生相互作用，光子使束缚电子由基态激发到高能态，处于激发态的电子吸收了光量子的角动量 ±=∆z L （π2/h = ）。
因此电子的势能增加了P E ∆
m
eB m eB L m eB E z P 2)(22±=±=∆=∆ （5） 其中正号对应于左旋圆偏振光量子，负号对应于右旋圆偏振光量子，在电子的势能增加P E ∆同时，光子的能量减少了=∆E P E ∆。
由量子理论知道，光子具有的能量为ω ，样品介质对光子的折射率n=n （ω）。
当光子的能量减少了=∆E P E ∆时，n=n （ω-
P E ∆），函数形式未发生改变。
将n 在n （ω）附近展开有
n=n （ω-
P E ∆）≈n （ω）±ωd dn E P ∆ （6） 将（5）式代入（6）式有
n ≈n （ω）±ω
d dn m eB 2 （7） 正号为介质对左旋光的折射率，负号为介质对右旋光的折射率。
将上式代入（2）式 ，并用波长表示（λπ=ω/2c ），则有
λ
λϕd dn mc eBl ⋅-=∆2 （8） 上式表明法拉第旋光角的大小ϕ∆与样品介质厚度S 、磁场强度B 正比，并且和入射光的波
长λ及介质的色散λ
d dn 有关。
若用CGS 单位制，则有，
λλϕd dn mc eBl ⋅-=∆22 （9） 将（9）式代入（1）式有， V=λλd dn mc e ⋅⋅2
2 (10)
四、实验内容及步骤
1． 调整磁场B=f(I); I 为线圈电流
移去火石玻璃（柱），按操作说明书，用O-1000MT/3000MT 有源组件将切向场探测器（霍尔元件）连接到可交换标度计量仪，用定标磁场校准切向场探测器,在将切向场探测器放在极片之间，记录磁场强度B （B 是励磁电流I 的函数）。
2． 验证磁场强度B 与偏振面旋转角度φ∆之间的正比关系。
在遮光板架上插入波长为450nm 的滤波片，在将火石玻璃放在极片之间，通过控制励磁电流I 得到需要的磁场强度B 。
将检偏器调到00，旋转起偏器找到光强极小值。
不改变励磁电流I 大小，使磁场反向，旋转起偏器找到光强极小值，而后撤去磁场，从光路中移去滤波片，转动起偏器至光强极大处，读出十字叉丝线的位置。
改变励磁电流I 的值，重复测量。
3． 维尔德（Verdet ）常数随光波波长λ的变化。
在光路中装上不同波长的滤波片，将交叉线调至零，磁场达到最大，步骤同2。
五、思考题
1．法拉第旋光效应与蔗糖溶液的自然旋光性有何不同？
2．维尔德（Verdet ）常数与哪些物理量有关？
3．如果有些样品同时具有自然旋光性或双折射性等，怎样消除它们对实验结果的影响。