法拉第效应——磁光调制报告.ppt
法拉第效应
平面会相对原方向转过一个角度。
石英
光轴
石英晶体是单轴晶体,光沿着光轴方向传播不会发生 双折射，该现象应属另外一种新现象,这就是旋光现
象。
石英
光轴
比奥在蒸汽和液态物质中也观察到了同样的旋光现象。
不同旋光介质光振动矢量的旋转方向不同,并因此将
思考题
• 自然旋光与磁致旋光的区别？ • 如何利用磁光调制的原理精确测量样品的费 尔德常数？
磁光隔离器（法拉第隔离器 ）:
在激光系统中，为了避免光路中各光学界面的反射光
对激光源产生干扰，可以利用法拉第效应制成光隔离
器，只允许光从一个方向通过，而不允许反向通过。
螺线管 激光放大器1 激光放大器2 输出
实验报告列出数据表格，并作出曲线
励磁电流I(A) 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5 磁感应强度B(mT)
实验2—正交消光法测量法拉第效应
1、调节激光器调节架的垂直、左右及俯仰微调，使激光器发出的 准值光完全通过电磁铁中心的小孔； 2、调节刻度盘的高度，使激光器光斑正好打在光电转换盒的通光 孔上，此时旋动刻度盘上的旋钮，可以发现法拉第效应接收器读数 发生变化。 3、将玻璃样品安放在测试台的弹簧夹上，调节样品测试台，并旋 动测试台上的调节旋钮，使玻璃样品缓慢转动升起，此时光应完全 通过样品； 4、旋动刻度盘上的旋钮，使刻度盘内偏振片的检偏方向发生变化 ，并观察法拉第效应监视器，显示数值为最小。通过游标盘读取此 时的角度θ1； 5、给样品加上稳定磁场，此时可以看到法拉第效应接收器读数增 大，这完全是法拉第效应作用的结果。再次转动刻度盘，使法拉第 效应接收器读数最小，读取此时的角度θ2； 6、关闭激光器电源，旋下玻璃样品，移动样品测试台，使磁场测 量探头正好位于磁隙中心，读取此时的磁感应强度测量值B；用游 标卡尺测量样品长度（玻璃样品长度参考值8㎜），根据公式： θ=V〃B〃d,可以求出该样品的费尔德常数。
法拉第效应
法拉第效应法拉第效应[摘要]本实验通过励磁电流产生磁场并测量了励磁电流和磁感应强度的关系；利用磁光调制倍频法测量了ZK2、ZF7、MR3玻璃的B -θ关系并根据它们的关系计算费尔德常数；根据法拉第旋光效应和自然旋光的不同，通过设计让偏振光往返两次通过样品测量其旋光角，验证法拉第效应的“旋光非互易性”。
关键词：法拉第效应、费尔德常数、磁光调制倍频法、旋光非互易性一、引言1845年英国物理学家法拉第发现原本没有旋光性的铅玻璃在磁场中出现了旋光性，这种磁致旋光现象被称为法拉第效应。
法拉第效应只是磁光效应的一种，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。
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，可以用来研究激发能级的有关信息，可以用来测量电路中的电流和磁场。
另外，法拉第效应的非互易性使得它在激光技术、光纤通信技术中获得重要应用。
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1. 法拉第效应法拉第效应是指，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，其偏振面会偏振一个角度。
实验结果表明，光的偏振面旋转的角度F θ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：Bl V d F )(λθ= （1）上式中，比例系数)(λd V 为费尔德常数，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。
由于在法拉第效应中，偏振面的旋转方向只由磁场的方向决定，光线往返一周，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，当光正反两次通过自然旋光物质时，其旋光角会相互抵消，总旋光角为零。
2. 法拉第效应的原理将一束平行于磁场方向传播的平面偏振光E 看作是两束等幅的左旋L E 和右旋R E 圆偏振光的叠加。
实验四 磁光调制实验
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。
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。
磁光调制,直接调制
• 然后，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制。
•数字调制方法优点：
1、在信道上传输过程中引进的噪声和失真，可采用间 接中继器的方式去掉，故抗干扰能力强； 2、其次对数字光纤通信系统的线性要求不高，可充分 利用光源（LD）的发光功率； 3、这种调制方法与现有的数字化设备相兼容。 由于数字调制的这些突出优点，所以其有很好应用的前景。
• 当输入的电流大到使M沿z方向饱和时，则转换效率达到
最大。若器件的T=2.5μ m，蛇形线路中输入0.5A直流电
流，磁光互作用长度L=6mm，则可将输入的TM模 （λ =1.152μ m）52%的功率转换到TE模。磁光波导模式
转换调制器的输出耦合器是一个具有高双折射的金红石
棱镜。
• 使输出的TE和TM模分成20°11′张角的两条光束，输入
光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋 转，其旋转角度为θ的大小与沿光束方向的磁场强度H和 光在介质中传播的长度L成正比，即
VHL
旋光现象： 可解释为外加磁场使介质分子的磁矩定向排列，当一 束线偏振光通过介质时，分解为两个频率相同、初相位相 同的两个圆偏振光，其中一个圆偏振光的电矢量是顺时针 方向旋转，称为右旋圆偏光，而另一个圆偏振光是逆时针 方向旋转的，称为左旋圆偏光。 这两个圆偏振光无相互作用地以两种略有不同的速度 vR和vL传播，它们通过厚度为L的介质之后产生的相位延 迟。
5.1.3.2 磁光调制器
磁光调制是将电信号先转换成与之对应的交变磁场,由 磁光效应改变在介质中传输的光波的偏转态,从而达到改 变光强等参数的目的。
z
入射光 起偏器 YIG棒 调制信号 图5-14 磁光调制示意图 检偏器
Hdc
45 z
为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁 场Hdc，其强度足以使晶体饱和磁化。
81 法拉第磁光效应
§8.1 法拉第磁光效应法拉第磁光效应是一种通过外加电磁场方式产生旋光现象的实验现象，充分反应了光与物质之间的相互作用。
磁光效应在许多领域都有着广泛应用，如强磁场测量、磁光材料等。
【实验目的】了解法拉第磁光效应的基本规律；学习掌握使用光传感器及虚拟仪器软件测量Verdet 常数的方法。
【实验原理】观察法拉第效应的装置如下图所示，由起偏器P1产生线偏振光，光线穿过带孔的电磁铁，沿着（或逆着）磁场方向透过样品，当励磁线圈中没有电流（无磁场）时，使检偏器P2的偏振方向与P1正交，这时发生消光现象。
这表明，振动面在样品中没有旋转，通过励磁电流产生强磁场后，则发现必须将P2的振动方向转过角ϕ，才出现消光，这表明，振动面在样品中转过了ϕ，这就是磁致旋光或法拉第效应。
对于给定的物质，振动面的旋转与样品的长度l 、磁感应强度B 成正比。
V l B ⋅⋅=Δϕ其中比例系数V 叫做Verdet 常数。
由原子物理的有关知识，可得：2e dn V mc d l l= 其中：e,m 为电子电荷和质量，c 为光速，n 为光在透明介质中的折射率，它是波长λ的函数n(λ)，这个定义适合广泛的光谱范围。
对于重火石玻璃14231.810()dn m d l l-¥= 因此V 正比于1/λ2: 1421.8102e V mc l -¥=-◊ (3)荷质比e/m 可以根据纯光学测量和已知光速计算得到。
在一些物质中用这种方法得到的e/m 值和理论值符合得很好，说明在这些物质中，法拉第效应是由于电子得本征振动引起的。
在这个实验中，磁场的强度不足以使方程（1）和（2）发生数量级的变化。
所以我们只做以下的工作。
Δ和磁场B的关系。
a）验证ϕb)证明Verdet常数随波长增加而减少。
将细绳交叉着系在检偏片上，并将它们装在量角器上，这样就能精确的确定光转过的角度。
所有偏振片的设置多可以通过这种方法读出。
【实验仪器】100W 汞灯偏振片线圈高斯计单色滤光片光传感器虚拟仪器【实验内容】1 实验装置调整如下图，将绳系在检偏器上，参照检偏器的量角器使绳处于正确的位置和角度，最好用丝绳。
磁光调制实验
1．李鸿章1872年在上海创办轮船招商局，“前10年盈和，成
为长江上重要商局，招商局和英商太古、怡和三家呈鼎立
之势”。这说明该企业的创办
()
A．打破了外商对中国航运业的垄断
B．阻止了外国对中国的经济侵略
C．标志着中国近代化的起步
D．使李鸿章转变为民族资本家
解析：李鸿章是地主阶级的代表，并未转化为民族资本家； 洋务运动标志着中国近代化的开端，但不是具体以某个企业 的创办为标志；洋务运动中民用企业的创办在一定程度上抵 制了列强的经济侵略，但是并未能阻止其侵略。故B、C、D 三项表述都有错误。 答案：A
11
主控单元后面板 注意：“调制输出”输出的是交流信号 “励磁输出”输出的是直流流信号 两接口不要接反，否则会烧坏线圈
12
实验内容及测试方法
调出磁光调制倍频现象 测出直流磁光调制θ∽I曲线
方法一：消光法：直接消光法测量。 方法二：交流倍频法 采用在交流磁光调制下出现的标准倍频现象 做为基准，通过示波器波形间接测量消光位 置。
交流磁光调制0siniit??t?sin0bb?t???sin0???????????tiiii???????sin2cos122cos12cos00020????????6??为起偏器pp与检偏器aa主截面之间的夹角ii00为光强的幅值当线圈通以交流电信号设调制线圈产生的磁场为则介质相应地会产生旋转角设起偏器与检偏器的夹角为??初始入射光强为则从检偏器输出的光强为
消光法：起、检偏器透光轴垂直时，消光；加直流磁光调 制，光偏转一角度，则消光现象消失；再转动检偏器出现 消光，此时，检偏器转过的角度就是磁光调制使光偏振面 旋转的角度。
交流倍频法测直流磁光调制：以交流磁光调制出现的标准 倍频现象做为基准，检偏器只有在直流调制消光位置时， 才出现倍频信号（此倍频信号可以通过示波器观察，灵敏 度高于光强），由此可用示波器上出现的倍频信号来精确 确定直流调制消光位置。通过调节检偏器，重复出现的标 准倍频现象来判断磁致旋转角变化角度。
第三章磁功能玻璃31磁光玻璃PPT课件
根据偏振面的旋转角度，可以测定磁场 强度；反之，根据高压线周围产生的磁 场，也可以测定高压电流的大小。
3.2 计算机磁盘玻璃
硬盘是硬磁盘驱动器的简称，是目前计算 机中不可缺少的外存储设备之一，由于其盘片 与通常的聚脂薄膜类软盘相比，是刚性盘片、 且与驱动机构等封装在一起而得名。其主要构 件有：
Y2O3－B2O3－ TeO2系统玻璃具有很 高的透明性和很高的V值（5461Ả处 的V值可达0.50-0.10分/Oe·cm）
硫、硒、砷等非氧化物玻璃也是 较有前途的逆磁性旋光玻璃，但只 能用于红外光谱区域（如As2O3、AsSe）。
3.1.4 法拉第旋转玻璃的应用
1．调制激光 光调制器、光隔离器、光开关
b. 具有较大的弹性模量
盘片以较高的转速旋转有利于硬盘快速读写数据， 但随转速的提高，硬盘内空气湍流对盘片的作用会急 剧增大，盘片在此作用下会产生不规则振动，对盘片 会造成极大伤害；并且振动的振幅随主轴转速增大而 增大，达到一定程度时，盘片会扭曲变形，使整个硬 盘损坏。目前普通硬盘的转速为5400转/分钟，部分高 档硬盘转速已达7200转/分钟，IBM和日本日立公司等 都发布了12000转/分钟的硬盘，正在向14000转/分钟 发展，那时盘片受到的作用力更大。
节]/in2提高到20 Gb/in2）。
在降低飞行高度的同时必须考虑到盘 片与磁头间的静摩擦/摩擦。磁头与盘片 间的空气层越薄，就越难以阻止磁头与 盘片间的过多接触与作用，解决的办法 就是使盘片表面非常光滑平整，而盘片 上的各薄膜层的平整性是由基板表面特 性所决定的，欲得到较低的飞行高度， 基板材料必须具有非常光滑平整的表面。
平行于磁场方向入射的直线偏振光， 在通过磁场中的透明物质时偏振面产生 旋转的现象，因最早由发现而得名。