磁光克尔效应的副本
磁光克尔实验报告
深 圳 大 学 实 验 报 告课程名称： 近代物理实验实验名称： 磁光克尔实验学 院： 物理学院指导教师：报告人： 组号：学号 实验地点实验时间： 2015 年 11 月 3 日提交时间： 2015 年 11 月 10 日一、实验目的(1)了解表面磁光克尔效应的原理和实验方法；(2)掌握表面磁光克尔效应谱的测量和应用。
二、实验原理磁光效应有两种：法拉第效应和克尔效应，1845 年，Michael Faraday 首先发现介质的磁化状态会影响透射光的偏振状态，这就是法拉第效应。
1877 年，John Kerr 发现铁磁体对反射光的偏振状态也会产生影响，这就是克尔效应。
克尔效应在表面磁学中的应用，即为表面磁光克尔效应（surface magneto-optic Kerr effect）。
它是指铁磁性样品（如铁、钴、镍及其合金）的磁化状态对于从其表面反射的光的偏振状态的影响。
当入射光为线偏振光时，样品的磁性会引起反射光偏振面的旋转和椭偏率的变化。
表面磁光克尔效应作为一种探测薄膜磁性的技术始于1985 年。
图1 表面磁光克尔效应原理如图 1 所示，当一束线偏振光入射到样品表面上时，如果样品是各向异性的，那么反射光的偏振方向会发生偏转。
如果此时样品还处于铁磁状态，那么由于铁磁性，还会导致反射光的偏振面相对于入射光的偏振面额外再转过了一个小的角度，这个小角度称为克尔旋转角θk。
同时，一般而言，由于样品对p光和s 光的吸收率是不一样的，即使样品处于非磁状态，反射光的椭偏率也发生变化，而铁磁性会导致椭偏率有一个附加的变化，这个变化称为克尔椭偏率εk由于克尔旋转角θk和克尔椭偏率εk都是磁化。
强度M的函数。
通过探测θk或εk的变化可以推测出磁化强度M的变化。
按照磁场相对于入射面的配置状态不同，磁光克尔效应可以分为三种：极向克尔效应、纵向克尔效应和横向克尔效应。
图2 极向克尔效应1．极向克尔效应：如图2 所示，磁化方向垂至于样品表面并且平行于入射面。
磁光效应简介
法拉第反射是光在磁场中反射时，偏振面发生旋转的现象。这种现象是由于光 在磁场中反射时，磁场所引起的偏振面旋转角与光反射距离成正比。
磁光克尔效应
总结词
磁光克尔效应是磁光效应的一种 ，在光学测量和光学通信等领域 有重要应用。
详细描述
磁光克尔效应是指在外加磁场作 用下，某些非中心对称晶体或各 向异性媒质中，由于光偏振方向 改变而引起折射率变化的现象。
光学数据加密
利用磁光效应可以对数据进行加密和解密，提高数据的安全性。
光学检测领域的应用
光学传感
利用磁光效应可以设计出各种光学传感器，用于测量物理量的变化，如磁场、温度、压力等。
非线性光学效应
磁光效应可以增强非线性光学效应，如光学倍频、光学参量放大等，为光学检测提供了新的手段。
其他领域的应用
激光雷达
2. Phelan, T. W., & Ritz, T. (2007). Magneto-optic effects in semiconductor quantum dots. Journal of applied physics, 101(6), 063102.
3. Sivak, D. A., & Zhang, X. (2012). Magneto-optic effects in thin film garnets. Journal of magnetism and magnetic materials, 324(20), 3395-3400.
磁光效应的实验研究
近年来，实验研究主要集中在利用磁光效应进行 光学通信、光学传感、光学信息处理等领域。
3
磁光效应的理论模型
理论模型主要基于经典电磁理论和量子力学理论 进行描述。
磁光克尔效应 定义
磁光克尔效应定义磁光克尔效应是指在磁场作用下，光在介质中传播时，光的偏振方向会发生旋转的现象。
这一效应的发现和研究对于光学和磁学领域的发展具有重要的意义，并在实际应用中也有着广泛的应用。
磁光克尔效应最早是由法国物理学家克尔（Verdet）在19世纪发现和研究的。
当光线通过透明的磁性介质时，如玻璃、液体或气体等，若外加磁场沿着光的传播方向，就会引起光的偏振面旋转一个角度，这个角度与磁场的强度和介质的性质有关。
这种现象被称为磁光克尔效应。
磁光克尔效应的产生机制是基于光的电磁性质和磁性介质的相互作用。
当光通过磁性介质时，光的电场和磁场与介质中的电子和磁矩相互作用，从而导致光的偏振面的旋转。
这种旋转是由于光的电场和磁场引起介质中的电子和磁矩的运动，从而改变了光的传播方向。
磁光克尔效应的大小与磁场的强度和介质的性质有关。
一般来说，当磁场越强，克尔常数越大，光的偏振面的旋转角度也就越大。
而不同的介质对于磁光克尔效应的响应也是不同的，克尔常数可以用来描述介质的磁光性质。
光的波长也会对磁光克尔效应产生影响，不同波长的光在介质中所受到的磁光克尔效应也是不同的。
磁光克尔效应在实际应用中有着广泛的应用。
其中最常见的应用就是磁光器件，如光偏转器、光调制器和光开关等。
利用磁光克尔效应可以实现对光的调控和控制，使得光的传输和处理更加灵活和高效。
此外，磁光克尔效应还可以应用于磁光存储技术、光纤通信和激光器等领域。
磁光克尔效应是光学和磁学领域中一种重要的现象和效应。
它的发现和研究不仅对于科学研究具有重要的意义，而且在实际应用中也有着广泛的应用前景。
磁光克尔效应的研究和应用将有助于推动光学和磁学领域的发展，为我们的生活和科技进步带来更多的可能性。
磁光克尔效应及其测量
磁光克尔效应及其测量磁光克尔效应是一种物理现象，它可以使光通过磁场发生变化，从而有助于研究光的特性。
磁光克尔效应的发现起源于二十世纪初，当时，埃尔森弗朗西斯阿伯特克尔（Ernst Franz Abbe）发现当在放射光照射磁场时，克尔指数发生变化，这种现象被称作磁光克尔效应。
磁光克尔效应可以被用来研究和测量光的特性，它主要会影响光的双折射，衍射和色散。
克尔效应有多种类型，其中重要的一种是非线性克尔效应，即通过磁场改变光的双折射。
磁光克尔效应也可以用来测量激光的分布、光的偏振状态和其他特性。
磁光克尔效应的测量主要使用磁光克尔效应测量仪，它可以测量光的显微结构和发送的量子数。
它们可以用来测量光的偏振状态、衍射图像、光的色散等，以及纳米结构的形状和光源。
测量仪也可以用来研究激光脉冲的信号。
在实验室中，磁光克尔效应测量仪可以用来研究光的特性，并发现新的效应。
磁光克尔效应测量仪是一个可以用来探索物理现象的重要工具。
它们可以用来探究激光脉冲的行为、激光腔的性质，以及光的色散和偏振性质。
另外，磁光克尔效应测量仪还可以用来研究复合材料的结构，以及支持纳米尺度结构的力学特性。
在研究光的性质时，磁光克尔效应的测量是一项重要的任务，它可以为研究者提供重要的信息和见解，帮助他们更好地理解光的特性。
磁光克尔效应测量仪也被用于科学和工程领域，为科研和应用提供了重要的研究数据和技术支持。
总之，磁光克尔效应是一种非常重要的物理现象，它可以用来研究光的物理性质和量子特性。
磁光克尔效应测量仪可以用来测量和研究光的衍射图像、偏振状态和其他特性，也可以用于研究复合材料和纳米结构的形状和光源。
另外，研究者还可以使用磁光克尔效应测量仪来探索激光脉冲的信号。
超快磁光克尔效应
超快磁光克尔效应
超快磁光克尔效应（Ultrafast Magneto-Optic Kerr Effect，简称UMOKE）是一种物理现象，涉及磁性材料和光的相互作用。
这种效应主要发生在已磁化的物质表面，当入射的线偏振光在这样的物质表面反射时，其振动面会发生旋转。
这种旋转是由于左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在磁性材料中的传播速度不同，以及它们吸收程度的不同，导致相位差和振幅差。
当这些光从材料表面反射后，原本的线偏振光会转变为椭圆偏振光，这种现象被称为磁光克尔效应。
磁光克尔效应的应用非常广泛，特别是在磁畴观察、磁光存储、薄膜磁性原位表征、自旋电子学、太阳磁场测量、原子操纵和冷却、光隔离等方面。
例如，在磁光存储技术中，磁光克尔效应被用来读取磁性材料的磁化状态。
此外，磁光克尔效应还被用于研究超薄磁性膜、磁化动态过程和自旋霍尔效应等领域。
磁科尔效应实验报告
一、实验目的1. 理解磁光科尔效应的基本原理。
2. 通过实验观察并测量磁光科尔效应的现象。
3. 探讨磁光科尔效应在不同条件下的变化规律。
二、实验原理磁光科尔效应，又称次电光效应（QEO），是指当一束光通过响应于电场的材料时，材料的折射率发生变化的现象。
这种现象与普克尔斯效应不同，其诱导折射率的变化与电场的平方成正比。
磁光科尔效应分为克尔电光效应（直流科尔效应）和光克尔效应（交流科尔效应）两种特殊情况。
三、实验器材1. 磁光克尔效应实验装置2. 可调直流电源3. 可调交流电源4. 光源5. 分束器6. 折射率测量仪7. 计时器8. 记录本四、实验步骤1. 将磁光克尔效应实验装置连接好，确保各部分连接牢固。
2. 打开光源，调整光源强度，使其稳定。
3. 将分束器置于光源和样品之间，调整分束器，使部分光束照射到样品上，另一部分光束作为参考光束。
4. 调整样品，使其位于光路中心。
5. 打开可调直流电源，调整电压，使样品受到直流电场作用。
观察折射率测量仪的示数，记录数据。
6. 关闭直流电源，打开可调交流电源，调整电压和频率，观察折射率测量仪的示数，记录数据。
7. 重复步骤5和6，分别记录不同电压、频率下的折射率变化数据。
8. 分析实验数据，探讨磁光克尔效应的变化规律。
五、实验结果与分析1. 直流电场下，样品的折射率随电压平方增大而增大，符合磁光克尔效应的特点。
2. 交流电场下，样品的折射率随电压平方增大而增大，但随频率变化而变化。
当频率较高时，折射率变化较小；当频率较低时，折射率变化较大。
3. 通过实验数据分析，得出磁光克尔效应的变化规律如下：- 直流电场下，折射率变化与电压平方成正比。
- 交流电场下，折射率变化与电压平方成正比，但随频率变化而变化。
六、实验结论1. 磁光克尔效应实验成功观察到磁光克尔效应现象。
2. 实验结果表明，磁光克尔效应与电压平方成正比，且随频率变化而变化。
3. 该实验验证了磁光克尔效应的基本原理，为磁光克尔效应在光学信息处理、光通信等领域的研究提供了实验依据。
磁光克尔效应数据处理
五、数据记录与数据处理
1、正磁光克尔效应
（1）数据记录：
（2）数据分析：
检偏片与消光位置偏离一小角度时，由上图的左图可得，当加上磁场时，光强增大，所以是正磁光克尔效应。
光强增大到一个恒定值，撤去磁场后，光强仍然不变，由于在一阶近似下光强的变化和磁化强度呈线性关系，可判断这时样品被磁化；直到加一个同样大小的反向磁场后，光强减小为初始大小，这时样品被消磁。
根据在一阶近似下光强的变化和磁化强度呈线性关系，电脑根据测得的光强大小得出样品磁化强度，自动绘出了样品的磁滞回线如右图。
2、负磁光克尔效应
（1）数据记录：
（2）数据分析：
检偏片与消光位置偏离的偏离角度与正磁光克尔效应实验相反时，由上图的左图可得，当加上磁场时，光强减小，所以是负磁光克尔效应。
光强减小到一个恒定值，撤去磁场后，光强仍然不变，这时样品被磁化；直到加一个同样大小的反向磁场后，光强增大小为初始大小，这时样品被消磁。
根据在一阶近似下光强的变化和磁化强度呈线性关系，电脑根据测得的光强大小得出样品磁化强度，自动绘出了样品的磁滞回线如右图。
这时电脑所绘的磁滞回线与正磁光克尔效应不同，因为这时的光强是先减小后增大，而正磁光克尔效应时是先增大后减小。
不过无论是正磁光克尔效应还是负磁光克尔效应，样品的实际磁滞回线应当是相同的，因为两种情况下所加的外磁场是完全相同的。
磁光克尔 实验报告
磁光克尔实验报告引言磁光效应是指光波在磁场中传播时发生的旋光现象。
克尔效应是磁光效应的一种特殊现象，指的是在磁场中垂直于磁场方向的光波传播时，会发生旋光现象。
磁光克尔实验是用来研究磁光效应的一种常用实验方法，本实验旨在通过观察和测量克尔角来研究磁光克尔效应，并验证克尔关系式。
实验装置与原理实验装置主要由磁铁、起偏器、检偏器、光源、光阑、样品、读数器等组成。
光源经过起偏器后，成为偏振光，通过光阑后遇到样品，样品中的光将发生旋光，然后再通过检偏器，最后进入读数器进行测量。
克尔角是克尔效应的一个重要参数，定义为磁场方向与光轴方向（矩形截面晶体的主平面内）法线的夹角。
克尔角的大小直接与样品的性质及磁场的强弱有关。
实验步骤1. 将实验装置按照要求搭建好，调整起偏器和检偏器的角度，使其相互垂直。
2. 使用光源照射样品，调整磁铁的电流大小，观察检偏器的显示值，并记录下来。
3. 改变磁场的方向，逐渐增加电流大小，记录下检偏器的显示值。
4. 根据记录的数据绘制出克尔角随磁场强度的变化曲线。
数据处理与分析根据实验记录的数据，我们可以得到克尔角随磁场强度的变化曲线。
根据克尔关系式可以得到：K = V / (L * B)其中，K为克尔角，V为检偏器的显示值，L为样品的长度，B为磁场的强度。
通过绘制曲线，我们可以观察到克尔角随磁场强度的变化趋势。
一般来说，随着磁场强度的增加，克尔角会呈现出先增大后减小的趋势。
这是因为在磁场较弱时，磁光效应相对较小，克尔角较小；随着磁场强度的增加，磁光效应逐渐强化，克尔角也逐渐增大；当磁场达到一定强度后，由于样品本身的特性限制，克尔角开始减小。
结论通过本次实验，我们成功研究了磁光克尔效应，并验证了克尔关系式。
我们观察到克尔角随磁场强度的变化曲线，并根据该曲线得出了克尔角随磁场强度变化的一般规律。
此外，我们还了解到了磁光克尔效应在光学、材料学等领域的重要应用。
总的来说，本实验对我们深入理解磁光效应以及克尔效应的产生机制起到了重要的作用，为进一步研究相关领域的理论和应用提供了实验基础。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
IV. 结论
本实验通过测量一个磁性薄膜的克尔磁滞回线, 对磁光效应的物理效应的物理起 源、唯象理论和微观机制作了更好的解释. 本实验的特色在于运用光弹调制器将与克 尔转角, 克尔椭偏率有关的信号蕴含在参考信号的零阶, 一阶与二阶谐波分量中. 再经 整定器放大后用锁相放大器识别出来, 完成对弱信号的放大.
为验证猜测, 将起偏器转两度, 再次测量克尔转角与磁感应强度的关系. 测得 的磁滞回线如图 3所示. 经比较, 与原猜测符合.
至于克尔椭偏率, 其与磁感应强度的关系, 并不如克尔转角明显. 其主要原因是偏 振的激光经过光弹调制器时, 发生干涉，其一次谐波分量产生变化, 进而改变了克尔 椭偏率. 在光弹调制器的使用说明中写着:” 激光器的极窄的光谱带宽可能导致调制干 扰效应的问题. 这些效应在调制器实验中精确地感兴趣的频率产生杂散信号, 因此是
图 1: 实验光路示意图
示, 应用光弹调制器后, 经过整定器放大后的参考信号的二倍频与直流分量决定克尔 转角, 参考信号的一倍频和直流分量决定克尔椭率. 实验运用了椭偏和锁相放大器巧 妙地完成了对弱信号克尔转角的测量.
3. 克尔转角的标定
由于整定器分别对信号的直流和交流分量进行了放大, 所以锁相放大器测得的信
2. 如果用一个以角速度 ω 旋转的 λ/2 波片代替光弹调制器, 光电探测器的输出信号会 如何变化, 是否也能测出复克尔转角?
二分之一波片就是
o
光和
e
光正入射后相位差
(2n +
1)π,
那么
δ
=
(2n+1)π ,
cos(ωt)
同时
由于斜入射时, 会有较强的反射现象, 那么输出信号的强度将会周期性变化, 由于现在
V. 致谢
感谢 × × × 老师、实验室技术人员、同组人和对实验和报告有帮助的其他人．
[1] 吴思成，荀坤 2015 近代物理实验（第四版）（北京：高等教育出版社）第 134-147 页.
附录 A: 思考题
1. 我们的实验装置对克尔转角和克尔椭偏率的测量精度是否一样高，为什么？
先不考虑光弹调制器对一次谐波分量的影响, （若考虑则克尔椭偏率误差很大） 那么根据公式（1）和（2）可知两者的区别在于一次谐波分量与二次谐波分量的精度, 由于仪器精度决定的绝对误差相同, 都为 0.1mV , 那么因为二次谐波分量较一次谐波 分量大很多, 所以二次谐波分量的相对误差较小. 即克尔转角的测量精度较高.
的公式傅立叶展开后有较复杂的形式, （有一些奇点）所以应该不能简单的用一阶分
量等求出复克尔转角.
磁光克尔效应
×××
×× 大学物理学院 学号：
‘∗
(日期：2017 年 10 月 27 日)
摘要
该实验运用了光弹调制器和锁相放大器对弱信号克尔转角进行了放大, 来测量一 个磁性薄的磁滞回线，对磁光效应的物理效应的物理起源、唯象理论和微观机制作了 更好的理解.
关键词：磁光效应, 克尔转角, 磁滞回线
∗ × × × × ×@ (86)× × × × ~~~~
II. 实验
A. 实验原理
1. 光弹调制器和琼斯矩阵
设 δ 为经过光弹调制器后 y 方向电场分量相对于 x 方向电场分量的相位延迟量,
取 δ0 = δJ0 = 2.405, 为零阶贝塞尔函数的零点, 并测出光强的直流分量 V0, 一次谐波 分量 Vω 和二次谐波分量 V2ω, 即可求出;
√
θk
=
2V2ω 4V0J2 (δJ0 )
号各次谐波分量和直流分量幅度比与光电探测器输出的不一致, （1）式和（2）式将
变为:
θk
=
B V2ω 4V0J2 (δJ0 )
(3)
εk
=
−B Vω 4V0J1 (δJ0 )
(4)
可以考虑将入射光的偏振方向旋转小角度，克尔转角也会旋转小角度来标定 B。
图 2: 克尔转角与磁感应强度的变化关系
III. 实验结果及分析讨论
图 3: 旋转起偏器后的磁滞回线
非常麻烦的. 它们可以容易地具有比被研究的信号更大的量值. 应当注意, 这些效果 对于任何其他光源, 甚至光谱光源（例如汞弧灯和气体放电管）也不重要. ”
B. 实验中各种可能因数对测量误差的影响
影响试验结果的因数有很多. 就样品和光路来说, 如样品表面是否真正与入射激 光垂直, 样品是否与磁感应强度方向垂直, 亥姆霍兹线圈内的磁场强度是否一致等。以 及起偏器, 检偏器, 光弹调制器是否与应成的角度相等; 就仪器精度来说, 锁相放大器 的测量精度和高斯计的测量精度都对误差有影响. 由于光弹调制器对一次谐波分量影 响很大, 暂不作考虑. 至于克尔转角, 回到图 2, 克尔转角大约为 0.3 度, 测量引起的误 差从 0.8 度对应的两段图线来看, 误差大致为 0.03 度, 即误差为 10%.
1
I. 引言
1845 年, 法拉第观察到平面偏振光穿过在光的传播方向加有磁场的玻璃时, 偏振 面会转过一个角度. 之后, 克尔发现平面偏振光从光洁磁极表面反射时, 偏振面会发生 微小偏转., 它们和后来发现的若干效应一起, 统称为磁光效应. 借助磁光效应可以用 光学方法探测物质的磁化状态. 或者在已知试样磁性质的情况下, 测量其所在处的磁 场; 还可以通过外磁场来改变物质对光场的响应行为以达到某种应用目的. 所以, 磁 光效应在磁畴观察、磁光存储、薄膜磁性原位表征、自旋电子学、太阳磁场测量、原 子操作和冷却、光隔离等方面都有重要作用. 本实验通过测量一个磁性薄膜的克尔磁 滞回线, 对磁光效应的物理效应的物理起源、唯象理论和微观机制作了更好的解释.
A. 克尔磁 来测定磁滞回线. 测得的磁滞回线如图 2所示. 算得矫顽力 Hc = B/µ0 = 1.4 × 105A/m, 克尔转角为 0.3 度.
从图中可以看出当外磁场为零时, 仍有不为零的克尔转角. 猜测为通过起偏器入 射的偏振光其偏振方向并不严格沿 x 方向, 而是成 0.5 度的缘故.
(1)
√
εk
=
− 2Vω 4V0J1 (δJ0 )
(2)
2. 锁相放大器
锁相放大器起着抑制干扰和噪声的作用, 并从噪声和干扰中检测信号. 它利用和 被检测信号相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准, 只对被测信号本身和那些 与参考信号同频（或倍频）的分量有响应. 是弱信号检测的一种有效方法. 如图 1所