晶体磁光效应

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：
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晶体磁光效应
【实验目的】
1. 理解磁光效应的物理意义；
2. 掌握法拉第旋转角的测量方法；
3. 计算物样品的费尔德常数。

【实验原理】
1、法拉第效应实验规律
当磁场不是非常强时，法拉第效应中偏振面转过的角度θ，与沿介质厚度方向所加磁场的磁感 应强度B 及介质厚度L 成正比，即：
VBL θ= （1—1） 式中比例常数V 叫做费尔德常数，由物质和工作波长决定，它表征物质的磁光特件，随波长λ的 增加而减小。

实验表明，法拉第旋光方向仅由磁场方向决定，而与光的传播方向无关。

2、法拉第效应的旋光角
一束线偏振光可以视为两个频率相等，振幅相等的左旋和右旋圆偏振光的叠加，它们在加有磁 场的介质中传播的速度不同，也就是两偏振光在介质中的折射率不同，在介质中通过相同的距离， 产生的相位延迟不同。

设线偏振光的电矢量为R L E E E =+。

角频率为ω，真空中的波长为λ。

L E 的传播速度为L v ，折射率为L n 。

R E 的传播速度为R v ，折射率为R n 。

正入射到磁场中的介质时， 两光振动的相位差为零。

通过长度D 的介质后，出射的线偏振光相对于入射介质前的线偏振光振动 方向转过的角度F α即为法拉第效应的旋转角：
[][]D n -n -21R L R L F λ
π
ϕϕα== （1—2） 3、法拉第旋转角的计算
在磁场作用下，具有能量为()ω的左旋光子所遇到的轨道电子能级机构等于不加磁场时能量为(
)L V ω∆-的左旋光子所遇到的轨道电子能级结构（其中L eB
V 2m
∆=
），因此有 ()()L L n n V ωω∆=- （1—3）
d d ()()()()d d L
L L V V n eB n
n n n 2m ∆∆ωωωωωω
=-
≈-
=- （1—4）
同理，右旋光量子，有：
()()R R n n V ωω∆=- （1—5）
d d ()()()()d d R
R R V V n eB n
n n n 2m ∆∆ωωωωωω
=-
≈-
=+ （1—6）
把式 (1—5)和式(1—6)代入式(1—3)得：
DB ）（V d dn
mc 2DBe d dn mc 2DBe λλ
λωωφ=== （1—7） 其中d ()d e n
V 2mc λλλ
=-
，称费尔德常数，它反映了介质材料的光学特性。

对于CGS 制，则有： d d 2
DBe n
2mc φλλ
= （1—8） d ()d 2e n
V 2mc λλλ
=- （1—9） （1—7）和（1—9）就是法拉第效应旋转角的计算公式。

它表明法拉第旋光角的大小和样品厚度成正比，和磁场强度成正比，并且和入射波光的波长及介质
d d n
λ
的色散有密切关系。

【实验装置】
半导体激光器，偏振片，光功率计，光学导轨，滑座，电磁铁，特斯拉计，样品。

实验装置图如下图图1所示。

图1 法拉第效应实验装置图
【实验内容】 1、仪器调整
1）调正激光器的位置，使得出射光线与电磁铁的通光孔在一条水平线上。

2）注意在电磁体中间样品的位置，通光孔径应与样品表面垂直。

3） 打开激光器光源及光功率计的电源，预热5分钟，使仪器工作状态处于稳定。

2、 实验步骤：测量法拉第效应偏振面旋转角θ与外加磁场电流I 的关系曲线。

1） 关闭实验室顶灯，打开试验台上小台灯，并注意使功率计处于位于台灯的背光处； 2） 调整靠近激光器的偏振片P 1的偏振方向，使透过样品的光功率最强；
3） 调整靠近功率计的偏振片P 2的偏振方向，使功率计的读数显示最小（可能小于零）； 4） 记录样品处（记住此位置，每次都在同一位置处测量B ）的磁感应强度，记为B 0； 5） 记录P 2指针的角度读数，记为φ01；
6）打开电磁铁电源，逐渐增加直流电流至0.3A ，测量样品的B 值，不再增加后，边观察光 功率计读数，边旋转偏振片P 2，调整旋转方向使得光功率计读数逐渐减为最小，记录P 2指针的角度 读数，记为φ0.31；
7） 1
01
3.0-ϕϕ即为0.3A 直流电流下第一次测量的角度读数（法拉第旋转角）；
8）缓慢降低直流电流至零，（注意：不能直接关闭电源）测量样品的B 值，待B 值不再改 变或者等于B 0后，边观察光功率计读数，边旋转偏振片P 2，使得光功率计读数逐渐减为最小，记 录P 2指针的角度读数，记为φ0.31’;
9）101
3.0-'
ϕϕ即为0.3A 直流电流下第一次测量的重复误差；
10）10
2
3.0'
=
ϕϕ 11）逐渐增加直流电流至0.3A ，测量样品的B 值，不再增加后，边观察光功率计读数，边旋 转偏振片P 2，使得光功率计读数逐渐减为最小，记录P 2指针的角度读数，记为φ0.32；
12）重复上述操作。

每增加0.1A 电流，重复测量三次，求平均值，减小误差。

电流范围0.3A~0.7A 。

【注意事项】
1、磁铁中间的样品位置必须保证其表面与入射光方向垂直，否则会严重影响测量结果。

2、施加或撤除磁化电流时，应先将电源输出电位器逆时针旋回到零，以防止接通或切断电源时磁体电流的突变。

3、为了保证能重复测得磁感应强度及与之相应的磁体激磁电流的数据，磁体电流应从零上升到正向最大值，否则要进行消磁。

4、测量过程中，不能直接关闭直流恒流电源，要逐渐减小电流直到为零。

5、光功率计未与其主机相连接之前切勿接通电源，以免激光直接入射造成器件损害。

6、测量样品处磁感应强度时，必须始终在同一位置。

【数据记录及处理】
1、 测量法拉第效应偏振面旋转角θ与外加磁场电流I 的关系曲线。

实验测量旋转角，外加电流以及磁场强度数据表格如下表表1：
表1旋转角θ与外加磁场电流I 的关系数据记录表
依据表1，可以作出旋转角θ与外加磁场电流I 的关系图，如下图图1所示。

2
3
4
θ (゜)
I (A)
图1 旋转角θ与外加磁场电流I 的关系曲线
由图像得出：旋转角θ与电流I 成线性关系，因为磁场强度B 和电流成线性关系，所以可以得到旋转角θ和磁感应强度B 也成线性关系，这与法拉第实验效应理论VBL θ=吻合。

误差分析：
1、偏振片旋转时读数存在一定误差。

2、电磁铁器件在低电流时发生不稳定现象。

2、计算物样品的费尔德常数
根据公式VBL θ=可以计算出在不同电流下的费尔德常数，如下表表3所示。

因为菲尔德常数在材料等确定时为一常数，表中第二组数据和其余组数据相差太大，可能是由操作错误造成的，故舍去不用。

由测量结果可以求出V 的平均值为：
V =
0.185+0.194+0.190+0.185
=1.885×104゜/(T −1×m −1)
误差分析：
1、 旋光角度θ的读数存在一定误差。

2、 磁感应强度B 的测量有一定误差，读数不稳定。

【思考题】
1、电磁铁的剩磁现象会对实验数据记录带来一定程度的影响，请问实验过程中用何方法能够消除
剩磁现象？
首先在给铁磁冲磁使用结束后应该缓慢将电流调小，使磁性渐渐消失。

如果仍有剩磁可以通过施加适当的反向磁场消除。

2、为什么实验中电流值及其测量范围小会影响实验结果？
电流值小首先会影响测量的广度，进而不能保证实验的准确性，其次电流值小时，旋转角与磁场的基数小，可能在一段变化中，仪器示数都不会有变化。

【实验总结】
光学实验中最重要的是调整仪器高度一致，保证光路畅通，实验中进行仪器调节时，要保证激光穿过介质中间的小孔而不受到阻挡，因此需要小心调节。

在测量旋转角度时，要正对检偏器的读数面，防止读数方面增大实验的误差。

进行实验时，考虑到剩磁的影响，改变电流时，不能直接关掉电源，而是慢慢减小电流，这时就出现了重复误差，但计算旋转角时，并没有怎么使用。