晶體磁光效應(yīng)

中國石油大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī):班級(jí)：姓名：同組者：教師:晶體磁光效應(yīng)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹坷斫獯殴庑?yīng)的物理意義；掌握法拉第旋轉(zhuǎn)角的測(cè)量方法；計(jì)算物樣品的費(fèi)爾德常數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)原理】1、 法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律當(dāng)磁場(chǎng)不是非常強(qiáng)時(shí)，法拉第效應(yīng)中偏振面轉(zhuǎn)過的角度。，與沿介質(zhì)厚度方向所加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B及介質(zhì)厚度L成正比，即：0=VBL （1—1）式中比例常數(shù)V叫做費(fèi)爾德常數(shù)，由物質(zhì)和工作波氏決定，它表征物質(zhì)的磁光特件，隨波氏人的增加而減小。實(shí)驗(yàn)表明，法拉第旋光方向僅由磁場(chǎng)方向決定，而與光的傳播方向無關(guān)。2、 法拉第效應(yīng)的旋光角一束線偏振光可以視為兩個(gè)頻率相等，振幅相等的左旋和右旋圓偏振光的疊加，它們?cè)诩佑写艌?chǎng)的介質(zhì)中傳播的速度不同，也就是兩偏振光在介質(zhì)中的折射率不同，在介質(zhì)中通過相同的距離，產(chǎn)生的相位延遲不同。設(shè)線偏振光的電矢量為E=Er+El。角頻率為①，真空中的波氏為力El的傳播速度為匕，折射率為幻。Er的傳播速度牛項(xiàng)射率為七。正入射到磁場(chǎng)中的介質(zhì)時(shí)，兩光振動(dòng)的相位差為零。通過長(zhǎng)度D的介質(zhì)后，出射的線偏振光相對(duì)于入射介質(zhì)前的線偏振光振動(dòng)方向轉(zhuǎn)過的角度a即為法拉第效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角:F=2=2?L-中.""I（1—2）3、法拉第旋轉(zhuǎn)角的計(jì)算在磁場(chǎng)作用下，具有能量為（力①）的左旋光子所遇到的軌道電子能級(jí)機(jī)構(gòu)等于不加磁場(chǎng)時(shí)能量eB

為（力w-曾）的左旋光子所遇到的軌道電子能級(jí)結(jié)構(gòu)（其中av=^mn），因此有把式（1—5）和式（1—6）代入式（1—3）得:n（w）=（n（w）=（w-L同理，右旋光量子，有：nL(力w)=n(h"「A匕)AV dnAV——l)wn(w) L=dw十n n/、eBdnn(w) 2mdwnR(力w)Mw-AVR)AV ,、 dnAV——r)wn(w) R=dwn n/、eBdnn(w)+ 2mdw（1—3）（1—4）（1—5）（1—6）,DBe dn DBe dn(1—7)8= ① =X=V(入)DB(1—7)2mc d① 2mc dXe人dn其中v（X）=^—X ，稱費(fèi)爾德常數(shù)，它反映了介質(zhì)材料的光學(xué)特性。對(duì)于CGS制，則有:2mcdX（1—8）±DBe、（1—8）8= X-2mc2dX（1—9）（1—7）和（1—9）就是法拉第效應(yīng)旋轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式。它表明法拉第旋光角的大小和樣品厚度成dn 一正比，和磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，并且和入射波光的波長(zhǎng)及介質(zhì)廣的色散有密切關(guān)系?！緦?shí)驗(yàn)裝置】半導(dǎo)體激光器，如下圖圖1所示?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】?jī)x器調(diào)整1、dX【實(shí)驗(yàn)裝置】半導(dǎo)體激光器，如下圖圖1所示?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】?jī)x器調(diào)整1、1)21)2)3)8） 緩慢降低直流電流至零，（注意：不能直接關(guān)閉電源）測(cè)量樣品的B值，待B值不再改變或者等于B0后，邊觀察光功率計(jì)讀數(shù)，邊旋轉(zhuǎn)偏振片P2,使得光功率計(jì)讀數(shù)逐漸減為最小，記錄？2指針的角度讀數(shù)，記為e031’；9） 中"-中1'I即為0.3A直流電流下第一次測(cè)量的重復(fù)誤差；10） 光3=甲0'11） 逐漸增加直流電流至0.3A，測(cè)量樣品的B值，不再增加后，邊觀察光功率計(jì)讀數(shù)，邊旋轉(zhuǎn)偏振片P2,使得光功率計(jì)讀數(shù)逐漸減為最小，記錄P2指針的角度讀數(shù)，記為e0.32；12） 重復(fù)上述操作。每增加0.1A電流，重復(fù)測(cè)量三次，求平均值，減小誤差。電流范圍0.3A?0.7A?！咀⒁馐马?xiàng)】1、 磁鐵中間的樣品位置必須保證其表面與入射光方向垂直，否則會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果。2、 施加或撤除磁化電流時(shí)，應(yīng)先將電源輸出電位器逆時(shí)針旋回到零，以防止接通或切斷電源時(shí)磁體電流的突變。3、 為了保證能重復(fù)測(cè)得磁感應(yīng)強(qiáng)度及與之相應(yīng)的磁體激磁電流的數(shù)據(jù)，磁體電流應(yīng)從零上升到正向最大值，否則要進(jìn)行消磁。4、 測(cè)量過程中，不能直接關(guān)閉直流恒流電源，要逐漸減小電流直到為零。5、 光功率計(jì)未與其主機(jī)相連接之前切勿接通電源，以免激光直接入射造成器件損害。6、 測(cè)量樣品處磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，必須始終在同一位置?！緮?shù)據(jù)記錄及處理】1、測(cè)量法拉第效應(yīng)偏振面旋轉(zhuǎn)角。與外加磁場(chǎng)電流I的關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角，外加電流以及磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)表格如下表表1：表1旋轉(zhuǎn)角e與外加磁場(chǎng)電流i的關(guān)系數(shù)據(jù)記錄表電流/A角度讀數(shù)/°重復(fù)誤差/°磁場(chǎng)強(qiáng)度/mT平均讀數(shù)/°平均誤差讀數(shù)/°平均磁場(chǎng)強(qiáng)度/mT0.3229.71.830.179.8722101.529.90.42.5311.52.67F011.4332112.5311.80.532.515.43F015.53315.333.515.80.63.53.518.23.50.1718.433.518.44318.60.74420.24F0.1721.6744.522.34422.5依據(jù)表1，可以作出旋轉(zhuǎn)角e與外加磁場(chǎng)電流i的關(guān)系圖，如下圖圖1所示。

I(A)圖1旋轉(zhuǎn)角。與外加磁場(chǎng)電流I的關(guān)系曲線由圖像得出：旋轉(zhuǎn)角e與電流i成線性關(guān)系，因?yàn)榇艌?chǎng)強(qiáng)度b和電流成線性關(guān)系，所以可以得到旋轉(zhuǎn)角e和磁感應(yīng)強(qiáng)度B也成線性關(guān)系，這與法拉第實(shí)驗(yàn)效應(yīng)理論。=VBL吻合。誤差分析：1、 偏振片旋轉(zhuǎn)時(shí)讀數(shù)存在一定誤差。2、 電磁鐵器件在低電流時(shí)發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。2、計(jì)算物樣品的費(fèi)爾德常數(shù)根據(jù)公式9=VBL可以計(jì)算出在不同電流下的費(fèi)爾德常數(shù)，如下表表3所示。表3費(fèi)爾德常數(shù)計(jì)算e/°L/cmB/mTVX105/。?T-1?m-11.8319.870.1852.67111.430.2343115.50.1943.5118.40.1904121.670.185因?yàn)榉茽柕鲁?shù)在材料等確定時(shí)為一常數(shù)，表中第二組數(shù)據(jù)和其余組數(shù)據(jù)相差太大，可能是由操作錯(cuò)誤造成的，故舍去不用。由測(cè)量結(jié)果可以求出V的平均值為：u0.18150.19+40.19+)0.185.V= 4 =1.88x5104/(T-1xm-1)誤差分析：1、 旋光角度e的讀數(shù)存在一定誤差。2、 磁感應(yīng)強(qiáng)度B的測(cè)量有一定誤差，讀數(shù)不穩(wěn)定?！舅伎碱}】1、 電磁鐵的剩磁現(xiàn)象會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄帶來一定程度的影響，請(qǐng)問實(shí)驗(yàn)過程中用何方法能夠消除剩磁現(xiàn)象？首先在給鐵磁沖磁使用結(jié)束后應(yīng)該緩慢將電流調(diào)小，使磁性漸漸消失。如果仍有剩磁可以通過施加適當(dāng)?shù)姆聪虼艌?chǎng)消除。2、 為什么實(shí)驗(yàn)中電流值及其測(cè)量范圍小會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果？電流值小首先會(huì)影響測(cè)量的廣度，進(jìn)而不能保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，其次電流值小時(shí)，旋轉(zhuǎn)角與磁場(chǎng)的基數(shù)小，可能在一段變化中，儀器示數(shù)都不會(huì)有變化?！緦?shí)驗(yàn)總結(jié)】光學(xué)實(shí)驗(yàn)中最重要的是調(diào)整儀器高度一致，保證光路暢通，實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行儀器調(diào)節(jié)時(shí)，要保證激光穿過介質(zhì)中間的小孔而不受到阻擋，因此需要小心調(diào)節(jié)。在測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度時(shí)，要正對(duì)檢偏器的讀數(shù)面，防止讀數(shù)方面增大實(shí)驗(yàn)的誤差。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，考慮到剩磁的影響，改變電流時(shí)，不能直接關(guān)掉電源，而是慢慢減小電流，這時(shí)就出現(xiàn)了重復(fù)誤差，但計(jì)算旋轉(zhuǎn)角時(shí)，并沒有怎么使用。調(diào)正激光器的位置，使得出射光線與電磁鐵的通光孔在一條水平線上。注意在電磁體中間樣品的位置，通光孔徑應(yīng)與樣品表面垂直。打開激光器光源及光功率計(jì)的電源，預(yù)熱5分鐘，使儀器工作狀態(tài)處于穩(wěn)定。2、實(shí)驗(yàn)步驟：測(cè)量法拉第效應(yīng)偏振面旋轉(zhuǎn)角。與外加磁場(chǎng)電流I的關(guān)系曲線。1） 關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室頂燈，打開試驗(yàn)臺(tái)上小臺(tái)燈，并注意使功率計(jì)處于位于臺(tái)燈的背光處；2） 調(diào)整靠近激光器的偏振片P1的偏振方向，使透過樣品的光功率最強(qiáng)；3） 調(diào)整靠近功率計(jì)的偏振片P2的偏振方向，使功率計(jì)的讀數(shù)顯示最?。赡苄∮诹悖?） 記錄樣品處（記住此位置，每次都在同一位置處測(cè)量B）的磁感應(yīng)強(qiáng)度，記為B0；5