磁光調(diào)制實驗

磁光調(diào)制實驗實驗目的了解磁光效應的原理，掌握光線偏振面旋轉(zhuǎn)角度的測量方法。通過試驗，驗證費爾德常數(shù)公式，并計算荷質(zhì)比。實驗原理1845年，英國科學家法拉第(Faraday)在探索電磁現(xiàn)象和光學現(xiàn)象之間的聯(lián)系時，發(fā)現(xiàn)平面偏振光沿著磁場方向通過磁場中的透明介質(zhì)時，光的偏振面發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的角度正比于磁感應強度及光波通過介質(zhì)的路程。這種現(xiàn)象叫做磁致旋光效應或法拉第效應。在磁場作用下介質(zhì)的旋光作用在磁場作用下，處于磁場中的介質(zhì)呈現(xiàn)各向異性，其光軸方向為沿著磁場的方向。當束平面偏振光和沿著磁場方向通過磁場中介質(zhì)的時候，便會產(chǎn)生如圖1所示的情形：平面偏振光沿磁場B通過介質(zhì)平面偏振光沿磁場B通過介質(zhì)圖2在波振面內(nèi)平面偏振光電矢量的旋轉(zhuǎn)

設平面偏振光的電矢量為E，角頻率為o，研究問題時我們可以把E看成兩個圓偏振光成

分(左旋圓偏振光El和右旋圓偏振光Er)的矢量合成。在磁場8作用下通過介質(zhì)時，我

—* —? —? ?們可以認為Er傳播速度比el慢，那么通過介質(zhì)后er和el之間將產(chǎn)生相位差。，合成矢量E，則旋轉(zhuǎn)一個角度4:（1）這就是說，在磁場g作用下，一束平面偏振光沿著磁場方向通過介質(zhì)后，它的電矢量的振動方向旋轉(zhuǎn)了一個角度，也就是該平面偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)了一個角度。設介質(zhì)的厚度為D，El的傳播速度為匕，Er的傳播速度為%則有:DD、 3D, 、（2）（3）0=3（t-1）=3（丁- ）=w（2）（3）RLVVCRL入3D， 、卜2C（，一"l）（2），（3）中nR為在磁場B作用下，右旋圓偏振光通過介質(zhì)的折射率，匕為左旋圓偏振光通過介質(zhì)的折射率，C為真空的光速。法拉第旋光角度的計算由量子理論知道，介質(zhì)中原子的軌道電子具有磁偶極矩R:R=——L （4）2m―lr其中e為電子電荷，m為電子質(zhì)量，L為電子的軌道角動量。 9-在磁場B作用下，一個電子磁矩具有勢能V：--e-一eBV=—r?B=2L-B=2L軸 （5）其中L軸為電子軌道角動量的軸向分量。 F在磁場B作用下，當平面偏振光通過介質(zhì)時，光子與軌道電子發(fā)生交互作用，使軌道電子發(fā)生能級躍遷。躍遷時軌道電子吸收角動量AL=AL軸=±力，躍遷后軌道電子動能不變，而勢能則增加了AV:TOC\o"1-5"\h\zAV=竺AL=±也方 （6）2m軸 2m當左旋光子參與交互作用時：AV=竺方 （7）2m

而右旋光子參與交互作用時：TOC\o"1-5"\h\zAV=一竺■方 （8）2m我們知道，介質(zhì)對光的折射率是光子能量（方①）的函數(shù)：\o"CurrentDocument"n=n（尬） （9）其函數(shù)形式取決于介質(zhì)的軌道電子能級結構?？梢哉J為，在磁場作用下，具有能量為（方①）的左旋光子所遇到的軌道電子能級結構，等價于不加磁場時能量為伽-*）的左旋光子所遇到的軌道電子能級結構。因此有:nL（方①）=n（方①—A匕）或n（方o）=n（o一 AVl ）澆n（o）- dn-AVl =n（o）-eB -dn （10）L 方 do方 2m do同理：nR（方o）=n（方o-AVR）或n（方o）=n（o_AV^）牝n（o）一蟲?AV^=n（o）+魚.也 （11）R 方 do 方 2mdo將（10）和（11）式代入（3）式得到：（12）（13）（14）（15）TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"eBDdn9 ① -（12）（13）（14）（15）2mC do2兀C因為①二〒，代入（12）式得:人,eBD人dn2mC d人Vn）=-盤*%V（A）稱費爾德常數(shù)，它反映了介質(zhì)材料的一種特性。公式（13）和（15）式適用于MKS制，B的單位為韋伯/米2，1韋伯/米2=10000高斯。對于CGS制，則有:（16）,=_eBD人dn（16）-2mC2 d

(17)公式（1）和（16）就是法拉第效應旋光角的計算公式。它表示法拉第旋光角的大小和介質(zhì)dn一厚度成正比，和磁場強度成正比，并且和入射光波長及介質(zhì)的色散M有密切關系。d人實驗儀器WFC型法拉第效應測試儀。圖3為儀器的示意圖，該儀器由光源、磁場、樣品和旋光1、光源系統(tǒng)光源產(chǎn)生復合白光，通過單色儀可獲得波長360nm-800nm的單色光。單色光經(jīng)過偏振片變成平面偏振光。其中波長與鼓輪讀數(shù)關系如表1所示。表1可見波長部分實測數(shù)據(jù)表波長（以m）鼓輪讀數(shù)（棱鏡30°）0.43412.7500.43582.7850.48613.7850.54614.5860.57704.8920.57904.9100.58764.9820.58935.0000.65635.4780.66785.5492、 磁場和樣品介質(zhì)直流電磁鐵采用DT4電工純鐵做成磁路，磁極柱直徑①40mm，磁路中有④6mm通光空。因此，能保證入射光的光軸方向與磁場B的方向一致。磁極間隙為11mm，激磁電流4A時，磁場強度可達8200高斯，圖4為激磁電流與磁場強度的關系曲線，其中B的單位為1韋伯?米2=10000高斯。樣品介質(zhì)ZF6為重火石玻璃呈三棱鏡（8=60°）的形狀，樣品固定在電磁鐵兩級之間的夾具上。3、 旋光角的檢測系統(tǒng)該系統(tǒng)時用以測出旋光角。光電倍增KGDB404）用來接收旋光信號，反映到數(shù)顯表上，則是監(jiān)測透光最大和最小，而旋光角則由角度數(shù)顯表直接讀出，角度顯示值為99°59’，分辨率1’。54003000GS90008000700054003000GS9000800070006000500040003000200010009000/82007000圖4激磁電流與磁場強度的關系曲線實驗內(nèi)容將白熾燈電源線插入電源變壓器后，接通電源，開啟單色儀入射狹縫（注意開啟方向切勿關閉過零）。將電源、單色儀與電磁鐵配合后銜接起來（即把偏板片座套插入電磁鐵之圓凹槽里），從電磁鐵另一磁極圓孔中，用30X讀數(shù)顯微鏡觀察，調(diào)整單色儀與電磁鐵的配合，使光束（即狹縫像）位于圓孔中心，隨即將光電接收的連接罩插入到電磁鐵的圓凹槽中。實驗步驟如下：接通電源，預熱5分鐘，開始實驗：首先將檢偏器手柄（標記為紅點）與連接座的標記（為紅點）及電磁鐵一端的標記（為紅點），三點調(diào)成一直線。靈敏度旋鈕，順時針為增加，逆時針為減少，靈敏度的高低直接反映在數(shù)顯表的數(shù)字跳動的快慢。注意在同一波長情況下，一經(jīng)調(diào)定，在整個測量過程中即不應再動此旋鈕。把檢偏測角的手輪（以下簡稱手輪）順時針旋轉(zhuǎn)到頭，再逆時針旋轉(zhuǎn)兩周后，按一下清零按鈕，角度表示值為零，微動調(diào)零旋鈕，使數(shù)顯表的示值為零，既可以進行測量。在測量前，驗證一下角度表的零位正確與否，可通過加磁場來檢驗。把穩(wěn)流電源接電磁鐵，將電流值分別從1A、2A、…直到5A，觀察其數(shù)顯表的示值應成線性增加，這說明角度表的零位在此，微動調(diào)零手鈕使數(shù)顯表的示值為零。測量法拉第效應角a首先增加電流1A，電流逐漸增加，數(shù)顯表的示值也同步增加，觀察數(shù)顯表示值從0增加到兩位數(shù)左右。再旋轉(zhuǎn)手輪，使角度表的示值從0°增加到若干度數(shù)，使其數(shù)顯表的示值從兩位數(shù)逐漸變化到零。將1A的電流關閉，觀察其數(shù)顯表的示值從零增加到兩位數(shù)，這是角度表的示值為法拉第效應角a。旋轉(zhuǎn)手輪，觀察數(shù)顯表的示值為零時，則角度表的示值為重復性誤差。電流從1A、2A增至4A為止，在不同的磁場強度下測量三次，取其平均數(shù)，填入表2。注意：每次往返測量應在短時間內(nèi)完成，以免因電路零點漂移引起誤差。表2旋轉(zhuǎn)角a與外加磁場電流I的關系原始數(shù)據(jù)電流角度表讀數(shù)平均讀數(shù)1A2A3A4A測量條件為狹縫寬度1.500mm，鼓輪讀數(shù)5.000mm

鼓輪讀數(shù)對應波長法拉第效應角1A2A3A4A3.7850.48614.5860.54614.8920.57704.9100.57905.0000.58935.4780.65635.5490.66783.固定磁場強度B,測旋光角a和波長入的關系曲線，其方法步驟同上，將結果填入表3。表3旋轉(zhuǎn)角a和波長的關系原始數(shù)據(jù)檢驗試驗精度，計算電子荷質(zhì)比e/m。通過試驗所測各曲線的線性或近線性范圍內(nèi)，選擇a、8、入和dn/d入值（見表4,取三組數(shù)據(jù)），由公式導出：計算e/m值，與比較經(jīng)典e/m=1.7588X1011（庫侖/千克），求出本實驗的相對誤差，并分析誤差來源。（L=0.01m）表4入--dn/dA相對值對照表從埃）480050005200540056005800600062006400dn/d入1.611.441.221.040.90.7650.6730.6280.533（度/埃）X10-3X10-3X10-3X10-3X10-3X10-3X10-3X10-3X10-34.4.法拉第效應和晶體的旋光效應有何相同點和不同點?利用法拉第效應設計一個單向通光閥，畫出示意圖。注意事項關啟單色儀入射狹縫時，切勿過零。施加或撤除磁化電流時，首先將電源輸出電位器逆時針回到零，以防止接通或切斷電源時磁體電流的突變。測量過程中，不能直