3磁光调制(法拉第效应)实验

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1、磁光调制（法拉第效应）实验一、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=VBL3．法拉第效应与自然旋光的区别4．了解磁光调制原理二、实验原理1．法拉第效应1845年，法拉第在探索电磁现象和光学现象之间的联系时发现，当平面偏振光穿透某种介质时，若在沿平行于光的传播方向施加一磁场，光波的偏振面会发生旋转，实验表明其旋转角θ正比于外加的磁场强度B，这种现象称为法拉第（Faraday）效应，也称磁致旋光效应或磁光效应。BEE’’‘光传播方向法拉第效应的定量描述是法拉第—费尔德定律θ=VBl（1）式中θ为旋

2、光角，B为磁场磁感强度，L为光波在介质中的路径，V为表征磁致旋光效应特征的比例系数，称为维尔德（Verdet）常数。由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍，而与光的传播方向无关，利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、光偏转等功能性磁光器件，其中磁光调制为其最典型的一种。图1磁光效应原理示意图[说明]：•一般物质的费尔德常数值都很小，比例常数V由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性。•几乎所有的物质（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，旋转方

3、向与产生磁场的螺线管中电流方向一致的，叫正（右）旋V＞0；反之叫负(左)旋V＜0。•费尔德常数随光的频率和温度而变。若干种物质的费尔德常数V的数值2．法拉第效应与自然旋光的区别法拉第效应的旋光现象与旋光性晶体或溶液的旋光现象有明显的区别。对于旋光性晶体或溶液，当平面偏振光通过介质后被反射回来沿相反方向再度通过该介质，其出射光的偏振面仍为入射介质前的偏振状态，旋光角相消为零。而法拉第效应是不可逆的光学过程，光线往返一周，出射光的偏振面旋转角度却增加一倍。3．在磁场作用下介质的旋光作用当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的表面时，偏振光的光强I可以分解

4、成如图2所示的左旋圆偏振光IL和右旋圆偏振光IR，对应的电矢量为EL和ER，两者旋转方向相反。在磁场作用下，处于磁场中的介质呈现各向异性，由于介质对两者具有不同的折射率nL和nR，EL的传播速度与ER不同，当它们穿过厚度为L的介质后会产生相位差，EL与ER旋转角度为θL与θR，合成电矢量则旋转一个角度θ。因（2）其中nR为在磁场作用下，右旋圆偏振光通过介质的折射率，nL为左旋圆偏振光通过介质的折射率，c为真空中的光速。如折射率差正比于磁场强度B，即可得（1）式，并由值与测得的B与L求出维尔德常数V。4．旋光效应的微观机制与旋光角的理论计算由量子理

5、论知道，介质中原子的轨道电子具有磁偶极矩其中e为电子电荷，m为电子质量，L为电子的轨道角动量在磁场作用下，一个电子磁矩具有势能V：在磁场B作用下，当平面偏振光通过介质时，光子与轨道电子发生交互作用，使轨道电子发生能级跃迁。跃迁时轨道电子吸收角动量跃迁后轨道电子动能不变，而势能则增加了ΔV：当左旋光子参与交互作用时当右旋光子参与交互作用时我们知道，介质对光的折射率n是光子能量（ћω）的函数，其函数形式取决于介质的轨道电子能级结构，可以认为，在磁场作用下，具有能量ћω的左旋光子所遇到的轨道电子能级结构等价于不加磁场时能量为（ћω-ΔVL）的左旋光子所

6、遇到的轨道电子能级结构。因此有：同理对右旋光子由此可得到法拉第—费尔德定律和费尔德系数如下。（3）5．磁光调制通常把光的频率、相位、振幅三个参量中的一个随外加信号而变化称为磁光调制。磁光调制分为直流磁光调制和交流磁光调制。若磁光效应中的磁化线圈为多层密绕螺线管，其轴线上的磁感应强度B与线圈中的电流强度I有正比关系：B=KI，K为比例常数。于是此式说明光偏振面的旋转和调制电流I有线性关系。按照马吕定律，如不计衰减，通过线偏振器，经检偏器出射的光强为式中I(0)是检偏器与线起偏器的透光偏振方向间的夹角Φ=0时的出射光强。如果在它们之间插入一磁光介质样

7、品，则光通过样品时发生偏振面旋转。若旋光角为θ，输出光强则此式表明，控制样品的磁化电流，可控制输出光强。这样利用法拉第效应就实现了光强的调制。为了提高磁光调制器的灵敏度和线性度，必须恰当地选择系统的工作状态。由式得当时，由偏振面旋转所引起的输出光强的变化最大，这时当θ很小时，则有这时光强随调制电流作线性变化。因此，为减少调制失真，起偏器和检偏器中两光偏振方向的初始夹角必须取一、实验仪器电源控制箱面板1激光器2起偏器3反射镜5螺线管8反射镜10检偏器17光电探测一、实验内容1．测量磁制旋光角，验证法拉第-费尔德定律θ=VBL：1)装置如图，暂时不加

8、反射镜3和8，先在螺线管中插入一根玻璃棒样品，接通激光器开关，调整光路。调整激光器垂直高度13，径向调节15，螺线管水平调节7、径向调节