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法拉第效应【摘要】在本实验中,我们利用磁光调制器和示波器,分别采用倍频法和消光法测量ZF6、样品在不同强度的磁场下的法拉第旋光角,并由此找出旋光角θ和磁场强度B的关系,进而计算出样品的费尔德常数。关键词 法拉第效应,法拉第旋光角,费尔德常数一、引言1845年英国物理学家法拉第发现原本没有旋光性德铅玻璃在磁场中出现了旋光性,这种磁致旋光现象即法拉第效应。随后费尔德的研究发现法拉第效应普遍存在于固体、液体、和气体中,只是大部分物质的法拉第效应很弱。法拉第效应的应用领域极其广泛,可用于物质结构的研究、光谱学和电工测量等领域。此外利用法拉第效应原理制成的各种可快速控制激光参数的元器件也已广泛地应用于激光雷达、激光测距、激光陀螺、光纤通信中。本实验的目的是:通过实验理解法拉第效应的本质,掌握测量旋光角的基本方法,并测量几种不同类型材料的旋光角,同时学会计算费尔德常数。二、实验原理1、法拉第效应所谓法拉第效应就是,当在光的传播方向加一个强磁场时,平面偏振光穿过处于该磁场中的样品后,其偏振面会偏转一个角度。实验结果表明,光的偏振面旋转的角度θF与其在介质中通过的距离l及磁感应强度在光传播方向上的分量B成正比,即θF=Vd(λ)Bl               (1)式中Vd(λ)是表征物质磁光特性的系数(取决于样品介质的材料特性和工作波长),称为费尔德常数。在不同的物质中,光的偏振面旋转的方向也可能不同。一般约定,旋转方向与产生磁场的螺线管中电流方向一致时,法拉第旋转是左旋的,而Vd(λ)>0;反之则Vd(λ)<0,法拉第旋转是右旋的。法拉第与自然旋光最大的不同在于:法拉第效应对于给定的物质,偏振面的旋转方向只由磁场的方向决定而与光的传播方向无关。即法拉第效应是不可逆的光学过程,光线往返一周,旋光角将倍增,这称为法拉第效应的“旋光非互易性”。2、法拉第效应的原理一束平面偏振光可以分解为两个不同频率等振幅的左旋和右旋圆偏振光。在没有外加磁场时,介质对它们具有相同的折射率和传播速度。在有外加磁场时由于磁场使得物质的光学性质发生改变,介质对它们的折射率和传播速度就不同了。这样,它们在介质中通过相同距离后,就具有了不同的相位移:(2)(3)其中,、分别为左旋、右旋圆偏振光的相位,、分别为其折射率,为真空中的波长。所以有(4)利用经典电动力学中的介质极化和色散的振子模型,可以得到(5)(6)其中N为单位体积的电子数,为电子的固有振动频率,是电子轨道磁矩在外磁场中的经典拉莫尔进动频率。m、e分别为电子质量和电子电荷。而无磁场时介质色散公式为(7)由于、、和相差很小,可以近似认为(8)将(5)-(8)式代入(4)式,再用到条件(略去项),整理可得(9)式中,c是光速。对(7)式微分,再代入(9)式,同时利用关系式,得(10)结合(1)式可得(11)可见,因为费尔德常数是波长的函数,所以,对于不同波长的入射光,物质对应的法拉第旋光角是不同的,这被称为旋光色散。3、测量法拉第旋光角的光调制法(1)磁光调制器倍频法在磁光调制器的检偏器前插入待测样品,经过调制的线偏振光通过样品,当样品被磁化时,偏振面由原来的方向旋转θF角,并在θF±θ′范围内摆动。若检偏器允许通过的光的偏振方向与θF的夹角为β,则光通过检偏器后的强度为I=I0cos2(β±θ′)             (12)展开