1、法拉第效应测冕玻璃的费尔德常数,本实验主要内容1.实验目的 2.背景介绍 3.法拉第效应实验原理 4.实验装置 5.实验过程 6.注意事项 7.数据处理 8.误差分析,1 掌握法拉第磁光效应理论； 2 熟练掌握光路的调节；,实验目的,二 背景介绍光和一切微观物质一样，具有波粒二象性，当一束光通向在磁场作用下的具有磁矩的物质，从介质反射或者透射后，光的相位、频率、光强、传输方向和偏振状态等传输特性发生变化，这种现象叫做磁光效应。早在1845年，法拉第首先发现了磁光效应，这就是当平面偏振光通过沿光传输方向磁化的介质时，偏振面产生旋转的现象，后来人们将这一现象称为法拉第磁光效应。1876年，克尔又提
2、出了另一种磁光效应克尔效应，即当平面偏振光从磁化介质的表面反射时，偏振面也发生旋转的现象。,1896年，塞曼发现，把光源置于磁场中，每条谱线分裂成几条谱线，这称为塞曼效应。这三种磁光效应中，研究最多和应用最广的是法拉第效应，而塞曼效应作为经典的近代物理实验，在物理教学中占有重要的地位。三. 法拉第效应实验原理实验现象：加布儒斯特窗的氦-氖激光器发出的线偏振光，纵向通过电磁铁中心的小孔，并穿过处于磁隙中样品（本实验仪中采用冕玻璃），进入配有光电转换的检偏装置，未加磁场时，可以通过偏振正交消光，此时光度计显示值最小，这可以用来观察光的偏振现象； 如,磁场后，可以明显的发现光的偏振方向发生改变，表现
3、为光度计显示值增大，通过再次消光，可以测出加磁场后偏振面转过的角度。并且可以观察到在磁场不同时，偏转角大小也不同，这即是本实验仪观察到的法拉第效应。与一般的旋光效应相比，法拉第磁致旋光的区别是偏振面的旋转方向与光的传播方向无关，而只与所加磁场的方向有关，这一点可以通过实验仪明显验证。1. 唯象模型解释实验中，我们知道从氦-氖激光器出来的是线偏振光，根据琼斯矢量表示，任一线偏振光都可以用同样角速度,转动的一个左旋和一个右旋的圆偏振光叠加而得到，电子在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的电场作用下作左旋和右旋圆周运动，在法拉第效应实验中，电子运动平面与磁场垂直。电子在磁场中受到洛仑兹力，其方向向着电子轨道
4、中心或背着轨道中心，这视速度的方向而定。在洛仑兹力向着轨道中心的情况中，电子受到的向心力增加，电子旋转速率增大。在洛仑兹力背着轨道中心的情况中，电子旋转变慢。电子旋转快慢的变化影响了圆偏振光电场矢量旋转角速度 。当光从磁光介质（实验,中采用冕玻璃样品）出射时重新合成线偏振光。由于在媒质中左旋和右旋的速率不同，合成偏振光的振动面转过了一个角度。从图1中可以看出，电子旋转速率变化只决定于磁场方向与电子旋转方向，而与光的传播方向无关。,2. 经典理论解释 这里我们假设电子运动的速度比光速小的多，不必考虑相对论效应；还假设外磁场的变化频率比光的频率小的多，这样可以将 看作不随时间改变的常数；并且只考虑
5、光波的电场部分而忽略光波的磁场，因为在非相对论下电磁波的磁场对电荷的作用力远比电场的小。于是，电子在光波和外磁场作用下的运动方程为： （1）,式中e是电子电荷，m是电子质量， 是电子的位置坐标。在法拉第效应实验中，光波沿z轴传播，光波电场方向与z轴垂直，在这里所讨论的情况中，电子在x-y平面上运动， 式中 分别为x轴方向和y轴方向的单位矢量。（1）式可以分解为轴方向和轴方向的两个分量：,（4）,（5）,合并整理得到：,（2）,（3）,令 其中和分别对应于右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，而(x+iy)和(x-iy)相当于电子分别向右和向左旋转。方程式（4）和（5）分别对应于电子的右旋运动和左旋运动。
6、令 代入（4）和（5）两式，得到,这两个方程式分别是电子右旋和左旋的运动方程。设入射光在进入磁光材料前是线偏振光，在z=0，即材料端点的光振动： 进入磁光物质后分解成右旋圆偏振光和左旋圆偏振光：,进入磁光物质后分解成右旋圆偏振光和左旋圆偏振光： 式中kr和kl分别是左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在磁光介质中的波矢。 解方程式得到 （6） 与rr相当的感生电偶极矩为 （7）,N是单位体积中电偶极子数目。 令 （8） 它和频率的量纲相同，称为拉摩频率，事实上它是在轨道上做圆周（或椭圆）运动的电子在外磁场 的作用下的进动频率。拉摩频率比光的频率（约1014赫兹）小得多，例如在B=0.1特斯拉的磁场作用下
7、：,将（8）式代入（7）式，得到,（9）,由于,，我们有：,于是,代入（9）式,假设我们考虑的磁光材料是一种气体，可以得到折射率nr：,（10）,用同样的方法可以得到：,（11）,实际上所用的大多数磁光材料是固体，可以得到：,（12）,对于nl也有相类似的一个公式。不过无论气体还是稠密介质，在磁光效应的情况下总有两个不同的折射率nl和nr，它们分别对应于左旋和右旋圆偏振光。 线偏振光进入磁光介质后就分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，两者折射率略有不同，经过长度为d的媒质，两者位相差为：,（13）,当光从介质另一端出射时，振动面旋转角度为：,四 实验装置 （一）整机结构 如下图所示,1氦氖激光器
8、 2控制主机 3电磁铁 4偏振检测 5会聚透镜6干涉滤光片 7法布里珀罗标准具 8成像透镜 9读数显微镜10光功率计 选配件：CCD摄像器件、图像采集卡、塞曼效应实验分析软件、监视器。（二）主机主机正面板示意图如图8所示：,说明：A 励磁电源电压、电流显示转换开关；B 励磁电源电压或电流显示（电压单位：伏特，电流单位：安培）；C 励磁电源电流调节旋钮（顺时针增大）；D 磁感应强度显示调零旋钮；E 磁感应强度显示（单位：特斯拉）；F 电源开关（控制励磁电源和磁感应强度测量）；G 励磁电源正常工作指示灯；H 励磁电源电压调节旋钮（顺时针增大）；I 励磁电源非正常工作指示灯（指示励磁电源过热）；J
9、磁感应强度测量校正旋钮（出厂时已校正完成，勿轻易调节）；K 笔形汞灯电源开关。,五 实验过程（一） 实验前仪器连接及调整：1. 氦-氖激光器通过底部四个定位孔和调节架相配合，旋动调节架上的调节旋钮，可以使激光器的高度平稳调节；2. 电磁铁放在转台上，通过限位槽和基准线来定位，以致使电磁铁的转动中心正好和磁间隙中心重合；3. 导轨置于电磁铁横向放置时磁芯中心孔的延长线上，注意应离开转台一段距离，以使电磁铁转动时不碰到导轨，调节滑块后部制动旋钮，使滑动均匀、顺利，通过激光的准直性调节各光学元件，使之同轴，本实验,讲义推荐光学元件安置顺序：刻度盘聚光透镜 干涉滤光片法布里-珀罗标准具成像透镜读数显微
10、镜； 4. 按照面板提示连接好主机各线，光度计上通过一话筒线和刻度盘上的光电转换盒相连，接通电源，分别调节磁感应强度测量和光度计至零点，注意，调节时应使输入信号为零，即磁感应强度测量应使探头远离磁场，光度计应使光电转换盒通光量为零。,（二） 法拉第效应实验1 调节氦-氖激光器底部的调节架，使激光器发出的准直光完全通过电磁铁中心的小孔（完成法拉第效应实验，电磁铁纵向放置）；2 调节刻度盘的高度，使激光器光斑正好打在光电转换盒的通光孔上，此时旋动刻度盘上的旋钮，可以发现光度计读数发生变化；3调节样品测试台，并旋动测试台上的调节旋钮，使冕玻璃玻璃样品缓慢转动升起，此时光应完全通过样品；,4 旋动刻度
11、盘上的旋钮，使刻度盘内偏振片的检偏方向发生变化，因氦-氖激光器激光管内已经装有布儒斯特窗，故不加起偏器，氦-氖激光器出射的光已经是线偏振光，所以转动刻度盘，必定存在一个角度，使光度计示值最小（光度计可以调节量程，以使测量更加精确），即光强调到最小，即此时激光器发出的线偏振光的偏振方向与检偏方向垂直，通过游标盘读取此时的角度；（偏振片角度读数类似游标卡尺读数）,5开启励磁电源，给样品加上稳定磁场（要求磁场加到最大），此时可以看到光度计读数增大，这完全是法拉第效应作用的结果。再次转动刻度盘，使光度计读数最小，读取此时的角度值；6关闭氦-氖激光器电源，旋下玻璃样品，移动样品测试台，使磁场测量探头正好
12、位于磁隙中心，读取此时的磁感应强度测量值，用游标卡尺测量样品厚度（或者查找产品说明书中的样品厚度测量值），根据公式：，求出该样品的费尔德常数。,六 注意事项1. 法布里-珀罗标准具等光学元件应避免沾染灰尘、污垢和油脂，还应该避免在潮湿、过冷、过热和酸碱性蒸汽环境中存放和使用；2. 光学零件的表面上如有灰尘可以用橡皮吹气球吹去。如表面有污渍可以用脱脂、清洁棉花球蘸酒精、乙醚混合液轻轻擦拭；3. 电磁铁在完成实验后应及时切断电源，以避免长时间工作使线圈积聚热量过多而破坏稳定性；,4.汞灯放进磁隙中时，应该注意避免灯管接触磁头；5.测量中心磁场磁感应强度时，应注意探头在同一实验中不同次测量时放置于同
13、一位置，以使测量更加准确、稳定；6.笔型汞灯工作时会辐射出紫外线，所以操作实验时不宜长时间眼睛直视灯光；另外，应经常保持灯管发光区的清洁，发现有污渍应及时用酒精或丙酮擦洗干净；,7.汞灯工作时需要电压，所以在打开汞灯电源后，不应接触后面板汞灯接线柱，以免对人造成伤害；8.因为法拉第效应实验和塞曼效应要求尽量减小外界光的影响，所以实验时最好在暗室内完成，以使实验现象更加明显，实验数据更加准确；9.主机正面板上的励磁电源故障灯是指示电源过热工作，此时，由于内置传感器的作用，机箱内的风扇会自动启动，以加快空气流通，降低内部热量，此时最好关掉电源，过一段时间，再开启励磁电源；,10.在完成法拉第效应实验过程中，注意不可以将眼睛正对激光光源，以免对眼睛造成伤害；11.不要把CCD摄像机暴露在日光直射、雨天或者灰尘大的恶劣环境中；12.严禁用手直接清洁CCD感光器，必要时可以用软布浸上酒精擦洗；13使用CCD摄像机时，注意轻拿轻放，避免强烈震动或跌落。,七 数据处理,冕玻璃厚度d=5mm,八 误差分析,
