1、1中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级： 姓名： 同组者： 教师： 晶体磁光效应【实验目的】1. 理解磁光效应的物理意义；2. 掌握法拉第旋转角的测量方法；3. 计算物样品的费尔德常数。【实验原理】1、法拉第效应实验规律当磁场不是非常强时，法拉第效应中偏振面转过的角度 ，与沿介质厚度方向所加磁场的磁感应强度 B 及介质厚度 L 成正比，即：（1VBL1）式中比例常数 V 叫做费尔德常数，由物质和工作波长决定，它表征物质的磁光特件，随波长 的增加而减小。实验表明，法拉第旋光方向仅由磁场方向决定，而与光的传播方向无关。2、法拉第效应的旋光角一束线偏振光可以视为两个频率相等，振幅相等
2、的左旋和右旋圆偏振光的叠加，它们在加有磁场的介质中传播的速度不同，也就是两偏振光在介质中的折射率不同，在介质中通过相同的距离，产生的相位延迟不同。设线偏振光的电矢量为 。角频率为 ，真空中的波长为 。RLELE的传播速度为 ，折射率为 。 的传播速度为 ，折射率为 。正入射到磁场中的介质时，LvLnRRvRn两光振动的相位差为零。通过长度 D 的介质后，出射的线偏振光相对于入射介质前的线偏振光振动方向转过的角度 即为法拉第效应的旋转角：F（1Dn-21RLRLF2）3、法拉第旋转角的计算在磁场作用下，具有能量为 的左旋光子所遇到的轨道电子能级机构等于不加磁场时能量()为 的左旋光子所遇到的轨道
3、电子能级结构（其中 ） ，因此有()LV LeBV2m2（1()LLnV3）（1dd()()LVneBnn 2m4）同理，右旋光量子，有：（1()RRnV5）（1dd()()RVneBnn 2m6）把式 (15) 和式(1 6)代入式(13)得：（1DB）（Vdnmc2DBednmc2DBe7）其中 ，称费尔德常数，它反映了介质材料的光学特性。对于 CGS 制，则有：d()enV2c（1d2Benc8）（1()d2Vm9）（17）和（19）就是法拉第效应旋转角的计算公式。它表明法拉第旋光角的大小和样品厚度成正比，和磁场强度成正比，并且和入射波光的波长及介质 的色散有密切关系。dn【实验装置】半
4、导体激光器，偏振片，光功率计，光学导轨，滑座，电磁铁，特斯拉计，样品。实验装置图如下图图 1 所示。图 1 法拉第效应实验装置图【实验内容】1、仪器调整31）调正激光器的位置，使得出射光线与电磁铁的通光孔在一条水平线上。2）注意在电磁体中间样品的位置，通光孔径应与样品表面垂直。3） 打开激光器光源及光功率计的电源，预热 5 分钟，使仪器工作状态处于稳定。2、 实验步骤：测量法拉第效应偏振面旋转角 与外加磁场电流 I 的关系曲线。1） 关闭实验室顶灯，打开试验台上小台灯，并注意使功率计处于位于台灯的背光处；2） 调整靠近激光器的偏振片 P1 的偏振方向，使透过样品的光功率最强；3） 调整靠近功率
5、计的偏振片 P2 的偏振方向，使功率计的读数显示最小（可能小于零）；4） 记录样品处（记住此位置，每次都在同一位置处测量 B）的磁感应强度，记为 B0；5） 记录 P2 指针的角度读数，记为 01；6）打开电磁铁电源，逐渐增加直流电流至 0.3A，测量样品的 B 值，不再增加后，边观察光功率计读数，边旋转偏振片 P2，调整旋转方向使得光功率计读数逐渐减为最小，记录 P2 指针的角度读数，记为 0.31；7） 即为 0.3A 直流电流下第一次测量的角度读数（法拉第旋转角）；013.-8）缓慢降低直流电流至零，（注意：不能直接关闭电源）测量样品的 B 值，待 B 值不再改变或者等于 B0 后，边观
6、察光功率计读数，边旋转偏振片 P2，使得光功率计读数逐渐减为最小，记录 P2 指针的角度读数，记为 0.31;9） 即为 0.3A 直流电流下第一次测量的重复误差；103.-10） 211）逐渐增加直流电流至 0.3A，测量样品的 B 值，不再增加后，边观察光功率计读数，边旋转偏振片 P2，使得光功率计读数逐渐减为最小，记录 P2 指针的角度读数，记为 0.32；12）重复上述操作。每增加 0.1A 电流，重复测量三次，求平均值，减小误差。电流范围0.3A0.7A。【注意事项】1、磁铁中间的样品位置必须保证其表面与入射光方向垂直，否则会严重影响测量结果。2、施加或撤除磁化电流时，应先将电源输出
7、电位器逆时针旋回到零，以防止接通或切断电源时磁体电流的突变。3、为了保证能重复测得磁感应强度及与之相应的磁体激磁电流的数据，磁体电流应从零上升到正向最大值，否则要进行消磁。4、测量过程中，不能直接关闭直流恒流电源，要逐渐减小电流直到为零。5、光功率计未与其主机相连接之前切勿接通电源，以免激光直接入射造成器件损害。6、测量样品处磁感应强度时，必须始终在同一位置。【数据记录及处理】1、 测量法拉第效应偏振面旋转角 与外加磁场电流 I 的关系曲线。实验测量旋转角，外加电流以及磁场强度数据表格如下表表 1：表 1 旋转角 与外加磁场电流 I 的关系数据记录表4电 流 /A 角 度 读 数 / 重 复
8、误 差 / 磁 场 强 度 /mT 平 均 读 数 / 平 均 误 差 读数 / 平 均 磁 场 强度 /mT2 2 9.72 2 101.5 2 9.92.5 3 11.53 2 112.5 3 11.83 2.5 15.43 3 15.33 3.5 15.83.5 3.5 18.23 3.5 18.44 3 18.64 4 20.24 4.5 22.34 4 22.50.7 4 0.17 21.670.5 3 0 15.50.6 3.5 0.17 18.40.3 1.83 0.17 9.870.4 2.67 0 11.43依据表 1，可以作出旋转角 与外加磁场电流 I 的关系图，如下图图
9、1 所示。0.2 0.4 0.6 0.8234 ()I (A)图 1 旋转角 与外加磁场电流 I 的关系曲线由图像得出：旋转角 与电流 I 成线性关系，因为磁场强度 B 和电流成线性关系，所以可以得到旋转角 和磁感应强度 B 也成线性关系，这与法拉第实验效应理论 吻合。VBL误差分析：51、偏振片旋转时读数存在一定误差。2、电磁铁器件在低电流时发生不稳定现象。2、计算物样品的费尔德常数根据公式 可以计算出在不同电流下的费尔德常数，如下表表 3 所示。VBL表 3 费尔德常数计算 / L/cm B/mT 15/0mTV1.83 1 9.87 0.185 2.67 1 11.43 0.234 3
10、1 15.5 0.194 3.5 1 18.4 0.190 4 1 21.67 0.185 因为菲尔德常数在材料等确定时为一常数，表中第二组数据和其余组数据相差太大，可能是由操作错误造成的，故舍去不用。由测量结果可以求出 V 的平均值为：V=0.85+.940185=.04/(T1m)误差分析：1、 旋光角度 的读数存在一定误差。2、 磁感应强度 B 的测量有一定误差，读数不稳定。【思考题】1、 电磁铁的剩磁现象会对实验数据记录带来一定程度的影响，请问实验过程中用何方法能够消除剩磁现象？首先在给铁磁冲磁使用结束后应该缓慢将电流调小，使磁性渐渐消失。如果仍有剩磁可以通过施加适当的反向磁场消除。2、 为什么实验中电流值及其测量范围小会影响实验结果？电流值小首先会影响测量的广度，进而不能保证实验的准确性，其次电流值小时，旋转角与磁场的基数小，可能在一段变化中，仪器示数都不会有变化。【实验总结】光学实验中最重要的是调整仪器高度一致，保证光路畅通，实验中进行仪器调节时，要保证激光穿过介质中间的小孔而不受到阻挡，因此需要小心调节。在测量旋转角度时，要正对检偏器的读数面，防止读数方面增大实验的误差。进行实验时，考虑到剩磁的影响，改变电流时，不能直接关掉电源，而是慢慢减小电流，这时就出现了重复误差，但计算旋转角时，并没有怎么使用。
