法拉第旋光效应实验报告
实验报告题目: 法拉第旋光效应 姓 名 翟浩淋 学 院 理学院 专 业 应用物理学 班 级 2013214103 学 号 2013212819 班内序号 06 2015年 10 月 4 日【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=VBL 。3.法拉第效应与自然旋光的区别 。4.了解磁光调制原理 。【实验仪器】LED发光二极管（或白光光源和滤光片），偏振片，透镜，直流励磁电源，导轨，偏振片，集成霍尔援建，5V稳压电源等。【实验原理】 介质因外加磁场而改变其光学性质的现象称之为磁光效应。其中，光通过处于磁场中的物质时偏振面发生旋转的效应较为重要，我们称这种偏振面的磁致旋转效应为法拉第效应。它与克尔效应一起揭示了光的电磁本质，是光的电磁理论的实验基础。法拉第在寻找磁与光现象的联系时首先发现了线偏振光在通过处于磁场当中的各向同性介质时其偏振面发生旋转的现象。在磁场不是非常强时，偏振面的旋转角度 与介质的长度及磁感应强度在光的传播方向上的分量B成正比 （1）比例系数V成为维尔德（Verdet）常数，它取决于光的波长和色散关系，一般物质的维尔德常数比较小，表1给出了几种材料的维尔德常数V。法拉第效应与自然旋光不同。在法拉第效应中对于给定的物质，光矢量的旋转方向只由磁场的方向决定，而与光的传播方向无关，即当光线经样品物质往返一周时，旋光角将倍增。线偏振光可看作两个相反偏振量+和 的圆偏振光的相干叠加，从原子物理知识可知，磁场将使原子中的振荡电荷产生旋进运动，旋进的频率等于拉莫尔频率，即 L =,这里e和m分别为振荡粒子的电荷和质量，B为磁场强度。线偏振光的+和 分量有不同的旋进频率，分别为 和，相应的折射率n+和n-，相速度v+和v- 都不同，而在光学行为中是等效的，偏振面旋转角由下述等式得到，旋转角由光通过的材料长度决定,即 （2）上式中，c为光速，为入射光的频率，上式的推导较为简单，是建立在经典电磁理论的基础之上。 由量子理论知道，介质中原子的轨道电子磁矩µ= - （3） 式中，e为电子电荷，m为电子质量，L为轨道角动量，在磁场B中，一个电子磁矩具有势能: EP EP=-µ·B=·B= （4） 其中为电子的轨道角动量沿磁场方向的分量。 当平面偏振光在磁场B作用下通过样品介质时，光子与束缚电子发生相互作用，光子使束缚电子由基态激发到高能态，处于激发态的电子吸收了光量子的角动量（）。因此电子的势能增加了 （5）其中正号对应于左旋圆偏振光量子，负号对应于右旋圆偏振光量子，在电子的势能增加同时，光子的能量减少了。由量子理论知道，光子具有的能量为，样品介质对光子的折射率n=n（）。当光子的能量减少了时，n=n（-），函数形式未发生改变。将n在n（）附近展开有n=n（-）n（）± （6）将（5）式代入（6）式有nn（）± （7）正号为介质对左旋光的折射率，负号为介质对右旋光的折射率。将上式代入（2）式 ，并用波长表示（），则有 （8）上式表明法拉第旋光角的大小与样品介质厚度S、磁场强度B正比，并且和入射光的波长及介质的色散有关。若用CGS单位制，则有， （9）将（9）式代入（1）式有，V= (10)【实验内容】1、 自搭电路，用集成霍尔原件（UGN3503）测量磁场。2、 测量励磁电流I与磁场B的之间对应的关系。3、 分别测量不同的波长、不同的磁场强度下的旋光角度。注意：测量时要改变磁场方向。【数据处理要求】1、做B-I的曲线图；2、根据测量数据做不同波长下磁场强度与旋光度的曲线图，即-B图：3、计算不同波长吓的维尔德常数V：4、根据上述结果，对实验的结果进行分析，并给出结论。【实验数据处理】1、根据测量数据：0.1A0.2A0.3A0.4A0.5A0.6A0.7A0.8A0.9A1.0A正向电压/V2.4732.5402.6172.6902.7602.8282.9052.9813.0513.125反向电压/V2.3182.2472.1742.1032.0321.9621.8921.8241.7541.680根据公式： 计算出磁场B：0.1A0.2A0.3A0.4A0.5A0.6A0.7A0.8A0.9A1.0A正向/T5.9211.081722.622833.2339.154550.3856.08反向/T-6-11.46-17.07-22.54-28-33.38-38.77-44-49.38-55.08matlab拟合图像： 正向：拟合结果：得出正向B-I的关系为： B=55.84I+0.134反向：拟合结果：得出反向B-I的关系为： B=-54.3I-0.70532、 实验测量数据：正向消光处角度：0A0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A蓝光/°305311.5319327.2332.2339.7绿光/°124.8130134.5139.5144.5148红光/°124.9128131.3134.5137.5140.5反向消光处角度：0A0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A蓝光/°305296.5289.5280.5273268.5绿光/°124.8119.5114.3109.5104.5100.5红光/°124.9121.5118114.5110.8108.3根据内容1中的B-I关系：0A0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A正向B/T0.134028.054055.974083.8940111.8140139.7340反向B/T-0.7053-27.8553-55.0053-82.1553-109.3053-136.4553消除励磁线圈中的剩磁影响，消除零点误差：0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A正向B/T27.9255.8483.76111.68139.6反向B/T-27.15-54.3-81.45-108.6-135.75正向旋光角度：（与励磁线圈电流为0A时的消光角度差）0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A蓝光/°6.51422.227.234.7绿光/°5.29.714.719.723.2红光/°3.16.49.612.615.6反向旋光角度：（与励磁线圈电流为0A时的消光角度差）0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A蓝光/°-8.5-15.5-24.5-32-36.5绿光/°-5.3-10.5-15.3-20.3-24.3红光/°-3.4-6.9-10.4-14.1-16.61)、正向蓝光（465nm）图：拟合数据：关系：2）、正向绿光（565nm）图：拟合数据：关系：3）、正向红光（635nm）图：拟合数据：关系：4）、反向蓝光（465nm）图：拟合数据：关系：5）、反向绿光（565nm）图：拟合数据：关系：6）、反光红光（635nm）图：拟合数据：关系：3、 计算不同波长的维尔德常数V：根据公式： 得出： 晶体长度为：3cm蓝光（465nm）的维尔德常数V：（单位：度/特斯拉·厘米）0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A正向V0.07760.08360.08830.08120.08290.0827反向V0.10440.09520.10030.09820.08960.0975绿光（565nm）的维尔德常数V：（单位：度/特斯拉·厘米）0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A正向V0.06210.05790.05850.05880.05540.0585反向V0.06510.06450.06260.06230.05970.0628红光（635nm）的维尔德常数V：（单位：度/特斯拉·厘米）0.5A1.0A1.5A2.0A2.5A正向V0.03700.03820.03820.03760.03720.0377反向V0.04170.04240.04260.04330.04080.04214、 结论：根据实验数据处理可以得到：1、 电流反向时，得到的维尔德常数值较大；2、对于同一物质，照射光的波长越大，维尔德常数值越大；3、磁致旋光效应中，对于同一波长的光，旋光度随着磁场强度的增大而增大，并且成线性关系。【实验注意事项】1. 当励磁电流较高时（2A以上），螺线管会发热，属正常现象。但如果工作时间较长，应断电冷却后再继续工作。2. 螺线管两端有挡片，玻璃样品只能从螺线管有活动挡片的一端放入/取出。实验中注意不要打碎样品。3. 实验结束时要将磁场电流减小到0，关掉仪器电源，整理好仪器，填写好仪器记录。参考文献：【近代物理实验讲义 杨胡江、肖井华 北京邮电大学理学院物理实验中心】
