近代物理实验二十磁光效应.docx

本文格式为Word版，下载可任意编辑近代物理实验二十 磁光效应 测验二十 磁光效应 测验目的： 1、进一步加深对磁致旋光的理解，掌管法拉第效应的实质 2、学习用正交消光法与倍频法测量费尔德常数 一、简介 1845年，法拉第（M.Faraday）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，察觉了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，假设在介质中，沿光的传播方向上加上一个磁场，就会查看到光经过样品后偏振面转过一个角度，即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系，促进了对光本性的研究之后费尔德（Verdet）对大量 介质的磁致旋光举行了研究，察觉了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在 法拉第效应有大量重要的应用，尤其在激光技术进展后，其应用价值越来越受到重视如用于光纤通讯中的磁光隔离器，是应用法拉第效应中偏振面的旋转只取决于磁场的方向，而与光的传播方向无关，这样使光沿规定的方向通过同时阻挡反方向传播的光，从而裁减光纤中器件外观反射光对光源的干扰；磁光隔离器也被广泛应用于激光多级放大和高辨识率的激光光谱，激光选模等技术中。

在磁场测量方面，利用法拉第效应驰豫时间短的特点制成的磁光效应磁强计可以测量脉冲强磁场、交变强磁场在电流测量方面，利用电流的磁效应和光纤材料 M.Faraday (1791-1876) 的法拉第效应，可以测量几千安培的大电流和几兆伏的高压电流 磁光调制主要应用于光偏振微小旋转角的测量技术，它是通过测量光束经过某种物质时偏振面的旋转角度来测量物质的活性，这种测量旋光的技术在科学研究、工业和医疗中有广泛的用途，在生物和化学领域以及新兴的生命科学领域中也是重要的测量手段如物质的纯度操纵、糖分测定；不对称合成化合物的纯度测定；制药业中的产物分析和纯度检测；医疗和生化中酶作用的研究；生命科学中研究核糖和核酸以及生命物质中左旋氨基酸的测量；人体血液中或尿液中糖份的测定等据了解，目前已有大量国家规定在制药工业中，务必对有效成分的旋光对映体举行分开，而不能把消旋物以一种纯药物来销售在工业上，光偏振的测量技术可以实现物理的测量，食品工业中的制酒业、制糖业都需要实施监 控以提高产品质量，在磁光物质的研制方面，光偏振旋转角的测量技术也有很重要的应用。

二、测验原理 （一）法拉第效应 测验说明，在磁场不是分外强时，如图1所示，偏振面旋转的角度?与光波在介质中走过的路程d及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量B成正比，即： ??VBd （1） 比例系数V由物质和工作波长抉择，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔德（Verdet）常数 费尔德常数V与磁光材料的性质有关，对于顺磁、弱磁和抗磁性材料（如重火石玻璃等），V为常数，即?与磁场强度B有线性关系；而对铁磁性或亚铁磁性材料（如YIG等立方晶体材料），?与B不是简朴的线性关系 图1 法拉第磁致旋光效应 表1为几种物质的费尔德常数几乎全体物质（包括气体、液体、固体）都存在法拉第效应，不过一般都不显著 表1 几种材料的费尔德常数（单位:弧分/特斯拉·厘米） 物质 水 二硫化碳 轻火石玻璃 重火石玻璃 ?（nm） 589.3 589.3 589.3 830.0 V 1.31?102 4.17?102 3.17?102 8?102～10?102 冕玻璃 石英 磷素 632.8 632.8 589.3 4.36?102～7.27?102 4.83?102 12.3?102 不同的物质，偏振面旋转的方向也可能不同。

习惯上规定，以顺着磁场查看 偏振面旋转绕向与磁场方向 得志右手螺旋关系的称为“右旋”介质，其费尔德常数V?0；反向旋转的称为“左旋”介质，费尔德常数V?0 对于每一种给定的物质，法拉第旋转方向仅由磁场方向抉择，而与光的传播方向无关（不管传播方向与磁场同向或者反向），这是法拉第磁光效应与某些物质的固有旋光效应的重要识别固有旋光效应的旋光方向与光的传播方向有关，即随着顺光线和逆光线的方向查看，线偏振光的偏振面的旋转方向是相反的，因此当光线往复两次穿过固有旋光物质时，线偏振光的偏振面没有旋转而法拉第效应那么不然，在磁场方向不变的处境下，光线往复穿过磁致旋光物质时，法拉第旋转角将加倍利用这一特性，可以使光线在介质中往复数次，从而使旋转角度加大这一性质使得磁光晶体在激光技术、光纤通信技术中获得重要应用 与固有旋光效应类似，法拉第效应也有旋光色散，即费尔德常数随波长而变，一束白色的线偏振光穿过磁致旋光介质，那么紫光的偏振面要比红光的偏振面转过的角度大，这就是旋光色散测验说明，磁致旋光物质的费尔德常数V随波长?的增加而减小，如图2所示，旋光色散曲线又称为法拉第旋转谱 图 2 磁致旋光色散曲线 （二）法拉第效应的唯象解释 从光波在介质中传播的图象看，法拉第效应可以做如下理解：一束平行于磁 场方向传播的线偏振光，可以看作是两束等幅左旋和右旋圆偏振光的迭加。

这里左旋和右旋是相对于磁场方向而言的 图3 法拉第效应的唯象解释 假设磁场的作用是使右旋圆偏振光的传播速度c/nR和左旋圆偏振光的传播 速度c/nL不等，于是通过厚度为d的介质后，便产生不同的相位滞后： 2?2?, ?R?nRd?L?nLd ??（2） 式中?为真空中的波长这里应留神，圆偏振光的相位即旋转电矢量的角位移；相位滞后即角位移倒转在磁致旋光介质的入射截面上，入射线偏振光的电矢量通过介质后，E可以分解为图3-(a)所示两个旋转方向不同的圆偏振光ER和EL， 它们的相位滞后不同，旋转方向也不同，在出射界面上，两个圆偏振光的旋转电矢量如图3-(b)所示当光束射出介质后，左、右旋圆偏振光的速度又恢复一致，我们又可以将它们合成起来考虑，即仍为线偏振光从图上轻易看出，由介质射出后，两个圆偏振光的合成电矢量E的振动面相对于原来的振动面转过角度?，其大小可以由图3-(b)直接看出，由于 ?R????L??（3） 所以 ??(?R??L)（4） 由（2）式得： 12 ??（5） ?(nR?nL)d??F?d? 当nR?nL时，??0，表示右旋；当nR?nL时，??0，表示左旋。

假使nR和nL的差值正比于磁感应强度B，由（5）式便可以得到法拉第效应公式（1）式中的 ?F??(nR?nL)为单位长度上的旋转角，称为比法拉第旋转由于在铁磁或者亚?铁磁等强磁介质中，法拉第旋转角与外加磁场不是简朴的正比关系，并且存在磁饱和，所以通常用比法拉第旋转?F的饱和值来表征法拉第效应的强弱4)式也反映出法拉第旋转角与通过波长?有关，即存在旋光色散 微观上如何理解磁场会使左旋、右旋圆偏振光的折射率或传播速度不同呢？上述解释并没有涉及这个本质问题，所以称为唯象理论从本质上讲，折射率nR和nL的不同，应归结为在磁场作用下，原子能级及量子态的变化这已经超出了我们所要议论的范围，概括理论可以查阅相关资料 其实，从经典电动力学中的介质极化和色散的振子模型也可以得到法拉第效应的唯象理解在这个模型中，把原子中被束缚的电子看做是一些偶极振子，把光波产生的极化和色散看作是这些振子在外场作用下做强迫振动的结果现在除 ?了光波以外，还有一个静磁场B作用在电子上，于是电子的运动方程是 ????dr?d2r??m2?kr??eE?e???B （6） dt?dt??式中r是电子离开平衡位置的位移，m和e分别为电子的质量和电荷，k是这个偶极子的弹性恢复力。

上式等号右边第一项为哪一项光波的电场对电子的作用，其次项是磁场作用于电子的洛仑兹力为简化起见，略去了光波中磁场分量对电子的作用及电子振荡的阻尼（当入射光波长位于远离介质的共振吸收峰的通明区时成立），由于这些小的效应对于理解法拉第效应的主要特征并不重要 假定入射光波场具有通常的简谐波的时间变化形式ei?t，由于我们要求的特 ?解是在外加光波场作用下受迫振动的稳定解，所以r的时间变化形式也应是ei?t，因此式（6）可以写成 — 7 —。