自然旋光与法拉第效应的实验研究.docx

    自然旋光与法拉第效应的实验研究    孙鉴+耿铭阳+姚亚峰+邓伟+楚向楠： 10055630(2014)03022404收稿日期： 20131228基金项目： 东北石油大学青年科学基金项目(2013QN131/ky120231);东北石油大学大学生创新创业计划项目作者简介： 孙鉴(1980),男,讲师,硕士,主要从事光电子学和光子晶体方面的研究Reference： 介绍了自然旋光与法拉第效应偏转角的测量方法,讨论了两种效应下偏转角的影响因素,说明了两种效应的应用领域由分析得到:自然旋光偏转角的大小只与晶体有关,与磁场无关,而旋光方向与光的传播方向有关;法拉第效应偏转角的大小正比于磁感应强度,其偏转角旋光方向只与磁场方向有关,与光的传播方向无关;光往返通过自然旋光晶体时,偏转角相互抵消,磁致旋光晶体偏转角则实现累加利用晶体的法拉第效应,可将其制成光学隔离器或单通光闸等器件Keys： 自然旋光; 法拉第效应; 偏转角; 旋光方向O 436.4： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.03.008Experimental study on naturaloptical rotation and Faraday effectSUN Jian, GENG Mingyang, YAO Yafeng, DENG Wei, CHU Xiangnan(College of Electronic Science, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)Abstract： The deflected angle measurement method of naturaloptical rotation and Faraday effect was introduced. The influencing factors of deflected angle in the two effects were discussed. The application field of two effects was explained. The conclusion was as follows:the deflected angle of naturaloptical rotation only has to do with the crystal and has nothing to do with magnetic field, the optical direction has to do with propagation direction of incident light; the deflected angle of Faraday effect was proportional to the magnetic induction intensity, the optical direction has to do with magnetic field direction, but has nothing to do with propagation direction of incident light. The light passed through naturaloptical crystal back and forth, deflected angle was counteract, but accumulated in the magnetooptical rotation crystal. This effect was used to produce optical isolator and singlelane optical gate.Key words： naturaloptical rotation; Faraday effect; deflected angle; optical direction引言自然界中存在一些物质,当线偏振光沿光轴方向通过这些物质后,其偏振面会发生旋转,即发生旋光现象,称之为自然旋光。

旋光现象最早由阿拉果在石英晶体中发现,随后毕奥发现一些各向同性的气体和液体也具备该特性;而一些不具备自然旋光本领的晶体在磁场的作用下,偏振面产生偏转的现象称为磁光效应,该现象在1846年由法拉第首次发现,也称为法拉第效应1理论分析线偏振光沿光轴方向入射到晶体中,其光强可以分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光,对应的折射率分别为nL和nR,它们在晶体中传播距离l后产生的相位差可以用角位移表示为θ=12(θL－θR)=πλ(nL－nR)l(1)在外加磁场为零的情况下,晶体本身满足nL－nR≠0,则该晶体具备自然旋光特性,自然旋光是晶体本身具有的一种旋光本领,不需要外加磁场,可以直接测量该旋光晶体的偏转角,实验装置如图1所示只有在外加磁场不为零时,晶体才满足nL－nR≠0,则该晶体为磁光晶体,利用法拉第效应来描述,测量其偏转角时需要外加磁场,实验装置如图2所示,通过直流励磁和交流励磁的开关来控制恒定磁场和时变磁场［16］光学仪器第36卷第3期孙鉴，等：自然旋光与法拉第效应的实验研究图1自然旋光实验装置Fig.1The naturaloptical rotation experimental device图2法拉第效应实验装置Fig.2The Faraday effect experimental device 磁光调制器是由在铽玻璃周围环绕交流激励电信号的励磁线圈构成。

假定线圈所加交流电信号为i=i0sin(ωt)时,产生的时变磁场为B=B0sin(ωt),则晶体的磁致旋转角θ=θ0sin(ωt),根据马吕斯定律I=I0cos2α,检偏器的输出光强可得I=I0cos2(α+θ)=I02［1+2cos(2(α+θ))］(2)其中α为起偏器和检偏器主截面的初始夹角利用三角函数公式,式(2)可变形为I=I02［1+2cos(2α)cos(2θ)－2sin(2α)sin(2θ)］(3)当α=0,将cos(δsin(ωt))=J0(δ)+2J2(δ)cos(2ωt)+4J4(δ)cos(4ωt)+…代入式(3)可得I=I02［1+2J0(2θ0)+4J2(2θ0)cos(2ωt)+8J4(2θ0)cos(4ωt)+…］(4)可以发现:起偏器和检偏器偏振轴平行时,输出光中出现了调制信号的倍频信号2测量方法在实验过程中,使用CGT1磁光调制实验仪控制直流和交流励磁信号以及探测光强,激光器波长λ=632.8 nm,石英晶体长度l=15.0 mm,直流励磁的铽玻璃长度l=25.3 mm自然旋光的实验测量如图1所示,通过控制交流励磁开关来选用直接测量或交流调制测量［79］。

1)直接测量法按图1所示的实验装置图调节好光路并固定,取下石英晶体,光源发出的光经过准直透镜和起偏器,变成线偏振光,为了便于观察和测量,调节起偏器和检偏器处于正交状态,此时探测器读数为最小值0.02,记录下检偏器的角度θ0;将石英晶体放到光路中,为了区分双折射现象引起的偏转,晶体光轴必须垂直入射面,从起偏器出射的线偏振光入射到石英晶体中,就满足了与晶体光轴方向平行的条件,出射光通过检偏器后探测器的读数会变大;旋转检偏器将探测器的读数恢复到初始值,记录下起偏器的角度θ1,则图3倍频信号波形图Fig.3The frequency multiplication signal waveform自然旋光偏转角度θ=θ1－θ02)交流调制法按图1所示的实验装置图调节好光路并固定,取下石英晶体,打开交流电信号(1 kHz的正弦信号),首先调节起偏器和检偏器的夹角,记录下示波器上出现倍频信号时检偏器的角度θ0,如图3所示放入石英晶体,线偏振光经过石英晶体后偏振面发生旋转,示波器中的波形会发生变化,调节检偏器,当示波器上再次出现倍频信号时,记录下检偏器角度θ1,则偏转角θ=θ1－θ0法拉第效应中,直流励磁铽玻璃的作用等同于石英晶体,可以通过控制交流励磁开关选用直流励磁法或交流调制法,测量过程与自然旋光效应的直接测量和交流调制法相同,但是需要多次改变直流电信号的数值,调节检偏器,使光强或波形恢复到初始状态,记录下每次检偏器的角度θi,其偏转角为θ=θi－θ0。

3实验研究与数据分析3.1电流对偏转角θ的影响自然旋光现象与磁场无关,其偏转角理论值θ=αl,比例系数α为光通过1 mm厚度旋光物质时的偏转角,入射波长λ=587.6 nm,室温20 ℃下,石英的比例系数理论值为α=21.75(°)/mm由于探测器光强灵敏度的影响,采用直接测量法测量结果为15.48(°)/mm,误差较大采用交流调制法测量,将石英晶体替换图2的直流励磁玻璃,测得其比例系数为20.56(°)/mm,误差主要是入射光波长、检偏器和起偏器的消光比、检偏器角度和晶体长度的读数误差以及环境温度等因素引起实验数据表明自然旋光偏转角只与晶体本身有关图4法拉第效应偏转角与电流关系曲线Fig.4The relationship curve between deflected angle and current in the Faraday effect法拉第效应偏转角理论值为θ=VBl,其中B为磁场强度,比例系数V是晶体的维尔德常数在图2的实验装置中,分别利用直流励磁法和交流调制法对铽玻璃进行测量,两种方法的测量曲线如图4所示从图4可以发现:法拉第效应偏转角正比于电流强度,同时磁场强度正比于电流强度,即偏转角正比于磁场强度,与理论吻合。

如果反过来测量出磁光晶体长度、直流励磁线圈产生的磁场强度以及偏转角,即可利用理论公式计算出晶体的维尔德常数,从而确定该晶体种类直流励磁法通过观察光强读数确定偏转角,操作简单,但光强示数随电流变化不灵敏,测量精度不高,其偏转角与电流的线性度不高;交流调制法通过倍频信号确定偏转角,电流的微弱变化就能引起波形变化,测量结果比较精确,但光路复杂,操作繁琐3.2磁场方向对偏转角的影响保持入射光方向不变,通过改变励磁电流的极性实现磁场方向的变化当励磁极性为“+”时,光的传播方向与磁场方向相同,顺着磁场方向观察,偏振面顺时针偏转;改变励磁极性,则光的传播方向与磁场方向相反,顺着磁场方向观察偏振面逆时针偏转可以发现,法拉第效应的偏转方向与磁场方向有关3.3光的传播方向对偏转角的影响将图1与图2中光源部分与探测器部分对调一下,即改变入射光的传播方向,可以发现:(1)石英晶体偏转角的旋转方向由顺时针变为逆时针,但偏转角度大小相等即自然旋光效应的偏转方向与入射光传播方向有关,当光束往返通过自然旋光物质时,两次偏转方向相反大小相等而相互抵消2)对于直流励磁铽玻璃,迎着光的方向来看,偏转面旋转方向由右旋变左旋,即法拉第效应的偏转方向与光的传播方向无关。

利用这一特性可以使光波在两反射镜之间多次传播以增强磁光效应3.4入射波长对偏转角的影响将光源依次换成650 nm、532 nm的激光器,两种晶体的偏转角都减小,但石英晶体变化程度较大这种偏转角随入射波长不同而发生变化的现象称为旋光色散4应用领域若旋光物质为溶液,偏转角度θ与物质的厚度l和物质的浓度c成正比,即θ=αcl,其比例系数α为旋光物质的旋光率根据旋光物质的自然旋光规律可以测量溶液浓度,医学中的测糖计就是根据这个原理设计的图5光学隔离器原理结构示意图Fig.5The structure principle graph of optical isolator法拉第效应的偏转角旋光方向与磁场方向有关,与传播方向无关如果光往返通过磁光晶体,由本身自然旋光引起的偏转角与磁场方向有关而抵消掉如图5所示,当法拉第效应引起的偏转角为。