晶体磁光效应
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θ,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:
(1—1)
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...
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
;
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θ,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:
(1—1)
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λ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ω,真空中的波长为λ。
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,
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:
(1—2)
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电子能级结构(其中
),因此有
(1—3)
(1—4)
同理,右旋光量子,有:
(1—5)
(1—6)
把式 (1—5)和式(1—6)代入式(1—3)得:
(1—7)
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:
(1—8)
(1—9)
(1—7)和(1—9)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。
【实验装置】
半导体激光器,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
1)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θ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φ01;
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φ0.31;
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);
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φ0.31’;
9)
即为0.3A直流电流下第一次测量的重复误差;
10)
11)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φ0.32;
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0.3A~0.7A。
【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θ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θ与外加磁场电流I的关系数据记录表
依据表1,可以作出旋转角θ与外加磁场电流I的关系图,如下图图1所示。
图1 旋转角θ与外加磁场电流I的关系曲线
由图像得出:旋转角θ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θ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。
误差
:
1、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。
表3 费尔德常数计算
θ/゜
L/cm
B/mT
1.83
1
9.87
0.185
2.67
1
11.43
0.234
3
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:
误差分析:
1、 旋光角度θ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
】
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。
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