法拉第磁旋光效应

VBd

=θ专业物理实验

法拉第磁旋光效应

一、 实验目的.

1. 通过对重火石玻璃磁光效应的测量，加深磁场对光学介质物性常数影响的理解；

2. 了解光波隔离器的工作原理。

二、 实验原理.

1845年，法拉第发现，当一束平面偏振光沿着磁场方向通过受磁场作用的物质，如玻璃、二硫化碳、汽油等时，透射光的偏振面会转过一个角度。这种磁致旋光现象称为法拉第效应。它和发生于糖溶液中的自然旋光效应是不同的。在法拉第效应中，对于给定的物质，偏振面的旋转方向相对于实验室坐标只由磁场B 的方向决定，和光的传播方向无关，是不可逆的光学过程。光线往返一周，累积旋光角倍增。而自然旋光效应是可逆的，光线往返一周，累积旋光角为零。利用法拉第效应的这一特性，可制造一种不可逆的光学仪器：光波隔离器或单通器。此外，法拉第效应还可用于物质结构和半导体物理方面的研究。

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d 成正比，即

（1）

式中比例常数V 叫做费尔德常数。 几乎所有的物质都存在法拉第效应。不同的物质偏振面旋转的方向可能不同。设想磁场B 是由绕在样品上的螺旋线圈产生的。习惯上规定：振动面的旋转方向和螺旋线圈中电流方向一致，称为正旋（V >0）；反之，叫做负旋（V < 0）；V 由物质和工作波长决定，它表征物质的磁光特性。

根据自然旋光的菲涅耳唯象描述，对于法拉第效应可作这样的经典解释：一束平行于磁场方向传播的平面偏振光可看作两束等幅的左旋和右旋圆偏振

光的叠加，进入介质后由于磁场的作用使得它们以稍微不同的速度⎪⎭⎫ ⎝⎛l r n c n c ,向前传播，从介质出射后，合成线图1 线偏振光沿磁场方向传播

偏振光，偏振面相对于入射光转过了一定的角度。

下面来进行旋转角度的计算：设有一束偏振光沿介质磁场方向穿过介质，如图1所示。入射线偏振光的场强为

n 为空气中的

折射率。在进入介质的地方（z = 0） 进入介质后分成右旋、左旋圆偏振光。右旋偏振光为

左旋圆偏振光为

其中n r 、n l 分别为右旋和左旋圆偏振光在介质中的折射率。从介质射出后（z=d ）合成的线偏振光为

⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅=ωt z λ2ππΕcos 0⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅=ωt z c n ωΕcos 0x ΕΕ=t

ΕΕcos ω0=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅--=ωt z λ2ππΕΕr r y sin 210⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-=ωt z λ2ππΕΕr r x cos 210⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-=ωt z n ΕΕl l x λ2cos 210π⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-=

ωt z λπn 2sin 210l l y ΕΕl x

r x x ΕΕΕ+=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅+⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅=ωt d n ωt d n Εl r λπλπ2cos 2cos 210()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅--⋅+=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡d n n t d n n Εr l l r λπωλπcos cos 0l y r y y ΕΕΕ+=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅+⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅-=ωt d n ωt d n Εl r λπλπ2sin 2sin 210()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅--⋅+=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣

⎡d n n t d n n Εr l l r λπωλπsin cos 0

出射偏振光相对于入射偏振光（x 轴）转过的角度为

（2） 磁场会使左旋、右旋圆偏振光的折射率不同。对于这一点，我们不妨作这样的理解：将圆偏振单色光看做是一个受弹性束缚的电子被旋转电场所驱动而作稳态的圆周运动。当在垂直于轨道平面上加一个恒定磁场之后，此电子将右受一个径向力。此力与旋转方向和恒定磁场有关。对于不同旋转方向的电子，在给定的恒定磁场中将受到两个不同方向的径向力，结果 ，总的径向力不同，从而轨道半径不同，偶极矩、极化率、电容率都不同。最后，也就有两个不同的折射率nr 、ni 。磁场越强，n r 与n l 差别也越大，即n r - n l 正比于B 。在考虑式（1）就可得出式（2）。

三、 实验仪器：

He —Ne 激光器（）、二向色性偏振片、高斯计、电磁铁、硅光电池、光电流放大器、光具座及支架。

四、 实验内容：

1、利用实验室所给仪器设备自己搭建实验装置（可参考图二）；

He —Ne 激光发出的λ=的激光，通过起偏器P1（二向色性偏振片）后，成为线性偏振光，该偏振光通过置于磁场中的样品后，偏振面发生了偏转，这个偏转的角度由检偏器P2 配合光电流放大器而检测出来。

2、自拟实验步骤（要求：必须要有能反映出光旋转的非互易性的实验步骤）； 图二. 磁光旋转测试装置示意图

起偏器 检偏器 光电流放大器偏

硅光电池

样品 x y

ΕΕarctg =θd nr nl ⋅-=λ

π

3、画出θ～B曲线，求出V的平均值。

样品的物理参数：重火石玻璃、长度20cm。

五、思考题：

你认为哪类材料磁光效应显著，为什么