磁光法拉第效应1846年法拉第发现平面偏振光
磁光效应
磁光效应
磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。
包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等。
这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。
下面我们将分别简要介绍各个不同的磁光效应
1. 法拉第效应
1) 发现：
1845年，法拉第发现:当一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光介质时，平面偏振光的偏振面就会随着平行于光线方向的磁场发生旋转。
旋转的这个角度称之为法拉第旋转角，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ=VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。
偏转方向取决于介质性质和磁场方向。
上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。
2法拉第效应
法拉第效应1845年法拉第（Micha1 Faraday ）发现玻璃在强磁场的作用下，当平面偏振光沿磁场方向通该物体时，发现透过光仍为平面偏振光，但其偏转面旋转了一个角度，旋转角度的大小与磁场强度成正比具有旋光性，这种旋光作用(Optical nat ation)称为法拉弟效应。
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 ）对许多介质的磁致旋转进行了研究，发现法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。
大部分物质的法拉第效应很弱，掺稀土离子玻璃的费尔德常数稍大。
近年来研究的YIG 等晶体的费尔德常数较大，从而大大提高了实用价值。
法拉第效应有许多重用的应用，尤其在激光技术发展后，其应用价值倍增。
如用于光纤通讯系统中的磁光隔离器，因为偏振面的磁致旋转取决于磁场的方向，与光的传播方向无关，由此可设计成光隔离器，使光沿规定的方向通过同时阻挡反向传播的光，从而减少光纤中器件表面反射光对光源的干扰；磁光隔离器也被广泛用于激光多级放大技术和高分辨的激光光谱技术，激光选模等技术中。
法拉第效应的弛豫时间不大于10-10秒量级。
在激光通讯，激光雷达等技术中已发展成类似微波器件的光频环行器、调制器等，利用法拉第效应的调制器（磁光调制器）在μμ5~1的红外波段将起重用作用。
且磁光调制器需要的驱动功率较电光调制器小的多。
对温度稳定性的要求也较低。
所以磁光调制是激光调制技术的重用组成之一，也常用于激光强度的稳定装置。
又如作为重要的传感机理应用于电工测量技术中。
在磁场测量方面，利用它弛豫时间短（约10-10秒）的特点制成的磁光效应磁强计可测量脉冲强磁场、交变强磁场；利用它对温度不敏感的特点，磁光效应磁强计可适用于较宽的温度范围，如等离子体中强磁场、低温超导磁场；在电流测量方面，利用电流的磁效应和光纤材料的法拉第效应，可测量几千个安培的大电流或几千KV 的高压电流等。
1. 实验目的1、了解磁光效应，掌握光线偏振面旋转角度的测量方法。
法拉第效应磁光调制实验
法拉第效应
1845年，迈克尔·法拉第（M.Faraday）
发现:在穿过介质时，偏振光波会因为外
磁场的作用，转变偏振的方向，这一现
象称为
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，是光学过程与 电磁学过程有密切 联系的最早证据 。
2.多次拟合结果，累计的系统误差较大
疑问： λ-Θ曲线一定是线性的么
λ-Θ二次拟合
B=498.2mT U=12V
可以做这样的近似
V e dn
2mc d
e 0 ( b c ) mc 2 4
e 0 mc
b
2
总结
4.测量出波长与折射率关系进一步求出电子 的荷质比（误差较大）
计算电子的荷质比
V2m ecddn
dn 2104
d
e dn0.03758
2mc d
算 得 e1.12741011Ckg1 m
实 际 e1.75881011Ckg1 m
实验得到的电子荷 质比比理论值偏小 35%！
误差分析
1.使用特斯拉计测电磁铁中心位置磁场，手 持特斯拉计可能不稳定，造成误差。
(mm)
U-B拟合（线性拟合）
U-B拟合（二次拟合）
B-Θ拟合
λ=580nm
证明Θ与B呈线性关系
对所有的λ进行B-Θ拟合 求出V Θ=VBL
λ/
nm 460 480 500 520 540 560 580 600
斜率
1.075 0.860 0.793 0.689 0.672 0.490 0.522 0.486
（ 1 0 -4）
r2
0.996
0.991Leabharlann 0.9940.996
法拉第旋光效应
法拉第旋光效应
法拉第旋光效应，是指当平面偏振光在具有旋转对称性的物质中传播时，光线在经过物质后会发生偏转而产生旋转偏振现象。
这个效应的发现者是意大利物理学家法拉第，他于1845年通过实验发现了这个现象，因此这个效应也被称为法拉第效应。
平面偏振光是指在一个特定的方向上振动的光线，一般情况下，光线的振动方向是没有旋转的。
而在媒质中，由于媒质分子的旋转对称性，会对光线的振动方向进行扭转，从而使得光线发生偏转，这种现象就是法拉第旋光效应。
法拉第旋光效应在实际应用中有着广泛的应用，尤其是在光学仪器中。
例如，在化学分析仪器、偏振仪、激光仪器等中都需要用到法拉第旋光现象。
在化学分析仪器中，通过测量样品旋光角度的变化，可以确定物质中的分子结构和含量；在偏振仪中，通过分析经过偏振器后的光线来检测样品中是否存在旋光现象；在激光仪器中，通过法拉第绕射元件可以实现图像信息的传递和处理。
总之，法拉第旋光效应是研究光学现象中非常重要的一个方面，对于理解光的本质、探究物质的结构和性质等具有重要意义。
法拉第实验
VemLB 其中e为电子电荷，m为电子质量， 为电子的轨 道角动量
在磁场作用下，一个电子磁矩具有势能V：
在磁场B作用下，当平面偏振
光通过介质时，光子与轨道电
子发生交互作用，使轨道电子
发生能级跃迁。跃迁时轨道电
子吸收角动量
,跃迁后
轨道电子动能不变，而势能则
近代物理实验
法拉第效应
引言
1845年，法拉第在探索电磁现象和光学现象之 间的联系时发现：有一束平面偏振光穿过媒质时，若 在媒质中，沿光的传播方向加一个磁场，就能观察到 光经过样品后偏振面转过一个角度，即磁场使媒质具 有旋光性—此现象被后人称为法拉第效应。—
实验目的
• １、了解磁光效应现象和法拉第 效应的作用机理。
㈤ 最小偏向角测量系统：
1.白炽光源 2.单色仪 3.分光仪：用来测量样品介质对应不同波 长和最小偏向角的对应关系。
四、实验装置的调整
1、预热：接通电源及白炽灯电源，预热10 分钟。 2、仪器调整：将单色仪入射狭缝宽度调为 0.02mm，即游标上2个格，旋转读数手轮， 将光波长读数手轮置于待测位置（手轮读 数与波长对照表由实验室提供）。调整单 色仪高度，使在电磁铁另一侧能观察到完 整的出射光。将数显表与整机相连，接通 电源，微动数显表，使数显表示值最大。
I 00
一磁光介质样品，则光通过样品时发生偏振面旋 转。若旋光角为θ，输出光强则
(3.4.12)
此式表明，控制样品的磁化电流，可控制输出光 强。这样利用法拉第效应就实现了光强的调制。
为了提高磁光调制器的灵敏度和线性度，必须恰当地 选择系统的工作状态。由（3.4.11）式得
当
时，由偏振面旋转所引起的输出光强的变化
光纤法拉第效应
光纤法拉第效应是指在光纤中，线偏振光在磁场作用下发生的偏振面旋转现象。
这一现象是由英国物理学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）于1845 年首次发现的，因此得名。
光纤法拉第效应在光学领域具有重要的理论和应用价值。
光纤法拉第效应的机理如下：
1. 外加磁场作用于光纤介质，使介质中的电子与原子核运动状态发生改变。
2. 电子与原子核的运动状态改变导致光波在介质中传播时，产生的次生折射光的偏振方向与入射光存在差异。
3. 由于次生折射光的偏振方向差异，光波在介质中传播时，偏振面会不断积累旋转。
4. 偏振面旋转的角度与磁场方向、光纤长度和磁感应强度有关。
光纤法拉第效应的应用主要包括：
1. 光纤通信：光纤法拉第效应可用于实现光信号的加密、解密和鉴别等功能。
2. 光学传感器：光纤法拉第效应可用于制作磁场传感器、旋转传感器等，实现对磁场或旋转角度的检测。
3. 光学隔离器：利用光纤法拉第效应，可以设计光学隔离器，实现光信号在传输过程中的隔离和保护。
4. 生物医学：光纤法拉第效应在生物组织光学成像和光疗等领域具有潜在的应用价值。
5. 光电子器件：光纤法拉第效应可用于光电子器件的设计和优化，提高器件的性能和效率。
法拉第磁光效应实验
（5.16.7）
式中 ，为电子共振频率。设磁场沿+z方向，又设光波也沿此方向传播并且是右旋圆偏振光，用复数形式表示为
将式（5.16.7）写成分量形式
（5.16.13）
令c=eB/m（c称为回旋加速角频率），则
（5.16.14）
由于 ，因此
（5.16.15）
对于可见光，为（2.5-4.7）1015s-1，当B=1T时，c≈1.71011s-1<<，这种情况下式（5.16.15）可以表示为
（5.16.16）
式中L=c/2=(e/2m)B,为电子轨道磁矩在外磁场中经典拉莫尔（Larmor）进动频率。
（5.16.26）
由式（5.16.26）可知，当一定时，输出光强I仅随变化，因为是受交变磁场B或信号电流i=i0sint控制的，从而使信号电流产生的光振动面旋转，转化为光的强度调制，这就是磁光调制的基本原理。
图5.16.4磁光调制装置
根据倍角三角函数公式由式（5.16.26）可以得到
（5.16.27）
（5.16.8）
（5.16.9）
将式（5.16.9）乘 并与式（5.16.8）相加可得
（5.16.10）
因此，电子振荡的复振幅为
（5.16.11）
设单位体积内有N个电子，则介质的电极化强度矢量 。由宏观电动力学的物质关系式 （为有效的极化率张量）可得
（5.16.12）
将式（5.16.10）代入式（5.16.12）得到
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讨论的范围，具体理论可以查阅相关资料。
法拉第实验报告
4600 0.00029 1082
4800 0.00025 618
5000 0.00023 2411
5200 0.00020 9849
5400 0.00019 1787
5600 0.00017 3741
5800 0.00016 1329
6000 0.00014 8918
作出样品介质的波长～费德尔常数关系图如下图所示
4800 7.075 13.4 20.95
5000 6.05 12.125 17.675
法拉第旋光效应 4
I(A) U(V) I(A) U(V) I(A) U(V)
-3.00 0.894 -0.31 2.216 2.41 3.807
-2.72 0.927 0.00 2.401 2.72 3.941
-2.41 1.032 0.31 2.583 3.01 3.970
-2.10 1.201 0.62 2.759
-1.80 1.364 0.91 2.931
-1.51 1.524 1.22 3.105
-1.20 1.690 1.51 3.287
-0.90 1.870 1.80 3.460
-0.61 2.206 2.10 3.633
利用公式B =
������−������0 ������������
,������������ =13mV/mT,U0=2.399V 得
法拉第旋光效应
怡若乐 2013212837 2013214103 班
法拉第于 1845 年发现当磁场作用在一块玻璃上，平面偏振光在玻璃中沿着磁场传播会发生 光的震动面旋转的现象。这一效应就称为法拉第旋光效应。
[实验原理] 1 天然旋光现象 当线偏振光通过某些透明物质（如石英、糖溶液、酒石酸溶液等）后，其振动面将以光的传 播方向为轴旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象。 2 旋光现象的菲涅耳解释 线偏振光可以分为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。 左旋圆偏振光和右旋圆偏振光以相同的角 速度沿相反方向旋转， 它们合成为在一直线上振动的线偏振光。 在旋光物质中左旋圆偏振光 和右旋圆偏振光的传播速度不相同。 假设右旋圆偏振光传播速度快， 则后来合成的线偏振光 右旋。 3 磁致旋光 磁致旋光中振动面的旋转角φ 和样品长度 L 及磁感应强度 B 成正比，即有 φ =VLB 式中 V 是一个与物质的性质、光的频率有关的常数，称为维尔德常数。当光的传播方向和磁 场方向平行时，迎着光的方向观察，光的振动面向左旋转，则维尔德常数为正。 [仪器用具] LED 发光二极管（或白光光源和滤波片） ，偏振片，透镜，直流励磁电源，导轨，偏振片， 集成霍尔元件，5V 稳压电源等。 [实验内容] 1 自搭电路，用集成霍尔元件测磁场 2 测量励磁电流 I 与磁场 B 之间的对应关系 3 分别测量不同波长、不同磁场强度下的旋光角度θ 。注意测量时要改变磁场方向。 [数据处理] 1、 利用集成霍尔元件测磁场
法拉第磁光效应实验
（5.16.17）
对比无磁场时的色散公式
（5.1作用下，电子做受迫振动，振子的固有频率由0变成0±L，这正对应于吸收光谱的塞曼效应；二是由于0的变化导致了折射率的变化，并且左旋和右旋圆偏振的变化是不相同的，尤其在接近0时，差别更为突出，这便是法拉第效应。由此看来，法拉第效应和吸收光谱的塞曼效应是起源于同一物理过程。
磷素
589.3
12.3 102
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，则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。实验表明，磁致旋光物质的费尔德常数V随波长的增加而减小（如图5.16.2），旋光色散曲线又称为法拉第旋转谱。
假定入射光波场具有通常的简谐波的时间变化形式eit，因为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 的时间变化形式也应是eit，因此式（5.16.6）可以写成
（5.16.7）
式中 ，为电子共振频率。设磁场沿 +z方向，又设光波也沿此方向传播并且是右旋圆偏振光，用复数形式表示为
将式（5.16.7）写成分量形式
了解顺磁、弱磁、抗磁性、铁磁性或亚铁磁性材料的基本特性，以及费尔德常数V与磁光材料性质的关系。
比较法拉第磁光效应与固有旋光效应的异同。
磁光调制过程中，调制信号与输入信号之间的函数关系。
5.16.2
1．法拉第效应
实验表明，在磁场不是非常强时，如图5.16.1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：
5.16.1 实验要求
1．实验重点
用特斯拉计测量电磁铁磁头中心的磁感应强度，分析线性范围。
法拉第效应
天然旋光现象：偏振光通过某些物质后，其振
动面将以光的传播方向为轴线转过一定的角度。
天然旋光物质：能产生旋光现象的物质（如石
英晶体、糖溶液、酒石酸溶液等）。
旋光效应
法拉第效应VS旋光效应
法拉第效应的旋光特点：法拉第效应的旋光方向决定于 外加磁场方向，与光的传播方向无关，即法拉第效应具
有不可逆性。
正向通过 ：
反向通过 ： 如果线偏振光往返一次通过磁光物质，振动面旋 转过2
法拉第效应VS旋光效应
与自然旋光效应类似，法拉第效应含有旋光 色散，即费尔德常数 随波长 而变。一束白色线 偏振光穿过磁致旋光物质，紫光的振动面要比红
效应或磁致旋光效应。
法拉第效应
设θ为偏振光通过位于磁场中的物质后振动 面所转过的角度。根据量子理论，法拉第效应中 偏振面转过的角度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： θ=VBL
式中比例常数 V 叫做费尔德常数，费尔德常
数表征着物质的磁光特性，是物质的一种固有属
性。
旋光效应
法拉第效应
山东大学 2013级物理学院 沙松霖 温新宇
法拉第效应
1845年法拉第在探索电磁现象和光学现象之间的 联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介
质时，如果在介质中，沿光的传播方向加上一个磁场，
就会观察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
光振动面转过的角度大。这就是旋光色散。
实验表明，磁致旋光物质的费尔德常数 随
波长的增加而减小。旋光色散曲线又称法拉第旋
法拉第效应实验报告总结
一、实验背景法拉第效应是电磁学和光学领域中的一个重要现象，由英国物理学家迈克尔·法拉第于1845年发现。
当一束平面偏振光通过一个介质，并在此介质中加上一个沿光传播方向的磁场时，光的偏振面会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。
本实验旨在通过实验验证法拉第效应，并探究其影响因素。
二、实验目的1. 了解法拉第效应的原理和实验装置。
2. 通过实验验证法拉第效应的存在。
3. 探究法拉第效应的影响因素，如磁场强度、光波波长、介质材料等。
4. 熟悉实验数据处理方法，提高实验技能。
三、实验原理法拉第效应的实验原理基于法拉第旋光定律，即当一束平面偏振光通过介质时，如果沿光传播方向加上一个磁场，光的偏振面将发生旋转。
旋转角度与磁场强度、光波波长、介质材料等因素有关。
法拉第旋光定律可表示为：θ = V B l其中，θ为偏振面的旋转角度，V为法拉第常数，B为磁场强度，l为光在介质中传播的距离。
四、实验装置与步骤1. 实验装置：实验装置主要包括光源系统、磁场系统、样品介质、旋光角检测系统等。
2. 实验步骤：（1）将光源发出的光经过透镜聚焦后，通过单色仪选出特定波长的光。
（2）将选出的光通过起偏器成为平面偏振光。
（3）将平面偏振光通过电磁铁产生的磁场区域，观察偏振面旋转情况。
（4）调节磁场强度，记录不同磁场强度下偏振面的旋转角度。
（5）改变光波波长，重复步骤（3）和（4）。
（6）改变样品介质，重复步骤（3）和（4）。
五、实验结果与分析1. 实验结果表明，当一束平面偏振光通过介质并在此介质中加上一个沿光传播方向的磁场时，光的偏振面会发生旋转，验证了法拉第效应的存在。
2. 实验结果表明，法拉第效应的旋转角度与磁场强度成正比，符合法拉第旋光定律。
3. 实验结果表明，法拉第效应的旋转角度与光波波长成反比，即光波波长越长，旋转角度越小。
4. 实验结果表明，法拉第效应的旋转角度与样品介质材料有关，不同材料具有不同的法拉第常数。
2-3 法拉第效应
三、实验装置
四、实验内容
1. 接通灯源，调整各个部件，使之在同一轴线上（接通电源， 预热5分钟，使单色仪输出单色光） （1）调节氦氖激光器使光完全通过纵向放置的电磁铁中心的 小孔； （2）调节刻度盘高度，使光斑正好打在光电转换盒的通光孔 上，此时旋转刻度盘上的旋钮，可发现光度计读数发生变化； (3) 调数显表灵敏度旋钮在合适位置(顺时针增加，逆时针降 低)。灵敏度不同数显表数值跳动的快慢不同（注意：同一波 长下选用同一灵敏度）。 (4) 将检偏镜测角手轮顺时针旋到头后，再逆时针旋转两周， 按一下角度数显表的清零按钮，使角度显示值为零。 (5) 微动光电流数显表的调零旋钮，使其示值为零。 (6）调节样品测试台，并旋动测试台上的调节旋钮，使样品 缓慢转动升起，此时光应完全通过样品； (7) 旋动刻度盘上的按钮，改变刻度盘内偏振片的检偏方向。 转动刻度盘，找到光度计示值最小时的角度（此时激光器发 出的线偏振光的偏振方向与检偏方向垂直），通过游标盘读 取此时的角度Φ 1。
七、实验参考书和网站
• 吴思诚.王祖栓.近代物理实验讲义.北京大学出版社 （1995） • 华东师范大学近代物理实验讲义 • 网上资料 （/link?url=mTZM1pu6EHF4 HZEEODw0RFwclUvW5qVLL1kh_06LcZ6GTYPOyoTduq FoG7m187NForoYtNIsCNdy791ts35uFD8DPJ2YjjmsXzj MXQ59ivu） （/link?url=nLOrk4XG7Ri4W CalVAdyx3Unqq7Xl35P5jtlp_E0zkWWemGRJqsek7E_77HAVmann QslNL0xJ0shpuAVlPtL7EwXE_0S3PEr233whDguym）
（1）法拉第效应
8、磁光效应解析
8、磁光效应磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。
包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿- 穆顿效应等。
这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。
笔者认为这些磁光效应实验进一步说明光子具有电磁质量。
（一）、“法拉第效应”1845年M.法拉第发现，当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度“与磁感应强度B和光穿越介质的长度I的乘积成正比，即VBI，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。
偏转方向取决于介质性质和磁场方向。
上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。
该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；在光谱研究中，可借以得到关于激发能级的有关知识；在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段。
因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉穆尔进动，当光的传播方向相反时，偏振面旋转角方向不倒转，所以法拉第效应是非互易效应。
这种非互易的本质在微波和光的通信中是很重要的。
许多微波、光的隔离器、环行器、开关就是用旋转角大的磁性材料制作的。
“法拉第是很熟悉借助于偏振光来研究产生在透明固体中的协变的方法的。
他作了许多实验，希望发现偏振光在通过内部存在着电解导电或介电感应的媒质时所受到的某种作用。
然而他并没有能找到任何这种作用，尽管实验是用按照最适宜发现拉力的效应的方式装置起来的－－电力或电流和光线相垂直，并和偏振平面成45 度角。
法拉第用各种方式改变了实验，但是没有发现由电解电流或静电感应引起的对光的任何作用。
然而他在确立光和磁之间的关系方面却取得了成功，而他作到这一点的那些实验则描述在他的《实验研究》的第十九组中。
我们将把法拉第的发现取作我们有关磁的本性的进一步探索的出发点。
从而我们将描述一下他所观察到的现象。
一条平面偏振的光线从一种透明的抗磁性媒质中通过；当从媒质中出来时，用一个检偏器截断它的路程，以测定它的偏振面。
8、磁光效应汇总
8、磁光效应磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。
包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等。
这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。
笔者认为这些磁光效应实验进一步说明光子具有电磁质量。
（一）、“法拉第效应”1845年M.法拉第发现，当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ＝VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。
偏转方向取决于介质性质和磁场方向。
上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。
该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；在光谱研究中，可借以得到关于激发能级的有关知识；在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段。
因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉穆尔进动﹐当光的传播方向相反时﹐偏振面旋转角方向不倒转﹐所以法拉第效应是非互易效应。
这种非互易的本质在微波和光的通信中是很重要的。
许多微波﹑光的隔离器﹑环行器﹑开关就是用旋转角大的磁性材料制作的。
“法拉第是很熟悉借助于偏振光来研究产生在透明固体中的协变的方法的。
他作了许多实验，希望发现偏振光在通过内部存在着电解导电或介电感应的媒质时所受到的某种作用。
然而他并没有能找到任何这种作用，尽管实验是用按照最适宜发现拉力的效应的方式装置起来的－－电力或电流和光线相垂直，并和偏振平面成45度角。
法拉第用各种方式改变了实验，但是没有发现由电解电流或静电感应引起的对光的任何作用。
然而他在确立光和磁之间的关系方面却取得了成功，而他作到这一点的那些实验则描述在他的《实验研究》的第十九组中。
我们将把法拉第的发现取作我们有关磁的本性的进一步探索的出发点。
从而我们将描述一下他所观察到的现象。
一条平面偏振的光线从一种透明的抗磁性媒质中通过；当从媒质中出来时，用一个检偏器截断它的路程，以测定它的偏振面。
5、法拉第效应
5、法拉第效应1845年，法拉第在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果沿光的传播方向加上一个磁场，就会观察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，这种现象被称为法拉第效应。
法拉第效应又称磁致旋光效应。
研究发现，磁致旋光效应在非旋光的固体、液体和气体中都存在。
[10]磁致旋光效应的实验设置分为两部分：（1）一束平面偏振光穿过介质，（2）沿光的传播方向加上一个磁场。
这里首先需要说明的是平面偏振光的概念，所谓平面偏振光分为左旋偏振光和右旋偏振光，如果左、右旋偏振光合并在一起，复合光就会失去偏振性成为普通光。
也就是说，实验中采用的平面偏振光具有单一的偏振属性，不是左旋偏振光，就是右旋偏振光。
磁致旋光效应的关键是，磁场对偏振光的作用效应。
磁场是旋转的质量场，光是质量波，二者在本质上是相同的，因此，磁场能够对光波产生作用效应。
形象地说，磁场和光波都是质量场“旋涡”，光波在磁场中传播，其旋转方向必然与磁场的旋转方向保持一致。
以原子的磁场为例，原子M场为平面场，磁场方向通过右手定则判定。
核外电子在轨道跃迁过程中辐射出光波，光波M场的旋转方向与原子磁场的旋转方向相同。
当原子磁轴向上时，辐射光为右旋偏振波；当原子磁轴向下时，辐射光为左旋偏振波。
在偶极磁场中，磁力线方向为从N极到S极。
当光顺磁场方向传播时，为右旋偏振光；当光逆磁场方向传播时，为左旋偏振光。
从俯视角度看，面对N极，右旋偏振光的偏振方向呈发散状；面对S极，左旋偏振光的偏振方向呈收敛状。
如图所示：根据分子链模型，非旋光介质中含有左、右旋两种扭旋方向分子链，每条分子链只能传导一种性质的偏振光。
介质端口分子链M场与光波M场相衔接，原子磁轴向上的分子链，传导的是右旋偏振光，原子磁轴向下的分子链，传导的是左旋偏振光。
磁场中的平面偏振光具有单一的偏振属性——左旋或右旋，因而只能选择一种分子链传导过去，并随分子链的扭转而旋转，这就是法拉第效应。
法拉第效应
法拉第效应[摘要]本实验通过励磁电流产生磁场并测量了励磁电流和磁感应强度的关系；利用磁光调制倍频法测量了ZK2、ZF7、MR3玻璃的B -θ关系并根据它们的关系计算费尔德常数；根据法拉第旋光效应和自然旋光的不同，通过设计让偏振光往返两次通过样品测量其旋光角，验证法拉第效应的“旋光非互易性”。
关键词：法拉第效应、费尔德常数、磁光调制倍频法、旋光非互易性一、引言1845年英国物理学家法拉第发现原本没有旋光性的铅玻璃在磁场中出现了旋光性，这种磁致旋光现象被称为法拉第效应。
法拉第效应只是磁光效应的一种，磁光效应是描述在磁场的作用下，在具有固有磁矩的介质中传播的光其物理性质发生变化的现象。
法拉第效应的应用领域极其广泛。
它可以作为物质结构研究的手段，可以用来研究激发能级的有关信息，可以用来测量电路中的电流和磁场。
另外，法拉第效应的非互易性使得它在激光技术、光纤通信技术中获得重要应用。
本实验的目的是：通过实验理解法拉第效应的本质，掌握测量旋光角的基本方法，并测量几种不同类型材料的旋光角，同时学会计算费尔德常数。
二、实验原理1. 法拉第效应法拉第效应是指，当在光的传播方向上加上一个强磁场时，平面偏振光穿过处于该磁场中的样品后，其偏振面会偏振一个角度。
实验结果表明，光的偏振面旋转的角度F θ与其在介质中传播的距离l 及介质中磁感应强度在光传播方向上的分量B 成正比，即：Bl V d F )(λθ= （1） 上式中，比例系数)(λd V 为费尔德常数，由材料本身的性质和工作波长决定，表征物质的磁光特性。
法拉第效应与自然旋光不同。
由于在法拉第效应中，偏振面的旋转方向只由磁场的方向决定，光线往返一周，旋光角将倍增，这称为法拉第效应的“旋光非互易性”。
而自然旋光过程是可逆的，当光正反两次通过自然旋光物质时，其旋光角会相互抵消，总旋光角为零。
2. 法拉第效应的原理将一束平行于磁场方向传播的平面偏振光E 看作是两束等幅的左旋L E 和右旋R E 圆偏振光的叠加。
法拉第效应
我们计算的结果分别是1.6997×1011、 1.6443×1011、1.6674×1011、16759×1011，与标准值 1.7588×1011比较，相对误差为4.7％。
方法二
用这种方法的计算结果是1.7052×1011、 1.7084×1011、1.7966×1011、1.8909×1011、 1.9141×1011。平均值是1.8030×1011。和标准值 1.7588×1011比较，相对误差为2.5％.
Q&A
电子荷质比的计算
在实验测量各对应关系的范围内，适当选择合适
的Ф、λ、B及dn/dλ的值利用公式 e 2c
计算出电子荷质比。
m DB(dn d)
dn/dλ的计算：
① 利用布拉格衍射公式2d sin n 我们可以得到 折射率n和λ成反比关系。因此我们可以对n和
1/λ作拟合计算dn/dλ，来求荷质比。
认为是晶体。由布拉格衍射公式 2d sin n ，
则 dn 2d sin ，将其带入公式 DBe dn 得λ
d 2
2mc2 d
和Ф成反比关系，是一条曲线。由于在前面拟合 时，我们是人为将其拟合成二次函数曲线，在推 出公式后，可以认为λ和Ф是成反比关系。
利用分光计测样品的折射率
使用前的调整工作 关于读数的问题 比如： 白光196°12′和16°13′ 某光144°23′和356°42′ 涉及注意数据的处理！ 自准直法测量三棱镜的顶角
激磁电流与磁场的关系
旋光角与波长、磁场的关系数据
法拉第旋光角与磁场的关系
由这八条拟合曲线可以看出，随着磁感应强度的增大，法拉第旋光角 也增大，且近似为一条直线。对500.9nm的数据做线性拟合，得 y=0.0015x-1.2536，R²=0.9991；而对其作二次函数拟合，得到二次项 系数为10-8数量级，其二次函数最高点出现在几万Gs处，在实验室中 几乎无法用到这么大的磁场。因此B与Ф的关系可以看做正比关系。
磁光法拉第效应1846年法拉第发现平面偏振光
主要声光玻璃材料及其性能
2018/11/9 26
液态材料
液态材料主要是水、有机碘化物、溴化物。 水的品质因素较低，但声损耗小。其它一些 液态声光材料，尽管品质因素高，但声频损 耗过大，应用仅限于低频。
2018/11/9
27
液体声光材料特性
2018/11/9 28
声光材料－应用
优点: 二次电光系数大，Vλ/2值低，不吸潮。 缺点：不易获得大尺寸，光损伤阈值低。
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铁电性钙钛矿型晶体
包括铌酸锂（LiNbO3）、钽酸锂（LiTaO3）等。 优点: 电光系数大，易生长大尺寸，居里点高。 缺点： Vλ/2值高，光损伤阈值低。
闪锌矿型晶体
包括ZnS、ZnSe、ZnTe、GaAs、CuCl和Se等。 用于中远红外的电光器件。
20现照射到强 电磁铁表面上的直 线偏振光反射时， 其偏振面偏转角度 随磁场强度而变化， 这种现象称为磁光 克尔效应。
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法拉第效应与克尔效应虽同是磁与光之间的物 理效应，但二者的用法不同。 当实验光对磁光敏感功能材料具有较好的穿透 特性时，可应用法拉第效应制成敏感元器件；当实 验光不能穿透所用磁光材料，而只能在材料表面反 射时，则只能设法利用磁光克尔效应制成相应的敏 感元件。
这就是说这就是说一次电光效应只存在于不具有对称中心一次电光效应只存在于不具有对称中心的的2020类点群中类点群中432432点群不具有对称中心点群不具有对称中心但因对称但因对称性较高性较高仍无一次电光效应仍无一次电光效应故压电晶体一定具故压电晶体一定具有一次电光效应有一次电光效应而二次电光效应则存在于一切透而二次电光效应则存在于一切透明介质中明介质中
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研究表明，材料的折射率与所加电场E之间的 关系可以表示为
n=n0+aE+bE2+…
2018/11/9
1-1
其中n0为没加电场E时的折射率，a，b是常数。
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电光材料－电光效应
折射率的变化同电场强度有直线关系，称为普克尔 效应。 △n=n-n0=aE 如图所示，当压电晶体受 光照射并在与入射光垂直 的方向上加上高电压时， 晶体将呈现双折射现象， 这种现象称为普克尔效应。
这就是说，一次电光效应只存在于不具有对称中心 的20类点群中（432点群不具有对称中心，但因对称 性较高，仍无一次电光效应），故压电晶体一定具 有一次电光效应，而二次电光效应则存在于一切透 明介质中。
一次电光效应比二次电光效应显著的多，对于压电晶 体总是用其一次电光效应，利用二次电光效应的材料 主要是立方晶系材料和某些液体（如硝基苯）。它们 不具有一次电光效应，但二次电光效应较大。
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光调制分类
振幅调制 机械调制
按载波被信号 频率调制 改变的参量 位相调制
脉冲调制
电光调制
调制方法
磁光调制
声光调制 电源调制
内调制： 在激光振荡过程中加载调制信号
调制器与激 光器的关系
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外调制：激光形成以后加载调制信号
4
光调制材料
当激光束通过某些光学介质的时候，光 学介质的光学性质（如折射率）会发生显著 的变化，从而使通过介质的激光束的某些特 性（如相位）随之变化。这种能使激光束实 现调制的光学介质称为光调制材料。 根据不同的调制机理，光调制材料分为： 电光材料、磁光材料、声光材料和热光材料 等几种。
2018/11/9 9
电光材料－材料举例
电光材料要求：电光系数大、折射率高、半波电 压低、介电常数小（减小高频损耗）、使用的光 波段透光性好、温度稳定性好和化学稳定性好。
电光材料大部分是晶体，它们最重要的用途 是用于制造光调制元件及用于光偏转、可变谐振 滤波和电场的测定等方面。
2018/11/9
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电光材料－材料应用
如果在电光晶体上施加一个电压，由于电光效应 使光的振动方向发生偏转，于是开始有光输出。 随着施加电压大小的改变，光输出的大小也在变 化。当所加电压调到某一电压值使光振动方向偏 转到水平方向时，光输出达到最大，相当于快门 全部打开。这个电压称为半波电压。当晶体上施 加的电压为半波电压时，纵向振动的平面偏振光 通过晶体后，变成了水平振动的平面偏振光，从 而顺利地通过检偏片成为输出光。
优点: 二次电光系数大，Vλ/2值低，不吸潮。 缺点：不易获得大尺寸，光损伤阈值低。
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铁电性钙钛矿型晶体
包括铌酸锂（LiNbO3）、钽酸锂（LiTaO3）等。 优点: 电光系数大，易生长大尺寸，居里点高。 缺点： Vλ/2值高，光损伤阈值低。
闪锌矿型晶体
包括ZnS、ZnSe、ZnTe、GaAs、CuCl和Se等。 用于中远红外的电光器件。
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电光材料－电光效应
物质的光学特性受电场影响而发生变化的现象统 称为电光效应。外加电场可以使单折射物质（光学 各向同性）变为双折射物质（光学各向异性），也 可使本来就具有双折射的物质进一步改变其各向异 性性质，这类现象都属于电光效应。其中物质的折 射率受电场影响而发生改变的电光效应分为普克尔 效应和克尔效应。
10
KDP型晶体
包括磷酸二氢钾、磷酸二氘钾（KD*P）、磷酸二氢铵 （ADP）、砷酸二氢铯（CDA）、砷酸二氘铯（CD*A）、 砷酸二氢铷（RDA）、α-石英等。 KD*P: 光学均匀性好，在0.19~2.58μm波段透过率高， 容易获得大尺寸。 缺点：易潮解
立方钙钛矿型晶体
包括钽铌酸钾（KTN）、钛酸钡（BaTiO3）、钛酸锶 （SrTiO3）等。
钨青铜型晶体
包括Sr0.75Ba0.25Nb2O6（SBN）、K3Li2Nb5O15（KLN）等。 优点: 半波电压低、光损伤阈值高。 缺点： 组分不易控制，难以得到优质单晶。
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2018/11/9Fra bibliotek主要电光晶体及其性质
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电光材料－材料举例
陶瓷是将金属氧化物为主的粉末置于高温下烧 结而成的，它的显微结构由细小的晶粒所构成，由 于晶界的光散射，一般是接近于白色的不透明体。 但近年来由于陶瓷制造工艺的发展，出现了热压法、 微细粉末精制法等，可制成更致密的陶瓷，以及随 着添加剂研究的进展，成功地研制出致密的、可控 锆钛酸铅通常简称PZT陶瓷，属二元 系，是PbZrO3和PbTiO3PLZT 的固溶体， 制光的界面散射的透光性陶瓷，其代表是 陶瓷。
具有钙钛矿型结构 PLZT：指掺La的锆钛酸铅陶瓷，具 PLZT陶瓷材料可通过控制材料组成，自由地 有电光效应。在铁电陶瓷中，电畴状 调整其电光性质。由于陶瓷材料很容易制成任意形 态的变化伴随着光学性质的改变，通 状和大小的元件，故适合于大量生产和加工。与电 过外加电场对透明陶瓷电畴状态的控 制，可有电控双折射{细晶陶瓷}和电 光晶体相比，价格便宜，是一种性能优良的材料。 14 2018/11/9 控光散射{粗晶陶瓷}等特性。
电光材料－材料应用
电光效应最重要的应用是作电光快门。 从光源发出的自然光通过起偏片变成纵向振动的线偏振 光，如果电光晶体没有受外电场作用，这束偏振光通过晶体 时将不发生振动方向的偏转，即仍是纵向振动的线偏振光。 但检偏片只允许水平振动的偏振光通过，纵向振动的偏振光 不能通过，因而此时没有光输出．相当快门关闭。
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1-2
电光材料－电光效应
如果折射率的变化同电场平方有直线关系则称 克尔效应。 △ n= n-n0=bE2
1-3
它与普克尔效应的差别除表现在电场与物质 折射率的变化成二次方关系外，还表现在所用 的材料不是压电晶体，而是各向同性物质(有 时是液体)。
2018/11/9 8
具有对称中心的晶体，式（1-1）中的奇次项为零， 只存在偶次项； 不具有对称中心的晶体，式（1-1）中的所有各项均 不为零。
第七章 信息处理材料
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电光调制材料
声光调制材料
磁光调制材料
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激光调制技术
激光作为传递信息的有效工具，首先要解决的 问题就是如何将信息加载到激光辐射上去，也 就是要解决激光调制的问题。 • 激光调制：把欲传输的信息加载到激光辐射上的过程 • 激光调制器：完成激光调制过程的装置 • 解调：由已调制的激光辐射还原出所加载信息的过程 • 载波：携载低频信号作用的激光 • 调制信号：低频信号 • 调制光：已被调制的激光