法拉第效应的旋光角与样品介质的波长的关系物理专业论文

法拉第效应的旋光角与样品介质的波长的关系物理专业论文法拉第效应的旋光角与样品介质的波长的关系摘要AsisknowntoallFaradayEffectdemonstratestherelationbetweenlightandelectricmagnetism.InFaradayEffectpeopleoftenstudyFaradayEffect’sangleofrotation.InthisthesisitwilltellyousomethingaboutthetiesbetweenFaradayEffect’sangleofrotationandthewavelengthinthesample.IntheprocessofresearchBraggdiffractionlawwillbeused.Alltheformulaanddatausedinthethesiswillbedefined.关键词光学法拉第效应旋光角布拉格衍射方程引言1845年法拉第MichalFaraday发现玻璃在强磁场的作用下具有旋光性加在玻璃棒上的磁场引起了平行于磁场方向传播的线偏振光偏振面的旋转。此现象被称为法拉第效应。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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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。理论部分一、实验原理1.法拉第效应:法拉第效应是磁场引起介质折射率变化而产生的旋光现象实验结果表明光在磁场的作用下通过介质时光波偏振面转过的角度磁致旋光角与光在介质中通过的长度D及介质中磁感应强度在光传播方向上的分量B成正比即FVDB法拉第效应示意图式中V称为费尔德常数它表征物质的磁光特性。几点说明1几乎所有的物质都存在法拉第效应。在不同的物质偏振面旋转的方向可能不向。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V0反之称为负旋V0。V由物质和工作波长决定它表征物质的磁光特性。2对于每一种给定的物质法拉第旋转方向仅由磁场方向决定。而与光的传播方向无关不管传播方向与B同向或反向。这是法拉第磁光效应与某些物质的固有旋光效应的重要区别。固有旋光效应的旋光方向与光的传播方向有关。对固有旋光效应而言随着顺光线和逆光线方向观察线偏振光的振动和的旋向是相反的因此当光波往返两次穿过固有旋光物质时则会一次沿某一方向旋转另一次沿相反方向旋转结果是振动面复位即振动面没有旋转。而法拉第效应则不然在磁场方向不变的情况下光线往返穿过磁致旋光物质时法拉第转角将加倍即转角为2。利用法拉第旋向与光传播方向无关这一特性可令光线在介质中往返数次从而使效应加强。3与固有旋光效应类此法拉第效应包有旋光色散即费尔德常数V随波长λ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先振动面转过的角度大。这就是旋光色散。2.法拉第效应的旋光角一束平面偏振光可以分解为两个同频率等振幅的左旋和右旋圆偏振光。设线偏振光的电矢量的E角频率为可以把E看作左旋圆偏振光LE和右旋圆偏振光RE之和通过磁场中的磁性物质以下简称为介质时LE的传播速度为LRE的传播速度为R。通过长度D的介质后LE与RE之间产生相位差LRLRLRnnCDvDvDtt式中Rt、Rn为RE光通过介质的时间和折射率Lt、Ln为LE光通过介质的时间和折射率C为真空中的速度。出射介质和线偏振光相对于入射介质前的线偏振光转过一个角度22LRFnnCDF即为法拉第效应的旋光角。3.法拉第效应旋光角的计算由量子理论可知介质原子的轨道电子具有磁矩Lme2式中e、m为电子电荷和质量。L为电子轨道角动量。在磁场B的作用下电子磁矩具有位能电磁铁电源放大器数显表透镜光源电磁铁法拉第效应测试仪结构示意图BLmeBBLmeB22式中BL为L在磁场方向的分量。在磁场的作用下当左旋圆偏振光通过样品时光把电子从基态激发到较高能级跃迁时轨道电子吸收光的角动量电子的能级结构不变只是位能增加了meBLmeBBL22可以认为用能量为的左旋圆偏振光子激发电子电子在磁场中的能级结构与用能量为L的光子激发电子时电子在没有磁场时的能级结构相同即Llnn或写作meBddnnddnnnnLLL2对于右旋圆偏振光类似的推导可得2meBRmeBddnnnR2则ddnmeBnnLRDBVDBddnmCeddnmCDeBF22式中ddnmCeV2称为费尔德常数。它反映了介质材料的一方面特性。式6-7-4适用于国际单位制B的单位是T特斯拉6-7-4就是计算法拉第效应旋光角的公式它表示旋光角与1T1Wb/m2104GS高斯。式磁场强度及介质长度成正比且与入射光波长及介质的色散有关。二、仪器结构实验部分一、实验内容1.预热接通仪器电源及白炽灯电源预热十分钟后将光波长读数手轮置于待测位置。2.调节起偏器与检偏器相互垂直在B0的情况下转动角度读数手轮使角度盘“0”刻线与游标“0”线对齐转动起偏器使数显表示值达到最小这时即满足起偏器垂直于检偏器。3.灵敏度调节在上述状态下再略微转动起偏器使数显表读数有一微小变化末位增加5-10此时调节调零电位器使数显值最小以此最为零点。4.测量旋光角调节激磁电流使B达到预定值此时数显表示值已发生显著变化转动检偏角度盘手轮使数显表示值回到最小点这时的角度盘及游标上的示值即为待测的旋光角的数值。5.去掉磁场时数显表示值又发生变化再调节角度盘手轮使数显表示值回到最小点以进行下一步测量。二、实验数据取λ500nm作出B-关系曲线。取B4000GS作出λ-关系曲线。实验结果与讨论首先观察B-关系曲线所做的二次函数拟合中其二次项系数为10-8数量级这是一个相对比较小的量另外我们发现二次函数的最高点出现在几万GS处即几T处在实验室中几乎无法用到如此大的磁场因此二次函数退化为一次函数由于常数项也较小B-关系可近似看作是正比关系这与式22DBednmcd符合较好。再观察λ-关系曲线所做的二次函数拟合中其二次项系数为10-5数量级相对较大而无法忽略因此λ-关系更接近与曲线而非直线。由22DBednmcd式并不能够直接得到λ-关系因为与λ和dnd均有密切关系。下面我们尝试求出λ-关系。在实验中所采用的是ZF6为重火石玻璃样品介质可以认为它是一种晶体。晶体中根据布拉格衍射方程2sindn这里我们假定光源的波长λ与样品介质晶格常数可比拟则22sindndd将其带入22DBednmcd得λ-关系为反比关系是一条曲线。由于在进行λ-关系拟合时我们是人为将其拟合为二次函数在推导出λ-的反比关系后我们可以认为λ-确实为反比关系当然布拉格衍射方程只是在一定情况下成立在其无法成立的情况下λ-关系将更为复杂。实验小结由于实验仪器缺少等客观原因实验中有一大部分内容无法进行。另外本实验的误差也许会比较大我认为误差主要来自以下几个方面首先是激磁电流的不稳定性导致磁场不稳定而且由于其调节范围比较大势必会造成读数不够精确。另一个导致实验误差较大的原因是角度数显表值一直在变化用肉眼观察 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 最小值难免会有误差。由于这个实验是新推出的相信以后它会逐步完善。参考文献1吴思诚、王祖铨.《近代物理实验》.北京大学出版社.北京:19952张天喆、董有尔.《近代物理实验》.科学出版社.北京:2004