11061067_齐之平_法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进

北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 基础物理实验研究性报告 法拉第磁光效应以及 测量费尔德常数方法改进 第一作者 第二作者 学号,11061067 学号, 11061077 姓名,齐之平 姓名,邵帅 院系,计算机学院 院系,计算机学院 班级,110613班 班级,110641班 1 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 目录 摘要 .................................................................................................................. 3 Abstract ............................................................................................................ 3 一、实验重点。 ................................................................................................ 4 二、实验原理 ................................................................................................... 4 1(法拉第效应 .......................................................................................... 4 2(法拉第效应的唯象解释 ........................................................................ 5 3(磁光调制原理 ....................................................................................... 9 4(磁光调制器的光强调制深度 ............................................................... 10 三、仪器介绍 ................................................................................................. 11 四、实验内容 ................................................................................................. 13 1(电磁铁磁头中心磁场的测量(图7) .................................................. 13 2(正交消光法测量法拉第效应实验(图8) .......................................... 14 3(磁光调制实验(图9) ....................................................................... 15 五、注意事项。 .............................................................................................. 15 六、数据处理。 .............................................................................................. 16 1(电磁铁磁头中心磁场的测量 ............................................................... 16 2(正交消光法测量法拉第效应实验 ........................................................ 18 3(磁光调制实验 ..................................................................................... 18 六、数据分析及误差分析。 ............................................................................ 19 1、磁感应强度饱和原因分析。 ............................................................... 19 2、磁光调制实验实验现象分析 ............................................................... 19 3、实验中误差来源与分析 ...................................................................... 20 七、思考 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 ................................................................................................. 20 八、磁光效应的应用。 ................................................................................... 20 1、磁光调制器 ........................................................................................ 20 2、磁光隔离器 ........................................................................................ 20 3、磁光传感器 ........................................................................................ 21 4、磁光记录 ............................................................................................ 21 5、磁光环行器 ........................................................................................ 21 九、费尔德常数测量的第二种方法。 .............................................................. 22 1、由“思考题1”引发思考 ........................................................................ 22 2、改进后的实验步骤(图与图8相同) ................................................. 22 3、数据处理 ............................................................................................ 23 十、感想心得。 .............................................................................................. 23 2 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 摘要 当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向上加上一个磁场， 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。之后费尔德对许多介质的磁致旋光进行了研究，发 现了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。法拉第效应有许多重要的应用， 尤其在激光技术发展后，其应用价值越来越受到重视。 本文对依照实验要求进行法拉第磁光效应分析，费尔德常数测量、误差讨论以及 对冕玻璃费尔德常数测量方法的改进。 关键词:法拉第磁光效应 费尔德常数 Abstract When a beam of plane polarized light through the medium, if in the medium, along the direction of propagation of light, coupled with a magnetic field, the light will be observed after sample polarization plane around a point of view, the magnetic field make medium has the optical rotation, this phenomenon is called Faraday effect later. Faraday Effect for the first time shows the connection between the light and the electromagnetic phenomenon; promote the optical nature of the research. After for many medium magnetic field rotation was studied, and found the Faraday Effect is present in solid, liquid and gas. Faraday Effect has many important applications, especially in development of laser technology; its application is more and more attention. In this paper, according to the experiment requirement of Faraday magneto-optic effect analysis, the verdet constant measurement, the error is discussed as well as to the crown glass verdet constant measurement method improvement. 3 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 一、实验重点。 1.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。 2.法拉第效应实验:正交消光法检测法拉第旋光玻璃的费尔德常数。 3.磁光调制实验:熟悉磁光调制的原理，理解倍频法精确测定消光位置。 二、实验原理 1(法拉第效应 实验表明，在磁场不是非常强时，如图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: , =VBd (1式) 比例系数V由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔德(Verdet)常数。 费尔德常数V与磁光材料的性质有关，对于顺磁、弱磁和抗磁性材料(如重火石玻璃等)，V为常数，即与磁场强度B有线性关系;而对铁磁性或亚铁, 磁性材料(如YIG等立方晶体材料)，与B不是简单的线性关系。 , 图1 法拉第磁致旋光效应 表1为几种物质的费尔德常数。几乎所有物质(包括气体、液体、固体)都存在法拉第效应，不过一般都不显著。 表1 几种材料的费尔德常数(单位:弧分/特斯拉?厘米) 物质 ,(mm) V 2 水 589.3 1.3110， 2二硫化碳589.3 4.1710 ， 2轻火石玻璃 589.3 3.1710 ， 4 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 2210,1010 重火石玻璃 8，，830.0 22冕玻璃 4.3610,7.2710 632.8 ，， 2石英 632.8 4.8310 ， 2磷素 589.3 12.310 ， 不同的物质，偏振面旋转的方向也可能不同。习惯上规定，以顺着磁场观察偏振面旋转绕向与磁场方向满足右手螺旋关系的称为“右旋”介质，其费尔德常数V>0;反向旋转的称为“左旋”介质，费尔德常数V<0。 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(不管传播方向与磁场同向或者反向)，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，即随着顺光线和逆光线的方向观察，线偏振光的偏振面的旋转方向是相反的，因此当光线往返两次穿过固有旋光物质时，线偏振光的偏振面没有旋转。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，法拉第旋转角将加倍。利用这一特性，可以使光线在介质中往返数次，从而使旋转角度加大。这一性质使得磁光晶体在激光技术、光纤通信技术中获得重要应用。 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2)，旋光色散曲线又称为法拉第旋转谱。 图2 磁致旋光色散曲线 2(法拉第效应的唯象解释 从光波在介质中传播的图像看，法拉第效应可以做如下理解:一束平行于磁场方向传播的线偏振光，可以看作是两束等幅左旋和右旋圆偏振光的迭加。这里左旋和右旋是相对于磁场方向而言的。 如果磁场的作用是使右旋圆偏振光的传播速度c / n和左旋圆偏振光的传R d播速度c / n不等，于是通过厚度为的介质后，便产生不同的相位滞后: L ,,22,,ndnd,, ， (2式) RRLL,, 式中, 为真空中的波长。这里应注意，圆偏振光的相位即旋转电矢量的角位移;相位滞后即角位移倒转。在磁致旋光介质的入射截面上，入射线偏振光的电矢量E可以分解为图3(a)所示两个旋转方向不同的圆偏振光E和E，通过介质后，RL 5 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 它们的相位滞后不同，旋转方向也不同，在出射界面上，两个圆偏振光的旋转电矢量如图3(b)所示。 图3 法拉第效应的唯象解释 当光束射出介质后，左、右旋圆偏振光的速度又恢复一致，我们又可以将它们合成起来考虑，即仍为线偏振光。从图上容易看出，由介质射出后，两个圆偏振光的合成电矢量E的振动面相对于原来的振动面转过角度,，其大小可以由图3(b)直接看出，因为 ,,,,,，, (3式) RL 所以 1,,(,,,) (4式) RL2 由(2)式得 ,,,(n,n)d,,,d (5式) RLF, 当n> n时，, >0，表示右旋;当n< n时，, >0，表示左旋。假如nR LR LR和n的差值正比于磁感应强度B，由(5式)便可以得到法拉第效应公式(1式)。L ,,,(n,n)式中的为单位长度上的旋转角，称为比法拉第旋转。因为在铁磁FRL, 或者亚铁磁等强磁介质中，法拉第旋转角与外加磁场不是简单的正比关系，并且存在磁饱和，所以通常用比法拉第旋转, 的饱和值来表征法拉第效应的强弱。(5F 式)也反映出法拉第旋转角与通过波长, 有关，即存在旋光色散。 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n和n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RL 出了我们所要讨论的范围，具体理论可以查阅相关资料。 其实，从经典电动力学中的介质极化和色散的振子模型也可以得到法拉第效应的唯象理解。在这个模型中，把原子中被束缚的电子看做是一些偶极振子，把光波产生的极化和色散看作是这些振子在外场作用下做强迫振动的结果。现在除,B了光波以外，还有一个静磁场作用在电子上，于是电子的运动方程是 ,,2,,,drdr,, (6式) m，kr,,eE,e，B,,2dtdt,, ,r式中是电子离开平衡位置的位移，m和e分别为电子的质量和电荷， k是这个 6 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 偶极子的弹性恢复力。上式等号右边第一项是光波的电场对电子的作用，第二项是磁场作用于电子的洛仑兹力。为简化起见，略去了光波中磁场分量对电子的作用及电子振荡的阻尼(当入射光波长位于远离介质的共振吸收峰的透明区时成立)，因为这些小的效应对于理解法拉第效应的主要特征并不重要。 i,t假定入射光波场具有通常的简谐波的时间变化形式e，因为我们要求的特解是,i,t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e，因r 此式(6式)可以写成 ,,,,ee22(,,,)r，i,r，B,,E (7式) 0mm 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,,k/m0 i,ti,t播并且是右旋圆偏振光，用复数形式表示为E,Ee，iEe xy 将(7式)写成分量形式 ee,22(,)x，iBy,,E (8式) ,,x0mm ee,22(,)y,iBx,,E (9式) ,,y0mm 将(9式)乘并与(8式)相加可得 i ee,22(,)(x，iy)，B(x，iy),,(E，iE) (10式) ,,0xymm 因此，电子振荡的复振幅为 e (11式) x，iy,(E，iE)xy22,,,m(,)，eB0 ,,P,,Ner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 P,e,E0 ,,,itP,Ner,Ne(x，iy)e,,,,,, (12式) i,t,E,E,(E，iE)e00xy0 将(10式)代入(12式)得到 2,Nem/0 (13式) ,,e,22,，B,,0m 令,=eB/m(,称为回旋加速角频率)，则 cc 2,Ne/m0,, (14式) 22,，,,,,0c 2由于，因此 n,,/,,1，,0 7 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 2,Ne/m20n,1， (15式) R22,，,,,,c0 1511-1-1 对于可见光，,为(2.5-4.7)，10s，当B=1T时，,?1.7，10s<<,，这种 c情况下(15式)可以表示为 2,/Nem20,1，n (16式) R22(,，,),,L0 =/2=(e/2m)B,为电子轨道磁矩在外磁场中经典拉莫尔(Larmor)进动式中, ,Lc 频率。 若入射光改为左旋圆偏振光，结果只是使,前的符号改变，即有 L 2,/Nem20,1，n (17式) L22(,,,),,L0 对比无磁场时的色散公式 2,/Nem201n,， (18式) 22,,,0 可以看到两点:一是在外磁场的作用下，电子做受迫振动，振子的固有频率由,变成,?,，这正对应于吸收光谱的塞曼效应;二是由于,的变化导致了00L0 接近时，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,,0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。实际上，通常n、n和n相差甚微，近似有 LR 22nn,RLnn (19式) ,,LR2n 由(5式)得到 ,,,(n,n) (20式) RL,d 将(19式)代入上式得到 22,,nn,RL (21式) ,,d,2n 将(16式)、(17式)、(18式)代入上式得到 32,,1,Ne,,,B (22式) 2222d2,(,,)cmn,00 222由于，在上式的推导中略去了项。由(18式)得 ,,,,,LL 2,dnNe, (23式) 22,,dmn(,,,)00 由(22式)和(23式)可以得到 ,11,ednedn,,,,,,B,,,,,B (24式) 2,2,dcmdcmd 8 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 dn式中, 为观测波长，为介质在无磁场时的色散。在上述推导中，左旋和右旋d, 只是相对于磁场方向而言的，与光波的传播方向同磁场方向相同或相反无关。因此，法拉第效应便有与自然旋光现象完全不同的不可逆性。 3(磁光调制原理 根据马吕斯定律，如果不计光损耗，则通过起偏器，经检偏器输出的光强为 2 (25式) I,Icos,0 式中，I为起偏器同检偏器的透光轴之间夹角, =0或, =, 时的输出光强。若在0 两个偏振器之间加一个由励磁线圈(调制线圈)、磁光调制晶体和低频信号源组成的低频调制器(参见图4)，则调制励磁线圈所产生的正弦交变磁场B=Bsin,t，0能够使磁光调制晶体产生交变的振动面转角,= ,sin,t，,称为调制角幅度。00 图4 磁光调制装置 此时输出光强由(25式)变为 22 (26式) I,Icos(,，,),Icos(,，,sin,t)000 由(26式)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=isin,t控制的，从而使信号电流产生的光振动面旋转，转化为光0 的强度调制，这就是磁光调制的基本原理。 根据倍角三角函数公式由(26式)可以得到 1,,I,I1，cos2(,，,) (27式) 02 ,0,,，,,90显然，在的条件下，当,,,, 时输出光强最大，即 , I0,,I,1，cos2(,,,) (28式) max02 当,,,时，输出光强最小，即 , 9 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 I0,,I,1，cos2(,，,) (29式) min02 定义光强的调制幅度 A,I,I (30式) maxmin 由(28式)和(29式)代入上式得到 A,Isin2,sin2, (31式) 0 由上式可以看出，在调制角幅度一定的情况下，当起偏器和检偏器透光轴夹角,, ,=45:时，光强调制幅度最大 A,Isin2, (32式) max00 所以，在做磁光调制实验时，通常将起偏器和检偏器透光轴成45:角放置，此时输出的调制光强由(27式)知 I0,(1,sin2,) (33式) I,,,452 当,=90:时，即起偏器和检偏器偏振方向正交时，输出的调制光强由(26式)知 2I,Isin, (34式) ,0,,90 当,=0:，即起偏器和检偏器偏振方向平行时，输出的调制光强由(26式)知 2I,Icos, (35式) ,0,,0 若将输出的调制光强入射到硅光电池上，转换成光电流，在经过放大器放大输入示波器，就可以观察到被调制了的信号。当,=45:时，在示波器上观察到调制幅度最大的信号，当,=0:或,=90:，在示波器上可以观察到由(34式)和(35式)决定的倍频信号。但是因为一般都很小，由(34式)和(35式)可知，输出, 倍频信号的幅度分别接近于直流分量0或I。 0 4(磁光调制器的光强调制深度 磁光调制器的光强调制深度,定义为 I,Imaxmin, (36式) ,I，Imaxmin 实验中，一般要求在,=45:位置时，测量调制角幅度,和光强调制深度,，, 因为此时调制幅度最大。 当,=45:，,=-,时，磁光调制器输出最大光强，由(33式)知 , I0I,(1，sin2,) (37式) max02 当,=45:，,=+, 时，磁光调制器输出最小光强，由(33式)知 , I0I,(1,sin2,) (38式) min02 由(37式)和(38式)得 I-I =Isin2,，I+I =I maxmax00maxmax0 10 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 所以有 I,Imaxmin (39式) ,,,sin2,0I，Imaxmin 调制角幅度, 为 , 1I,I1,maxmin (40式) ,,sin02I，Imaxmin 由(39式)和(40式)可以知道，测得磁光调制器的调制角幅度，就可以确,, ，由于随交变磁场B的幅度B连续可调，或定磁光调制器的光强调制深度,,, m者说随输入低频信号电流的幅度i连续可调，所以磁光调制器的光强调制深度i00连续可调。只要选定调制频率f(如f=500Hz)和输入励磁电流i，并在示波器0上读出在,=45:状态下相应的I和I。 maxmin 将读出的I和I值，代入(39式)和(40式)，即可以求出光强调制深maxmin 度, 和调制角幅度,。逐渐增大励磁电流i测量不同磁场B或电流i下的I,000max和I值，做出,~i和, ~i曲线图，其饱和值即为对应的最大调制幅度(,)min, 000max和最大光强调制幅度,。 max 三、仪器介绍 FD-MOC-A磁光效应综合实验仪包括:导轨滑块光学部件、两个控制主机、直流可调稳压电源、双踪示波器。 光学元件的放置如图5所示，分别安装有激光器、起偏器、检偏器、测角器(含偏振片)、调制线圈、会聚透镜、探测器、电磁铁。直流可调稳压电源通过四根连接线与电磁铁相连，电磁铁既可以串连，也可以并联，具体连接方式及磁场方向可以通过特斯拉计测量确定。 图5 实验装置图 11 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 1(调零旋钮 2(接特斯拉计探头 3(调节信号频率 4(调节信号幅度 5(接示波器，观察调制信号 6(激光器电源 7(电源开关 8(调制信号输出，接调制线圈 9(特斯拉计测量数值显示面板 图6(a) 控制主机(特斯拉计) 两个控制主机共包括五部分:特斯拉计、调制信号发生器、激光器电源、光功率计和选频放大器。其中特斯拉计及信号发生器的面板如图6(a)所示，光功率计和选频放大器面板如图6(b)所示。 1(琴键换档开关 2(调零旋钮 3(基频信号输入端，接光电接收器 4(倍频信号输入端，接光电接收器 5(接示波器，观察基频信号 6(接示波器，观察倍频信号 7(电源开关 8(光功率计输入端，接光电接收器 9(光功率计表头显示 图6(b) 控制主机(光功率计) 12 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 四、实验内容 1(电磁铁磁头中心磁场的测量(图7) 电磁铁直流稳压电源 磁光效应综合实验仪FD-MOC-A 输出mT特斯拉计激光器信号发生器电源探头调零频率示波器幅度DC 3V 上海复旦天欣科教仪器有限公司 控制主机(特斯拉计) 图5 磁场测量装置连接示意图7 磁场测量实验装置连接示意 ? 将直流稳压电源的两输出端(“红”“黑”两端)用四根带红黑手枪插头的连接线与电磁铁相连，注意:一般情况下，电磁铁两线圈并联(应预先判断单个磁极的方向)。 ? 调节两个磁头上端的固定螺丝，使两个磁头中心对准(验证 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 为中心孔完全通光)，并使磁头间隙为一定数值，如:20mm或者10mm。 ? 将特斯拉计探头与装有特斯拉计的磁光效应综合实验仪主机对应五芯航空插座相连，另外一端通过探头臂固定在电磁铁上，并使探头处于两个磁头正中心，旋转探头方向，使磁力线垂直穿过探头前端的霍尔传感器，这样测量出的磁感应强度最大，对应特斯拉计此时测量最准确。 ? 调节直流稳压电源的电流调节电位器，使电流逐渐增大，并记录不同电流情况下的磁感应强度。然后列表画图分析电流,中心磁感应强度的线性变化区域，并分析磁感应强度饱和的原因。 13 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 2(正交消光法测量法拉第效应实验(图8) 激光器起偏器透镜电磁铁检偏器探测器 FD-MOC-A磁光效应综合实验仪FD-MOC-A磁光效应综合实验仪 输出输入mT特斯拉计信号发生器电源激光器光功率计信号输入选频放大电源DC 3V2uW20uW200uW2mW探头调零频率示波器幅度调零基频基频倍频倍频 上海复旦天欣科教仪器有限公司上海复旦天欣科教仪器有限公司 控制主机(特斯拉计)控制主机(光功率计)直流稳压电源 图8 正交消光法测量法拉第效应实验装置连接示意 ? 将半导体激光器、起偏器、透镜、电磁铁、检偏器、光电接收器依次放置在光学导轨上; ? 将半导体激光器与主机上“3V输出”相连，将光电接收器与光功率计的“输入”端相连; ? 将恒流电源与电磁铁相连(注意电磁铁两个线圈一般选择并联); ? 在磁头中间放入实验样品，样品共两种，这里选择费尔德常数比较大的法拉第旋光玻璃样品。 ? 调节激光器，使激光依次穿过起偏器、透镜、磁铁中心、样品、检偏器，并能够被光电接收器接收;连接光路和主机，先拿去检偏器，调节激光器，使激光斑正好入射进光电探测器(可以调节探测器前的光阑孔的大小，使激光完全入射进光电探测器)，转动起偏器，使光功率计输出数值最大(可以换档调节)，这样调节是因为，半导体激光器输出的是部分偏振光，所以实验前应该使起偏器的起偏方向和激光器的振动方向较强的方向一致，这样输出光强最大，以后的实验中就可以固定起偏器的方向。 ? 由于半导体激光器为部分偏振光，可调节起偏器来调节输入光强的大小;调节检偏器，使其与起偏器偏振方向正交，这时检测到的光信号为最小，读取此时检偏器的角度,; 1 ? 打开恒流电源，给样品加上恒定磁场，可看到光功率计读数增大，转动检偏器，使光功率计读数为最小，读取此时检偏器的角度,，得到样品在该磁场2 下的偏转角,=,-,; 21 ? 关掉半导体激光器，取下样品，用高斯计测量磁隙中心的磁感应强度B，用游标卡尺测量样品厚度d，根据公式:=VBd，可以求出该样品的费尔德常数, V。 14 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 3(磁光调制实验(图9) ? 将激光器、起偏器、调制线圈、检偏器、光电接收器依次放置在光学导轨上; ? 将主机上调制信号发生器部分的“示波器”端与示波器的“CH1”端相连，观察调制信号，调节“幅度”旋钮可调节调制信号的大小，注意不要使调制信号变形(即不失真),调节“频率”旋钮可微调调制信号的频率; ? 将激光器与主机上“3V输出”相连，调节激光器，使激光从调制线圈中心样品中穿过，并能够被光电接收器接收; ? 将调制线圈与主机上调制信号发生器部分的“输出”端用音频线相连; ? 将光电接收器与主机上信号输入部分的“基频”端相连;用Q9线连接选频放大部分的“基频”端与示波器的“CH2”端; ? 用示波器观察基频信号，调节调制信号发生器部分的“频率”旋钮，使基频信号最强，调节检偏器与起偏器的夹角，观察基频信号的变化; ? 调节检偏器到消光位置附近，将光电接收器与主机上信号输入部分的“倍频”端相连，同时将示波器的“CH2”端与选频放大部分的“倍频”端相连，调节调制信号发生器部分的“频率”旋钮，使倍频信号最强，微调检偏器，观察信号变化，当检偏器与起偏器正交时，即消光位置，可以观察到稳定的倍频信号。 激光器起偏器调制线圈测角器探测器 FD-MOC-A 磁光效应综合实验仪FD-MOC-A 磁光效应综合实验仪 输入输出mT光功率计特斯拉计信号输入信号发生器电源选频放大激光器电源探头频率调零示波器幅度DC 3V2uW20uW200uW2mW调零基频基频倍频倍频 上海复旦天欣科教仪器有限公司上海复旦天欣科教仪器有限公司 图7 磁光调制实验连接示意图9 磁光调制实验装置连接示意 五、注意事项。 1、实验时不要将直流的大光强信号直接输入进选频放大器，以避免对放大 器的损坏。 2、起偏器和检偏器都是两个装有偏振片的转盘，读数精度都为1:，仪器还 配有一个装有螺旋测微头的转盘，转盘中同样装有偏振片，其中外转盘的精 度也为1:，螺旋测微头的精度为0.01mm，测量范围为8mm，即将角位移 转化为直线位移，实现角度的精确测量。 3、实验仪的电磁铁的两个磁头间距可以调节，这样不同宽度的样品均可以 15 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 放置于磁场中间，并且实验中可以将手臂形特斯拉计探头固定架测量中心磁场的磁感应强度。 4、实验结束后，将实验样品及各元件取下，依次放入手提零件箱内。注意不要用手触摸样品的透光面。 5、样品及调制线圈内的磁光玻璃为易损件，人为损坏不在保修范围内，使用时应加倍小心。 6、实验时应注意直流稳压电源和电磁铁不要靠近示波器，因为电源里的变压器或者电磁铁产生的磁场会影响电子枪，引起示波器的不稳定。 7、用正交消光法测量样品费尔德常数时，必须注意加磁场后要求保证样品在磁场中的位置不发生变化，否则光路改变会影响到测量结果。 8、完成实验时，注意测量环境不要有大的振动，外界不要有大的光源光强变化。最好在暗室内完成相关实验。 六、数据处理。 1(电磁铁磁头中心磁场的测量 取磁头间隙为10cm，测出励磁电流I与中心磁场磁感应强度B关系曲线， 通过作图法分析线性范围，并求出B~I关系式。 表2磁头间隙为10cm励磁电流I与中心磁场磁感应强度B (A) B (mT) I (A) B (mT) I (A) B (mT) I 0 7 1.30 190 2.61 308 0.13 26 1.44 209 2.74 313 0.26 46 1.56 225 2.86 318 0.39 63 1.70 241 3.01 324 0.52 81 1.83 254 3.16 330 0.64 98 1.94 264 3.31 335 0.79 121 2.07 277 3.45 339 0.92 138 2.22 287 3.59 343 1.05 155 2.35 294 3.73 346 1.16 171 2.49 302 3.84 349 用EXCEL作图如下，看图可知线性范围约为0~1.9A。 16 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 图10 励磁电流与中心磁场磁感应强度关系曲线 因为其线性范围为0~1.9A，所以取数据中0~1.83A这15个数据进行一元 线性回归。 经过计算可得,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,则,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,, 所以B~I关系式为(其中I单位A，B单位mT) ,,,,,,,,,，,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,其相关系数,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 所以B~I关系式在这个范围内基本线性相关。 ,,,,,,不确定度,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,，,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,),,,,,,,,,,, ,, 17 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 2(正交消光法测量法拉第效应实验 测量法拉第旋光玻璃的费尔德常数V并计算不确定度。 实验数据:当,,,,,,,时，,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,, 当,,,,,,,时，代入,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,, ,,,,，,,,,,,,,,,,,,，,, ,,,,,),, ,,,,,,,,,,，,,,,, ,,,,不确定度,,,,,),,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,，,,，,, ,,,, 由于d为已知量，可视为u(d)极小，忽略。 ,,,,,,,,,,,,,,,，,,所以，经过计算,,,,,,,，,,，,, ,,,,,,,,, ,,,,,,，,, ,,,,,),, 所以法拉第旋光玻璃的费尔德常数如下(为左旋) ,,,,,,,,,,,,,,，,, ,,,,,),, 3(磁光调制实验 记录调制波形，根据磁光调制原理分析原因。 图11 基频时李萨如图形 18 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 图12 倍频时李萨如图形 六、数据分析及误差分析。 1、磁感应强度饱和原因分析。 电磁铁就是利用线圈通过电流产生的磁场来磁化铁芯的装置，铁芯在没有被磁化前可以看作是有许多小磁针随机取向的集合体，随着线圈磁场增强，小磁针的取向逐渐趋于一致，对外表现逐渐增强的磁感应强度，由于小磁针的数量是有限的，最终所有小磁针取向一致以后再加大线圈电流也不会使铁芯磁感应强度变大了，这就是趋于饱和的显现。 2、磁光调制实验实验现象分析 ,根据马吕斯定律，通过光强,,,,,,,可得，当,,,,或者,,,时，输出光, 强为,，当加入励磁线圈后，磁光调制晶体和倍频信号源组成倍频调制器，输出, ,光强,,,,,,,,，,,,,,,,，此时当,一定时，输出光强随,的改变而改变，从,, 而使得信号电流产生的光震动面旋转，转化成光的强度调制，有,,,,时， ,,,,,,,,,，当,,,,,时 , ,,,,,,,,,,,,,,,,,当,,,,,时，,,,,,,,。 ,, 19 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 3、实验中误差来源与分析 在实验一电磁铁磁头中心磁场的测量中，实验仪器和不正确的实验操作都可能产生实验误差。此外，如果在特斯拉计探头还没有正对在磁头中心就测量的话，测量B值也会小于理论值。后几个实验，误差主要来源于光导轨上各个器件位置是否摆放恰当，激光点是否水平通过与各个器件，这对于实验结果至关重要。 七、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, 答:铁磁材料的剩磁可以通过施加适当的反向磁场，或对其施加高温或振动而减弱或消失。 2、光电检测器前面有一个可调光阑，实验时可以调节合适的通光孔，通光孔的大小调节有何意义, 答:可以调节合适的通光孔，这样可以减小外界杂散光的影响。 3、正交消光法测量法拉第效应实验中采用的是旋光玻璃样品，如果费尔德常数较小的样品，则相同磁场下的偏转角的是变大还是减小, ,答:根据,,，如果V较小，则,减小。 ,, 八、磁光效应的应用。 随着磁光理论的逐步完善和大量磁光材料被研究合成，许多磁光器件被研制出来，如磁光调制器、磁光隔离器、磁光传感器、磁光环行器和磁光盘存储器等。 1、磁光调制器 磁光调制器是利用偏振光通过磁光介质，透射光的偏振面发生旋转来调制光束。磁光调制器的应用非常广泛，可作红外检测器的斩波器，可制成红外辐射高温计、高灵敏度偏振计等。磁光调制器的原理是将电信号先转换成与之对应的交变磁场，由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强等参数的目的。 2、磁光隔离器 随着光纤通信、光信息处理和磁光记录等 技术的高速发展，光源的稳定性就显得至关重要。各种反射光都会严重干扰光源的正常输出，从而影响了整个系 20 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 统的正常工作。光隔离器的工作原理:当光正向入射时，通过起偏器后成为线偏振光，再通过磁光介质与外磁场使光的偏振方向右旋45度，并恰好能通过与起偏器成45度放置的检偏器。而对于反向光，由检偏器射入的线偏振光经过放置介质时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向成90度，无法通过起偏器，从而实现正向通过，反向隔离的目的。 3、磁光传感器 现代工业的高速发展，对电网的输送和检测的要求更高。如今电测技术日趋成熟，由于电测技术具有精度高、便于微机相连实现自动实时处理等优点，已经广泛应用在电气量和非电气量的测量中。光纤电流传感器具有很好的绝缘性和抗干扰能力以及较高的测量精度，容易小型化。磁光效应传感器就是利用激光技术发展而成的高性能传感器。光纤电流传感器是根据法拉第效应原理，当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，光的偏振方向发生改变来实现传感器的功能。磁光效应传感器作为一种特定用途的传感器，能够在特定的环境中发挥自己的功能，也是一种非常重要的工业传感器。 4、磁光记录 磁光记录是近年来发展起来的高新技术，是存储技术的一大飞跃发展。磁光记录是目前最先进的信息存储技术，它兼有磁记录和光记录两者的优点，磁光记录兼有光记录的大容量和磁记录的可重写性。磁光存贮是通过激光的热效应，改变稀土非晶合金薄膜的磁化矢量的取向，产生磁化矢量垂直于膜面的磁畴，得用该磁畴进行信息的写入。改变施加的磁场方向，经过同一激光的作用后就可逐点擦除已被记录的信息。磁光记录的读出是利用磁光克尔效应对记录信号进行读出。 5、磁光环行器 随着光纤通信技术在通信领域的应用，具有不的非互易性和自光行进方向耦合端循环的磁光环行器被广泛应用于光纤通信技术中。利用环行器可在一根光纤内传输两个不同方向的信号，从而大大减小了系统的体积和成本。磁光环行器一般为四端环行器，光从端口1到2到3到4再回到1进行传输。四端环行器由一对偏振光分束器、全反射棱镜、45度石英旋转器、45度法拉第旋转器组成。随着时代的进行、科学技术的发展，对磁光特性的研究必将日益深入，新的磁光材料也会不断被发现，磁光学必将获得更大的发展，磁光材料、器件和测量技术将会展现出更广阔的应用空间。 21 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 九、费尔德常数测量的第二种方法。 1、由“思考题1”引发思考 看思考题1我们知道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。也就是说我们在不加电流时也可能有微小的磁场会对实验有一定的影响。如何避免这种情况发生,我们能否绕过不加电流时的情况而测量费尔德常数。我们组根据这一想法进行的探究。 观察公式,,,,,，其中V是常量，对于一个旋光玻璃，我们视d为常数，也就是说,与,成正比，那么,,,,,,,。 而我们最初的方法是第一步测量没有外加电流也就是B,0时的,，再加一,个外加磁场B，测量,,而,,,,,,，而,,,,,,,,。 ,,, 2、改进后的实验步骤(图与图8相同) ? 将半导体激光器、起偏器、透镜、电磁铁、检偏器、光电接收器依次放置在光学导轨上; ? 将半导体激光器与主机上“3V输出”相连，将光电接收器与光功率计的“输入”端相连; ? 将恒流电源与电磁铁相连(注意电磁铁两个线圈一般选择并联); ? 在磁头中间放入实验样品。 ? 调节激光器，使激光依次穿过起偏器、透镜、磁铁中心、样品、检偏器，并能够被光电接收器接收;连接光路和主机，先拿去检偏器，调节激光器，使激光斑正好入射进光电探测器(可以调节探测器前的光阑孔的大小，使激光完全入射进光电探测器)，转动起偏器，使光功率计输出数值最大(可以换档调节)，这样调节是因为，半导体激光器输出的是部分偏振光，所以实验前应该使起偏器的起偏方向和激光器的振动方向较强的方向一致，这样输出光强最大，以后的实验中就可以固定起偏器的方向。 ? 打开恒流电源，给样品加上恒定磁场，可看到光功率计读数增大，转动检偏器，使光功率计读数为最小，读取此时检偏器的角度。 ,1 ? 改变正负极方向，给样品加上反向恒定磁场可看到光功率计读数增大，转动检偏器，使光功率计读数为最小，读取此时检偏器的角度,，,,=,-,。 ，221 ? 关掉半导体激光器，取下样品，用高斯计测量磁隙中心的磁感应强度该变量B，用游标卡尺测量样品厚度d，根据公式:,,=V),Bd，可以求出该样品的费尔德常数V。 22 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077) 北航基础物理实验研究性报告——法拉第磁光效应以及测量费尔德常数方法改进 3、数据处理 ,,,,,,, ,,,,,,， ,,,,,, ,, 代入 ,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,, ,, , ,,,,，,,, ,,,,,,,,,，,, ,,,,,),, ,,,,,，,,,,,,,,，，,,,,, ,,, 不确定度与原方法一样,,,,,,,，,, ,,,,,),, , 所以,,(,,,,,,,,,)，,, ,,,,,),, 十、感想心得。 我们做实验的目的一方面是观察现象、实证定理、总结规律，更重要的一方面是要从中举一反三，感悟更多的知识，思考更多的方法，因此，此次研究性实验，我们在教学资料的指导下，改进了“正交消光法”这种方法测量结果不一这更准确，但我们也为它思考许久，也为我们以后对实验改进提了一个方向。最后我们还扩展知识，考虑了磁光效应的应用。 另外，最初以为较简单的这个实验，在真正认真细致的了解它的设计、数据的处理方法等等的时候出现了各种各样的问题，可见对于科学研究要有一种严谨的态度，不能认为“大概”是这样，“差不多”是这么多。最后一点感想就是，在撰写 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 的时候，出现了各种各样的问题，有各种各样我不懂的知识，这需要我一点点了解，边学习边研究，曾经有好多次都想放弃，但是面对困难无论是学术上的还是生活中的都要怀着乐观的心态，迎难而上～ 参考文献: [1] 李朝荣等. 基础物理实验[M ]. 北京:北京航空航天大学出版社，2010.190-194. [2] 郑贤利，赵越，杨永. 《高校实验室工作研究》总第112期 法拉第磁光效应测量费尔德常数的方法 [J]. 大学物理，2012年6月. 23 第一作者:齐之平(11061067) 第二作者:邵 帅(11061077)