法拉第磁光效应
法拉第磁光效应
法拉第磁光效应是一种通过外加电磁场方式产生旋光现象的实验现象，充分反应了光与物质之间的相互作用。磁光效应在许多领域都有着广泛应用，如强磁场测量、磁光材料等。
【实验目的】
了解法拉第磁光效应的基本规律；
学习掌握使用光传感器及虚拟仪器软件测量Verdet常数的方法。
【实验原理】
磁光效应是指光与磁场中的物质，或光与具有自发磁化强度的物质之间相互作用所产生的各种现象，主要包括法拉第效应、科顿—穆顿效应、克尔磁光效应、塞曼效应和光磁效应等。
线偏振光透过放置磁场中的物质，沿着（或逆着）磁场方向传播时，光的偏振面发生旋转的现象称为法拉第磁光效应，也称法拉第旋转或磁圆双折射效应,简记为MCB。一般材料中，法拉第旋转（用旋转角Δϕ表示）和样品长度l、磁感应强度B有以下关系
Δϕ=B⋅l⋅V
V是与物质性质、光的频率有关的常数,称为费尔德（Verde）常数。
观察法拉第效应的装置如下图所示，由起偏器P1产生线偏振光，光线穿过带孔的电磁铁，沿着（或逆着）磁场方向透过样品，当励磁线圈中没有电流（无磁场）时，使检偏器P2的偏振方向与P1正交，这时发生消光现象。这表明，振动面在样品中没有旋转，通过励磁电流产生强磁场后，则发现必须将P2的振动方向转过角ϕ，才出现消光，这表明，振动面在样品中转过了ϕ，这就是磁致旋光或法拉第效应。
用经典电子论处理介质色散的方法，可导出磁光效应的旋转角公式为： 图1 法拉第磁光效应
1ednλlB 2mdλ
dn其中：e、m为电子电荷和质量，λ为光波波长，为无磁场时介质的色散，B为磁场强dλΔϕ=−
度在光传播方向上的分量，l为晶体的长度。
上式表明，磁致旋光角的大小除了与晶体的长度、磁场的大小成正比，还与入射光的波长、介质的色散有密切关系。
在本实验中，我们需要测量的是磁致旋光角Δϕ与磁场B、入射光波长λ之间的关系。为了测量旋光角Δϕ，将检偏镜P2安装在旋转支架中，旋转支架由步进电机带动，可带动偏振镜作360度旋转。出射光线的光强由光强传感器测量，为了减少环境光线波动对测量结果的影响，测量时，光强信号经光传感器转换为电压信号后连接至数据采集卡，计算机控制检偏镜自动旋转，同时连续测量光强信号，绘制出I～ϕ曲线，从该曲线中可以方便地确定光线的偏振方向。
【实验仪器】
白炽灯 偏振片 线圈 高斯计 单色滤光片 光强传感器 测量软件
【实验内容】
1 实验装置调整
参考图2所示，安装各元件，连接可调直流电源至励磁线圈，在回路中需串联电流表以测量励磁电流。
①光源，前部支架可安装滤光片
③晶体
⑤检偏镜
⑦成像屏
⑨励磁线圈 ②起偏镜 ④透镜 ⑥透镜 ⑧可调直流电源
图2
实验装置
光路调节：首先将装置安装成没有偏振片②透镜④的方式。打开光源，调节光源和磁极使光线尽可能的通过磁极的孔，将晶体材料放在光路中，用两个磁极夹住它，但手不要碰到它透光面，然后将磁极固定住。在光路中放上透镜④。调节检偏镜⑤和透镜④的距离，使得成像屏上出现明亮的光斑。
2 测量I～B曲线，I为励磁线圈电流
拿开晶体材料，调节直流电源的输出电压，改变励磁电流，用电流表测量励磁电流大小，用高斯计测量两磁极间的磁场强度B，绘制I～B曲线。注意励磁电流最大不能超过10A。
3磁致旋光角Δϕ与磁场强度B的关系
在光源前支架上插上红色滤光片，将晶体材料放回到两个磁极间，将成像屏替换为光强传感器，仔细调整传感器的位置，使得出射光线尽可能地集中入射到光传感器的接受窗口中。
通过励磁电流选择适当的磁场，单击“开始测量”按钮，检偏镜开始自动旋转，同时开始连续测量光强，在软件界面上可看到绘制出的光强～角度曲线，检偏镜旋转一周后，软件会自动停止测量。保持励磁电流大小不变，改变其方向，使得磁场强度由＋B变为－B。再次单击“开始测量”按钮，绘制出另一条光强～角度曲线。由于磁场方向发生了反向，使得旋光角也产生了反向，两条光强～角度曲线之间的平移的角度即为2倍的旋光偏转角。
改变励磁电流，用同样方法测量不同磁场强度下的偏转角，绘制Δϕ～B曲线。
4 测量Verdet常数和入射光波长的关系
固定励磁电流不变，换用不同的滤光片，按照步骤3的方法测量旋光角。更换滤光片重复测量。根据测量结果计算Verdet常数。
可用的滤光片有：46805（λ=570nm），46809（λ=515nm），46811（λ=450nm），46813（λ=450nm）。
晶体材料长度l＝10mm