FDMOCA磁光效应综合实验仪及实验讲义060624AWord版

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1、实验指导参考 TEACHERS GUIDEFD-MOC-A磁光效应综合实验仪中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司- 1 - / 49Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.FD-MOC-A 磁光效应综合实验仪实验指导一、简介1845年，法拉第（M.Faraday）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

2、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。 M.Faraday (1791-1876)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。如用于光纤通讯中的磁光隔离器，是应用法拉第效应中偏振面的旋转只取决于磁场的方向，而与光的传播方向无关，这样使光沿规定的方向通过同时阻挡反方向传播的光，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应用于激光多级放大和高分辨率的激光光谱，激光选模等技术中。在磁场测量方面，利用法拉第效应驰豫时间短的特点制成的磁光效应磁强计可

3、以测量脉冲强磁场、交变强磁场。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，可以测量几千安培的大电流和几兆伏的高压电流。 磁光调制主要应用于光偏振微小旋转角的测量技术，它是通过测量光束经过某种物质时偏振面的旋转角度来测量物质的活性，这种测量旋光的技术在科学研究、工业和医疗中有广泛的用途，在生物和化学领域以及新兴的生命科学领域中也是重要的测量手段。如物质的纯度控制、糖分测定；不对称合成化合物的纯度测定；制药业中的产物分析和纯度检测；医疗和生化中酶作用的研究；生命科学中研究核糖和核酸以及生命物质中左旋氨基酸的测量；人体血液中或尿液中糖份的测定等。据了解，目前已有许多国家规定在制药工业中，

4、必须对有效成分的旋光对映体进行分离，而不能把消旋物以一种纯药物来销售。在工业上，光偏振的测量技术可以实现物理的在线测量，食品工业中的制酒业、制糖业都需要实施监控以提高产品质量，在磁光物质的研制方面，光偏振旋转角的测量技术也有很重要的应用。二、实验原理（一）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及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量成正比，即： （1）比例系数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），为常数，即与磁场强

5、度有线性关系；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（）水589.31.31102二硫化碳589.34.17102轻火石玻璃589.33.17102重火石玻璃830.0810210102冕玻璃632.84.361027.27102石英632.84.83102磷素589.312.3102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

6、螺旋关系的称为“右旋”介质，其费尔德常数；反向旋转的称为“左旋”介质，费尔德常数。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

7、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随波长的增加而减小，如图2所示，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（二）法拉第效应的唯象解释 从光波在介质中传播的图象看，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。图3 法拉第效应的唯象解释如果磁场的作用是使右旋圆偏振光的传播速度和左旋圆偏振光的

8、传播速度不等，于是通过厚度为的介质后，便产生不同的相位滞后：, （2）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可以分解为图3-(a)所示两个旋转方向不同的圆偏振光和，通过介质后，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。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 （

9、3）所以 （4）由（2）式得： （5）当时，表示右旋；当时，表示左旋。假如和的差值正比于磁感应强度，由（5）式便可以得到法拉第效应公式（1）。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。(4)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，折射率和的不同，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

10、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 （6）式中是电子离开平衡位置的位移，和分别为电子的质量和电荷，是这个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

11、这些小的效应对于理解法拉第效应的主要特征并不重要。 假定入射光波场具有通常的简谐波的时间变化形式，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，因此式（6）可以写成 （7）式中，为电子共振频率。设磁场沿方向，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（7）写成分量形式 （8） （9）将（9）式乘并与式（8）式相加可得 （10）因此，电子振荡的复振幅为 （11）设单位体积内有个电子，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 （12）将（10）式代入（12）式得到 （13）令（称为回旋加速角频率），则 （1

12、4）由于，因此 （15）对于可见光，为（2.54.7）1015 ，当时，这种情况下式（15）可以表示为 （16）式中,为电子轨道磁矩在外磁场中经典拉莫尔（Larmor）进动频率。 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 （17）对比无磁场时的色散公式 （18）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。 实际上，通常,和相差甚微，近似有 （1

13、9）由（5）式得到 （20）将式（19）代入上式得到 （21）将式（16），（17），（18）代入上式得到 （22）由于，在上式的推导中略去了项。由式（18）得 （23）由式（22）和（23）可以得到 （24）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。（三）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： （25）式中，为起偏器同检偏器的透光轴之间夹角或时的输出光强。若在两个偏振器之间加一个由励磁线圈（调制线圈）、磁光

14、调制晶体和低频信号源组成的低频调制器，则调制励磁线圈所产生的正弦交变磁场，能够使磁光调制晶体产生交变的振动面转角，称为调制角幅度。此时输出光强由式（25）变为 （26）由式（26）可知，当一定时，输出光强仅随变化，因为是受交变磁场或信号电流控制的，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4 磁光调制装置根据倍角三角函数公式由式（26）可以得到 （27）显然，在的条件下，当时输出光强最大，即 （28）当时，输出光强最小，即 （29）定义光强的调制幅度： （30）由式（28）和（29）代入上式得到 （31）由上式可以看出，在调制角幅度一定的情况下，当起偏器

15、和检偏器透光轴夹角时，光强调制幅度最大， （32）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角放置，此时输出的调制光强由式（27）知 （33）当时，即起偏器和检偏器偏振方向正交时，输出的调制光强由式（26）知 （34）当，即起偏器和检偏器偏振方向平行时，输出的调制光强由式（26）知 （35） 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。当时，在示波器上观察到调制幅度最大的信号，当或，在示波器上可以观察到由式（34）和（35）决定的倍频信号。但是因为一般都很小，由式（34）和（35）可知，输出倍频信号的幅度分别接近于直流分

16、量0或。 以下介绍作为实验补充，对本公司生产的FD-MOC-A型磁光效应综合实验仪不作要求，需要进一步深入了解的老师和学生可以自行有选择的完成。 定义磁光调制器的光强调制深度 （36） 实验中，一般要求在位置时，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，时，磁光调制器输出最大光强，由式（33）知 （37）当，时，磁光调制器输出最小光强，由式（33）知 （38）由式（37）和（38）得 ，所以有 （39）调制角幅度为 （40）由式（39）和（40）可以知道，测得磁光调制器的调制角幅度，就可以确定磁光调制器的光强调制深度，由于随交变磁场的幅度连续可调，或者说随输入低频信号电流的幅度

17、连续可调，所以磁光调制器的光强调制深度连续可调。只要选定调制频率（如）和输入励磁电流，并在示波器上读出在状态下相应的和（以格为单位） 将读出的和值，代入式（39）和（40），即可以求出光强调制深度和调制角幅度。逐渐增大励磁电流测量不同磁场或电流下的和值，做出和曲线图，其饱和值即为对应的最大调制幅度和最大光强调制幅度。三、仪器结构FD-MOC-A磁光效应综合实验仪主要有导轨滑块光学部件、两个控制主机、直流可调稳压电源以及手提零件箱组成。另外实验时需要一台双踪示波器（选配件，用户根据需要另配）。其中一米长的光学导轨上有八个滑块，分别有激光器、起偏器、检偏器、测角器（含偏振片）、调制线圈、会聚透镜、

18、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。两个控制主机主要有五部分组成：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。1）特斯拉计及信号发生器面板说明如下：1调零旋钮2. 接特斯拉计探头 3. 调节调制信号的频率4. 调节调制信号的幅度5. 接示波器，观察调制信号6. 半导体激光器电源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2）光功率计和选频放大器面板说明如下：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

19、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. 光功率计表头显示四、仪器技术指标1仪器工作电压 DC220V10 50Hz2Hz2仪器工作环境 温度：040，相对湿度：90%3特斯拉计 量程：02.000T，分辨率：0.001T 量程：0200.0mT，分辨率：0.1mT4信号发生器 信号频率：500Hz，频率微调：8Hz 正弦波输出幅度：09V（有效值，连续可调）5光功率计 量程：02.000uW，分辨率0.001uW 量程：020.00uW，分辨率0.01uW 量程：0200.0uW，分辨率0.1uW 量程：02.000m

20、W，分辨率0.001mW6直流可调稳压电源 电压量程：030.0V，分辨率：0.1V 电流量程：05.00A，分辨率：0.01A7导轨（燕尾结构） 总长度：100mm，分辨率1mm8半导体激光器 工作电压：DC3V 输出波长：650nm 偏振性：部分偏振光 输出功率稳定度：5%光斑直径 ： 2mm（可调焦）9起偏器（检偏器） 转动角度：0360 角度分辨率：1 通光孔径：20mm10聚焦透镜 透镜焦距：157mm 通光孔径：30mm11测角器（检偏） 外盘转动角：0360 分辨率：1 测微头移动量程：010mm，分辨率：0.01mm12光电探测器 信号检测：硅光电池 可调光阑孔径：1.0mm、

21、1.5mm、2.0mm、2.5mm3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm、6.0mm13实验样品 样品A：法拉第旋光玻璃，长度：8mm左右，直径：6mm左右 样品B：冕玻璃，长度：20mm左右，直径：25mm左右五、实验内容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：消光法检测磁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。4磁光调制倍频法研究法拉第效应，精确测量不同样品的费尔德常数。六、实验过程1 电磁铁磁头中心磁场的测量1）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

22、铁相连，注意：一般情况下，电磁铁两线圈并联。2）调节两个磁头上端的固定螺丝，使两个磁头中心对准（验证标准为中心孔完全通光），并使磁头间隙为一定数值，如：20mm或者10mm。3）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。4）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。2正交消光法

23、测量法拉第效应实验1）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；2）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；3）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）；4）在磁头中间放入实验样品，样品共两种；5）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；6）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；7）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

24、偏器，使光功率计读数为最小，读取此时检偏器的角度，得到样品在该磁场下的偏转角；8）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，根据公式：，可以求出该样品的费尔德常数；9）教师可以根据实际需要，合理安排实验过程，比如可以采用改变电流方向求平均值的方法来测量偏转角；也可以通过改变励磁电流而改变中心磁场的场强，测量不同场强下的偏转角，以研究材料的磁光特性。3磁光调制实验1）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；2）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

25、大小，注意不要使调制信号变形,调节“频率”旋钮可微调调制信号的频率； 3）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；4）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；5）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；6）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；7）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

26、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。4磁光调制倍频法测量法拉第效应实验1）将半导体激光器、起偏器、透镜、电磁铁、调制线圈、有测微机构的检偏器、光电接收器依次放置在光学导轨上；2）在电磁铁磁头中间放入实验样品，将恒流电源与电磁铁相连，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；将激光器与主机上“3V输出”相连，调节激光器，使激光依次穿过各元件，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

27、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；3）用示波器观察基频信号，旋转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，微调检偏器的侧微器到可以观察到稳定的倍频信号，读取此时检偏器的角度；4）打开恒流电源，给样品加上恒定磁场，可看到倍频信号发生变化，调节检偏器的侧微器至再次看到稳定的倍频信号，读取此时检偏器的角度，得到样品在该磁场下的偏转角；5）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，根据公式：，可以求出该样品的费尔德

28、常数。七、实验数据例1 电磁铁中心磁场测量1) 大间隙条件下(20mm左右)实验条件：磁头间隙：19.36mm（冕玻璃样品的测量长度）；直流稳压电源：电压0V30V电流0A5A(连续可调)；励磁线圈连接方式：两线圈并联。测量数据如下：表2励磁电流I和磁场中心磁感应强度B数据记录(间隙19.36mm)励磁电流I(A)磁感应强度B(mT)励磁电流I(A)磁感应强度B(mT)励磁电流I(A)磁感应强度B(mT)0.0881.451402.702170.26251.581522.912230.34331.671603.062260.55541.811723.192300.83822.011863.43

29、2350.96942.181963.672401.131102.262013.872441.261232.372053.932451.361322.55212做二者的关系曲线得到：图9 励磁电流I与中心磁场磁感应强度B关系曲线从测量曲线上可以看出，在电流达到2A时，电磁铁磁头达到饱和，电流小于2A的情况下，励磁电流和中心磁感应强度较好的满足线性关系。结合励磁线圈线径及温升的关系，在两线圈并联的实验条件下，电流在2A以下调节使用，即单个线圈内通过的电流最好小于1A的条件。另外，通过拟合曲线可以得到，在线性范围内，磁头中心的磁感应强度B(单位：mT)和励磁电流I(单位：A)的关系为B=94.188

30、I+2.205,所以，在后续的实验中，保持磁头间隙为19.36mm的条件，只要测量所加的励磁电流，即可以求出对应的磁感应强度，而励磁电流可以通过直流稳压电源上数字面板表直接读出，这样给后面实验带来了方便。同样道理，在磁头间隙为10mm左右，即可以测量将另外一个实验样品正好放在磁头间时情况。2）小间隙条件下（10mm左右）实验条件：磁头间隙：10.00mm（旋光玻璃样品的测量长度）；直流稳压电源：电压0V30V电流0A5A(连续可调)；励磁线圈连接方式：两线圈并联。测量数据如下：表3 励磁电流I和磁场中心磁感应强度B数据记录(间隙10.00mm)励磁电流I(A)磁感应强度B(mT)励磁电流I(A

31、)磁感应强度B(mT)励磁电流I(A)磁感应强度B(mT)0.13271.122352.614310.25531.352782.824420.32661.442953.024520.491011.603263.204600.641331.843653.414690.731511.983843.654790.851772.123963.804840.931932.284093.854851.022112.43421做二者的关系曲线得到：图10 励磁电流I与中心磁场磁感应强度B关系曲线同样，从测量曲线上可以看出，在电流达到2A时，电磁铁磁头达到饱和，电流小于2A的情况下，励磁电流和中心磁感应强度较

32、好的满足线性关系。另外，通过拟合曲线可以得到，在线性范围内，磁头中心的磁感应强度B和励磁电流I的关系为B=197.2I+6.5251。（式中电流I单位为A，中心磁感应强度B单位为mT）。2 正交消光法测量法拉第效应实验（测量样品选择法拉第旋光玻璃）仪器连接如图6所示，图中透镜视光路调节情况，可以加进去，也可以不放。实验中测量样品选择法拉第旋光玻璃，即装有黑色金属外壳的实验样品（因为此样品的费尔德常数较大，实验现象比较明显）。另外起偏和检偏可以选择角度分辨率为的检偏器，也可以选择配有螺旋测微头的检偏器，这样可以精确测量偏转的角度。关于配有螺旋测微的检偏器，主要原理是将角位移转换为直线位移，因为每

33、台仪器的机械加工误差，实验时应该对其进行定标。定标过程如下：因为外转盘的最小刻度为，螺旋测微头的最小读数为0.01mm，因为在所测量的近似范围内，角位移和直线位移是线性的（关于这一点，实验者可以自行求证，这里不再详述）。所以只要找出对应外转盘转动或者时螺旋测微头所移动的距离，就可以找出测微头0.01mm对应的角位移是多少度或者多少分。笔者测量得到：外转盘角度测微头读数130o1.320150o7.540计算得出测微头移动0.01mm，对应转动角度1.9min。所以螺旋测微头10mm行程对应角度约为32 o。首先按照图6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

34、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。放入检偏器（或者装有偏振片的测角器），并将实验样品放入磁场中间（我们选择费尔德常数较大的法拉第旋光玻璃做样品，此时磁头间隙调节为10mm），调节检偏器到正交消光位置，此时输出光强最小，即光功率计输出数值最小，改变电流，可以看到光功率计数值增大，根据马吕斯定律知道，此时由于磁致旋光（法拉第效应），穿过样品的线偏振光的偏振面

35、发生了旋转，转动检偏器使光功率计输出数值重新达到最小，则检偏器转过的角度即为法拉第旋转角，根据公式（1），测量样品厚度和中心磁场强度,即可以求出样品的费尔德常数。实验测量，磁头间隙10mm，电流为I1.77A时，相对于未加磁场的情况，偏转角度为4.525mm（螺旋测微头移动距离）。所以根据前面电流磁感应强度测量公式：B=197.2I+6.5251，可以求出电流为1.77A时，对应磁感应强度B=355.6mT；又因为测微头移动0.01mm，对应转动角度1.9min，所以转动角度为859.8min。样品长度7.96mm，所以材料的费尔德常数:=30.410对比表1中的不同样品的费尔德常数，可以发现

36、我们所测量的样品的费尔德常数远远大于其他样品，所以在后面的磁光调制实验中，调制晶体就采用这种样品。3 磁光调制实验实验连接如图7所示，其中测角器可以换为检偏器，两者的共同点是都装有偏振片，不同点是检偏器的角度测量分辨率为1o,而测角器的角度分辨率比较高，从前面的测量中可以看出，其分辨率大致为1.9min。并且测角器可以粗调角度，也可以通过螺旋测微头进行微调。在输入光强及调制磁场幅度不变的情况下，转动检偏器，即改变的值，可以看到示波器上输出调制波形的变化如下：（1）检偏器转动到一定角度，磁光调制输出幅度最大，从原理部分可知，此时；如图11中上半部分。图11 调制输出波形随的变化（2）在光强输出接

37、近最大或者最小时，磁光调制幅度逐渐减小，即或者时，正弦波输出幅度逐渐减小，这也符合上面的理论推断。（3）当时，即起偏器和检偏器正交时，磁光调制输出幅度达到最小，如图11下半部分。（4）当磁光调制输出幅度达到最小时，将光电检测的信号接入主机面板上的“倍频”输入端，将连示波器的Q9线的一端也接入主机面板上的“倍频”输出端，可以看到倍频信号。即输入调制线圈的500Hz的正弦波，经过调制之后，从光电探测器中输出的是1000Hz的正弦波，当偏离消光位置时，可以看到，波形将发生畸变，逐渐由1000Hz的正弦波变为500Hz的正弦波，如图12所示。图12 调制输出波形的畸变将信号发生器的信号输出端也接入示波

38、器，通过李萨如图形观测，可以发现调制输出信号确实为信号发生器输出信号（输入调制线圈的信号）的两倍，如图13所示，这可以精确确定消光的位置，为后面倍频法测量样品费尔德常数做好准备。图13 调制输入信号和调制输出信号倍频点时的李萨如图由以上可见，实验和理论取得了很好的一致。4 磁光调制倍频法测量法拉第效应实验实验连接如图8所示，导轨上需要防止激光器、起偏器、透镜（看实际需要放置，目的是调节激光光斑的大小和改变光路）、电磁铁、调制线圈、测角器、探测器。控制元件需要两台磁光效应总和实验仪主机和稳压电源、双踪示波器。（1）首先放置激光器和电磁铁，调节激光器微调俯仰角和扭转角的调节螺丝，使激光斑完全穿过电

39、磁铁中心孔，其中激光斑的大小可以通过调节激光器前端的小透镜组使激光斑不至于发散角过大。（2）放入起偏器和调制线圈，使光斑正好穿过调制线圈中间的调制晶体，这一点非常重要，需要仔细调节，然后再放入测角器（或者检偏器）和探测器，调节探测器前端的可调孔光阑，使激光斑正好穿过并能够被光电接收器接收。（3）调节电磁铁的两个磁头，使其间隙正好放入冕玻璃样品，因为冕玻璃样品加工长度为20mm，所以此时磁头间隙也正好为20mm，这样可以测量励磁电流，根据实验1中测量得出的公式计算中心磁场的磁感应强度（线圈选择并联）。（4）将电流调节至0A，调节测角器，使示波器能够观察到倍频信号，这时可以直接观察正弦波信号，也可

40、以观察如图13所示的李萨如图形，（以下以观察李萨如图为例，观察正弦波的方法类似）精确调制倍频点，即使起偏器和检偏器完全正交。记录此时测角器螺旋测微头的读数。（5）增大电流至合适值，可以看到李萨如图发生变化，类似蝴蝶翅膀的图形不再对称，这说明偏离了消光点，即由于出现磁致旋光，检偏器和从电磁铁出射的光没有完全正交，调节测角器的测微头（说明：大角度调节测角器偏振片时可以旋转中间的固定器，小角度调节时调节螺旋测微头，这可以达到精确测量的目的），使李萨如图形重新出现完全对称，记录此时测微头的读数。这时测角器转过的角度即为加磁场后样品发生法拉第效应转过的角度。数据记录：测量样品：冕玻璃（长度20mm）电磁

41、铁线圈连接方式：并联改变电流测量对应角度得到：表4 励磁电流和测微器读数对应测量数据励磁电流（A）螺旋测微器读数（mm）0.006.8520.666.6181.016.4951.426.3181.896.202根据公式B=94.188I+2.205，又因为前面测量得出测微头移动0.01mm，对应转动角度1.9min，所以表4可以转化为：表5 磁场测量和对应测量旋转角度中心磁场磁感应强度(mT)偏转角度（min）64.44497.368136.0101180.2124作图得到：图14 倍频法测量偏转角和中心磁场磁感应强度之间关系曲线拟合得到曲线方程为：0.7037B+0.1736，其中旋转角单位

42、为min，磁感应强度B单位为mT，在误差允许范围内可以略去截距0.1736，即0.7037B，对比法拉第效应公式，将样品厚度带入求得冕玻璃样品的费尔德常数=。 同样的方法，可以将法拉第旋光玻璃样品放入磁场内测量其费尔德常数。七、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，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，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

43、均可以放置于磁场中间，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，这样可以减小外界杂散光的影响。5 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。6 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。7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。8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。上海复旦天欣科教仪器有限公司FD-M

44、OC-A 磁光效应综合实验仪装 箱 清 单您购买的产品与装箱单是否符合，请验收。日 期： 年 月 名 称数 量备 注1 实验主机贰 台2 直流稳压电源壹 台3 激光器壹 台装于手提零件箱内4 起偏器壹 台装于手提零件箱内5 检偏器壹 台装于手提零件箱内6 透镜壹 台装于手提零件箱内7 调制线圈壹 台装于手提零件箱内8 电磁铁壹 台9 测角器壹 台装于手提零件箱内10探测器壹 台装于手提零件箱内11导轨壹 根12滑块玐个13电源线叁根14实验样品贰个装于手提零件箱内15. 连接线柒根16. 特斯拉计探头壹个装于手提零件箱内17探头臂壹个装于手提零件箱内18说明书壹份18合格证壹份19. 装箱清单壹份 友情提示：方案范本是经验性极强的领域，本范文无法思考和涵盖全面，供参考!最好找专业人士起草或审核后使用。