1、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)參考TEACHERS GUIDEFD-MOC-A磁光效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)儀中國(guó).上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.FD-MOC-A 磁光效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)一、簡(jiǎn)介1845年，法拉第（M.Faraday）在探索電磁現(xiàn)象和光學(xué)現(xiàn)象之間的聯(lián)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)象：當(dāng)一束平面偏振光穿過介質(zhì)時(shí)，如果在介質(zhì)中，沿光的傳播方向上加上一個(gè)磁場(chǎng)，就會(huì)觀察到光經(jīng)過樣品后偏振面轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，即磁場(chǎng)使介質(zhì)具有了旋光性，這種現(xiàn)象后來就稱為法拉第效應(yīng)。法拉第效應(yīng)第一次顯示了光和電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系，促

2、進(jìn)了對(duì)光本性的研究。之后費(fèi)爾德（Verdet）對(duì)許多介質(zhì)的磁致旋光進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了法拉第效應(yīng)在固體、液體和氣體中都存在。M.Faraday (1791-1876)法拉第效應(yīng)有許多重要的應(yīng)用，尤其在激光技術(shù)發(fā)展后，其應(yīng)用價(jià)值越來越受到重視。如用于光纖通訊中的磁光隔離器，是應(yīng)用法拉第效應(yīng)中偏振面的旋轉(zhuǎn)只取決于磁場(chǎng)的方向，而與光的傳播方向無關(guān)，這樣使光沿規(guī)定的方向通過同時(shí)阻擋反方向傳播的光，從而減少光纖中器件表面反射光對(duì)光源的干擾；磁光隔離器也被廣泛應(yīng)用于激光多級(jí)放大和高分辨率的激光光譜，激光選模等技術(shù)中。在磁場(chǎng)測(cè)量方面，利用法拉第效應(yīng)馳豫時(shí)間短的特點(diǎn)制成的磁光效應(yīng)磁強(qiáng)計(jì)可以測(cè)量脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)、交變強(qiáng)

3、磁場(chǎng)。在電流測(cè)量方面，利用電流的磁效應(yīng)和光纖材料的法拉第效應(yīng)，可以測(cè)量幾千安培的大電流和幾兆伏的高壓電流。磁光調(diào)制主要應(yīng)用于光偏振微小旋轉(zhuǎn)角的測(cè)量技術(shù)，它是通過測(cè)量光束經(jīng)過某種物質(zhì)時(shí)偏振面的旋轉(zhuǎn)角度來測(cè)量物質(zhì)的活性，這種測(cè)量旋光的技術(shù)在科學(xué)研究、工業(yè)和醫(yī)療中有廣泛的用途，在生物和化學(xué)領(lǐng)域以及新興的生命科學(xué)領(lǐng)域中也是重要的測(cè)量手段。如物質(zhì)的純度控制、糖分測(cè)定；不對(duì)稱合成化合物的純度測(cè)定；制藥業(yè)中的產(chǎn)物分析和純度檢測(cè)；醫(yī)療和生化中酶作用的研究；生命科學(xué)中研究核糖和核酸以及生命物質(zhì)中左旋氨基酸的測(cè)量；人體血液中或尿液中糖份的測(cè)定等。據(jù)了解，目前已有許多國(guó)家規(guī)定在制藥工業(yè)中，必須對(duì)有效成分的旋光對(duì)映體

4、進(jìn)行分離，而不能把消旋物以一種純藥物來銷售。在工業(yè)上，光偏振的測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物理的在線測(cè)量，食品工業(yè)中的制酒業(yè)、制糖業(yè)都需要實(shí)施監(jiān)控以提高產(chǎn)品質(zhì)量，在磁光物質(zhì)的研制方面，光偏振旋轉(zhuǎn)角的測(cè)量技術(shù)也有很重要的應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理（一）法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明，在磁場(chǎng)不是非常強(qiáng)時(shí)，如圖1所示，偏振面旋轉(zhuǎn)的角度與光波在介質(zhì)中走過的路程及介質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度在光的傳播方向上的分量成正比，即：（1）比例系數(shù)由物質(zhì)和工作波長(zhǎng)決定，表征著物質(zhì)的磁光特性，這個(gè)系數(shù)稱為費(fèi)爾德（Verdet）常數(shù)。 費(fèi)爾德常數(shù)與磁光材料的性質(zhì)有關(guān)，對(duì)于順磁、弱磁和抗磁性材料（如重火石玻璃等），為常數(shù)，即與磁場(chǎng)強(qiáng)度有線性關(guān)系；而對(duì)鐵磁性或亞

5、鐵磁性材料（如YIG等立方晶體材料），與不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。圖1 法拉第磁致旋光效應(yīng)表1為幾種物質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)。幾乎所有物質(zhì)（包括氣體、液體、固體）都存在法拉第效應(yīng)，不過一般都不顯著。表1 幾種材料的費(fèi)爾德常數(shù)（單位:弧分/特斯拉厘米）物質(zhì)（）水589.31.31102二硫化碳589.34.17102輕火石玻璃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不同的物質(zhì)，偏振面旋轉(zhuǎn)的方向也可能不同。習(xí)慣上規(guī)定，以順著磁場(chǎng)觀察偏振面旋轉(zhuǎn)繞向與磁場(chǎng)方向滿足右手螺旋關(guān)系的稱為“右旋”介質(zhì)，

6、其費(fèi)爾德常數(shù)；反向旋轉(zhuǎn)的稱為“左旋”介質(zhì)，費(fèi)爾德常數(shù)。對(duì)于每一種給定的物質(zhì)，法拉第旋轉(zhuǎn)方向僅由磁場(chǎng)方向決定，而與光的傳播方向無關(guān)（不管傳播方向與磁場(chǎng)同向或者反向），這是法拉第磁光效應(yīng)與某些物質(zhì)的固有旋光效應(yīng)的重要區(qū)別。固有旋光效應(yīng)的旋光方向與光的傳播方向有關(guān)，即隨著順光線和逆光線的方向觀察，線偏振光的偏振面的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，因此當(dāng)光線往返兩次穿過固有旋光物質(zhì)時(shí)，線偏振光的偏振面沒有旋轉(zhuǎn)。而法拉第效應(yīng)則不然，在磁場(chǎng)方向不變的情況下，光線往返穿過磁致旋光物質(zhì)時(shí)，法拉第旋轉(zhuǎn)角將加倍。利用這一特性，可以使光線在介質(zhì)中往返數(shù)次，從而使旋轉(zhuǎn)角度加大。這一性質(zhì)使得磁光晶體在激光技術(shù)、光纖通信技術(shù)中獲得重要

7、應(yīng)用。與固有旋光效應(yīng)類似，法拉第效應(yīng)也有旋光色散，即費(fèi)爾德常數(shù)隨波長(zhǎng)而變，一束白色的線偏振光穿過磁致旋光介質(zhì)，則紫光的偏振面要比紅光的偏振面轉(zhuǎn)過的角度大，這就是旋光色散。實(shí)驗(yàn)表明，磁致旋光物質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)隨波長(zhǎng)的增加而減小，如圖2所示，旋光色散曲線又稱為法拉第旋轉(zhuǎn)譜。圖 2 磁致旋光色散曲線（二）法拉第效應(yīng)的唯象解釋從光波在介質(zhì)中傳播的圖象看，法拉第效應(yīng)可以做如下理解：一束平行于磁場(chǎng)方向傳播的線偏振光，可以看作是兩束等幅左旋和右旋圓偏振光的迭加。這里左旋和右旋是相對(duì)于磁場(chǎng)方向而言的。圖3 法拉第效應(yīng)的唯象解釋如果磁場(chǎng)的作用是使右旋圓偏振光的傳播速度和左旋圓偏振光的傳播速度不等，于是通過厚度為的

8、介質(zhì)后，便產(chǎn)生不同的相位滯后：, （2）式中為真空中的波長(zhǎng)。這里應(yīng)注意，圓偏振光的相位即旋轉(zhuǎn)電矢量的角位移；相位滯后即角位移倒轉(zhuǎn)。在磁致旋光介質(zhì)的入射截面上，入射線偏振光的電矢量可以分解為圖3-(a)所示兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向不同的圓偏振光和，通過介質(zhì)后，它們的相位滯后不同，旋轉(zhuǎn)方向也不同，在出射界面上，兩個(gè)圓偏振光的旋轉(zhuǎn)電矢量如圖3-(b)所示。當(dāng)光束射出介質(zhì)后，左、右旋圓偏振光的速度又恢復(fù)一致，我們又可以將它們合成起來考慮，即仍為線偏振光。從圖上容易看出，由介質(zhì)射出后，兩個(gè)圓偏振光的合成電矢量的振動(dòng)面相對(duì)于原來的振動(dòng)面轉(zhuǎn)過角度，其大小可以由圖3-(b)直接看出，因?yàn)椋?）所以（4）由（2）式得：（5

9、）當(dāng)時(shí)，表示右旋；當(dāng)時(shí)，表示左旋。假如和的差值正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度，由（5）式便可以得到法拉第效應(yīng)公式（1）。式中的為單位長(zhǎng)度上的旋轉(zhuǎn)角，稱為比法拉第旋轉(zhuǎn)。因?yàn)樵阼F磁或者亞鐵磁等強(qiáng)磁介質(zhì)中，法拉第旋轉(zhuǎn)角與外加磁場(chǎng)不是簡(jiǎn)單的正比關(guān)系，并且存在磁飽和，所以通常用比法拉第旋轉(zhuǎn)的飽和值來表征法拉第效應(yīng)的強(qiáng)弱。(4)式也反映出法拉第旋轉(zhuǎn)角與通過波長(zhǎng)有關(guān)，即存在旋光色散。 微觀上如何理解磁場(chǎng)會(huì)使左旋、右旋圓偏振光的折射率或傳播速度不同呢？上述解釋并沒有涉及這個(gè)本質(zhì)問題，所以稱為唯象理論。從本質(zhì)上講，折射率和的不同，應(yīng)歸結(jié)為在磁場(chǎng)作用下，原子能級(jí)及量子態(tài)的變化。這已經(jīng)超出了我們所要討論的范圍，具體理論可以查閱相

10、關(guān)資料。 其實(shí)，從經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)中的介質(zhì)極化和色散的振子模型也可以得到法拉第效應(yīng)的唯象理解。在這個(gè)模型中，把原子中被束縛的電子看做是一些偶極振子，把光波產(chǎn)生的極化和色散看作是這些振子在外場(chǎng)作用下做強(qiáng)迫振動(dòng)的結(jié)果。現(xiàn)在除了光波以外，還有一個(gè)靜磁場(chǎng)作用在電子上，于是電子的運(yùn)動(dòng)方程是（6）式中是電子離開平衡位置的位移，和分別為電子的質(zhì)量和電荷，是這個(gè)偶極子的彈性恢復(fù)力。上式等號(hào)右邊第一項(xiàng)是光波的電場(chǎng)對(duì)電子的作用，第二項(xiàng)是磁場(chǎng)作用于電子的洛侖茲力。為簡(jiǎn)化起見，略去了光波中磁場(chǎng)分量對(duì)電子的作用及電子振蕩的阻尼（當(dāng)入射光波長(zhǎng)位于遠(yuǎn)離介質(zhì)的共振吸收峰的透明區(qū)時(shí)成立），因?yàn)檫@些小的效應(yīng)對(duì)于理解法拉第效應(yīng)的主要特

11、征并不重要。 假定入射光波場(chǎng)具有通常的簡(jiǎn)諧波的時(shí)間變化形式，因?yàn)槲覀円蟮奶亟馐窃谕饧庸獠▓?chǎng)作用下受迫振動(dòng)的穩(wěn)定解，所以的時(shí)間變化形式也應(yīng)是，因此式（6）可以寫成（7）式中，為電子共振頻率。設(shè)磁場(chǎng)沿方向，又設(shè)光波也沿此方向傳播并且是右旋圓偏振光，用復(fù)數(shù)形式表示為將式（7）寫成分量形式（8）（9）將（9）式乘并與式（8）式相加可得（10）因此，電子振蕩的復(fù)振幅為（11）設(shè)單位體積內(nèi)有個(gè)電子，則介質(zhì)的電極化強(qiáng)度矢量。由宏觀電動(dòng)力學(xué)的物質(zhì)關(guān)系式（為有效的極化率張量）可得（12）將（10）式代入（12）式得到（13）令（稱為回旋加速角頻率），則（14）由于，因此（15）對(duì)于可見光，為（2.54.7）1

12、015 ，當(dāng)時(shí)，這種情況下式（15）可以表示為（16）式中,為電子軌道磁矩在外磁場(chǎng)中經(jīng)典拉莫爾（Larmor）進(jìn)動(dòng)頻率。 若入射光改為左旋圓偏振光，結(jié)果只是使前的符號(hào)改變，即有（17）對(duì)比無磁場(chǎng)時(shí)的色散公式（18）可以看到兩點(diǎn)：一是在外磁場(chǎng)的作用下，電子做受迫振動(dòng)，振子的固有頻率由變成，這正對(duì)應(yīng)于吸收光譜的塞曼效應(yīng)；二是由于的變化導(dǎo)致了折射率的變化，并且左旋和右旋圓偏振的變化是不相同的，尤其在接近時(shí)，差別更為突出，這便是法拉第效應(yīng)。由此看來，法拉第效應(yīng)和吸收光譜的塞曼效應(yīng)是起源于同一物理過程。 實(shí)際上，通常,和相差甚微，近似有（19）由（5）式得到（20）將式（19）代入上式得到（21）將式（

13、16），（17），（18）代入上式得到（22）由于，在上式的推導(dǎo)中略去了項(xiàng)。由式（18）得（23）由式（22）和（23）可以得到（24）式中為觀測(cè)波長(zhǎng)，為介質(zhì)在無磁場(chǎng)時(shí)的色散。在上述推導(dǎo)中，左旋和右旋只是相對(duì)于磁場(chǎng)方向而言的，與光波的傳播方向同磁場(chǎng)方向相同或相反無關(guān)。因此，法拉第效應(yīng)便有與自然旋光現(xiàn)象完全不同的不可逆性。（三）磁光調(diào)制原理 根據(jù)馬呂斯定律，如果不計(jì)光損耗，則通過起偏器，經(jīng)檢偏器輸出的光強(qiáng)為：（25）式中，為起偏器同檢偏器的透光軸之間夾角或時(shí)的輸出光強(qiáng)。若在兩個(gè)偏振器之間加一個(gè)由勵(lì)磁線圈（調(diào)制線圈）、磁光調(diào)制晶體和低頻信號(hào)源組成的低頻調(diào)制器，則調(diào)制勵(lì)磁線圈所產(chǎn)生的正弦交變磁場(chǎng)，能

14、夠使磁光調(diào)制晶體產(chǎn)生交變的振動(dòng)面轉(zhuǎn)角，稱為調(diào)制角幅度。此時(shí)輸出光強(qiáng)由式（25）變?yōu)椋?6）由式（26）可知，當(dāng)一定時(shí)，輸出光強(qiáng)僅隨變化，因?yàn)槭鞘芙蛔兇艌?chǎng)或信號(hào)電流控制的，從而使信號(hào)電流產(chǎn)生的光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化為光的強(qiáng)度調(diào)制，這就是磁光調(diào)制的基本原理。圖4 磁光調(diào)制裝置根據(jù)倍角三角函數(shù)公式由式（26）可以得到（27）顯然，在的條件下，當(dāng)時(shí)輸出光強(qiáng)最大，即（28）當(dāng)時(shí)，輸出光強(qiáng)最小，即（29）定義光強(qiáng)的調(diào)制幅度：（30）由式（28）和（29）代入上式得到（31）由上式可以看出，在調(diào)制角幅度一定的情況下，當(dāng)起偏器和檢偏器透光軸夾角時(shí)，光強(qiáng)調(diào)制幅度最大，（32）所以，在做磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)時(shí)，通常將起偏器和

15、檢偏器透光軸成角放置，此時(shí)輸出的調(diào)制光強(qiáng)由式（27）知（33）當(dāng)時(shí)，即起偏器和檢偏器偏振方向正交時(shí)，輸出的調(diào)制光強(qiáng)由式（26）知（34）當(dāng)，即起偏器和檢偏器偏振方向平行時(shí)，輸出的調(diào)制光強(qiáng)由式（26）知（35） 若將輸出的調(diào)制光強(qiáng)入射到硅光電池上，轉(zhuǎn)換成光電流，在經(jīng)過放大器放大輸入示波器，就可以觀察到被調(diào)制了的信號(hào)。當(dāng)時(shí)，在示波器上觀察到調(diào)制幅度最大的信號(hào)，當(dāng)或，在示波器上可以觀察到由式（34）和（35）決定的倍頻信號(hào)。但是因?yàn)橐话愣己苄。墒剑?4）和（35）可知，輸出倍頻信號(hào)的幅度分別接近于直流分量0或。 以下介紹作為實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充，對(duì)本公司生產(chǎn)的FD-MOC-A型磁光效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)儀不作要求，需要

16、進(jìn)一步深入了解的老師和學(xué)生可以自行有選擇的完成。 定義磁光調(diào)制器的光強(qiáng)調(diào)制深度（36） 實(shí)驗(yàn)中，一般要求在位置時(shí)，測(cè)量調(diào)制角幅度和光強(qiáng)調(diào)制深度，因?yàn)榇藭r(shí)調(diào)制幅度最大。 當(dāng)，時(shí)，磁光調(diào)制器輸出最大光強(qiáng)，由式（33）知（37）當(dāng)，時(shí)，磁光調(diào)制器輸出最小光強(qiáng)，由式（33）知（38）由式（37）和（38）得，所以有（39）調(diào)制角幅度為（40）由式（39）和（40）可以知道，測(cè)得磁光調(diào)制器的調(diào)制角幅度，就可以確定磁光調(diào)制器的光強(qiáng)調(diào)制深度，由于隨交變磁場(chǎng)的幅度連續(xù)可調(diào)，或者說隨輸入低頻信號(hào)電流的幅度連續(xù)可調(diào)，所以磁光調(diào)制器的光強(qiáng)調(diào)制深度連續(xù)可調(diào)。只要選定調(diào)制頻率（如）和輸入勵(lì)磁電流，并在示波器上讀出在狀態(tài)

17、下相應(yīng)的和（以格為單位） 將讀出的和值，代入式（39）和（40），即可以求出光強(qiáng)調(diào)制深度和調(diào)制角幅度。逐漸增大勵(lì)磁電流測(cè)量不同磁場(chǎng)或電流下的和值，做出和曲線圖，其飽和值即為對(duì)應(yīng)的最大調(diào)制幅度和最大光強(qiáng)調(diào)制幅度。三、儀器結(jié)構(gòu)FD-MOC-A磁光效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)儀主要有導(dǎo)軌滑塊光學(xué)部件、兩個(gè)控制主機(jī)、直流可調(diào)穩(wěn)壓電源以及手提零件箱組成。另外實(shí)驗(yàn)時(shí)需要一臺(tái)雙蹤示波器（選配件，用戶根據(jù)需要另配）。其中一米長(zhǎng)的光學(xué)導(dǎo)軌上有八個(gè)滑塊，分別有激光器、起偏器、檢偏器、測(cè)角器（含偏振片）、調(diào)制線圈、會(huì)聚透鏡、探測(cè)器、電磁鐵。直流可調(diào)穩(wěn)壓電源通過四根連接線與電磁鐵相連，電磁鐵既可以串連，也可以并聯(lián)，具體連接方式及磁場(chǎng)

18、方向可以通過特斯拉計(jì)測(cè)量確定。兩個(gè)控制主機(jī)主要有五部分組成：特斯拉計(jì)、調(diào)制信號(hào)發(fā)生器、激光器電源、光功率計(jì)和選頻放大器。1）特斯拉計(jì)及信號(hào)發(fā)生器面板說明如下：1調(diào)零旋鈕2. 接特斯拉計(jì)探頭 3.調(diào)節(jié)調(diào)制信號(hào)的頻率4. 調(diào)節(jié)調(diào)制信號(hào)的幅度5. 接示波器，觀察調(diào)制信號(hào)6.半導(dǎo)體激光器電源7.電源開關(guān)8.調(diào)制信號(hào)輸出，接調(diào)制線圈 9.特斯拉計(jì)測(cè)量數(shù)值顯示2）光功率計(jì)和選頻放大器面板說明如下：1. 琴鍵換檔開關(guān) 2. 調(diào)零旋鈕3.基頻信號(hào)輸入端，接光電接收器4.倍頻信號(hào)輸入端，接光電接收器5.接示波器，觀察基頻信號(hào) 6.接示波器，觀察倍頻信號(hào) 7. 電源開關(guān)8. 光功率計(jì)輸入端，接光電接收器9.光功率

19、計(jì)表頭顯示四、儀器技術(shù)指標(biāo)1儀器工作電壓 DC220V10 50Hz2Hz2儀器工作環(huán)境 溫度：040，相對(duì)濕度：90%3特斯拉計(jì) 量程：02.000T，分辨率：0.001T 量程：0200.0mT，分辨率：0.1mT4信號(hào)發(fā)生器 信號(hào)頻率：500Hz，頻率微調(diào)：8Hz 正弦波輸出幅度：09V（有效值，連續(xù)可調(diào)）5光功率計(jì) 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：02.000mW，分辨率0.001mW6直流可調(diào)穩(wěn)壓電源電壓量程：030.0V，分辨率：0.1V 電流量程：05.00A，分辨率：0.0

20、1A7導(dǎo)軌（燕尾結(jié)構(gòu)） 總長(zhǎng)度：100mm，分辨率1mm8半導(dǎo)體激光器 工作電壓：DC3V 輸出波長(zhǎng)：650nm 偏振性：部分偏振光 輸出功率穩(wěn)定度：5%光斑直徑 ： 2mm（可調(diào)焦）9起偏器（檢偏器） 轉(zhuǎn)動(dòng)角度：0360 角度分辨率：1 通光孔徑：20mm10聚焦透鏡透鏡焦距：157mm 通光孔徑：30mm11測(cè)角器（檢偏）外盤轉(zhuǎn)動(dòng)角：0360 分辨率：1 測(cè)微頭移動(dòng)量程：010mm，分辨率：0.01mm12光電探測(cè)器信號(hào)檢測(cè)：硅光電池 可調(diào)光闌孔徑：1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm、6.0mm13實(shí)驗(yàn)樣品 樣品A：法拉

21、第旋光玻璃，長(zhǎng)度：8mm左右，直徑：6mm左右 樣品B：冕玻璃，長(zhǎng)度：20mm左右，直徑：25mm左右五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1用特斯拉計(jì)測(cè)量電磁鐵磁頭中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度，分析線性范圍。2法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)：消光法檢測(cè)磁光玻璃的費(fèi)爾德常數(shù)。3磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)：熟悉磁光調(diào)制的原理，理解倍頻法精確測(cè)定消光位置。4磁光調(diào)制倍頻法研究法拉第效應(yīng)，精確測(cè)量不同樣品的費(fèi)爾德常數(shù)。六、實(shí)驗(yàn)過程1 電磁鐵磁頭中心磁場(chǎng)的測(cè)量1）將直流穩(wěn)壓電源的兩輸出端（“紅”“黑”兩端）用四根帶紅黑手槍插頭的連接線與電磁鐵相連，注意：一般情況下，電磁鐵兩線圈并聯(lián)。2）調(diào)節(jié)兩個(gè)磁頭上端的固定螺絲，使兩個(gè)磁頭中心對(duì)準(zhǔn)（驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)為中心孔完全通光），并使磁

22、頭間隙為一定數(shù)值，如：20mm或者10mm。3）將特斯拉計(jì)探頭與裝有特斯拉計(jì)的磁光效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)對(duì)應(yīng)五芯航空插座相連，另外一端通過探頭臂固定在電磁鐵上，并使探頭處于兩個(gè)磁頭正中心，旋轉(zhuǎn)探頭方向，使磁力線垂直穿過探頭前端的霍爾傳感器，這樣測(cè)量出的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，對(duì)應(yīng)特斯拉計(jì)此時(shí)測(cè)量最準(zhǔn)確。4）調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源的電流調(diào)節(jié)電位器，使電流逐漸增大，并記錄不同電流情況下的磁感應(yīng)強(qiáng)度。然后列表畫圖分析電流中心磁感應(yīng)強(qiáng)度的線性變化區(qū)域，并分析磁感應(yīng)強(qiáng)度飽和的原因。2正交消光法測(cè)量法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)1）將半導(dǎo)體激光器、起偏器、透鏡、電磁鐵、檢偏器、光電接收器依次放置在光學(xué)導(dǎo)軌上；2）將半導(dǎo)體激光器與主機(jī)上“3

23、V輸出”相連，將光電接收器與光功率計(jì)的“輸入”端相連；3）將恒流電源與電磁鐵相連（注意電磁鐵兩個(gè)線圈一般選擇并聯(lián)）；4）在磁頭中間放入實(shí)驗(yàn)樣品，樣品共兩種；5）調(diào)節(jié)激光器，使激光依次穿過起偏器、透鏡、磁鐵中心、樣品、檢偏器，并能夠被光電接收器接收；6）由于半導(dǎo)體激光器為部分偏振光，可調(diào)節(jié)起偏器來調(diào)節(jié)輸入光強(qiáng)的大小；調(diào)節(jié)檢偏器，使其與起偏器偏振方向正交，這時(shí)檢測(cè)到的光信號(hào)為最小，讀取此時(shí)檢偏器的角度；7）打開恒流電源，給樣品加上恒定磁場(chǎng)，可看到光功率計(jì)讀數(shù)增大，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，使光功率計(jì)讀數(shù)為最小，讀取此時(shí)檢偏器的角度，得到樣品在該磁場(chǎng)下的偏轉(zhuǎn)角；8）關(guān)掉半導(dǎo)體激光器，取下樣品，用高斯計(jì)測(cè)量磁隙中心

24、的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，用游標(biāo)卡尺測(cè)量樣品厚度，根據(jù)公式：，可以求出該樣品的費(fèi)爾德常數(shù)；9）教師可以根據(jù)實(shí)際需要，合理安排實(shí)驗(yàn)過程，比如可以采用改變電流方向求平均值的方法來測(cè)量偏轉(zhuǎn)角；也可以通過改變勵(lì)磁電流而改變中心磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)，測(cè)量不同場(chǎng)強(qiáng)下的偏轉(zhuǎn)角，以研究材料的磁光特性。3磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)1）將激光器、起偏器、調(diào)制線圈、檢偏器、光電接收器依次放置在光學(xué)導(dǎo)軌上；2）將主機(jī)上調(diào)制信號(hào)發(fā)生器部分的“示波器”端與示波器的“CH1”端相連，觀察調(diào)制信號(hào)，調(diào)節(jié)“幅度”旋鈕可調(diào)節(jié)調(diào)制信號(hào)的大小，注意不要使調(diào)制信號(hào)變形,調(diào)節(jié)“頻率”旋鈕可微調(diào)調(diào)制信號(hào)的頻率； 3）將激光器與主機(jī)上“3V輸出”相連，調(diào)節(jié)激光器，使激光從調(diào)

25、制線圈中心樣品中穿過，并能夠被光電接收器接收；4）將調(diào)制線圈與主機(jī)上調(diào)制信號(hào)發(fā)生器部分的“輸出”端用音頻線相連；5）將光電接收器與主機(jī)上信號(hào)輸入部分的“基頻”端相連；用Q9線連接選頻放大部分的“基頻”端與示波器的“CH2”端；6）用示波器觀察基頻信號(hào)，調(diào)節(jié)調(diào)制信號(hào)發(fā)生器部分的“頻率”旋鈕，使基頻信號(hào)最強(qiáng)，調(diào)節(jié)檢偏器與起偏器的夾角，觀察基頻信號(hào)的變化；7）調(diào)節(jié)檢偏器到消光位置附近，將光電接收器與主機(jī)上信號(hào)輸入部分的“倍頻”端相連，同時(shí)將示波器的“CH2”端與選頻放大部分的“倍頻”端相連，調(diào)節(jié)調(diào)制信號(hào)發(fā)生器部分的“頻率”旋鈕，使倍頻信號(hào)最強(qiáng)，微調(diào)檢偏器，觀察信號(hào)變化，當(dāng)檢偏器與起偏器正交時(shí)，即消光

26、位置，可以觀察到穩(wěn)定的倍頻信號(hào)。4磁光調(diào)制倍頻法測(cè)量法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)1）將半導(dǎo)體激光器、起偏器、透鏡、電磁鐵、調(diào)制線圈、有測(cè)微機(jī)構(gòu)的檢偏器、光電接收器依次放置在光學(xué)導(dǎo)軌上；2）在電磁鐵磁頭中間放入實(shí)驗(yàn)樣品，將恒流電源與電磁鐵相連，將主機(jī)上調(diào)制信號(hào)發(fā)生器部分的“示波器”端與示波器的“CH1”端相連；將激光器與主機(jī)上“3V輸出”相連，調(diào)節(jié)激光器，使激光依次穿過各元件，并能夠被光電接收器接收；將調(diào)制線圈與主機(jī)上調(diào)制信號(hào)發(fā)生器部分的“輸出”端用音頻線相連；將光電接收器與主機(jī)上信號(hào)輸入部分的“基頻”端相連；用Q9線連接選頻放大部分的“基頻”端與示波器的“CH2”端；3）用示波器觀察基頻信號(hào)，旋轉(zhuǎn)檢偏器到消

27、光位置附近，將光電接收器與主機(jī)上信號(hào)輸入部分的“倍頻”端相連，同時(shí)將示波器的“CH2”端與選頻放大部分的“倍頻”端相連，微調(diào)檢偏器的側(cè)微器到可以觀察到穩(wěn)定的倍頻信號(hào)，讀取此時(shí)檢偏器的角度；4）打開恒流電源，給樣品加上恒定磁場(chǎng)，可看到倍頻信號(hào)發(fā)生變化，調(diào)節(jié)檢偏器的側(cè)微器至再次看到穩(wěn)定的倍頻信號(hào)，讀取此時(shí)檢偏器的角度，得到樣品在該磁場(chǎng)下的偏轉(zhuǎn)角；5）關(guān)掉半導(dǎo)體激光器，取下樣品，用高斯計(jì)測(cè)量磁隙中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，用游標(biāo)卡尺測(cè)量樣品厚度，根據(jù)公式：，可以求出該樣品的費(fèi)爾德常數(shù)。七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例1 電磁鐵中心磁場(chǎng)測(cè)量1) 大間隙條件下(20mm左右)實(shí)驗(yàn)條件：磁頭間隙：19.36mm（冕玻璃樣品的測(cè)量長(zhǎng)

28、度）；直流穩(wěn)壓電源：電壓0V30V電流0A5A(連續(xù)可調(diào))；勵(lì)磁線圈連接方式：兩線圈并聯(lián)。測(cè)量數(shù)據(jù)如下：表2勵(lì)磁電流I和磁場(chǎng)中心磁感應(yīng)強(qiáng)度B數(shù)據(jù)記錄(間隙19.36mm)勵(lì)磁電流I(A)磁感應(yīng)強(qiáng)度B(mT)勵(lì)磁電流I(A)磁感應(yīng)強(qiáng)度B(mT)勵(lì)磁電流I(A)磁感應(yīng)強(qiáng)度B(mT)0.0881.451402.702170.26251.581522.912230.34331.671603.062260.55541.811723.192300.83822.011863.432350.96942.181963.672401.131102.262013.872441.261232.372053.93245

29、1.361322.55212做二者的關(guān)系曲線得到：圖9 勵(lì)磁電流I與中心磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B關(guān)系曲線從測(cè)量曲線上可以看出，在電流達(dá)到2A時(shí)，電磁鐵磁頭達(dá)到飽和，電流小于2A的情況下，勵(lì)磁電流和中心磁感應(yīng)強(qiáng)度較好的滿足線性關(guān)系。結(jié)合勵(lì)磁線圈線徑及溫升的關(guān)系，在兩線圈并聯(lián)的實(shí)驗(yàn)條件下，電流在2A以下調(diào)節(jié)使用，即單個(gè)線圈內(nèi)通過的電流最好小于1A的條件。另外，通過擬合曲線可以得到，在線性范圍內(nèi)，磁頭中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度B(單位：mT)和勵(lì)磁電流I(單位：A)的關(guān)系為B=94.188I+2.205,所以，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，保持磁頭間隙為19.36mm的條件，只要測(cè)量所加的勵(lì)磁電流，即可以求出對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，而勵(lì)

30、磁電流可以通過直流穩(wěn)壓電源上數(shù)字面板表直接讀出，這樣給后面實(shí)驗(yàn)帶來了方便。同樣道理，在磁頭間隙為10mm左右，即可以測(cè)量將另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品正好放在磁頭間時(shí)情況。2）小間隙條件下（10mm左右）實(shí)驗(yàn)條件：磁頭間隙：10.00mm（旋光玻璃樣品的測(cè)量長(zhǎng)度）；直流穩(wěn)壓電源：電壓0V30V電流0A5A(連續(xù)可調(diào))；勵(lì)磁線圈連接方式：兩線圈并聯(lián)。測(cè)量數(shù)據(jù)如下：表3 勵(lì)磁電流I和磁場(chǎng)中心磁感應(yīng)強(qiáng)度B數(shù)據(jù)記錄(間隙10.00mm)勵(lì)磁電流I(A)磁感應(yīng)強(qiáng)度B(mT)勵(lì)磁電流I(A)磁感應(yīng)強(qiáng)度B(mT)勵(lì)磁電流I(A)磁感應(yīng)強(qiáng)度B(mT)0.13271.122352.614310.25531.352782.8

31、24420.32661.442953.024520.491011.603263.204600.641331.843653.414690.731511.983843.654790.851772.123963.804840.931932.284093.854851.022112.43421做二者的關(guān)系曲線得到：圖10 勵(lì)磁電流I與中心磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B關(guān)系曲線同樣，從測(cè)量曲線上可以看出，在電流達(dá)到2A時(shí)，電磁鐵磁頭達(dá)到飽和，電流小于2A的情況下，勵(lì)磁電流和中心磁感應(yīng)強(qiáng)度較好的滿足線性關(guān)系。另外，通過擬合曲線可以得到，在線性范圍內(nèi)，磁頭中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和勵(lì)磁電流I的關(guān)系為B=197.2I+6.525

32、1。（式中電流I單位為A，中心磁感應(yīng)強(qiáng)度B單位為mT）。2 正交消光法測(cè)量法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)（測(cè)量樣品選擇法拉第旋光玻璃）儀器連接如圖6所示，圖中透鏡視光路調(diào)節(jié)情況，可以加進(jìn)去，也可以不放。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量樣品選擇法拉第旋光玻璃，即裝有黑色金屬外殼的實(shí)驗(yàn)樣品（因?yàn)榇藰悠返馁M(fèi)爾德常數(shù)較大，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較明顯）。另外起偏和檢偏可以選擇角度分辨率為的檢偏器，也可以選擇配有螺旋測(cè)微頭的檢偏器，這樣可以精確測(cè)量偏轉(zhuǎn)的角度。關(guān)于配有螺旋測(cè)微的檢偏器，主要原理是將角位移轉(zhuǎn)換為直線位移，因?yàn)槊颗_(tái)儀器的機(jī)械加工誤差，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行定標(biāo)。定標(biāo)過程如下：因?yàn)橥廪D(zhuǎn)盤的最小刻度為，螺旋測(cè)微頭的最小讀數(shù)為0.01mm，因?yàn)樵谒鶞y(cè)

33、量的近似范圍內(nèi)，角位移和直線位移是線性的（關(guān)于這一點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)者可以自行求證，這里不再詳述）。所以只要找出對(duì)應(yīng)外轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)或者時(shí)螺旋測(cè)微頭所移動(dòng)的距離，就可以找出測(cè)微頭0.01mm對(duì)應(yīng)的角位移是多少度或者多少分。筆者測(cè)量得到：外轉(zhuǎn)盤角度測(cè)微頭讀數(shù)130o1.320150o7.540計(jì)算得出測(cè)微頭移動(dòng)0.01mm，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度1.9min。所以螺旋測(cè)微頭10mm行程對(duì)應(yīng)角度約為32o。首先按照?qǐng)D6連接光路和主機(jī)，先拿去檢偏器，調(diào)節(jié)激光器，使激光斑正好入射進(jìn)光電探測(cè)器（可以調(diào)節(jié)探測(cè)器前的光闌孔的大小，使激光完全入射進(jìn)光電探測(cè)器），轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器，使光功率計(jì)輸出數(shù)值最大（可以換檔調(diào)節(jié)），這樣調(diào)節(jié)是因?yàn)椋雽?dǎo)體

34、激光器輸出的是部分偏振光，所以實(shí)驗(yàn)前應(yīng)該使起偏器的起偏方向和激光器的振動(dòng)方向較強(qiáng)的方向一致，這樣輸出光強(qiáng)最大，以后的實(shí)驗(yàn)中就可以固定起偏器的方向。放入檢偏器（或者裝有偏振片的測(cè)角器），并將實(shí)驗(yàn)樣品放入磁場(chǎng)中間（我們選擇費(fèi)爾德常數(shù)較大的法拉第旋光玻璃做樣品，此時(shí)磁頭間隙調(diào)節(jié)為10mm），調(diào)節(jié)檢偏器到正交消光位置，此時(shí)輸出光強(qiáng)最小，即光功率計(jì)輸出數(shù)值最小，改變電流，可以看到光功率計(jì)數(shù)值增大，根據(jù)馬呂斯定律知道，此時(shí)由于磁致旋光（法拉第效應(yīng)），穿過樣品的線偏振光的偏振面發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器使光功率計(jì)輸出數(shù)值重新達(dá)到最小，則檢偏器轉(zhuǎn)過的角度即為法拉第旋轉(zhuǎn)角，根據(jù)公式（1），測(cè)量樣品厚度和中心磁場(chǎng)強(qiáng)度

35、,即可以求出樣品的費(fèi)爾德常數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量，磁頭間隙10mm，電流為I1.77A時(shí)，相對(duì)于未加磁場(chǎng)的情況，偏轉(zhuǎn)角度為4.525mm（螺旋測(cè)微頭移動(dòng)距離）。所以根據(jù)前面電流磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量公式：B=197.2I+6.5251，可以求出電流為1.77A時(shí)，對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B=355.6mT；又因?yàn)闇y(cè)微頭移動(dòng)0.01mm，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度1.9min，所以轉(zhuǎn)動(dòng)角度為859.8min。樣品長(zhǎng)度7.96mm，所以材料的費(fèi)爾德常數(shù):=30.410對(duì)比表1中的不同樣品的費(fèi)爾德常數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)我們所測(cè)量的樣品的費(fèi)爾德常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他樣品，所以在后面的磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)中，調(diào)制晶體就采用這種樣品。3 磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)連接如圖7所示

36、，其中測(cè)角器可以換為檢偏器，兩者的共同點(diǎn)是都裝有偏振片，不同點(diǎn)是檢偏器的角度測(cè)量分辨率為1o,而測(cè)角器的角度分辨率比較高，從前面的測(cè)量中可以看出，其分辨率大致為1.9min。并且測(cè)角器可以粗調(diào)角度，也可以通過螺旋測(cè)微頭進(jìn)行微調(diào)。在輸入光強(qiáng)及調(diào)制磁場(chǎng)幅度不變的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，即改變的值，可以看到示波器上輸出調(diào)制波形的變化如下：（1）檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度，磁光調(diào)制輸出幅度最大，從原理部分可知，此時(shí)；如圖11中上半部分。圖11 調(diào)制輸出波形隨的變化（2）在光強(qiáng)輸出接近最大或者最小時(shí)，磁光調(diào)制幅度逐漸減小，即或者時(shí)，正弦波輸出幅度逐漸減小，這也符合上面的理論推斷。（3）當(dāng)時(shí)，即起偏器和檢偏器正交時(shí)

37、，磁光調(diào)制輸出幅度達(dá)到最小，如圖11下半部分。（4）當(dāng)磁光調(diào)制輸出幅度達(dá)到最小時(shí)，將光電檢測(cè)的信號(hào)接入主機(jī)面板上的“倍頻”輸入端，將連示波器的Q9線的一端也接入主機(jī)面板上的“倍頻”輸出端，可以看到倍頻信號(hào)。即輸入調(diào)制線圈的500Hz的正弦波，經(jīng)過調(diào)制之后，從光電探測(cè)器中輸出的是1000Hz的正弦波，當(dāng)偏離消光位置時(shí)，可以看到，波形將發(fā)生畸變，逐漸由1000Hz的正弦波變?yōu)?00Hz的正弦波，如圖12所示。圖12 調(diào)制輸出波形的畸變將信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端也接入示波器，通過李薩如圖形觀測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)制輸出信號(hào)確實(shí)為信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)（輸入調(diào)制線圈的信號(hào)）的兩倍，如圖13所示，這可以精確確定消光的

38、位置，為后面倍頻法測(cè)量樣品費(fèi)爾德常數(shù)做好準(zhǔn)備。圖13 調(diào)制輸入信號(hào)和調(diào)制輸出信號(hào)倍頻點(diǎn)時(shí)的李薩如圖由以上可見，實(shí)驗(yàn)和理論取得了很好的一致。4 磁光調(diào)制倍頻法測(cè)量法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)連接如圖8所示，導(dǎo)軌上需要防止激光器、起偏器、透鏡（看實(shí)際需要放置，目的是調(diào)節(jié)激光光斑的大小和改變光路）、電磁鐵、調(diào)制線圈、測(cè)角器、探測(cè)器。控制元件需要兩臺(tái)磁光效應(yīng)總和實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)和穩(wěn)壓電源、雙蹤示波器。（1）首先放置激光器和電磁鐵，調(diào)節(jié)激光器微調(diào)俯仰角和扭轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)螺絲，使激光斑完全穿過電磁鐵中心孔，其中激光斑的大小可以通過調(diào)節(jié)激光器前端的小透鏡組使激光斑不至于發(fā)散角過大。（2）放入起偏器和調(diào)制線圈，使光斑正好穿過調(diào)制

39、線圈中間的調(diào)制晶體，這一點(diǎn)非常重要，需要仔細(xì)調(diào)節(jié)，然后再放入測(cè)角器（或者檢偏器）和探測(cè)器，調(diào)節(jié)探測(cè)器前端的可調(diào)孔光闌，使激光斑正好穿過并能夠被光電接收器接收。（3）調(diào)節(jié)電磁鐵的兩個(gè)磁頭，使其間隙正好放入冕玻璃樣品，因?yàn)槊岵Ａ悠芳庸らL(zhǎng)度為20mm，所以此時(shí)磁頭間隙也正好為20mm，這樣可以測(cè)量勵(lì)磁電流，根據(jù)實(shí)驗(yàn)1中測(cè)量得出的公式計(jì)算中心磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度（線圈選擇并聯(lián)）。（4）將電流調(diào)節(jié)至0A，調(diào)節(jié)測(cè)角器，使示波器能夠觀察到倍頻信號(hào)，這時(shí)可以直接觀察正弦波信號(hào)，也可以觀察如圖13所示的李薩如圖形，（以下以觀察李薩如圖為例，觀察正弦波的方法類似）精確調(diào)制倍頻點(diǎn)，即使起偏器和檢偏器完全正交。記錄此時(shí)測(cè)角器螺旋測(cè)微頭的讀數(shù)。（5）增大電流至合適值，可以看到李薩如圖發(fā)生變化，類似蝴蝶翅膀的圖形不再對(duì)稱，這說明偏離了消光點(diǎn)，即由于出現(xiàn)磁致旋光，檢偏器和從電磁鐵出射的光沒有完全正交，調(diào)節(jié)測(cè)角器的測(cè)微頭（說明：大角度調(diào)節(jié)測(cè)角器偏振片時(shí)可以旋轉(zhuǎn)中間的固