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近代物理实验报告
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　　篇一：—法拉第效应
　　法拉第效应
　　一、引言
　　1845年英国物理学家法拉第发现原本没有旋光性的铅玻璃在磁场中出现了旋光性，这种磁致旋光现象即法拉第效应。随后费尔德的研究发现法拉第效应普遍存在于固体、液体、和气体中，只是大部分物质的法拉第效应很弱。
　　法拉第效应只是磁光效应中的一种。磁光效应是描述在磁场的作用下，具有固有磁矩的介质中传播的光气无力性质发生变化的现象，比如光的频率，偏振面，相位等性质发生了变化。
　　法拉第效应的应用领域极其广泛，可用于物质结构的研究、光谱学和电工测量等领域。此外利用法拉第效应原理制成的各种可快速控制激光参数的元器件也已广泛地应用于激光雷达、激光测距、激光陀螺、光纤通信中。
　　本实验的目的是通过实验理解法拉第效应的本质，掌握测量旋光角的基本方法，学会计算费尔德常数。 二、实验原理
　　法拉第效应就是，当线偏振光穿过介质时，若在介质中加一平行于光的传播方向的磁场，则光的振动面将发生旋转，振动面转过的角度称为法拉第效应旋光角。实验发现
　　θ＝VBL （1）
　　其中θ为法拉第效应旋光角，L为介质的厚度,B为平行与光传播方向的磁感强度分量,V称为费尔德常数，它由材料本身的性质和工作波长决定的，表征物质的磁光特性。一般约定，当光的旋转方向与产生磁场的电流的方向一致时，称法拉第旋转是左旋，V>0;反之则叫右旋,V0;反之则叫右旋,V<0。
　　法拉第效应与自然旋光不同在于：法拉第效应对于给定的物质，偏振面的旋转方向只由磁场的方向决定而与光的传播方向无关，光线往返一周，旋光角将倍增，这叫做法拉第效应的“旋光非互易性”。而自然旋光过程是可逆的。
　　1、法拉第效应原理的菲涅尔唯象理论
　　一束平面偏振光可以分解为两个不同频率等振幅的左旋和右旋圆偏振光。在没有外加磁场时，介质对它们具有相同的折射率和传播速度，他们通过距离为 的介质后，他们产生的相位移相同，不发生偏转。当有外磁场时，由于磁场使物质的光学性质改变，两束光具有不同的折射率和传播速度，产生不同的相位移：
　　?L?
　　2?
　　?
　　nLl（2）?R?
　　2?
　　?
　　nRl （3）
　　其中，?L、?R分别为左旋、右旋圆偏振光的相位，nL、nR分别为其折射率，?为真空中的波长。 线偏振光的电场强度矢量E应始终位于EL和ER的角平分线上，可以导出φL+θF=φR?θF，所以有
　　?F?(?R??L)?
　　利用经典电动力学中的介质极化和色散的振子模型，可以得到
　　12?
　　(n?n)l （4） ?RL
　　Ne2/m?0
　　（5） n?1?22
　　(?0??L)??
　　2R
　　Ne2/m?0
　　（6） n?1?22
　　(?0??L)??
　　2L
　　其中N为单位体积的电子数，?0为电子的固有振动频率，?L是电子轨道磁矩在外磁场中的经典拉莫尔进动频率。m、e分别为电子质量和电子电荷。
　　而无磁场时介质色散公式为
　　Ne2/m?0（7）
　　n?1?2
　　?0??2
　　2
　　由以上推到得出如下结论：
　　（1）在加磁场的作用下，电子作受迫振动，振子的固有频率由ω0变为ω0±ωL，这正是对应的吸收光谱的塞曼效应（倒塞曼效应）；
　　（2）由于ω0的变化导致了折射率的变化，并且左、右旋圆偏振光的变化是不同的，尤其是在ω接近ω0时，差别更为突出，这就是法拉第效应。
　　实际上，nR、nL、和n相差很小，可以近似认为
　　22
　　nR?nL
　　（8） nR?nL?
　　2n
　　2
　　将（5）－（8）式代入（4）式，再用到条件?L?2
　　项），整理可得 ?2（略去?L
　　Ne3?21
　　?F??Bl （9） 2
　　2cm2?0n(?0??2)2
　　式中，c是光速。对（7）式微分，再代入（9）式，同时利用关系式??2?c/?，得
　　?F?
　　结合（1）式可得
　　e?dn
　　Bl （10）
　　2cmd?
　　Vd(?)?
　　V λ 就是前面定义的费尔德常数，λ为入射光波长。
　　dndλ
　　e?dn
　　（11）
　　2cmd?的函数，对于不同波长的入射光，物质对应的法拉第旋光角是不同的，这被称为旋光色散。 2、磁光调制器倍频法
　　在磁光调制器的检偏器前插入待测样品，经过调制的线偏振光通过样品，当样品被磁化时，偏振面由原来的方向旋转θF角，并在θF±θ′范围内摆动。
　　若检偏器允许通过的光的偏振方向与θF的夹角为β，则光通过检偏器后的强度为