基础物理实验研究性报告
第二种方法测量法拉第效应实验
磁光调制倍频法测量法拉第效应实验（图5.16.9） 实验原理：
由激光器发出的细光束经起偏器后成为线偏振光. 该线偏振光通过置于由电磁铁所产生的磁场内的待测磁光介质样品后,光束的偏振面发生旋转. 进而再经磁光调制器调制, 并通过检偏测角仪后由光电二极管接收.光电流经放大器放大后由示波器显示.根据马吕斯定律, 经检偏器后光电二极管接收到的光强为
I (a) = I0 cos2a (1)
式中: a为起偏器和检偏器透光轴之间的夹角, , I0为a= 0 时的输出光强. 在2 个偏振器之间插入磁光调制器(通常由1 块磁光介质和加在其上的交流磁场所构成) . 设由交变电流产生的交变磁场B 所引起的交变法拉第旋转角为θ,
θ=sin ωt . (2)
式中:θ0是交变法拉第旋转角θ的幅度, 称为调制幅度. 因此,最终接收到的光强为
. (3)
显然I 为a和的函数. 通常在测量时, 固定,此时探测到的信号将只随a的变化而变化.
?πI0I?，??[1 - cos (2θ0 sin ωt) ] 2当a=π/ 2 时光强为? =2, (4)
当a= 0 时光强为
I (0 ,θ) =I0[1 + cos (2θ0 sin ωt) ]2 . (5)
此时, I 为t 的偶函数,形象地在示波器上表现为波形的频率变为调制频率ω的2 倍,故此方法命名为磁光调制倍频法.
实验步骤：
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
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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；
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，得到样品在该磁场下的偏转角θ=-； 激光器起偏器透镜电磁铁调制线圈测角器探测器FD-MOC-A磁光效应综合实验仪mT特斯拉计调零探头输出FD-MOC-A磁光效应综合实验仪输入光功率计激光器电源2uW20uW200uW2mW调零DC 3V信号输入基频倍频选频放大基频倍频电源信号发生器频率幅度示波器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 8 磁光调制倍频法测量法拉第效应连接示意图5.16.9 图倍频法测量法拉第效应实验装置连接示意 数据记录及处理：
倍频法测量偏转角和中心磁场磁感应强度之间关系曲线，计算冕玻璃的费尔德常数。
θ1 200°5′
v???60??202?55′-200?5???4.89?102弧分/特斯拉厘米Bd0.174?2
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θ2 202°55′ B 174mT d 20mm 可得：
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正交消光法测量法与磁光调制倍频法测量法的比较
正交消光法测量法最简单的一种测量方法，它是根据马吕斯定律直接进行测量 ,然而这种方法需要肉眼进行光强的极值判断,精确度无法保证.而磁光调制倍频法 ,通过在光路中加入调制线圈,实现了将肉眼对光强极值的判断转变为对条纹倍频位置的判断,提高了测量精度.
结果讨论及方法改进 1．讨论：
α为起偏器和检偏器透光轴之间的夹角，是交变法拉第旋转角θ的幅度, 称为调制幅度。
实验过程中，我们认为是不变的，只对倍频位置,即α进行讨论, 而事实上对实验结果存在很大影响.在进行实验3，观察波形的时候，我们观察到了信号的变化，除了倍频现象，我们还看到了畸变现象，可见，调制线圈的存在其调制幅度和影响实验效果。具体就本实验来看，由式(4) 理论计算得到的当分别等于π/8,π/ 4 ,π/ 2 ,2π/ 3 时倍频信号与调制信号的相互关系，发现随着磁光调制幅度的逐渐增大,接收到的光强的幅值也逐渐增大,且当从0 增大到π/ 2 (表现为sin ωt 取值[0 ,1 ]) 时,幅值将不再继续增加. 而≤π/ 4 时, 探测的波形才反映了调制器的实际波形,而当θ>π/ 4 时,波形将发生畸变,且越大,畸变越严重，对于本实验来说，决定准确度最重要的一点就是准确判断倍频的时刻，因此尽管无论取什么值,当α=π/ 2或α=0 时都会出现倍频位置,然而表现出的波形却不尽相同. 在实验中, 为了测量上的方便,需要清晰可辨的正(余) 弦波形.所以只有当≤π/ 4 时, 探测的波形才反映了调制器的实际波形, 才是我们所需要的。那么何为最理想的大小呢？在实验测量过程中, 一方面为了得到清晰的倍频位置, 波形幅值应尽可能大, 此时需要增大;而另一方面,过大将造成波形畸变,又会对倍频位置判断造成影响. 理想的应控制在π/ 4处,然而实验中调制幅度不可能被十分精确地定量控制,而且调制幅度还与磁光调制器内部具体的磁场大小以及所用磁光介质的费尔德常量有关. 所以, 实验中应边增大调制幅度边观察示波器上的波形,以调制幅度最大且又不发生波形畸变为标准。 2.改进
从(4) 式和(5) 式还可以看出,α=π/ 2 或α= 0的位置波形频率加倍,是利用了cosθ的偶函数性质,而与频率ω的大小无关, 因此,只要采用某些方法来实现
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周期性的偏振变化,就都能够实现与磁光调制器完全相同的作用, 实现磁光调制倍频法的实验测量, 这样就可以减小由于传统磁光调制器中的磁光介质性能的变化(如长期工作线圈发热等因素) 对实验结果产生的不良影响。
此外,由于法拉第效应具有非互易性（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，因此可以借助反射镜使光束正反2 次通过样品，使得法拉第旋转角加倍，提高测量精度。 该方法在测量石英等具有小费尔德常量介质的法拉第旋转角时尤其有用,具体的实验光路如下图所示。
三：磁光效应的应用
随着磁光理论的逐步完善和大量的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的目的。
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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，从而影响了整个系统的正常工作。磁光隔离器就是防止反向传输的干扰光对光源的影响，提高系统的工作稳定性。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，利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。
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5 磁光环行器
随着光纤通信技术在通信领域的应用，具有光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→2→3→4→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。随着时代的进步、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。
四：实验后收获与感想
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，探究了一种与“正交消光法”不同的“调制倍频法”，这种方法结果更方便更准确。“精准”一直是我们在实验过程中不断追求的，因此我们又探讨了实验方法的改进，最后还扩展知识，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，曾经有好多次都想要放弃，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！
主要参考文献：
[1]《法拉第效应实验中不同光强点对磁光调制器灵敏度的影响》作者：陈书来 [2]《近代物理实验》（北京：科学出版社）
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