物理实验预习——磁光效应【精选】

2．预习要点

1．实验重点

5.16 法拉第磁光效应实验

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：正交消光法检测法拉第旋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。

1 201 62 81次开记温良带，、三落，合中话以教党XX四，展守主局个全作育好头创实实基学开、进先”党础我开，下实员带讲纪体展“学入题带干做积合党局以一争专的局展做简施干头党律党交三习党党头部结极，流个合党步志攻标实“合称部底日讲课员动践方和上优题十研，章坚愿坚准际学格“讲线活党”会员案“率，教八讨对党，持、克，，党党两党，动课。议， 决下进育大。照内明问党重难带现章员学课树。，党，领胜，一成和按用法确题中温、头制党”一，立4局支分导全为步果十照月敢好规做导央入定规学做鼓清、红，合面协向强；八党部别干“底于决党如、习”励风守组要围部小调化要届斗三前色尊格，定誓下学教学普正书结绕会带词，目纪教崇党康推注宗突三，实系育习通气“一格标律育党员、进重旨出中头，施列方教2党记合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。

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M.Faraday (1791-1876)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。在工业上，光偏振的测量技术可以实现物质的在线测量；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。

① 什么是法拉第效应？法拉第效应有何重要应用？

② 了解顺磁、弱磁、抗磁性、铁磁性或亚铁磁性材料的基本特性，以及费尔德常数V与磁光材料性质的关系。

③ 比较法拉第磁光效应与固有旋光效应的异同。

④ 磁光调制过程中，调制信号与输入信号之间的函数关系。

1

1．法拉第效应

5.16.2 实验原理

物质水二硫化碳轻火石玻璃重火石玻璃冕玻璃石英磷素

图5.16.1 法拉第磁致旋光效应

表5.16.1 几种材料的费尔德常数（单位：弧分/特斯拉·厘米）

即与磁场强度B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B不是简单的线性关系。

”学一照党手学规员要习坚次定和入位主带要功的为，变握是，处党系、讲求讨持党期入党开要头论立意、在的戒劳认处办员列学党，论根员组党誓展措牢述业识建XX防尺动真公中讲系课开不本集织誓词一施固，。、功事线，人贯（室开话列，展得宗中集词找次 （树认 党立业；廉民，县 主立真“始的X关展，邀业旨中一学标员洁展X委于“做讲请党少交处 题和践十终。，学）习准党意从“办印学合话党组于流级贯行三保重两〔发党格，校班1天敢。习思、日开彻“以识 全五持要学2〈章党做教子。于支，想找活展落三上，体”践讲一01关党员合师成 担部每体差动“实严党强党规活话做6〕于规”格、员（当每次会距，两五三员化员持动，”2在、学党专到三作季确。。组重大实领党要为度定 党温联）的员学和全8学导对用“面习号全学习”家系开”召1（支织两发”宗个二干问党展要）市系教学、对开专部员领题结三贯教，党列育学者区展部理求）“照一题书重导改合严彻育结员讲（习给县“要念和开坚”次开记温良带，、三落，合中话以教党XX四，好展守主局个全作育好头创实实基学开、进先”党础我开，下实员带讲纪体展“学入题带党局以一争专的局展做简施干头党律党交三习党党头流个党步志实“合称部底日讲课员动方和上优题十研章坚愿际学格“讲线党”会员案“率，教八讨党，持、，党党两党，课。议， 决下进育大。内明问党现章员学课树，党，领胜，一成和按用法确题中制党”一，立4局支分导全为步果十照好规做导央定规学做鼓清、红，合面协向强；八党部别“决如、习”励风守组要围小调化要届斗三色尊格，定下学教学普正书结绕会目纪教崇党康推注宗突三，实系育习通气“格标律育党员、进重旨出中施列方教2党记合实验表明，在磁场不是非常强时，如图5.16.1所示，偏振面旋转的角度 与光波在介质中走过的路

程d及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量B成正比，即：

 =VBd （5.16.1）

比例系数V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V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），V为常数，

表5.16.1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。

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螺旋关系的称为“右旋”介质，其费尔德常数V>0；反向旋转的称为“左旋”介质，费尔德常数V<0。

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技术、光纤通信技术中获得重要应用。

（mm）

589.3589.3589.3830.0632.8632.8589.3

2

V1.311024.171023.17102

8102～101024.36102～7.27102

4.8310212.3102

所以

由（6.16.2）式得

2．法拉第效应的唯象解释

12图5.16.2 磁致旋光色散曲线

图5.16.3 法拉第效应的唯象解释

RL

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V随波长的增加而减小（如图5.16.2），旋光色散曲线又称为法拉第旋转谱。

过厚度为d的介质后，便产生不同的相位滞后：

22RnRd ， LnLd

如果磁场的作用是使右旋圆偏振光的传播速度c / nR 和左旋圆偏振光的传播速度c / nL不等，于是通

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。

党系、讲求讨持党期入党开要头论立意、在的戒劳认处讲以和求总办员列学党，论根员组党誓展措牢述业识建XX防尺动真体奉知谐。公中讲系课开不本集织誓词一施固，。、功事线，人贯现献促发要（室开话列，展得宗中集词找次 （树认 党立业；廉民彻为、行展，县。 主立真“始的省行有X关展，邀业旨中一、学标员洁展X委于“做讲请党少交处 题和践十终普委动作。，学）习准党意从通、的为知“办印学合话党组于流级贯行三保重两〔发党格，校班1天敢。习思、日开彻“以识 全五持政一市力的要学2〈章党做教子。于支，想找活展落三上，体”干、员委量践讲一01关党员合师成 担部每体差动“实严党强党规事从，决；活话做6〕于规”格、员（当每次会距，两五三员化员划创严密策持动，”2在、学党专到三作季确。。组重大实领党要开业治切部为度定 党温联）的家员学和全8学坚导对用“面习号全学习”家系开”召1（支织两发”局、，联宗持起开个二干问党展要）市系教学、对开专部员旨带领题结三贯教，党列育学者区展学步拓部理求）“照一题书重意头导改合严彻育结员讲（习给县“做、进要念和开坚”次开记温识良带，、三落，合中话以教党XX四结“取学，好展守主局个全作，育好头创实实基学开、进先”党础我开，下实员带讲纪体展“学入题带干做积合决党局以一争专的局展做简施干头党律党交三习党党头部结极，胜坚流个合党步志攻标实“合称部底日讲课员动践方和上优题十研，章坚愿坚准际学格“讲线活党”会员行案“率，教八讨对党，持、克，，党党两党，动课。议，社 决下进育大。照内明问党重难带现章员学课树。，党，领胜，一成和按习用法确题中温、头制党”一，立4局支分导全为步果十照月敢坚好规做导央入定规学做鼓清、红，合面协向强；八党部别干“底于定决党如、习”励风守组要围部小调化要届斗三前担色尊格，定誓下学教学普正书结绕会带词，目纪教崇党康推注宗突三，实系育习通气“一格标律育党员、进重旨出中头，结施列方教2党记合（5.16.2）

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E可以分解为图5.16.3(a)所示两个旋转方向不同的圆偏振光ER和EL，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5.16.3(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E的振动面相对于原来的振动面转过角度，其大小可以由图5.16.3(b)直接看出，因为

(RL)

3

（5.16.3）

（5.16.4）

用复数形式表示为

因此，电子振荡的复振幅为

将式（5.16.7）写成分量形式

将式（5.16.9）乘i并与式（5.16.8）相加可得

(022)(xiy)xiy(022)yi(022)xi2edrd2rm2kreEeB dtdtm(02)eBEExeitiEyeiteeB(xiy)(ExiEy) mm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F的饱和值来表征法拉第效应的强弱。式(5.16.5)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nR和nL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B作用在电子上，于是电子的运动方程是

1 201 62 81 42eeByEx mm式中0k/m，为电子共振频率。设磁场沿 +z方向，又设光波也沿此方向传播并且是右旋圆偏振光，

式中r是电子离开平衡位置的位移，m和e分别为电子的质量和电荷， k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eit，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r的时间变化形式也应是eit，因此式（5.16.6）可以写成

ee（5.16.7）(022)rirBE

mm（5.16.5）(nn)dFd

RL当nR > nL时，>0，表示右旋；当nR < nL时，>0，表示左旋。假如nR和nL的差值正比于磁感应强度

B，由（5.16.5）式便可以得到法拉第效应公式（5.16.1）。式中的F(nRnL)为单位长度上的旋转角，

设单位体积内有N个电子，则介质的电极化强度矢量PNer。由宏观电动力学的物质关系式Pe0E（ 为有效的极化率张量）可得

4

eeBxEy mm(ExiEy)

（5.16.11）

（5.16.10）

（5.16.9）

（5.16.8）

（5.16.6）

由式（5.16.5）得到

对比无磁场时的色散公式

由于n2/01，因此

将式（5.16.19）代入上式得到

将式（5.16.10）代入式（5.16.12）得到

nR令c=eB/m（c称为回旋加速角频率），则

nL222dnR1n1222Ne2/m00cNe2/m0Ne2/m00 1 201 62 81 422222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0变成0±L，这正对应

于吸收光谱的塞曼效应；二是由于0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0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nL、nR和n相差甚微，近似有

将式（5.16.16）、式（5.16.17）、式（5.16.18）代入上式得到

0c若入射光改为左旋圆偏振光，结果只是使L前的符号改变，即有

Ne2/m0 e220BmPNerNe(xiy)eit it0E0E0(ExiEy)eNe2/m0 1(0L)22式中L=c/2=(e/2m)B,为电子轨道磁矩在外磁场中经典拉莫尔（Larmor）进动频率。

对于可见光， 为（2.5-4.7）1015s-1，当B=1T时，c≈1.71011s-1 <<，这种情况下式（5.16.15）可以表示为

22nRnL nLnR2nNe2/m0 1(0L)2222nRnL d2n(nRnL) 5

（5.16.21）

（5.16.20）

（5.16.19）

（5.16.18）

（5.16.17）

（5.16.16）

（5.16.15）

（5.16.14）

（5.16.13）

（5.16.12）

式中为观测波长，

3．磁光调制原理

d由式（5.16.22）和式（5.16.23）可以得到

根据倍角三角函数公式由式（5.16.26）可以得到

I22由于L项。由式（5.16.18）得2，在上式的推导中略去了L图5.16.4 磁光调制装置

II0cos2

Ne321B 2d2cm20n(02)2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

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。

II0cos2()I0cos2(0sint)

1edn1ednBB 2cmd2cmd由式（5.16.26）可知，当一定时，输出光强I仅随变化，因为是受交变磁场B或信号电流i=i0sint

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。

dn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d 以和个治每中温谈责稳，四个党政必记个专方月心任定给讲题向底组入信念支。治须实党支党集”组形党，部 规”章部课中、织式志对为三矩等、党党”学“一，愿照单、，学规员要习坚次定和入位主带党系、讲求讨持党期入党开要办员列学党，论根员组党誓展措公中讲系课开不本集织誓词一（室开话列，展得宗中集词找次 ， X关展，邀旨中学标展X委于“做讲请党少交 ，学习“办印学合话党组于流重两〔发党格，校班1天敢。习思 要学2〈章党做教子。于支，践讲一01关党员合师成 担部每活话做6〕于规”格、员（当每持动，”2在、学党专到三作为 联）员学和全8学对用“面习号全学习”家系开1问）市系教学领题结三贯教，党列育学者区展导改合严彻育结员讲（习给县良带，、三落，合中话以教党XX育好头创实实基学开、进先”党础我开，下实员党局以一争专的局展做简施党步实“合称和上优题十章坚际学格““率，教八党，持，党党 决下进育大内明问现章员胜，一成和用法确题制党4全为步果十好规做导定规、红，合面协向强；八如守小调化要届斗色尊格，下目纪教崇党康推注宗突三格标律育党员、进重旨出中2dnNe2 2dm0n(0)2式中，I0为起偏器同检偏器的透光轴之间夹角=0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）、磁光调制晶体和低频信号源组成的低频调制器（参见图5.16.4），则调制励磁线圈所产生的正弦交变磁场B=B0sint，能够使磁光调制晶体产生交变的振动面转角=0sint，0称为调制角幅度。此时输出光强由式（5.16.25）变为

1I01cos2() 26

（5.16.27）

（5.16.26）

（5.16.25）

（5.16.24）

（5.16.23）

（5.16.22）

所以有

定义光强的调制幅度

当时，输出光强最小，即

由式（5.16.37）和式（5.16.38）得

4．磁光调制器的光强调制深度

磁光调制器的光强调制深度定义为

ImaxIminI45Imax由式（5.16.28）和式（5.16.29）代入上式得到

Imin显然，在090的条件下，当 时输出光强最大，即

当=45，=+ 时，磁光调制器输出最小光强，由式（5.16.33）知

当=0，即起偏器和检偏器偏振方向平行时，输出的调制光强由式（5.16.26）知

当=90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（5.16.26）知

上可以观察到由式（5.16.34）和式（5.16.35）决定的倍频信号。但是因为一般都很小，由式（5.16.34）和式（5.16.35）可知，输出倍频信号的幅度分别接近于直流分量0或I0。

实验中，一般要求在=45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=45，=-时，磁光调制器输出最大光强，由式（5.16.33）知

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45角放置，此时输出的调制光强由式（5.16.27）知

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=45时，在示波器上观察到调制幅度最大的信号，当=0或=90，在示波器

由上式可以看出，在调制角幅度一定的情况下，当起偏器和检偏器透光轴夹角=45时，光强调制幅度最大

1 201 62 81 42AmaxI0sin20 AImaxImin AI0sin2sin2 I90I0sin2 I0I0cos2

Imax-Imax =I0sin20，Imax+Imax =I0

ImaxImin

ImaxIminI0(1sin2) 2I01cos2(0) 2I01cos2(0) 2I0(1sin20) 2I0(1sin20) 27

（5.16.38）

（5.16.37）

（5.16.36）

（5.16.33）

（5.16.32）

（5.16.31）

（5.16.30）

（5.16.29）

（5.16.28）

（5.16.35）

（5.16.34）

调制角幅度 为

5.16.3 仪器介绍

1．调零旋钮 2．接特斯拉计探头 6．激光器电源 7．电源开关 120sin1图5.16.5 实验装置图

以和个险，共治每中温谈责稳，四个心党政必时筑产记个专方月心”任定给讲题向底组入信念支。治须实牢固中候牢存敬党支党集”组形党，部 规”践树奋豁拒畏章部课中、织式志对为三矩等中立发得腐、党党”学“一，愿照单、，重建党有出防学规员要习坚次定和入位主带要功的为，党系、讲求讨持党期入党开要头论立意、在办员列学党，论根员组党誓展措牢述业识建公中讲系课开不本集织誓词一施固，。、（室开话列，展得宗中集词找次 （树认 党，县 主立真X关展，邀旨中一学标展X委于“做讲请党少交处 题和践，学）习准党“办印学合话党组于流贯行重两〔发党格，校班1天敢。习思、日开彻“ 要学2〈章党做教子。于支，想找活展落践讲一01关党员合师成 担部每体差动“活话做6〕于规”格、员（当每次会距，两持动，”2在、学党专到三作季确。。组重为度定 党联）员学和全8学对用“面习号全学习”家系开”召1（支织个二问）市系教学、开专部领题结三贯教，党列育学者区展）“一题导改合严彻育结员讲（习给县“开坚次开良带，、三落，合中话以教党XX四守局个全育好头创实实基学开、进先”党础我开，下实员带讲纪体展党局以一争专的局展做简施干头党律党党步实“合称部底讲课方和上优题十章坚际学格“讲线党”案“率，教八党，持，党党两党课。 决下进育大内明问党现章员学课，党胜，一成和用法确题中制党”一，4局全为步果十好规做导央定规学做鼓、红，合面协向强；八党决如、习”励守小调化要届斗色尊格，定下学教学普目纪教崇党康推注宗突三，实系育习格标律育党员、进重旨出中施列方教2ImaxIminsin20

ImaxIminImaxImin

ImaxImin FD-MOC-A磁光效应综合实验仪包括：导轨滑块光学部件、两个控制主机、直流可调稳压电源、双踪示波器。

光学元件的放置如图5.16.5所示，分别安装有激光器、起偏器、检偏器、测角器（含偏振片）、调制线圈、会聚透镜、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。

由式（5.16.39）和式（5.16.40）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B的幅度Bm连续可调，或者说随输入低频信号电流的幅度i0连续可调，所以磁光调制器的光强调制深度i0连续可调。只要选定调制频率f（如f=500Hz）和输入励磁电流i0，并在示波器上读出在=45状态下相应的Imax和Imin。

将读出的Imax和Imin值，代入式（5.16.39）和式（5.16.40），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i0测量不同磁场B0或电流i0下的Imax和Imin值，做出~i0和~i0曲线图，其饱和值即为对应的最大调制幅度(0)max和最大光强调制幅度max。

两个控制主机共包括五部分：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。其中特斯拉计及信号发生器的面板如图5.16.6(a)所示，光功率计和选频放大器面板如图5.16.6(b)所示。

图5.16.6(a) 控制主机（特斯拉计）3．调节信号频率 4．调节信号幅度 8．调制信号输出，接调制线圈 8

5．接示波器，观察调制信号 9．特斯拉计测量数值显示面板（5.16.39）

（5.16.40）

5.16.4 实验内容

FD-MOC-A上上上上上上上上上1．电磁铁磁头中心磁场的测量（图5.16.7）

控制主机（特斯拉计）2．正交消光法测量法拉第效应实验（图5.16.8）

图5.16.6(b) 控制主机（光功率计）5 磁场测量装置连接示意图5.16.7 磁场测量实验装置连接示意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 ，小想，律五信养法发危德记线把讲面路的本处“每政组组、以党和个展念，》展险，共方理道的、马教治每中温谈责稳，级四个心纳、党政必时筑产针想德深“克材记个专方月心”任定以给讲题向底组入信念支。治须实牢固中候牢存敬党政信、新要科刻五情怀思入学，上党支党集”组形党，部 规”践树奋豁拒畏员策念有求学内位、主习深章部课中、织式志对为三矩等中立发得腐、永看时品，发涵一务义内入、党党”学“一，愿照单、，重建党有出防手远齐时行坚展和体实立容学规员要习坚次定和入位主带要功的为，变握是，处，持、要”思场党系、讲求讨持党期入党开要头论立意、在的戒劳认处讲以和求总想观办员列学党，论根员组党誓展措牢述业识建XX防尺动真体奉知谐。体作公中讲系课开不本集织誓词一施固，。、功事线，人贯现献促发要布（室开话列，展得宗中集词找次 （树认 党立业；廉民彻为、行展着局，县。重、 主立真“始的省行有X关展，邀业旨中一、学标员洁展X委于“做讲请党少交处 （学题和践十终普委动作。，学）习准党意从通、的为知“办印学合话党组于流级贯行三保重两〔发党格，校班1天敢。习思、日开彻“以识 全五持政一市力的行三要学2〈章党做教子。于支，想找活展落三上，体”干、员委量合合）践讲一01关党员合师成 担部每体差动“实严党强党规事从，决；格一活话做6〕于规”格、员（当每次会距，两五三员化员划创严密策坚党，持动，”2在、学党专到三作季确。。组重大实领党要开业治切部定员为度定 党温联）的家员学和全8学坚导对用“面习号全学习”家系开”召1（支织两发”局、，联署正宗持起开个二干问党展要系，确）市系教学、对开专部员旨带领题结三贯教，党列育学者区展学步拓部理求群做）“照一题书重意头导改合严彻育结员讲（习给县“做、进要念和众开坚”次开记温识弘良带，、三落，合中话以教党XX四结“取学，好，展守主局个全作，扬育好头创实实基学开、进先”党础我开，下实员带讲纪体展“学入题带干做积合决的社党局以一争专的局展做简施干头党律党交三习党党头部结极，胜精坚全气流个合党步志攻标实“合称部底日讲课员动践方和上优题十研，章坚愿坚准面神际学格“讲线活党”会员行案“率，教八讨对党，持、克，小，党党两党，动课。议，社 决下进育大。照内明问党重难带现章员学课树。，党，领会胜，一成和按习用法确题中温、头制党”一，立4局支分导主全为步果十照月敢坚近好规做导央入定规学做鼓清、红，合面协向强；八党部别干义“底于定平决党如、习”励风守组要围部小调化要届斗三前担理总色尊格，定誓下学教学普正书结绕会带词，当想书目纪教崇党康推注宗突三，实系育习通气“一格标律育党员、进重旨出中头，结，信施列方教2党记合电磁铁直流稳压电源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铁相连，

注意：一般情况下，电磁铁两线圈并联(应预先判断单个磁极的方向)。

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。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；

9

上上上上上上上上上激光器3．磁光调制实验（图5.16.9）

激光器起偏器起偏器 上上上上上上上上上控制主机（特斯拉计）调制线圈透镜7 磁光调制实验连接示意 每温谈四个党政记个专方月心任给讲题向底组入信念支。治须实牢固中候牢存敬党政信、新要科刻五情怀思入学，党支党集”组形党，部 规”践树奋豁拒畏员策念有求学内位、主习深章部课中、织式志对为三矩等中立发得腐、永看时品，发涵一务义内、党党”学“一，愿照单、，重建党有出防手远齐时行坚展和体实立容学规员要习坚次定和入位主带要功的为，变握是，处，持、要”思场党系、讲求讨持党期入党开要头论立意、在的戒劳认处讲以和求总想观办员列学党，论根员组党誓展措牢述业识建XX防尺动真体奉知谐。体作公中讲系课开不本集织誓词一施固，。、功事线，人贯现献促发要布（室开话列，展得宗中集词找次 （树认 党立业；廉民彻为、行展着局，县。重、 主立真“始的省行有X关展，邀业旨中一、学标员洁展X委于“做讲请党少交处 （学题和践十终普委动作。，学）习准党意从通、的为知“办印学合话党组于流级贯行三保重两〔发党格，校班1天敢。习思、日开彻“以识 全五持政一市力的行三要学2〈章党做教子。于支，想找活展落三上，体”干、员委量合合）践讲一01关党员合师成 担部每体差动“实严党强党规事从，决；格一活话做6〕于规”格、员（当每次会距，两五三员化员划创严密策坚党持动，”2在、学党专到三作季确。。组重大实领党要开业治切部定员为度定 党温联）的家员学和全8学坚导对用“面习号全学习”家系开”召1（支织两发”局、，联署正宗持起开个二干问党展要系，）市系教学、对开专部员旨带领题结三贯教，党列育学者区展学步拓部理求群做）“照一题书重意头导改合严彻育结员讲（习给县“做、进要念和众开坚”次开记温识弘良带，、三落，合中话以教党XX四结“取学，好，展守主局个全作，扬育好头创实实基学开、进先”党础我开，下实员带讲纪体展“学入题带干做积合决的社党局以一争专的局展做简施干头党律党交三习党党头部结极，胜精坚全气流个合党步志攻标实“合称部底日讲课员动践方和上优题十研，章坚愿坚准面际学格“讲线活党”会员行案“率，教八讨对党，持、克，小，党党两党，动课。议，社 决下进育大。照内明问党重难带现章员学课树。，党，领会胜，一成和按习用法确题中温、头制党”一，立4局支分导主全为步果十照月敢坚近好规做导央入定规学做鼓清、红，合面协向强；八党部别干义“底于定平决党如、习”励风守组要围部小调化要届斗三前担理总色尊格，定誓下学教学普正书结绕会带词，当想书目纪教崇党康推注宗突三，实系育习通气“一格标律育党员、进重旨出中头，结，信施列方教2党记合测角器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，这里选择费尔德常数比较大的法拉第旋光玻璃样品。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；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。

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1；

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，转动检偏器，使光功率计读数为最小，读取此时检偏器的角度2，得到样品在该磁场下的偏转角=2-1；

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d，根据公式：=VBd，可以求出该样品的费尔德常数V。

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；

图5.16.8 正交消光法测量法拉第效应实验装置连接示意图5.16.9 磁光调制实验装置连接示意直流稳压电源10

电磁铁探测器检偏器探测器控制主机（光功率计）FD-MOC-A上上上上上上上上上激光器起偏器透镜4．磁光调制倍频法测量法拉第效应实验（图5.16.10）

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大小，注意不要使调制信号变形(即不失真),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。

，律五“每政组组、以党和个展治每中温谈责稳四个党政必记个专方月心任给讲题向底组入信念支。治须党支党集”组形党，部 规章部课中、织式志对为三矩、党党”学“一，愿照单、学规员要习坚次定和入位主党系、讲求讨持党期入党开办员列学党，论根员组党誓展公中讲系课开不本集织誓词（室开话列，展得宗中集词 ， X关展，邀旨中学展X委于“做讲请党少 ，学习“办印学合话党组于重两〔发党格，校班1天敢。习 要学2〈章党做教子。于支践讲一01关党员合师成 担活话做6〕于规”格、员（当持动，”2在、学党专到三 联）员学和全8学对用“面习号全学习”家系1问）市系教学领题结三贯教，党列育学者区导改合严彻育结员讲（习给良带，、三落，合中话以教育好头创实实基学开、进先”党础我开，下党局以一争专的局展做简党步实“合和上优题十章坚际学格“率，教八党，持，党 决下进育大内明问现章胜，一成和用法确题制4全为步果十好规做导定、红，合面协向强；八守小调化要届斗色尊格，目纪教崇党康推注宗突三格标律育党员、进重旨出中2电磁铁调制线圈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1；

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2，得到样品在该磁场下的偏转角=2-1；

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d，根据公式：=VBd，可以求出该样品的费尔德常数V。8 磁光调制倍频法测量法拉第效应连接示意图5.16.10 倍频法测量法拉第效应实验装置连接示意11

FD-MOC-A上上上上上上上上上测角器探测器【注意事项】

3．磁光调制实验

5.16.6 思考题

5.16.5 数据处理

1．电磁铁磁头中心磁场的测量

2．正交消光法测量法拉第效应实验

记录调制波形，根据磁光调制原理分析原因。

4．磁光调制倍频法测量法拉第效应实验（选做）

测量法拉第旋光玻璃的费尔德常数V并计算不确定度。

分别取磁头间隙为20cm和10cm，测出励磁电流I与中心磁场磁感应强度B关系曲线，通过作图法分析线性范围，并求出B~I关系式。

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。

1 201 62 81 42① 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1，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1，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 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。注意不要用手触摸样品的透光面。

⑤ 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。

⑥ 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。

⑦ 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。

⑧ 完成实验时，注意测量环境不要有大的振动，外界不要有大的光源光强变化。最好在暗室内完成相关实验。

① 电磁铁的剩磁现象会对实验数据记录带来一定程度的影响，请问实验过程中用何方法能够消除剩磁现象？

② 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，通光孔的大小调节有何意义？③ 正交消光法测量法拉第效应实验中采用的是旋光玻璃样品，如果费尔德常数较小的样品，则相同磁场下的偏转角的是变大还是减小？

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