5.16 法拉第磁光效应实验

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

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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。 5.16.1 实验要求 1．实验重点

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。 2．预习要点

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。

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5.16.2 实验原理

1．法拉第效应

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，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。

图5.16.1 法拉磁致旋光效应

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

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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。

表5.16.1 几种材料的费尔德常数（单位：弧分/特斯拉·厘米）

物质 水 二硫化碳 轻火石玻璃 重火石玻璃 冕玻璃 石英 磷素 ?（mm） 589.3 589.3 589.3 830.0 632.8 632.8 589.3 V 1.31?102 4.17?102 3.17?102 8?102～10?102 4.36?102～7.27?102 4.83?102 12.3?102 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

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