冕玻璃磁光效應(yīng)實驗研究

馬文娟 張青青 夏亞平

磁光效應(yīng)是光和電磁相互作用的物理現(xiàn)象。采用磁光調(diào)制倍頻法研究冕玻璃的磁光效應(yīng)規(guī)律，得出偏振面旋轉(zhuǎn)角與磁感應(yīng)強度的關(guān)系式，進一步求得冕玻璃的費爾德常數(shù)，為冕玻璃磁光效應(yīng)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

磁光效應(yīng)是光和電磁相互作用的一種現(xiàn)象，指處于磁化狀態(tài)的物質(zhì)與光相互作用其光學(xué)特性發(fā)生改變。隨著對磁光效應(yīng)的深入研究其應(yīng)用價值逐步上升，磁光材料和器件相繼出現(xiàn)，由磁光材料制成的磁光器件作為光調(diào)制器、光隔離器、磁光開關(guān)、磁光存儲、磁光傳感器等在光纖通信及光學(xué)信息處理等技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。

1 磁光效應(yīng)原理

磁光效應(yīng)是光和電磁相互作用的現(xiàn)象，法拉第效應(yīng)是最早發(fā)現(xiàn)的磁光效應(yīng)，指一束線偏振光透過放置于磁場中的介質(zhì)，沿著磁場方向傳播時，光的偏振面會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過的角度稱為法拉第旋轉(zhuǎn)角，可用公式表示，式中為費爾德常數(shù)是光傳播方向分量上的磁感應(yīng)強度，為磁光介質(zhì)的厚度。本文主要研究冕玻璃的法拉第效應(yīng)。

2 實驗研究思路

主要測量儀器為FD-MOC-A磁光效應(yīng)綜合實驗儀、直流可調(diào)穩(wěn)壓電源和雙蹤示波器磁光效應(yīng)綜合實驗儀。

2.1 電磁鐵磁頭中心磁場的測量（定標(biāo)）

測量不同勵磁電流所對應(yīng)的電磁鐵磁頭中心磁場的磁感應(yīng)強度，可為后面磁光調(diào)制倍頻法研究磁光效應(yīng)選取合適的勵磁電流提供理論依據(jù)，使測量數(shù)據(jù)更具有科學(xué)性。

打開直流可調(diào)穩(wěn)壓電源，由小到大調(diào)節(jié)直流可調(diào)穩(wěn)壓電源的電流，控制勵磁電流不能大于直流可調(diào)穩(wěn)壓電源的量程5A，讀取不同勵磁電流下所對應(yīng)的電磁鐵磁頭中心磁場的磁感應(yīng)強度。記錄數(shù)據(jù)并利用origin軟件處理得出磁感應(yīng)強度B隨勵磁電流I變化的規(guī)律。

2.2 冕玻璃磁光效應(yīng)測量

通常磁光效應(yīng)實驗研究有正交消光法和磁光調(diào)制倍頻法兩種測量方法。正交消光法測量原理是通過觀察光功率計讀數(shù)調(diào)節(jié)檢偏器確定偏轉(zhuǎn)角，操作簡單，但光功率計示數(shù)隨勵磁電流變化不靈敏。磁光調(diào)制倍頻法測量時在兩個偏振器之間加一個調(diào)制器，通過觀察雙蹤示波器的倍頻信號確定偏轉(zhuǎn)角，勵磁電流的微弱變化就可以使波形發(fā)生改變，提高了靈敏度，對測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。因此本文采用磁光調(diào)制倍頻法，同時為了使測量數(shù)值更加精確，采用帶有螺旋測微頭的檢偏器測量角度。主要步驟如下

（1）正確連接儀器，打開示波器，微調(diào)螺旋測微器到能觀察到穩(wěn)定的倍頻信號，讀取此時螺旋測微器的數(shù)值;調(diào)節(jié)直流可調(diào)穩(wěn)壓電源到某一固定值，給樣品冕玻璃加上磁場，觀察倍頻信號變化，調(diào)節(jié)螺旋測微器至再次看到穩(wěn)定的倍頻信號，讀取此時螺旋測微器的數(shù)值，樣品冕玻璃在該磁場下的偏振差值。由此得到對應(yīng)的法拉第旋光角（實驗所用螺旋測微微頭的最小讀數(shù)為0.01mm，螺旋測微頭移動1mm對應(yīng)轉(zhuǎn)動角度190min。）

（2）改變勵磁電流，測量得到對應(yīng)不同勵磁電流的法拉第旋轉(zhuǎn)角，研究冕玻璃磁光效應(yīng)特性及規(guī)律。

（3）把半導(dǎo)體激光器關(guān)閉，用游標(biāo)卡尺測量冕玻璃的厚度。由2.1測得的磁感應(yīng)強度與勵磁電流的關(guān)系，得到不同勵磁電流對應(yīng)的磁感應(yīng)強度。根據(jù)公式，計算出冕玻璃的費爾德常數(shù)。

3 測量結(jié)果及分析討論

按照2.1的步驟進行測量，將測量數(shù)據(jù)輸入origin軟件進行處理，得到勵磁電流在0-2A范圍內(nèi)電磁鐵磁頭中心磁感應(yīng)強度隨勵磁電流線性變化，關(guān)系式為。由此，當(dāng)調(diào)節(jié)直流可調(diào)穩(wěn)壓電源的勵磁電流時可以直接由公式得到對應(yīng)的電磁鐵磁頭中心磁場磁感應(yīng)強度，并且勵磁電流在2A以下調(diào)節(jié)效果最佳。

按照2.2所列實驗步驟，測得的不同勵磁電流下冕玻璃發(fā)生磁光效應(yīng)對應(yīng)的螺旋測微器數(shù)值，根據(jù)磁感應(yīng)強度隨勵磁電流線性變化的關(guān)系式及螺旋測微器測微頭移動0.01mm轉(zhuǎn)動角度為1.9min，可得對應(yīng)不同磁感應(yīng)強度時冕玻璃旋轉(zhuǎn)角，利用origin軟件得到兩者關(guān)系如圖1所示。

擬合得到的方程為：，截距在誤差允許范圍內(nèi)可以忽略不計，即，根據(jù)法公式，將冕玻璃的厚度代入，計算得冕玻璃的費爾德常數(shù)5.1910² ，與理論值范圍相符合。需要指出的是在實驗進行中由于實驗室環(huán)境的影響，各種儀器的局限性，會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)具有一定誤差。

4 結(jié)論

磁光效應(yīng)是處于磁化狀態(tài)的物質(zhì)與光相互作用其光學(xué)特性發(fā)生改變的物理現(xiàn)象。本文首先測量了不同勵磁電流對應(yīng)的電磁鐵磁頭中心磁場的磁感應(yīng)強度，得出在0—2A范圍內(nèi)磁感應(yīng)強度隨勵磁電流變化成線性關(guān)系，在此范圍選擇勵磁電流進行實驗并推算冕玻璃的Verdet常數(shù)更為精確。然后對比分析了正交消光法和磁光調(diào)制倍頻法，得出磁光調(diào)制倍頻法較正交消光法靈敏度更高，測量結(jié)果更精確。最后采用磁光調(diào)制倍頻法測量了不同勵磁電流（不同磁場）冕玻璃磁光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角，利用origin軟件對測量數(shù)據(jù)進行處理，得出冕玻璃磁光效應(yīng)旋光角隨磁場的變化規(guī)律，并計算得出冕玻璃的費爾德常數(shù)，為其進一步應(yīng)用提供理論依據(jù)。

基金項目：滄州市重點研發(fā)計劃指導(dǎo)項目：玻璃材料磁致旋光效應(yīng)研究，編號：172105003。

（作者單位：滄州師范學(xué)院物理與信息工程學(xué)院）