法拉第效应旋光不可逆性的实验验证

王春梅，阮建中，顾凌峰，沈国土

(华东师范大学 物理系，上海 200241)



法拉第效应旋光不可逆性的实验验证

王春梅，阮建中，顾凌峰，沈国土

(华东师范大学 物理系，上海 200241)

摘要：现有的法拉第效应实验装置仅能验证光单方向通过介质时，偏转角变化量与磁场间的正比关系，却无法验证法拉第效应旋光的不可逆性. 重新设计光路，可测量线偏振光二次通过介质后的旋光角，与单次通过介质时的旋光角进行比较，实验结果可验证法拉第效应旋光的不可逆性.

关键词：法拉第效应；磁致旋光;不可逆性

1引言

当一束线偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向加磁场，就会观察到光经过样品后偏振方向转过角度，亦即磁场使介质具有了旋光性，这种现象是法拉第在1845年发现的，称为法拉第效应[1]. 实验表明，在磁场不是非常强时，偏振面旋转的角度θ与光波在介质中走过的路程L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θ=VBL，比例系数V由物质和工作波长决定，表征物质的磁光特性，该系数称为费尔德常量[1]. 值得一提的是，法拉第效应在科研领域也有众多应用[2-3]，也是制备和检验磁性样品的重要检测指标[4].

法拉第效应与自然旋光不同. 在法拉第效应中对于给定的物质，偏振面的旋转方向相对于实验室坐标，只由磁场B的方向决定，和光的传播方向无关，即是不可逆的光学过程，光线往返1周，旋光角将倍增. 而自然旋光是可逆的，光线往返1周累积旋光角为零. 此现象称为法拉第效应旋光不可逆性[5].

实验室现有的法拉第效应实验装置仅能验证线偏振光单向通过介质时偏转角与磁场间的正比关系，却无法验证法拉第效应旋光的不可逆性. 此前文献通过加入特制镜片，研究3次通过旋光介质的光，实现了磁致旋光和自然旋光的区分[6]，但是这种方法对镜片镀膜要求较高，且电磁铁内预留的通光孔径要足够大，因此不能适用于现有实验装置. 本文设计了光路，增加了必要的光学器件，并对原有实验装置进行了改进，尽可能精确地测量激光2次通过旋光介质时的旋光角，通过与单次通过时的旋光角作比较，验证了法拉第效应旋光的不可逆性，能够使学生更好地观察和理解法拉第效应.

2实验装置的设计与优化

本实验设计的关键在于如何分离和获得2次通过旋光介质后的光信号，并对它的旋光角进行测量. 由于现有实验装置中电磁铁的通光孔直径约5 mm，为获得2次通过介质的光信号，光路中需要增加分束片. 图1为验证法拉第效应旋光不可逆性的实验装置图，电磁铁与控制主机相连，控制主机包括励磁电源和磁场测量. 对光路说明如下：

1)光电探测器装置由光度计(光电转换盒)和带有角度盘的偏振片构成.

2)氦氖激光器的激光管内置布儒斯特窗，故不需起偏器，氦氖激光器出射的光已经是线偏振光. 如为普通氦氖激光管则需放置起偏器，以保证通过样品时为线偏振光.

图1　实验装置示意图

3)分束片为渐变式分束片，即透射率和反射率可调. 将其置于五维调节镜架之上，可降低调节光路的难度，提高调节精度.

4)样品架置于电磁铁中间.

5)有条件者可在分束片和电磁铁之间插入光阑，辅助调节光路将更加快捷.

在测量了2次通过样品的光的旋光角θ2后，为与之对比，还应该测量相同条件下光单次通过样品介质后的旋光角θ1，此时，只需要将反射镜替换为光电探测装置，即可探测单次通过介质光的旋光角.

为了尽可能提高实验精度，应使光电探测器、分束片、电磁铁以及反射镜固定在同一导轨上，且调节它们处于共轴的状态. 于是通过打孔，增加卡条的方法，将几部分连接起来，从而达到光路共轴的目的. 优化后的实验装置如图2所示，其中铝条用螺丝固定在左右导轨上(另一侧相同操作). 左右导轨便被固定在同一直线上，对调节光路共轴起到了至关重要的作用. 至此完成了实验装置的设计和优化. 优化后的实验装置实物图如图3所示. 拍摄图3时，将图2的光屏暂时移走，故图3中未拍摄遮光光屏.

图2　优化后的实验装置图

图3　优化后的实验装置实物图

3实验结果

开启装置，进行预热. 对实验中用到的光学器件表面进行擦拭，选择灵敏度相对较高的探测器，以提高实验精度. 分束片的透光率可调，因此透过率的选取成为实验中要考虑的因素. 实验证明，由于实验需要测量2次通过介质的光信号，而这束光来自于分束片的反射又必须透射过分束片才能被分离出来，所以反射率和透射率为1∶1时，实验光强最为适宜.

光通过电磁铁内的样品到达反射镜进行反射，反射的光再次通过电磁铁，样品到达了分束片，透过分束片射入光电探测器，由光度计监测光强，调节检偏器至消光状态，测量此时的角度θ2. 在完成2次通过样品的光的旋光角θ2与磁感应强度B的关系测量之后，为与之对比，需测量相同条件下光单次通过介质后的旋光角θ1，只需要将反射镜替换为光电探测装置即可. 实验中，样品厚度L=0.5 cm.

根据实验数据，可分别获得2次通过介质光的旋光角θ2与对应磁感应强度B的关系以及单向光旋光角θ1与对应磁感应强度B的关系，为方便比较，将2条关系曲线合成在图4. 由拟合知，反射光旋光角θ2与磁感应强度B成正比关系，斜率K2=0.059 0，线性相关系数R2=0.998 6，且可得出费尔德常量V=3 540(′)·T-1·cm-1，单向光旋光角θ1与磁感应强度B成正比关系，且斜率K1=0.035 7，线性相关系数R2=0.999 8，V′=4 284(′)·T-1·cm-1.

图4　旋光角θ1,θ2与磁感应强度B的关系图

由图4可以得出以下几点结论：

1)当偏振光2次经过样品介质后，旋光角θ2并没有变为零，而是比单次穿过样品介质后的旋光角θ1更大，可以说明磁致旋光与自然旋光不同，具有不可逆性.

2)θ1,θ2分别与B成正比关系，说明不管偏振光穿过样品介质几次，在L一定、磁感应强度不是非常强的情况下，旋光角与磁感应强度的正比关系，始终成立.

3)为验证法拉第效应光线往返1周，旋光角将倍增，需比较斜率K2是否为斜率K1的2倍. 其中斜率K2=0.059 0，斜率K1=0.035 7，误差E=17%.

4总结与展望

从本实验的结果看，2次通过介质的光与磁场B之间的关系曲线线性好，且斜率不为零，可验证法拉第旋光的不可逆性，即在法拉第效应中对于给定的物质，偏振面的旋转方向只由磁场B的方向决定，和光的传播方向无关，即是不可逆的光学过程. 但是对光线往返1周，旋光角将倍增的验证方面，误差还是比较大的. 分析原因，误差可能出自于2次通过光，与单向光相比，2次光经过的光程是单次光的2倍多，激光光点随距离增加明显扩大，并且历经分束片、反射镜等光学元件的反射和透射后，光强明显减弱，光斑质量急剧下降，消光状态时探测灵敏度非常低，消光角测量误差大，导致实验误差偏大. 基于以上因素，希望后续实验设计能够缩小仪器尺寸，减短实验光程，设法提高测量灵敏度，对实验系统进行优化，以减少实验误差. 在缩小尺寸的基础上，还可以尝试研制开发微型物理演示实验箱[7]. 综上所述，本实验能激发学生的好奇心和探究性，也能帮助学生更好地理解法拉第效应.

参考文献：

[1]吴思诚,王祖铨． 近代物理实验[M]． 北京：北京大学出版社，1995：228．

[2]钱栋梁，陈良尧，郑卫民，等． 一种完整测量磁光克尔效应和法拉第效应的方法[J]． 光学学报，1999，19(3)：474-480．

[3]石绍华，欧阳雨，李道勇，等． 利用表面磁光克尔效应监测Ni薄膜生长的物相转变[J]． 物理实验，2012，32(8)：30-33．

[4]刘晓龙，韦宗慧，冯超，等． 磁流体制备及性质研究[J]． 物理实验，2012，32(8)：6-10．

[5]姚启钧． 光学教程[M]． 3版. 北京：高等教育出版社，2002：361．

[6]孙昕，赵红福，孙寒，等． 法拉第效应实验装置中光路的设计[J]． 物理实验，2005，25(3)：37-38．

[7]卢荣德，程福臻，孙腊珍，等． 微型物理演示实验箱的研制与应用[J]． 物理实验，2012，32(2)：39-46．

[责任编辑：郭伟]

Verification experiment on irreversibility of Faraday effect

WANG Chun-mei, RUAN Jian-zhong, GU Ling-feng, SHEN Guo-tu

(Department of Physics, East China Normal University， Shanghai 200241, China)

Abstract:The existing Faraday effect experiment device can verify the proportional relationship between the deflection angle variation and the magnetic field when light travels through the medium in only one direction, but can’t verify the irreversibility of magneto-optical rotation in Faraday effect. Light path was designed to measure the optical rotation angle of twice-traveling through the medium. The experimental results verified the irreversibility of the optical rotation caused by Faraday effect.

Key words:Faraday effect; magneto-optical rotation; irreversibility

中图分类号：O436.4

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)02-0028-04

作者简介：王春梅(1982-)，女，山东烟台人，华东师范大学物理系工程师，硕士，主要从事物理实验教学与研究工作.

收稿日期：2014-04-03；修改日期：2014-10-08

“第8届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

资助项目：华东师范大学2012年度实验教学设备研制项目(No.521Z5035)