王春梅，阮建中，顧凌峰，沈國(guó)土

(華東師范大學(xué) 物理系，上海 200241)

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法拉第效應(yīng)旋光不可逆性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

王春梅，阮建中，顧凌峰，沈國(guó)土

(華東師范大學(xué) 物理系，上海 200241)

摘要：現(xiàn)有的法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置僅能驗(yàn)證光單方向通過(guò)介質(zhì)時(shí)，偏轉(zhuǎn)角變化量與磁場(chǎng)間的正比關(guān)系，卻無(wú)法驗(yàn)證法拉第效應(yīng)旋光的不可逆性. 重新設(shè)計(jì)光路，可測(cè)量線(xiàn)偏振光二次通過(guò)介質(zhì)后的旋光角，與單次通過(guò)介質(zhì)時(shí)的旋光角進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可驗(yàn)證法拉第效應(yīng)旋光的不可逆性.

關(guān)鍵詞：法拉第效應(yīng)；磁致旋光;不可逆性

1引言

當(dāng)一束線(xiàn)偏振光穿過(guò)介質(zhì)時(shí)，如果在介質(zhì)中，沿光的傳播方向加磁場(chǎng)，就會(huì)觀(guān)察到光經(jīng)過(guò)樣品后偏振方向轉(zhuǎn)過(guò)角度，亦即磁場(chǎng)使介質(zhì)具有了旋光性，這種現(xiàn)象是法拉第在1845年發(fā)現(xiàn)的，稱(chēng)為法拉第效應(yīng)[1]. 實(shí)驗(yàn)表明，在磁場(chǎng)不是非常強(qiáng)時(shí)，偏振面旋轉(zhuǎn)的角度θ與光波在介質(zhì)中走過(guò)的路程L及介質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度在光的傳播方向上的分量B成正比，即θ=VBL，比例系數(shù)V由物質(zhì)和工作波長(zhǎng)決定，表征物質(zhì)的磁光特性，該系數(shù)稱(chēng)為費(fèi)爾德常量[1]. 值得一提的是，法拉第效應(yīng)在科研領(lǐng)域也有眾多應(yīng)用[2-3]，也是制備和檢驗(yàn)磁性樣品的重要檢測(cè)指標(biāo)[4].

法拉第效應(yīng)與自然旋光不同. 在法拉第效應(yīng)中對(duì)于給定的物質(zhì)，偏振面的旋轉(zhuǎn)方向相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)，只由磁場(chǎng)B的方向決定，和光的傳播方向無(wú)關(guān)，即是不可逆的光學(xué)過(guò)程，光線(xiàn)往返1周，旋光角將倍增. 而自然旋光是可逆的，光線(xiàn)往返1周累積旋光角為零. 此現(xiàn)象稱(chēng)為法拉第效應(yīng)旋光不可逆性[5].

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置僅能驗(yàn)證線(xiàn)偏振光單向通過(guò)介質(zhì)時(shí)偏轉(zhuǎn)角與磁場(chǎng)間的正比關(guān)系，卻無(wú)法驗(yàn)證法拉第效應(yīng)旋光的不可逆性. 此前文獻(xiàn)通過(guò)加入特制鏡片，研究3次通過(guò)旋光介質(zhì)的光，實(shí)現(xiàn)了磁致旋光和自然旋光的區(qū)分[6]，但是這種方法對(duì)鏡片鍍膜要求較高，且電磁鐵內(nèi)預(yù)留的通光孔徑要足夠大，因此不能適用于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置. 本文設(shè)計(jì)了光路，增加了必要的光學(xué)器件，并對(duì)原有實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，盡可能精確地測(cè)量激光2次通過(guò)旋光介質(zhì)時(shí)的旋光角，通過(guò)與單次通過(guò)時(shí)的旋光角作比較，驗(yàn)證了法拉第效應(yīng)旋光的不可逆性，能夠使學(xué)生更好地觀(guān)察和理解法拉第效應(yīng).

2實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何分離和獲得2次通過(guò)旋光介質(zhì)后的光信號(hào)，并對(duì)它的旋光角進(jìn)行測(cè)量. 由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置中電磁鐵的通光孔直徑約5 mm，為獲得2次通過(guò)介質(zhì)的光信號(hào)，光路中需要增加分束片. 圖1為驗(yàn)證法拉第效應(yīng)旋光不可逆性的實(shí)驗(yàn)裝置圖，電磁鐵與控制主機(jī)相連，控制主機(jī)包括勵(lì)磁電源和磁場(chǎng)測(cè)量. 對(duì)光路說(shuō)明如下：

1)光電探測(cè)器裝置由光度計(jì)(光電轉(zhuǎn)換盒)和帶有角度盤(pán)的偏振片構(gòu)成.

2)氦氖激光器的激光管內(nèi)置布儒斯特窗，故不需起偏器，氦氖激光器出射的光已經(jīng)是線(xiàn)偏振光. 如為普通氦氖激光管則需放置起偏器，以保證通過(guò)樣品時(shí)為線(xiàn)偏振光.

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3)分束片為漸變式分束片，即透射率和反射率可調(diào). 將其置于五維調(diào)節(jié)鏡架之上，可降低調(diào)節(jié)光路的難度，提高調(diào)節(jié)精度.

4)樣品架置于電磁鐵中間.

5)有條件者可在分束片和電磁鐵之間插入光闌，輔助調(diào)節(jié)光路將更加快捷.

在測(cè)量了2次通過(guò)樣品的光的旋光角θ2后，為與之對(duì)比，還應(yīng)該測(cè)量相同條件下光單次通過(guò)樣品介質(zhì)后的旋光角θ1，此時(shí)，只需要將反射鏡替換為光電探測(cè)裝置，即可探測(cè)單次通過(guò)介質(zhì)光的旋光角.

為了盡可能提高實(shí)驗(yàn)精度，應(yīng)使光電探測(cè)器、分束片、電磁鐵以及反射鏡固定在同一導(dǎo)軌上，且調(diào)節(jié)它們處于共軸的狀態(tài). 于是通過(guò)打孔，增加卡條的方法，將幾部分連接起來(lái)，從而達(dá)到光路共軸的目的. 優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，其中鋁條用螺絲固定在左右導(dǎo)軌上(另一側(cè)相同操作). 左右導(dǎo)軌便被固定在同一直線(xiàn)上，對(duì)調(diào)節(jié)光路共軸起到了至關(guān)重要的作用. 至此完成了實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化. 優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖3所示. 拍攝圖3時(shí)，將圖2的光屏?xí)簳r(shí)移走，故圖3中未拍攝遮光光屏.

圖2　優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖3　優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

開(kāi)啟裝置，進(jìn)行預(yù)熱. 對(duì)實(shí)驗(yàn)中用到的光學(xué)器件表面進(jìn)行擦拭，選擇靈敏度相對(duì)較高的探測(cè)器，以提高實(shí)驗(yàn)精度. 分束片的透光率可調(diào)，因此透過(guò)率的選取成為實(shí)驗(yàn)中要考慮的因素. 實(shí)驗(yàn)證明，由于實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量2次通過(guò)介質(zhì)的光信號(hào)，而這束光來(lái)自于分束片的反射又必須透射過(guò)分束片才能被分離出來(lái)，所以反射率和透射率為1∶1時(shí)，實(shí)驗(yàn)光強(qiáng)最為適宜.

光通過(guò)電磁鐵內(nèi)的樣品到達(dá)反射鏡進(jìn)行反射，反射的光再次通過(guò)電磁鐵，樣品到達(dá)了分束片，透過(guò)分束片射入光電探測(cè)器，由光度計(jì)監(jiān)測(cè)光強(qiáng)，調(diào)節(jié)檢偏器至消光狀態(tài)，測(cè)量此時(shí)的角度θ2. 在完成2次通過(guò)樣品的光的旋光角θ2與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系測(cè)量之后，為與之對(duì)比，需測(cè)量相同條件下光單次通過(guò)介質(zhì)后的旋光角θ1，只需要將反射鏡替換為光電探測(cè)裝置即可. 實(shí)驗(yàn)中，樣品厚度L=0.5 cm.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可分別獲得2次通過(guò)介質(zhì)光的旋光角θ2與對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系以及單向光旋光角θ1與對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系，為方便比較，將2條關(guān)系曲線(xiàn)合成在圖4. 由擬合知，反射光旋光角θ2與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比關(guān)系，斜率K2=0.059 0，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R2=0.998 6，且可得出費(fèi)爾德常量V=3 540(′)·T-1·cm-1，單向光旋光角θ1與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比關(guān)系，且斜率K1=0.035 7，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R2=0.999 8，V′=4 284(′)·T-1·cm-1.

圖4　旋光角θ1,θ2與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系圖

由圖4可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)當(dāng)偏振光2次經(jīng)過(guò)樣品介質(zhì)后，旋光角θ2并沒(méi)有變?yōu)榱?，而是比單次穿過(guò)樣品介質(zhì)后的旋光角θ1更大，可以說(shuō)明磁致旋光與自然旋光不同，具有不可逆性.

2)θ1,θ2分別與B成正比關(guān)系，說(shuō)明不管偏振光穿過(guò)樣品介質(zhì)幾次，在L一定、磁感應(yīng)強(qiáng)度不是非常強(qiáng)的情況下，旋光角與磁感應(yīng)強(qiáng)度的正比關(guān)系，始終成立.

3)為驗(yàn)證法拉第效應(yīng)光線(xiàn)往返1周，旋光角將倍增，需比較斜率K2是否為斜率K1的2倍. 其中斜率K2=0.059 0，斜率K1=0.035 7，誤差E=17%.

4總結(jié)與展望

從本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看，2次通過(guò)介質(zhì)的光與磁場(chǎng)B之間的關(guān)系曲線(xiàn)線(xiàn)性好，且斜率不為零，可驗(yàn)證法拉第旋光的不可逆性，即在法拉第效應(yīng)中對(duì)于給定的物質(zhì)，偏振面的旋轉(zhuǎn)方向只由磁場(chǎng)B的方向決定，和光的傳播方向無(wú)關(guān)，即是不可逆的光學(xué)過(guò)程. 但是對(duì)光線(xiàn)往返1周，旋光角將倍增的驗(yàn)證方面，誤差還是比較大的. 分析原因，誤差可能出自于2次通過(guò)光，與單向光相比，2次光經(jīng)過(guò)的光程是單次光的2倍多，激光光點(diǎn)隨距離增加明顯擴(kuò)大，并且歷經(jīng)分束片、反射鏡等光學(xué)元件的反射和透射后，光強(qiáng)明顯減弱，光斑質(zhì)量急劇下降，消光狀態(tài)時(shí)探測(cè)靈敏度非常低，消光角測(cè)量誤差大，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差偏大. 基于以上因素，希望后續(xù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠縮小儀器尺寸，減短實(shí)驗(yàn)光程，設(shè)法提高測(cè)量靈敏度，對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以減少實(shí)驗(yàn)誤差. 在縮小尺寸的基礎(chǔ)上，還可以嘗試研制開(kāi)發(fā)微型物理演示實(shí)驗(yàn)箱[7]. 綜上所述，本實(shí)驗(yàn)?zāi)芗ぐl(fā)學(xué)生的好奇心和探究性，也能幫助學(xué)生更好地理解法拉第效應(yīng).

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[責(zé)任編輯：郭偉]

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

中圖分類(lèi)號(hào)：O436.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2015)02-0028-04

作者簡(jiǎn)介：王春梅(1982-)，女，山東煙臺(tái)人，華東師范大學(xué)物理系工程師，碩士，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究工作.

收稿日期：2014-04-03；修改日期：2014-10-08

“第8屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

資助項(xiàng)目：華東師范大學(xué)2012年度實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備研制項(xiàng)目(No.521Z5035)