法拉第效應旋光不可逆性的實驗驗證

王春梅，阮建中，顧凌峰，沈國土

(華東師范大學 物理系，上海 200241)

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法拉第效應旋光不可逆性的實驗驗證

王春梅，阮建中，顧凌峰，沈國土

(華東師范大學 物理系，上海 200241)

摘要：現有的法拉第效應實驗裝置僅能驗證光單方向通過介質時，偏轉角變化量與磁場間的正比關系，卻無法驗證法拉第效應旋光的不可逆性. 重新設計光路，可測量線偏振光二次通過介質后的旋光角，與單次通過介質時的旋光角進行比較，實驗結果可驗證法拉第效應旋光的不可逆性.

關鍵詞：法拉第效應；磁致旋光;不可逆性

1引言

當一束線偏振光穿過介質時，如果在介質中，沿光的傳播方向加磁場，就會觀察到光經過樣品后偏振方向轉過角度，亦即磁場使介質具有了旋光性，這種現象是法拉第在1845年發現的，稱為法拉第效應[1]. 實驗表明，在磁場不是非常強時，偏振面旋轉的角度θ與光波在介質中走過的路程L及介質中的磁感應強度在光的傳播方向上的分量B成正比，即θ=VBL，比例系數V由物質和工作波長決定，表征物質的磁光特性，該系數稱為費爾德常量[1]. 值得一提的是，法拉第效應在科研領域也有眾多應用[2-3]，也是制備和檢驗磁性樣品的重要檢測指標[4].

法拉第效應與自然旋光不同. 在法拉第效應中對于給定的物質，偏振面的旋轉方向相對于實驗室坐標，只由磁場B的方向決定，和光的傳播方向無關，即是不可逆的光學過程，光線往返1周，旋光角將倍增. 而自然旋光是可逆的，光線往返1周累積旋光角為零. 此現象稱為法拉第效應旋光不可逆性[5].

實驗室現有的法拉第效應實驗裝置僅能驗證線偏振光單向通過介質時偏轉角與磁場間的正比關系，卻無法驗證法拉第效應旋光的不可逆性. 此前文獻通過加入特制鏡片，研究3次通過旋光介質的光，實現了磁致旋光和自然旋光的區分[6]，但是這種方法對鏡片鍍膜要求較高，且電磁鐵內預留的通光孔徑要足夠大，因此不能適用于現有實驗裝置. 本文設計了光路，增加了必要的光學器件，并對原有實驗裝置進行了改進，盡可能精確地測量激光2次通過旋光介質時的旋光角，通過與單次通過時的旋光角作比較，驗證了法拉第效應旋光的不可逆性，能夠使學生更好地觀察和理解法拉第效應.

2實驗裝置的設計與優化

本實驗設計的關鍵在于如何分離和獲得2次通過旋光介質后的光信號，并對它的旋光角進行測量. 由于現有實驗裝置中電磁鐵的通光孔直徑約5 mm，為獲得2次通過介質的光信號，光路中需要增加分束片. 圖1為驗證法拉第效應旋光不可逆性的實驗裝置圖，電磁鐵與控制主機相連，控制主機包括勵磁電源和磁場測量. 對光路說明如下：

1)光電探測器裝置由光度計(光電轉換盒)和帶有角度盤的偏振片構成.

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

圖1　實驗裝置示意圖

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

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，輔助調節光路將更加快捷.

在測量了2次通過樣品的光的旋光角θ2后，為與之對比，還應該測量相同條件下光單次通過樣品介質后的旋光角θ1，此時，只需要將反射鏡替換為光電探測裝置，即可探測單次通過介質光的旋光角.

為了盡可能提高實驗精度，應使光電探測器、分束片、電磁鐵以及反射鏡固定在同一導軌上，且調節它們處于共軸的狀態. 于是通過打孔，增加卡條的方法，將幾部分連接起來，從而達到光路共軸的目的. 優化后的實驗裝置如圖2所示，其中鋁條用螺絲固定在左右導軌上(另一側相同操作). 左右導軌便被固定在同一直線上，對調節光路共軸起到了至關重要的作用. 至此完成了實驗裝置的設計和優化. 優化后的實驗裝置實物圖如圖3所示. 拍攝圖3時，將圖2的光屏暫時移走，故圖3中未拍攝遮光光屏.

圖2　優化后的實驗裝置圖

圖3　優化后的實驗裝置實物圖

3實驗結果

開啟裝置，進行預熱. 對實驗中用到的光學器件表面進行擦拭，選擇靈敏度相對較高的探測器，以提高實驗精度. 分束片的透光率可調，因此透過率的選取成為實驗中要考慮的因素. 實驗證明，由于實驗需要測量2次通過介質的光信號，而這束光來自于分束片的反射又必須透射過分束片才能被分離出來，所以反射率和透射率為1∶1時，實驗光強最為適宜.

光通過電磁鐵內的樣品到達反射鏡進行反射，反射的光再次通過電磁鐵，樣品到達了分束片，透過分束片射入光電探測器，由光度計監測光強，調節檢偏器至消光狀態，測量此時的角度θ2. 在完成2次通過樣品的光的旋光角θ2與磁感應強度B的關系測量之后，為與之對比，需測量相同條件下光單次通過介質后的旋光角θ1，只需要將反射鏡替換為光電探測裝置即可. 實驗中，樣品厚度L=0.5 cm.

根據實驗數據，可分別獲得2次通過介質光的旋光角θ2與對應磁感應強度B的關系以及單向光旋光角θ1與對應磁感應強度B的關系，為方便比較，將2條關系曲線合成在圖4. 由擬合知，反射光旋光角θ2與磁感應強度B成正比關系，斜率K2=0.059 0，線性相關系數R2=0.998 6，且可得出費爾德常量V=3 540(′)·T-1·cm-1，單向光旋光角θ1與磁感應強度B成正比關系，且斜率K1=0.035 7，線性相關系數R2=0.999 8，V′=4 284(′)·T-1·cm-1.

圖4　旋光角θ1,θ2與磁感應強度B的關系圖

由圖4可以得出以下幾點結論：

1)當偏振光2次經過樣品介質后，旋光角θ2并沒有變為零，而是比單次穿過樣品介質后的旋光角θ1更大，可以說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成正比關系，說明不管偏振光穿過樣品介質幾次，在L一定、磁感應強度不是非常強的情況下，旋光角與磁感應強度的正比關系，始終成立.

3)為驗證法拉第效應光線往返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總結與展望

從本實驗的結果看，2次通過介質的光與磁場B之間的關系曲線線性好，且斜率不為零，可驗證法拉第旋光的不可逆性，即在法拉第效應中對于給定的物質，偏振面的旋轉方向只由磁場B的方向決定，和光的傳播方向無關，即是不可逆的光學過程. 但是對光線往返1周，旋光角將倍增的驗證方面，誤差還是比較大的. 分析原因，誤差可能出自于2次通過光，與單向光相比，2次光經過的光程是單次光的2倍多，激光光點隨距離增加明顯擴大，并且歷經分束片、反射鏡等光學元件的反射和透射后，光強明顯減弱，光斑質量急劇下降，消光狀態時探測靈敏度非常低，消光角測量誤差大，導致實驗誤差偏大. 基于以上因素，希望后續實驗設計能夠縮小儀器尺寸，減短實驗光程，設法提高測量靈敏度，對實驗系統進行優化，以減少實驗誤差. 在縮小尺寸的基礎上，還可以嘗試研制開發微型物理演示實驗箱[7]. 綜上所述，本實驗能激發學生的好奇心和探究性，也能幫助學生更好地理解法拉第效應.

參考文獻：

[1]吳思誠,王祖銓． 近代物理實驗[M]． 北京：北京大學出版社，1995：228．

[2]錢棟梁，陳良堯，鄭衛民，等． 一種完整測量磁光克爾效應和法拉第效應的方法[J]． 光學學報，1999，19(3)：474-480．

[3]石紹華，歐陽雨，李道勇，等． 利用表面磁光克爾效應監測Ni薄膜生長的物相轉變[J]． 物理實驗，2012，32(8)：30-33．

[4]劉曉龍，韋宗慧，馮超，等． 磁流體制備及性質研究[J]． 物理實驗，2012，32(8)：6-10．

[5]姚啟鈞． 光學教程[M]． 3版. 北京：高等教育出版社，2002：361．

[6]孫昕，趙紅福，孫寒，等． 法拉第效應實驗裝置中光路的設計[J]． 物理實驗，2005，25(3)：37-38．

[7]盧榮德，程福臻，孫臘珍，等． 微型物理演示實驗箱的研制與應用[J]． 物理實驗，2012，32(2)：39-46．

[責任編輯：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

中圖分類號：O436.4

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)02-0028-04

作者簡介：王春梅(1982-)，女，山東煙臺人，華東師范大學物理系工程師，碩士，主要從事物理實驗教學與研究工作.

收稿日期：2014-04-03；修改日期：2014-10-08

“第8屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

資助項目：華東師范大學2012年度實驗教學設備研制項目(No.521Z5035)