Fig.3The frequency multiplication signal waveform自然旋光偏转角度θ=θ1－θ0。(2)交流调制法按图1所示的实验装置图调节好光路并固定,取下石英晶体,打开交流电信号(1 kHz的正弦信号),首先调节起偏器和检偏器的夹角,记录下示波器上出现倍频信号时检偏器的角度θ0,如图3所示。放入石英晶体,线偏振光经过石英晶体后偏振面发生旋转,示波器中的波形会发生变化,调节检偏器,当示波器上再次出现倍频信号时,记录下检偏器角度θ1,则偏转角θ=θ1－θ0。法拉第效应中,直流励磁铽玻璃的作用等同于石英晶体,可以通过控制交流励磁开关选用直流励磁法或交流调制法,测量过程与自然旋光效应的直接测量和交流调制法相同,但是需要多次改变直流电信号的数值,调节检偏器,使光强或波形恢复到初始状态,记录下每次检偏器的角度θi,其偏转角为θ=θi－θ0。3实验研究与数据分析

　　3.1电流对偏转角θ的影响自然旋光现象与磁场无关,其偏转角理论值θ=αl,比例系数α为光通过1 mm厚度旋光物质时的偏转角,入射波长λ=587.6 nm,室温20 ℃下,石英的比例系数理论值为α=21.75(°)/mm。由于探测器光强灵敏度的影响,采用直接测量法测量结果为15.48(°)/mm,误差较大。采用交流调制法测量,将石英晶体替换图2的直流励磁玻璃,测得其比例系数为20.56(°)/mm,误差主要是入射光波长、检偏器和起偏器的消光比、检偏器角度和晶体长度的读数误差以及环境温度等因素引起。实验数据表明自然旋光偏转角只与晶体本身有关。图4法拉第效应偏转角与电流关系曲线

　　Fig.4The relationship curve between deflected

　　angle and current in the Faraday effect法拉第效应偏转角理论值为θ=VBl,其中B为磁场强度,比例系数V是晶体的维尔德常数。在图2的实验装置中,分别利用直流励磁法和交流调制法对铽玻璃进行测量,两种方法的测量曲线如图4所示。从图4可以发现:法拉第效应偏转角正比于电流强度,同时磁场强度正比于电流强度,即偏转角正比于磁场强度,与理论吻合。如果反过来测量出磁光晶体长度、直流励磁线圈产生的磁场强度以及偏转角,即可利用理论公式计算出晶体的维尔德常数,从而确定该晶体种类。直流励磁法通过观察光强读数确定偏转角,操作简单,但光强示数随电流变化不灵敏,测量精度不高,其偏转角与电流的线性度不高;交流调制法通过倍频信号确定偏转角,电流的微弱变化就能引起波形变化,测量结果比较精确,但光路复杂,操作繁琐。

　　3.2磁场方向对偏转角的影响保持入射光方向不变,通过改变励磁电流的极性实现磁场方向的变化。当励磁极性为“+”时,光的传播方向与磁场方向相同,顺着磁场方向观察,偏振面顺时针偏转;改变励磁极性,则光的传播方向与磁场方向相反,顺着磁场方向观察偏振面逆时针偏转。可以发现,法拉第效应的偏转方向与磁场方向有关。

　　3.3光的传播方向对偏转角的影响将图1与图2中光源部分与探测器部分对调一下,即改变入射光的传播方向,可以发现:(1)石英晶体偏转角的旋转方向由顺时针变为逆时针,但偏转角度大小相等。即自然旋光效应的偏转方向与入射光传播方向有关,当光束往返通过自然旋光物质时,两次偏转方向相反大小相等而相互抵消。(2)对于直流励磁铽玻璃,迎着光的方向来看,偏转面旋转方向由右旋变左旋,即法拉第效应的偏转方向与光的传播方向无关。利用这一特性可以使光波在两反射镜之间多次传播以增强磁光效应。

　　3.4入射波长对偏转角的影响将光源依次换成650 nm、532 nm的激光器,两种晶体的偏转角都减小,但石英晶体变化程度较大。这种偏转角随入射波长不同而发生变化的现象称为旋光色散。4应用领域若旋光物质为溶液,偏转角度θ与物质的厚度l和物质的浓度c成正比,即θ=αcl,其比例系数α为旋光物质的旋光率。根据旋光物质的自然旋光规律可以测量溶液浓度,医学中的测糖计就是根据这个原理设计的。图5光学隔离器原理结构示意图

　　Fig.5The structure principle graph of

　　optical isolator法拉第效应的偏转角旋光方向与磁场方向有关,与传播方向无关。如果光往返通过磁光晶体,由本身自然旋光引起的偏转角与磁场方向有关而抵消掉。如图5所示,当法拉第效应引起的偏转角为π/4时,反射光通过法拉第盒后的偏振方向与起偏器P1方向正交而无法通过。此现象表明法拉第旋光效应是一个不可逆的光学过程,可利用这种现象制成光学隔离器或单通光闸等器件。5结论自然旋光和法拉第效应的区别主要体现在偏转角、色散和旋光方向三个方面。自然旋光与法拉第效应的偏转角都与晶体本身的参数有关,且比例系数与环境温度、入射光波频率(或波长)等有关。自然旋光的偏转方向与光的传播方向和晶体本身的内部结构有关,对于同一材料制成的晶片,自然旋光的方向往往同时具备左旋和右旋特性,例如石英有左旋石英和右旋石英,但旋光本领相同;而法拉第效应偏转角正比于外加磁场强度的大小,其偏转角旋光方向与磁场方向有关,与光传播方向无关,即只要磁场方向不变,无论入射光还是反射光,其旋转角都朝一个方向旋转。

　　参考文献：

　　［1］刘公强,刘湘林.磁光调制和法拉第旋转测量［J］.光学学报,1984,4(7):588?592.

　　［2］王吉明,吴福全,封太忠,等.磁光晶体磁致偏振特性测试实验系统［J］.曲阜师范大学学报,2004,30(3):51?53.

　　［3］底楠,徐晓鹏.关于磁光调制倍频法的讨论和改进［J］.物理实验,2007,27(5):10?11.

　　［4］李永安,李小俊,白晋涛.正弦波与方波磁光调制的比较分析［J］.光子学报,2007,36(增刊):192?196.

　　［5］于艳春,李冠成,王秉坤,等.声光效应实验装置及实验研究［J］.光学仪器,2004,26(6):52?57.

　　［6］郭继华,朱兆明,邓为民.新型磁光调制器［J］.光学学报,2000,20(1):110?113.

　　［7］孙鉴,牟海维,刘世清,等.电光调制中半波电压测量方法的研究［J］.大学物理,2008,27(10):40?43.

　　［8］齐继伟,李玉栋,许京军,等.铌酸锂晶体中的磁光折变效应研究［J］.物理学报,2007,56(12):7015?7022.

　　［9］李小俊,李永安,汪源源,等.基于矩形波信号的磁光调制偏振测量方法［J］.光学学报,2008,28(8):1533?1537.