磁光调制实验报告

磁光调制实验报告

课程：_____光电子实验_____

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专业：信息工程

南京大学工程管理学院

磁光调制实验报告

一、实验目的

1 观察磁光调制现象

2 测量调制深度与调制角幅度

3测定旋光角与外加磁场的关系

4 测量直流磁场对磁光介质的影响

5 磁光调制与光通讯实验演示

二、实验原理

1 磁光效应

当平面偏振光穿透某种介质时，若在沿平行于光的传播方向施加一磁场，光波的偏振面会发生旋转，实验表明其旋转角θ正比于外加的磁场强度B，这种现象称为法拉第（Faraday）效应，也称磁致旋光效应，简称磁光效应，即：

θ (1)

=

vlB

式中l为光波在介质中的路径，ν为表征磁致旋光效应特征的比例系数，称为维尔德（Verdet）常数。由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍，而与光的传播方向无关，利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、光偏转等功能性磁光器件，其中磁光调制为其最典型的一种。

图1 磁光效应示意图

如图1所示，在磁光介质的外围加一个励磁线圈就构成基本的磁光调制器件。

2 直流磁光调制

当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的表面时，偏振光的光强I可以分解成如图2所示的左旋圆偏振光I L和右旋圆偏振光I R（两者旋转方向相反）。由于介质对两者具有不同的折射率n L和n R，当它们穿过厚度为l的介质后分别产生不同的相位差，体现在角位移上有：

l n L L λπ

θ2=

l n R R λ

πθ2=

式中λ为光波波长 因θθθθ+=-R L

()()l n n R L R L ?-=-=

λ

πθθθ221

( 2 ) 如折射率差()R L n n -正比于磁场强度B ，即可得（1）式，并由θ值与测得的B 与l 求出威德尔常数υ。

图2 入射光偏振面的旋转运动

3 交流磁光调制

用一交流电信号对励磁线圈进行激励，使其对介质产生一交变磁场，就组成了交流（信号）磁光调制器（此时的励磁线圈称为调制线圈），在线圈未通电流并且不计光损耗的情况下，设起偏器P 的线偏振光振幅为A 0，则A 0可分解为

A 0 cos α及A 0 sin α两垂直分量，其中只有平行于P 平面的A 0 cos α分量才能通过检偏器，故有输出光强

αα2020cos )cos (I A I == （马吕斯定律）

其中200A I =为其振幅。

式中α为起偏器P 与检偏器A 主截面之间的夹角，I 0为光强的幅值，当线圈通以交流电信号i=i 0 sin ωt 时，设调制线圈产生的磁场为B=B 0 sin ωt ，则介质相应地会产生旋转角θ=θ0 sin ωt ，则从检偏器输出的光强为：

[][])sin (2cos 12

)(2cos 12)(cos 000

20t I I I I ωθαθαθα++=++=

+= （3）

由此可知光输出可以是调制波的倍频信号。

以上就是电信号致使入射光旋光角变化从而完成对输出光强调制的基本原理。

4 磁光调制的基本参量

磁光调制的性能主要由以下两个基本参量来描述。 （1）调制深度η

min

max min

max I I I I +-=

η （4）

式中I max 和I min 分别为调制输出光强的最大值和最小值，在2

0π

θα≤

+≤

的条件下，参照图3应用倍角公式，由（3）式得到在θμ时的输出光强分别为：

[])(2cos 120max θα-+=I

I

[])(2cos 12

0min θα++=I

I （5）

如图3所示：

（2）调制角幅度θ0

令min max I I I A -=为光强调制幅度 将（5）式代入化简得

θα2sin 2sin 0I I A =

由此可见，若起偏器P 与检偏器A 主截面间夹角?=45α时，调制幅度可达最大值θ2sin 0max I I A =

此时调制输出的极值光强为：

)2sin 1(2

max θ+=

I I

)2sin 1(

2

min θ-=

I I （6） 将此式代入（4）式得?=45α时的调制深度和调制角幅度：

θηsin2=

???

? ??+-=

=-min max min max 10sin 21I I I I θθ （7） 三、实验内容

1 观察磁光调制现象

（1）按图4所示，参照图8“系统连接”方法准备就绪（用铽玻璃调制器线缆插入主控单元后面板的“调制输出”两插座中）。

（2）打开调制加载开关，调制幅度开关最大，此时直流磁场为零，转动检偏器，在示波器上同时观察到调制波形与解调输出波形；再细调检偏器的转角，即可明显地看到解调波与调制波的倍频关系，此时光强指示为最小值，检偏器透光轴与起偏器透光轴垂直， ?=90α。

2 测量调制深度与调制角幅度

在示波器中显示出解调波形时，调节检偏器偏角，读出波形曲线上相应的光强信号的最大值I max 和最小值I min ，代入（6）式和（7）式，计算出调制深度η和调制角幅度θ0。

实验测得：I max=4.56 I min =0.24

调制角幅度???

? ??+-=

=-min max min max 10sin 21I I I I θθ=32.08 调制深度：θηsin2==0.9

3、测定旋光角与外加磁场的关系

数据表格：

0.0760.1350.2030.2810.3420.4150.4820.5450.612磁感应

强度

旋转角0.68 1.02 1.48 2.12 2.56 3.13 3.58 4.45 4.87磁感强度与旋光角的图像：

分析:

由上图可以看出两者基本上呈线性关系。实验中线偏振光的偏振方向和产生磁场的电流的旋转方向一致，根据上面原理定义为右旋。

误差分析：

实验过程中，励磁电流计读数有一定的误差；读数有一定误差将角度转化位弧度制4舍5入导致一定的误差；光路不够满足实验要求，精度不够导致测量不准确；消光法测量时光电流反应不够灵敏，最小值不够准确，导致对于的检偏器角度读取有误差。

4 、测量直流磁场对磁光介质的影响

（1）按实验内容1中（2）步骤，调出调制波的倍频信号。

（2）将励磁电磁铁（M）插入可调滑座上置于接收器前，电磁铁中间放入磁光介质重火石，（先将重火石插在两磁轭之间，磁轭平面与两磁极相吻合）如图10所示。将电磁铁引出线缆插入后面板的“励磁输出”两插座中（注意：红对红，黑对黑）。

图10

（3）调节可调滑座高低左右，使激光能准确穿过重火石中心。调节接收器滑座，使激光能精确进入接收孔。此时，示波器可见倍频信号。

（4）开启直流励磁，使励磁线圈通以直流电流I DC，转动励磁强度旋钮，使励磁指示表达到1.5A，示波器无倍频信号显示，此时记下接受器上测角器的读数（建议做此实验前将测角器刻度0对0），旋转测角器微调，使示波器重显倍频信号，再记下此时测角器读数，其差值为重火石磁致旋光角。（5）将测角器刻度0对0，改变直流电流（由励磁电流表读出），每隔0.3A

)的关系曲线。

测量一次，记下旋光角度与相应的偏转角，画出θ~ B(I

DC

?注：调制线圈中部顶端开有小孔，用以插入特斯拉（场强）计测量线圈的磁感应强度B（由于测试探头处于线圈边缘，其中部的B应为2倍测试值）。?根据B与偏角?值，即可由（1）式计算出磁光介质的维尔德常数。

)的关系曲线：

θ~ B(I

DC

分析：由上图可知，MR3玻璃的~B关系基本是线性关系。根据上面原理定义，MR3玻璃的法拉第旋光性为左旋。

倍频：

四、实验总结

1、在设计倍频时，开始过程中遇到很大困难，主要是实验方法的错误，后来经过请教他人得以解决。

2、如果不使用倍频法做直流磁光调制实验，则偏振面的磁致旋转角通过消光法测得，由检偏器在平面偏振光振动方向变化前后的消光位置来确定。由于消光位置附近光强变化率较

小，检偏器的精度不够，确定精度消光位置较困难，这样就影响了磁致旋转角的精确测量。