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 0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：

vlB ⑴

式中I为光波在介质中的路径， 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。

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Ir （两者旋转方向相反）。由 于介质对两者具有不同的折射率 m和nR，当它们穿过厚度为I的介质后分别产 生不同的相位差，体现在角位移上有：

式中入为光波波长mi?rI

式中入为光波波长

mi

?rI

2 nL

nR l

如折射率差nL nR正比于磁场强度 B,即可得(1)式，并由 值与测得

的B与l求出威德尔常数

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,则A可分解为

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

I (AoCOS )2 10 cos2 (马吕斯定律)

其中Io Ao为其振幅。

式中 为起偏器P与检偏器A主截面之间的夹角，Io为光强的幅值，当线圈 通以交流电信号i=i o sin 3 t时，设调制线圈产生的磁场为 B=B sin 3 t，则介质 相应地会产生旋转角9 = 9 o sin 31，则从检偏器输出的光强为：

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

调制深度n

1 maxI min1 maxI min(4)式中I

1 max

I min

1 max

I min

(4)

式中

I max和Imin分别为调制输出光强的最大值和最小值，在 0

的条件下,

2

参照图3应用倍角公式，由(3)式得到在 时的输出光强分别为：

号 1 cos2( )

? 1 cos2( )

2

1 max

Imin

(5)

如图3所示:

图3调制光强幅度随旋光角变化的情况

(2)调制角幅度9 0

令I A I max I min为光强调制幅度

将(5)式代入化简得

I A 10 sin 2 sin 2

由此可见，若起偏器P与检偏器A主截面间夹角 45时，调制幅度可达

最大值「max Iosin 2

此时调制输出的极值光强为：

Imax ^(l 前2 )

2

Imin 等（1 sin2 ） （6）

将此式代入（4）式得 45时的调制深度和调制角幅度：

si n2

sin21 maxI

sin

2

1 max

Imin

1 max

Imin

(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 器线缆插入主控单兀后面板的“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， 90

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， 90。

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Imax和最小值Imin，代入（6）式和（7）式，计算出调 制深度n和调制角幅度B 0。

实验测得:max=4.56min =0.24

实验测得:

max=4.56

min =0.24

调制角幅度

3、测定旋光角与外加磁场的关系

数据表格:

磁感应

强度

0.076

0.135

0.203

0.281

0.342

0.415

0.482

0.545

0.612

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:

图裘标题

十旋转角

十旋转角

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Idc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

测量一次，记下旋光角度与相应的偏转角，画出B ~ B（l dC）的关系曲线。

?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（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。

磁感应

0.0

0.137

0.202

0.288

0.351

0.426

0.569

0.595

0.636

强度

758

5

9

9

5

7

7

旋转角

-1.

-4.84

-6.77

-9.54

-12

-14.0

-17

-19.5

-21.7

34

3

7

7

9 ~ B（l d）的关系曲线:

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。

1 I I

-sin 1 2 ——匹=32.08

2 I I .

max min