Методические указания к лабораторной работе №76 по физике для студентов всех специальностей и всех форм обучения, изучающих курс «Волновая оптика» Хабаровск
1 чел. помогло. | скачать Министерство образования Российской Федерации Хабаровский государственный технический университет исследование пленки феррита-граната методом магнитооптического эффекта фарадеяМетодические указания к лабораторной работе № 76по физике для студентов всех специальностей и всех форм обучения, изучающих курс «Волновая оптика» Хабаровск Издательство ХГТУ 2002 исследование пленки феррита-граната методом магнитооптического эффекта фарадеяХабаровск 2002 УДК 537.632(07)Исследование пленки феррита-граната методом магнитооптического эффекта Фарадея: Методические указания к лабораторной работе № 76 по физике для студентов всех специальностей и всех форм обучения, изучающих курс «Волновая оптика» / Сост. Ю.И. Щербаков – Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2002. - 8 с. Методические указания составлены на кафедре «Физика». Содержат указания для определения толщины и поля насыщения пленки феррита-граната методом магнитооптического эффекта Фарадея. Объем выполнения лабораторной работы 2 часа. Печатается в соответствии с решениями кафедры «Физика» и методического совета факультета математического моделирования и процессов управления. © Издательство Хабаровского государственного технического университета, 2002 ^ визуально ознакомиться с доменной структурой и процессом намагничивания пленки феррита-граната с помощью магнитооптического эффекта Фарадея. Задача: 1) Определить угол поворота плоскости поляризации света в пленке феррита-граната и толщину пленки; 2) определить величину магнитного поля насыщения пленки. ^ поляризационный микроскоп, исследуемый образец – прозрачная пленка феррита-граната, катушка – источник магнитного поля, источник питания катушки (выпрямитель), реостат, амперметр. ВВЕДЕНИЕКак известно (см., например, в учебнике [1, 2, 3]), магнитооптический эффект Фарадея состоит в том, что плоскополяризованное (линейно поляризованное) монохроматическое излучение, прошедшее через изотропную намагниченную среду вдоль направления намагничивания, претерпевает поворот плоскости поляризации (фарадеевское вращение) на угол ΘF, величина которого прямо пропорциональна пути d, пройденному светом в этой среде (рис. 1). Угол поворота определяется по формуле: ΘF = αd, (1) где α – удельное фарадеевское вращение, то есть угол поворота плоскости поляризации света, прошедшего через намагниченную среду единичной толщины (размерность α в СИ  ). Удельное фарадеевское вращение α зависит от химической природы намагниченной среды, от степени намагниченности ее, от температуры и длины волны света.  Р  ис. 1. Принципиальная схема оптической части установки. Стрелка на образце показывает направление намагниченности, ΘF – угол поворота плоскости поляризации света в образце Феноменологически явление Фарадея, так же как и явление естественной оптической активности, можно объяснить двойным лучепреломлением циркулярно поляризованных волн [1, 2, 3]. Согласно Френелю (рис. 2), линейно поляризованную волну  , вступающую в оптически активную среду, можно представить как сумму двух циркулярно поляризованных волн  с противоположным направлением вращения электрического вектора, которые распространяются в среде с разными скоростями, то есть для каждой из этих волн будет свой показатель преломления, соответственно  . а) б)   Рис. 2. Вращение плоскости поляризации света, проходящего через оптически активную среду. Свет распространяется перпендикулярно плоскости рисунка: а) АА – плоскость колебаний электрического вектора световой волны на входе в образец; б) ВВ – плоскость колебаний электрического вектора световой волны на выходе из намагниченного образца. Таким образом, если до вступления в среду обе эти волны имели одинаковую фазу, то на выходе из среды у них появится разность фаз, равная  , где d – длина пути света в среде, λ0 – длина волны излучения (света) в вакууме, n+ и n- - показатели преломления намагниченного вещества для волн, поляризованных по правому и левому кругу соответственно. Наличие такой разности фаз приводит на выходе из намагниченной среды к повороту плоскости поляризации света на угол ΘF. Из рис. 2б следует, что  Следовательно, ΘF =  Подставляя последнее выражение в формулу (1), получаем  (2)Заметим, что угол фарадеевского поворота ΘF изменяет знак на противоположный при изменении направлении намагниченности образца на противоположный, то есть плоскость ВВ повернется влево от АА. Известно, что намагниченная ферромагнитная среда при температуре ниже температуры Кюри самопроизвольно разбивается на домены – объемные области, которые намагничены до насыщения в отсутствие внешнего магнитного поля [4, 5, 6]. При приложении внешнего поля  увеличиваются размеры тех доменов, у которых намагниченность совпадает с направлением поля. При достижении некоторого значения поля НS ферромагнитная среда однородно намагнитится (намагнитится до насыщения), то есть перейдет в однодоменное состояние. На рис. 3 схематично показана пленка феррита-граната в трех случаях, когда Н = 0, Н < НS и Н ≥ НS; заштрихованные и незаштрихованные участки – домены с противоположным направлением намагниченности.  a) H = 0 б) Н < HS в) H ≥ HS Рис. 3. Процесс намагничивания пленки ^ Основной частью экспериментальной установки является поляризационный микроскоп (рис. 4). Р  ис. 4. Схема поляризационного микроскопа: 1 – осветитель; 2 - центровочные рукоятки; 3 – поляризатор; 4 - рукоятка перемещения оптической головки; 5 - поворотный столик, с катушкой и образцом (5А – катушка с образцом); 6 – светофильтры; 7 - шкала анализатора; 8 - рычажок поворота ^ Его отличие от обычного микроскопа заключается в том, что здесь исследования проводятся в линейно поляризованном свете. Для этой цели микроскоп снабжен поляризатором 3 – он расположен под предметным столиком 5 микроскопа; анализатором 7, который установлен перед головкой с окуляром 9. Образец (прозрачная для длин волн около λ0 = 0,6 мкм пленка феррита-граната), помещенный на предметный столик, то есть между поляризатором и анализатором, наблюдается в проходящем свете. Так как соседние домены намагничены противоположно, то вследствие эффекта Фарадея они будут вращать плоскость поляризации света на углы + ΘF и – ΘF соответственно, то есть в противоположные стороны. Тогда, согласно закону Малюса, интенсивность света, прошедшего через соседние домены, будет разной, что позволяет магнитооптическим методом наблюдать домены. Контраст соседних доменов, наблюдаемых в микроскопе, будет зависеть от величины фарадеевского вращения и от взаимного расположения поляризатора и анализатора. Намагничивание пленки феррита-граната, помещенной внутрь катушки, осуществляется магнитным полем, создаваемым током этой катушки. Силовые линии перпендикулярны плоскости пленки. Напряженность магнитного поля в центре катушки мы можем рассчитать приближенно, рассматривая катушку как многовитковое кольцо, по формуле  (3)где I - сила тока; N – общее число витков катушки (N = 2000); R – средний радиус катушки (R = 11 мм). При изменении напряженности внешнего магнитного поля будет изменяться наблюдаемая доменная структура пленки (в данной работе наблюдается лабиринтная структура). При повышении H пленка будет намагничиваться – одни домены будут увеличиваться в размерах и выпрямляться, а другие будут уменьшать свои размеры. При некотором поле НS (силе тока IS) все домены превратятся в один большой домен, лабиринтная структура исчезнет. Это поле НS и является искомым полем, необходимым для намагничивания пленки до насыщения.  ^ ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫУпражнение 1. Определение толщины пленки феррита-граната с помощью эффекта Фарадея
2*. Вращая рычажок поворота анализатора, установить его примерно в среднее положение между положениями «скрещено» (темно) и «параллельно» (светло).
 (4)определить толщину пленки d для средних значений δ1 и δ2. Упражнение 2. Определения поля насыщения НS пленки феррита-граната
^
^
Методические указания к лабораторной работе № 76 по физике для студентов всех специальностей и всех форм обучения, изучающих курс «Волновая оптика» ^ Главный редактор Л. А. СуеваловаРедактор О.В. Астафьев Компьютерная верстка В. Н. Адамович Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 020526 от 23.04.97 Подписано в печать . Формат 60х84 1/16. Бумага писчая. Офсетная печать. Усл.печ.л. . Уч.-изд.л. . Тираж 250 экз. Заказ . С . Издательство Хабаровского государственного технического университета. 680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136. Отдел оперативной полиграфии издательства Хабаровского государственного технического университета. 680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136. * Пункты 2 и 3 выполняются лаборантом перед началом занятий
|
хорошо
1 