CN102682651B

CN102682651B - 一种磁致旋光演示装置

Info

Publication number: CN102682651B
Application number: CN201210062207.2A
Authority: CN
Inventors: 李燕
Original assignee: Hebei University of Science and Technology
Current assignee: Hebei University of Science and Technology
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2032-03-12
Also published as: CN102682651A

Abstract

一种磁致旋光演示装置，包括沿光路依次设置的激光器，第一偏振片，螺线管，半透半反镜，带有通光孔的刻度盘以及第二偏振片，所述螺线管内包括相对设置的两个反射镜，在所述两个反射镜之间设置有磁致旋光介质，从第一偏振片出射并入射到所述两个反射镜上的激光束会被所述两个反射镜多次来回反射以多次来回的穿过所述磁致旋光介质，激光束被所述两个反射镜多次反射之后即入射到所述半透半反镜上。

Description

一种磁致旋光演示装置

技术领域

本发明涉及一种磁致旋光演示装置，属于光学教学演示领域。

背景技术

磁致旋光是一种物理现象，当一束线偏振光穿过介质时，如果在介质中沿光的传播方向加上一个磁场，光经过介质后其偏振面会转过一个角度。这种现象就称为磁致旋光，也称为法拉第磁光效应。其中偏振面旋转的角度θ与光在介质中走过的路程l及介质中的磁感应强度在光的传播方向上分量成正比，也即θ＝VBl，其中系数V由物质和波长决定，表征物质的旋光特性，称为费尔德常数。由于费尔德常数值较小，现有的磁致旋光演示装置为了实现比较明显的旋转角度，要么对介质施加非常大的磁感应强度，要么将施加磁感应强度的螺线管制作的很长，以获得大的l，施加非常的磁感应强度带来的问题就是要施加大的电流，导致成本增加，器件复杂以及制作要求高，同时还会导致调谐范围变小，而通过延长螺线管的长度来获得长l带来的成本以及复杂性问题也是非常明显的。另外，现有的磁致旋光演示装置所使用的光源为的单一的颜色，导致不能演示出费尔德系数与波长之间的关系。本发明就是针对上述的问题而提出来的，使用本发明的磁致旋光演示装置，能够很好的解决上述众多问题中的一个或多个，或者同时解决了上述所有的问题。

发明内容

本发明提供了一种磁致旋光演示装置，包括沿光路依次设置的激光器，第一偏振片，螺线管，半透半反镜，带有通光孔的刻度盘以及第二偏振片，所述激光器包括有多个颜色不同的激光器，所述多个颜色不同的激光器通过合束装置进行合束，合束后的激光束入射到第一偏振片上，经过所述半透半反镜透射的光束通过所述通光孔入射到第二偏振片上，经过所述半透半反镜反射的光束入射到光探测器上，所述第二偏振片和所述刻度盘是贴合设置的，所述第二偏振片是可手动旋转的，并且从所述刻度盘上能够读出所述第二偏振片旋转的角度，所述螺线管由可变电源进行供电，所述可变电源、所述激光器以及所述光探测器均由控制器进行控制，所述螺线管内包括相对设置的两个反射镜，在所述两个反射镜之间设置有磁致旋光介质，从第一偏振片出射并入射到所述两个反射镜上的激光束会被所述两个反射镜多次来回反射以多次来回的穿过所述磁致旋光介质，激光束被所述两个反射镜多次反射之后即入射到所述半透半反镜上。

根据一实施例，激光束入射到所述两个反射镜的入射角度小于或等于5度。

根据一实施例，所述合束装置包括反射镜和透射/反射镜。

根据一实施例，所述两个相对设置的反射镜为上下位置上相互错开的两个反射镜，靠近第一偏振片的那个反射镜的最上端所在的位置要低于远离第一偏振片的那个反射镜的最上端所在的位置，靠近第一偏振片的那个反射镜的最下端所在的位置要低于远离第一偏振片的那个反射镜的最下端所在的位置。

根据一实施例，所述两个相对设置的反射镜为平行设置的。

根据一实施例，所述两个相对设置的反射镜之间的夹角小于或等于5度。

附图说明

图1是本发明磁致旋光演示装置的组成示意图；

图2是本发明中磁致旋光演示装置中的螺线管内设置在介质两侧的反射镜的第一实施例；

图3是本发明中磁致旋光演示装置中的螺线管内设置在介质两侧的反射镜的第二实施例；

具体实施方式

下面在结合附图的基础上详细说明本发明的实施方式，以更详细的方式来阐述本发明的原理及结构，但是这并不能理解为对于本发明的磁致旋光演示装置的限定，只是为了便于说明而以特定的方式来进行描述。

在结合附图1的基础上来描述本发明的磁致旋光演示装置。

在图1中，1，2，3分别表示三种不同颜色的激光器，例如可以是红绿蓝三色，4表示控制器，5表示反射镜，6和7分别表示透射/反射镜，8和13表示偏振片，9表示螺线管，14表示可调节电源，10表示半透半反镜，11表示光探测器，12表示刻度盘。螺线管9内在光的传播方向上设置有相互对置的两个反射镜，也即反射镜15和反射镜16(如图2所示)，或反射镜17和反射镜18(如图3所示)，在相对的两个反射镜之间放置有磁致旋光介质。

三种颜色不同的激光器1，2，3发出的三色激光通过反射镜5和两个透射/反射镜6和7实现合束，也即将三束激光合束成为传播路径完全相同的一束激光或三束激光。合束后的激光入射到偏振片8上，经过偏振片8后入射到螺线管9内，穿过螺线管9后入射到半透半反镜10上，经过半透半反镜10后，被半透半反镜10反射的光入射到光探测器11上，透射的光则穿过刻度盘12上的光孔入射到第二偏振片13上，第二偏振片13是可手动旋转的，经第二偏振片透射的光可被第二偏振片后的人看到。其中刻度盘12和第二偏振片13是紧贴在一起的，在第二偏振片13旋转之后能够从刻度盘12上读出第二偏振片13所转过的角度。

本发明中采用三种不同颜色的激光以及合束装置，可以实现多种不同颜色的光输出，只要通过控制器4控制各个激光器的输出光量即可。这样就可以使得演示操作者可以在第二偏振片13后看到多种不同颜色的光，采用激光器作为光源之后可能会出现一个问题，就是激光器的光强较强，人眼在第二偏振片13后观察的时候可能会对眼睛造成损伤，因此，我们在第二偏振片13之前加入一个半透半反镜10，以此来监测激光束的输出强度，使用光探测器11对于激光束的光强进行测量，然后将测量结果反馈到控制器4中，控制器4根据反馈结果来控制激光器的出光功率，以满足人眼安全的需要。

激光束经过合束之后入射到偏振片8上，这样透射过偏振片8的激光束成为具有特定偏振方向的线偏振光，该具有特定偏振方向的线偏振光入射到螺线管9内，螺线管9内具有设置在两个相对设置的反射镜之间的磁致旋光介质，当线偏振光穿过该磁致旋光介质后即可实现偏振面的旋转。偏振面旋转后的激光束经过半透半反镜10之后通过刻度盘12的光孔入射到第二偏振片13上，观察者通过手动旋转第二偏振片13可使得第二偏振片13的透光方向与旋转之后的偏振方向重合，从而实现激光束的透射。观察者同时能够从刻度盘上看到第二偏振片13旋转的角度。

螺线管9由可变电源14进行供电，可变电源14由控制器4控制，从而控制着施加给螺线管9的电流大小，施加电流的大小直接决定了所施加的磁感应强度，从而能够从刻度盘上看到所施加的磁感应强度与偏振面旋转角度θ之间的对应关系。

下面我们来详细说明螺线管内的两个相对设置的反射镜，其中图2示出了第一种实施例，图3示出了第二种实施例，先来看图2，反射镜15和反射镜16是平行设置的，不过在上下位置上是错开的，也即反射镜16最上端所在的位置要高于反射镜15的最上端所在的位置，同时反射镜16最下端所在的位置要高于反射镜15的最下端所在的位置。这样，当激光束以较小的倾角入射到反射镜16上时，就会在两个反射镜之间来回反射，从而使得激光束可来回多次穿过位于两反射镜之间的磁致旋光介质，并最终由反射镜15反射之后射出螺线管9，由于磁致旋光导致的偏振面旋转角度与传播方向无关，所以激光束每穿过磁致旋光介质一次即可增加一次所旋转的角度，例如，当激光束单次穿过磁致旋光介质所发生的旋转角度为θ₁，而激光束在两反射镜之间反射了n次，那么所发生的总旋转角度就为nθ₁，以这样的方式即可在小磁感应强度与短螺旋管长度的条件下实现较大的偏振面旋转角度。

图3示出了另外一种实施例，也即两个反射镜并不是平行设置的，而是其中一个反射镜相对于另外一个反射镜来说倾斜了一个小角度，不过在上下位置上也是错开的，也即反射镜18最上端所在的位置要高于反射镜17的最上端所在的位置，同时反射镜18最下端所在的位置要高于反射镜17的最下端所在的位置，这样当激光束入射到反射镜18之后即会在反射镜17和反射镜18之间发生多次的反射，以实现偏振面旋转角度的倍增。

在图2所示出的实施例中，激光束入射在反射镜16上的入射角优选小于5度，在图3示出的实施例中，反射镜18相对于反射镜17倾斜的角度优选小于5度，上述的两个角度越小则对于演示结果越好，因为该角度越小，则激光束在两反射镜之间的反射次数越多，同时也能够使得激光束的传播方向更靠近与磁场平行的方向。

利用控制器4控制激光器1，2，3发光，例如激光器1，2，3采用红绿蓝三种激光，则通过控制器4的控制可分别实现红绿蓝三种激光的输出，那么通过旋转第二偏振片13的旋转就可以在偏振片13的后面看到红绿蓝三种光，例如想看红光就通过控制器控制只有红光激光器发光。

同时，由于费尔德系数V是由物质和波长决定的，那么对于不同波长的光，即使通过同一种介质，那么其各自的偏振面旋转角度也可能是不同的，由于现有技术中的演示装置所实现的偏振面旋转角度比较小，所以无法演示出费尔德系数与波长之间的关系，但是由于本发明的装置采用旋转角度倍增的技术，由此就有可能演示出波长与费尔德系数之间的关系。

通过控制器4控制红绿蓝三个激光器同时发光，那么红绿蓝三束激光就会同时入射到螺旋管9内，如果螺线管9内的相对设置的两个反射镜以足够多的次数来回反射激光束，从而使得三色激光束在磁致旋光介质内获得做够大的总旋转角度，那么三色激光在射出螺线管9的时候就会出现不同的旋转角度，由此，通过手动旋转第二偏振片13则可顺次的看到三种颜色的光。从而能够演示出费尔德系数与波长之间的关系。

本发明的创新点包括：

1.首次引入多种颜色的激光器作为光源，同时为了避免对人眼造成损伤而设置了人眼保护装置，多种颜色激光器的引入使得费尔德系数与波长关系的演示成为可能；同时还增加了演示过程的乐趣，开拓了市场；

2.在小磁感应强度和短螺线管长度的情况下实现了大角度的偏振面旋转，不仅降低了器件的成本，使得器件结果简单，同时还使得费尔德系数与波长关系的演示成为可能；

3.由于可实现大角度的偏振面旋转，使得偏振面旋转角度的调谐范围更大，例如仅通过电源微小的改变即可实现明显的旋转角度变化；

4.偏振片旋转角度刻度盘的引入使得操作者可直观的看到偏振所发生的旋转角度。

Claims

1.一种磁致旋光演示装置，包括沿光路依次设置的激光器，第一偏振片，螺线管，半透半反镜，带有通光孔的刻度盘以及第二偏振片，所述激光器包括有多个颜色不同的激光器，所述多个颜色不同的激光器通过合束装置进行合束，合束后的激光束入射到第一偏振片上，经过所述半透半反镜透射的光束通过所述通光孔入射到第二偏振片上，经过所述半透半反镜反射的光束入射到光探测器上，所述第二偏振片和所述刻度盘是贴合设置的，所述第二偏振片是可手动旋转的，并且从所述刻度盘上能够读出所述第二偏振片旋转的角度，所述螺线管由可变电源进行供电，所述可变电源、所述激光器以及所述光探测器均由控制器进行控制，所述螺线管内包括相对设置的两个反射镜，在所述两个反射镜之间设置有磁致旋光介质，从第一偏振片出射并入射到所述两个反射镜上的激光束会被所述两个反射镜多次来回反射以多次来回的穿过所述磁致旋光介质，激光束被所述两个反射镜多次反射之后即入射到所述半透半反镜上，所述两个相对设置的反射镜为上下位置上相互错开的两个反射镜，靠近第一偏振片的那个反射镜的最上端所在的位置要低于远离第一偏振片的那个反射镜的最上端所在的位置，靠近第一偏振片的那个反射镜的最下端所在的位置要低于远离第一偏振片的那个反射镜的最下端所在的位置，所述两个相对设置的反射镜之间的夹角小于或等于5度，所述的激光束在两个反射镜之间被反射了10次，所述可变电源由所述控制器控制，从而控制着施加给螺线管的电流大小，施加电流的大小直接决定了所施加的磁感应强度，从而能够从刻度盘上看到所施加的磁感应强度与偏振面旋转角度之间的对应关系，所述多个颜色不同的激光器为红绿蓝三个激光器，所述控制器控制红绿蓝三个激光器同时发光，红绿蓝三束激光同时入射到螺线管内，三色激光在射出螺线管时会出现不同的旋转角度，通过手动旋转第二偏振片则可顺次看到三种颜色的光，从而演示出费尔德系数与波长之间的关系，所述光探测器对于激光束的光强进行测量，然后将测量结果反馈到控制器中，控制器根据反馈结果来控制激光器的出光功率，以满足人眼安全的需要。