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- saltday611 2016-11-14 00:00:00
- 电学方面 他在电学方面的贡献Z为显著。纪录中法拉第Z早的实验乃是利用七片半便士、七片锌片以及六片浸过盐水的湿纸做成伏特电池。他并使用这个电池分解硫酸镁。1821年,在丹麦化学家韩·克利斯汀·奥斯特发现电磁现象后,戴维和威廉·海德·渥拉斯顿尝试设计一部电动机,但没有成功。法拉第在与他们讨论过这个问题后,继续工作并建造了两个装置以产生他称为“电磁转动”的现象:由线圈外环状磁场造成的连续旋转运动。他把导线接上化学电池,使其导电,再将导线放入内有磁铁的汞池之中,则导线将绕着磁铁旋转。这个装置现称为单极电动机。这些实验与发明成为了现代电磁科技的基石。但此时法拉第却做了一件不智之举,在没有通知戴维跟渥拉斯顿情况下,擅自发表了此项研究成果。此举招来诸多争议,也迫使他离开电磁学研究数年之久。 在这个阶段,有些证据指出戴维可能有意阻碍法拉第在科学界的发展。如在1825年,戴维指派法拉第进行光学玻璃实验,此实验历时六年,但没有显著的进展。直到1829年,戴维去世,法拉第停止了这个无意义的工作并开始其他有意义的实验。在1831年,他开始一连串重大的实验,并发现了电磁感应,虽然在福朗席斯科·札德启稍早的工作可能便预见了此结果,此发现仍可称为法拉第Z大的贡献之一。这个重要的发现来自于,当他将两条独立的电线环绕在一个大铁环,固定在椅子上,并在其中一条导线通以电流时,另外一条导线竟也产生电流。他因此进行了另外一项实验,并发现若移动一块磁铁通过导线线圈,则线圈中将有电流产生。同样的现象也发生在移动线圈通过静止的磁铁上方时。 他的展示向世人建立起“磁场的改变产生电场”的观念。此关系由法拉第电磁感应定律建立起数学模型,并成为四条麦克斯韦方程组之一。这个方程组之后则归纳入场论之中。法拉第并依照此定理,发明了早期的发电机,此为现代发电机的始祖。1839年他成功了一连串的实验带领人类了解电的本质。法拉第使用“静电”、电池以及“生物生电”已产生静电相吸、电解、磁力等现象。他由这些实验,做出与当时主流想法相悖的结论,即虽然来源不同,产生出的电都是一样的,另外若改变大小及密度(电压及电荷),则可产生不同的现象。在他生涯的晚年,他提出电磁力不仅存在于导体中,更延伸入导体附近的空间。这个想法被他的同侪排斥,法拉第也终究没有活着看到这个想法被世人所接受。法拉第也提出电磁线的概念:这些流线由带电体或者是磁铁的其中一极中放射出,射向另一电性的带电体或是磁性异极的物体。这个概念帮助世人能够将抽象的电磁场具象化,对于电力机械装置在十九世纪的发展有重大的影响。而这些装置在之后的十九世纪中主宰了整个工程与工业界。1845年他发现了被他命名为抗磁性(diamagnetism)现在则称为法拉第效应的现象:一个线性极化的光线在经过一物体介质时,外加一磁场并与光线的前进方向对齐,则此磁场将使光线在空间中划出的平面转向。他在笔记本中写下:“我终于在‘阐释一条磁力曲线’-或者说‘力线’-及‘磁化光线’中取得成功。” 在对静电的研究中,法拉第发现在带电导体上的电荷仅依附于导体表面,且这些表面上的电荷对于导体内部没有任何影响。造成这样的原因在于在导体表面的电荷彼此受到对方的静电力作用而重新分布至一稳定状态,使得每个电荷对内部造成的静电力互相抵销。这个效应称为遮蔽效应,并被应用于法拉利笼上。虽然法拉第是一位非常出色的实验学家,他的数学能力与之相形就显得相当薄弱,只能计算简单的代数,甚至难以应付三角学。不过法拉第懂得使用条理清晰且简单的语言表达他科学上的想法。他的实验成果后来被詹姆斯·克拉克·麦克斯韦使用,并建立起了现在电磁理论的基础方程式。 化学方面 法拉第Z早的化学成果来自于担任戴维助手的时期。他花了很多心血研究氯气,并发现了两种碳化氯。法拉第也是diyi个学者实验(虽然较为粗略)观察气体扩散,此现象Z早由约翰·道尔顿发表,并由汤玛斯·葛兰姆及约瑟夫·罗斯密特揭露其重要性。他成功的液化了多种气体;他研究过不同的钢合金,为了光学实验,他制造出多种新型的玻璃。其中一块样品后来在历史上占有一席之地,因为在一次当法拉第将此玻璃放入磁场中时,他发现了极化光平面受磁力造成偏转及被磁力排斥。 他也尽心于创造出一些化学的常用方法,用结果、研究目标以及大众展示做为分类,并从中获得一些成果。他发明了一种加热工具,是本生灯的前身,在科学实验室广为采用,作为热能的来源。法拉第在多个化学领域中都有所成果,发现了诸如苯等化学物质(他称此物质为双碳化氢(bicarburetofhydrogen)),发明氧化数,将如氯等气体液化。他找出一种氯水合物的组成,这个物质Z早在1810年由戴维发现。法拉第也发现了电解定律,以及推广许多专业用语,如阳极、阴极、电极及离子等,这些词语大多由威廉·休艾尔发明。由于这些成就,很多现代的化学家视法拉第为有史以来Z出色的实验科学家之一。 是法拉第把磁力线和电力线的重要概念引入物理学,通过强调不是磁铁本身而是它们之间的“场”,为当代物理学中的许多进法拉第展开拓了道路,其中包括麦克斯韦方程。法拉第还发现如果有偏振光通过磁场,其偏振作用 就会发生变化。这一发现具有特殊意义,首次表明了光与磁之间存在某种关系。
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- 光矢量分析仪测量法拉第旋光镜的偏转角度
背景
法拉第旋光镜(FRM)是利用法拉第效应,将输入的光的偏振态旋转90°后再输出的无源器件,其由法拉第旋转器和和反射镜组成。输入光经过法拉第旋转器,将光的偏振态方向旋转45°后经过反射镜反射回来,光再次通过法拉第旋转器将光旋转45°,这样输出光的偏振态就旋转了90°。
通常法拉第旋光镜在光路中的作用为保证光的偏振模色散不变,其在光纤干涉仪中的作用尤其明显。如在迈克尔逊干涉仪中,使用法拉第旋光镜可以保证干涉仪中两臂的偏振模色散不变,使干涉仪的干涉效果得到保证。
然而法拉第旋光镜对不同波长光的偏振态旋转角度并不完全一样,而且在制造过程中还会有不良器件导致旋转角度误差,这就使得其应用到光链路中会造成系统误差。本文中使用光矢量分析系统(OCI-V)来测量法拉第旋光镜的旋转角度,轻松甄别由法拉第旋光镜的偏差角度。偏转角度测试方案
虽然使用OCI-V不能直接测试出法拉第旋光镜(FRM)的偏差角度,但可以利用其能测试出链路中整体的偏振模色散(PMD)的方法间接测试出FRM的偏差角度。为此设计以下光路来进行测试,测试光路图如图1所示。
图1a中的链路中保偏光纤的长度为9.288m,使用OCI-V透射式功能测试保偏光纤的PMD。链路中的总琼斯矩阵为:
(1)
公式中ω为光频率,τPM 为光通过保偏光纤快慢轴的时延。
此时整个链路的PMD为:
(2)
图1b链路中保偏光纤的长度为9.288m,法兰对接上1.0645m的保偏光纤接一个法拉第旋光镜,保偏光纤总长度为10.3525m,使用反射式测量链路PMD,则测试保偏光纤总长度为20.705m。FRM对输入光的偏振态旋转90°,光沿原路返回时PMD会直接抵消,但当FRM的旋转角度出现偏差时,此时OCI-V测出整个链路的PMD实际是由于旋转角误差带来的PMD。
当FRM旋转角误差角度为ε时,链路中总的琼斯矩阵为:
(3)
JPM 和JFRM 的元素矩阵为:
(4)
(5)
公式中ω为光频率,τPM 光单向通过保偏光纤快慢轴的时延。
所以总琼斯矩阵JTOT 为:
(6)
此时整个链路的PMD为:
(7)
使用OCI-V分别测试出两个链路的PMD,由于测试的保偏光纤长度不一致,需将两个链路测试保偏光纤长度的比值计算进公式,利用公式(2)和(7)的关系可求出偏差角ε为:
(8)
测试结果
使用OCI-V对图1a中的整个链路进行测试,测试结果如图2所示,可以看出直接测试9.288m长的保偏光纤PMD平均值在13ps附近,且随着波长的增加PMD有微微增大的趋势,这是由于保偏光纤对不同波长的光群折射率不同的原因,保偏光纤的偏振模色散大约为1.4ps/m,测试结果符合理论值。
图2. 测试光路图PMD
使用OCI-V对图1b中的整个链路进行测试,测试结果如图3所示,可以看出,保偏光纤接法拉第旋光镜测出的PMD值要小很多,波长在1528~1600nm波段的PMD在0~3.5ps之间,这是由于FRM消除链路中偏振态的原因,波长在1550附近有最小的PMD,当波长超出1600nm后PMD出现震荡,这是由于法拉第旋光镜的工作带宽不足以及1600nm波长后偏差角过大导致。
图3. 保偏光纤接法拉第旋光镜的PMD
使用公式8计算出法拉第旋光镜的偏差角度如下图所示,FRM在1528~1600nm波长段的偏差角度在0°~ 7°之间,1550nm波长附近偏差角最小,1600nm波长以后的偏差角过大,不进行讨论。从公式8可以看出,FRM的偏差角取决于两次测量的PMD值,由于OCI-V系统测试PMD有误差,可以通过加长保偏光纤的长度来增加链路的PMD,这样可以尽量消除系统带来的误差。OCI-V测试PMD的精度为±0.1ps,换算为测试偏差角精度为±0.12°。
图4. 法拉第旋光镜偏差角度
结论
使用OCI-V测试偏振模色散的方法可以计算出法拉第旋光镜的偏差角度,其计算FRM偏差角度的精度可达±0.12°,这种方法能十分快速精准地评估FRM的质量。当然使用这种方法也能评估带有FRM的光纤系统,是否因FRM偏差角而带来的PMD,如迈克尔逊干涉仪、环形激光器、光调制器等光学系统,并为这些系统稳定运行提供保障。
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