一种测量磁光效应的多功能实验平台

技术领域

本发明涉及磁光效应测量领域，尤其涉及一种测量磁光效应的多功能实验平台。

背景技术

磁光效应包含多种分支效应，主要包含磁光克尔效应、法拉第磁致旋光效应、科顿-穆顿磁致双折射效应。在磁光效应的教学、科研、测试当中，磁光效应各分支效应的测试、通常采用一种分支效应形成一种系统或者仪器，部署对应的光源端、样品端和测试端，不能对磁光效应以上三种效应形成一个有效的统一测试平台，同时在测试中存在以下问题：

偏振光发射源通常由激光器加偏振光过滤装置生成偏振光，改变偏振光的偏振面朝向需要通过调整激光器前端的过滤装置角度，发光源部署调制流程繁琐，没有直接生成偏振光且偏振光的偏振面朝向可调制且光传播方向的可调制的发射单元；

在被观测偏振光最佳观测角度调制校对过程中，往往只通过调整测试端径向旋角获得偏振光径向最佳观测角度，该方式极大限制了光路调制观测灵活性以及使用不同朝向的偏振面的线偏振光照射样品的实验次数能力；

磁光效应观测过程中，各分支效应磁致样品所需磁场大小不同，所需磁致磁场方向不同，采取电磁线圈有无铁芯控制磁场大小的观测实验中，铁芯有无，位置，角度大多采用手动择弃，没有可调控位置、角度、铁芯有无的、以及磁致距离的一体化设备，同时铁芯没有针对性设计，以应对实验光路需要从铁芯中穿过时（开槽铁芯）和实验需要致密磁场（实体铁芯）时的结构变化。

发明内容

本发明目的在于提供一种测量磁光效应的多功能实验平台，以解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

总体的，一种测量磁光效应的多功能实验平台，包括控制器，样品磁致装置以及位于样品磁致置两侧的线偏振光旋转发射器、偏振光旋转探测器，样品磁致装置、线偏振光旋转发射器、偏振光旋转探测器分别设置于各直线导轨之上，各直线导轨平行固定在同一平台之上；

优选的，样品磁致装置根据控制器的控制信号、在对应直线导轨导程的指定位置、通过指定的磁致磁场方向、以指定的磁致磁场大小磁致样品，通过滑轨传导到达指定的平台位置，并通过电磁线圈左右臂的旋转配合确定样品的磁致角度，并通过导磁芯管理模块控制电磁线圈内部导磁芯有无、影响导磁线圈磁场强度大小，电磁线圈内部有导磁芯是磁场充分集中、强度高，电磁线圈内部没有导磁芯是磁场未充分集中、强度低；

优选的，线偏振光旋转发射器根据控制器的控制信号、在对应直线导轨导程的指定位置、通过指定的水平发射转角、以指定的发射旋转角度发射线偏振光，通过导轨传导到达指定的平台位置，并通过基础旋转夹台的输出轴的旋转带动改变线偏振光旋转射管的水平发射转角，线偏振光旋转射管再通过固定于射定后端的角控电机带动射转前端旋转、改变发射旋转角度（发射旋转角度的改变不影响线偏振光传播方向，只改变线偏振光的偏振面朝向）；

优选的，偏振光旋转探测器根据控制器的控制信号、在对应直线导轨导程的指定位置、通过指定的水平探测转角、以指定的探测旋转角度探测偏振光，通过导轨传导到达指定的平台位置，并通过基础旋转夹台的输出轴的旋转带动改变偏振光旋转探测管的水平探测转角，再通过偏振光旋转探测管的探定后端的角控电机带动探转前端旋转、改变探测旋转角度（探测旋转角度的改变不影响被观测光路路径观测方向，只改变不同朝向偏振面偏振光在穿透探转前端光学棱镜或偏光板的通过率，影响半导体光感器光感强度）。

进一步的，样品磁致装置包括旋转电磁线圈左臂、旋转电磁线圈右臂以及位于两者之间的样品安置台，旋转电磁线圈左臂、旋转电磁线圈右臂以及样品安置台各对应一条直线导轨、并固定于对应直线导轨的移动滑块之上，通过三条并列的导轨布置样品磁致装置可以针对不同的磁光分支效应进行不同的组合形态，在样品磁致装置的旋转电磁线圈左臂、右臂通过导轨传导到达指定位置过程中，样品安置台也通过导轨到达磁致指定位置配合旋转电磁线圈左、右臂进行样品的磁致。

进一步的，电磁线圈左臂、电磁线圈右臂结构组成相同，相同的结构更容易通过相互配合，其结构包括基台旋转模块、导磁芯管理模块和电磁线圈：

基台旋转模块固定于直线导轨滑块之上，包括第二控制电机和带输出轴的第一齿轮箱，第二控制电机传动轴带动第一齿轮箱运转，第一齿轮箱带动垂直于平台的输出轴转动，通过在直线导轨滑块之上固定基台旋转模块，直线导轨滑块带动基台旋转模块在平台上，基台旋转模块的第二控制电机带动第一齿轮箱进而带动输出轴传动，从而获得一根垂直于平台并能在平台稳定旋转的输出轴；

优选的，导磁芯管理模块、电磁线圈固定于旋转板臂之上，旋转板臂一端连接并固定于输出轴之上，输出轴带动旋转板臂旋转，通过垂直于平台的输出轴的稳定旋转带动旋转板臂形成一个平行于平台的旋转面，固定于旋转板臂之上的导磁芯管理模块、电磁线圈同理，电磁线圈左臂、电磁线圈右臂并以此为基础配合直线导轨的传导进行多角度磁致配合。

导磁芯管理模块包括第三控制电机、一端连接双并列螺纹直杆的第二齿轮箱、导磁芯：

优选的，第三控制电机传动轴带动第二齿轮箱运转，第二齿轮箱带动双并列螺纹直杆杆体自旋，双并列螺纹直杆另一端耦合穿设导磁芯底部设置的带螺纹双孔中、杆体自旋带动导磁芯沿杆体导程双向传动，导磁芯按导程传动的轨迹前端部分外侧对应绕设有电磁线圈，双并列螺纹直杆改变杆体自旋方向带动导磁芯插入或抽离电磁线圈，通过第三控制电机驱动第二齿轮箱、进而带动双并列螺纹直杆杆体自旋、从而驱动导磁芯进入电磁线圈或抽离电磁线圈，通过控制电磁线圈导磁芯有无、达到控制电磁线圈磁致样品磁场强度大小的目的。

优选的，导磁芯顶端中部位置开设有过光槽，过光槽贯穿导磁芯，过光槽对应有能够与其嵌合的导磁块，导磁块可与导磁芯组合形成导磁实芯，在进行法拉第磁致旋光效应实验时，偏振光传播方向与电磁线圈开口方向平行，此时电磁线圈仍然需要提供较高的磁场强度，即电磁线圈仍然需要导磁芯，为了使光路通过针对导磁芯开设过光槽，但进行磁光克尔效应时，为了尽可能较少实验的误差，电磁线圈内最好配备导磁实芯，针对已经开槽的导磁芯对应设计了可以与槽口互相嵌合的导磁块，在进行磁光克尔效应检测实验时，使用导磁芯管理模块抽离导磁芯导线圈外部，耦合组装上导磁块后再通过导磁芯管理模块将导磁实芯送入电磁线圈即可。

进一步的，线偏振光旋转发射器、偏振光旋转探测器包含有结构相同的基础旋转夹台，基础旋转夹台固定于对应直线导轨滑块之上，包括第一控制电机、带输出轴的第一齿轮箱以及灯组夹具，第一控制电机带动第一齿轮箱传动、进而带动垂直于平台的输出轴旋转、进而带动固定于输出轴上方的夹具旋转，通过设置在线偏振光旋转发射器、偏振光旋转探测器底部的且固定在直线导轨滑块之上的基础旋转夹台，线偏振光旋转发射器、偏振光旋转探测器可以对应各自的直线导轨滑块在平台上的传导轨迹自由传导，同时线偏振光旋转发射器、偏振光旋转探测器各自对应的线偏振光旋转射管和偏振光旋转探测器可以自由旋转形成平行于平台平面的旋转面；

进一步的，线偏振光旋转发射器、偏振光旋转探测器的基础旋转夹台通过输出轴的旋转改变各自对应的水平发射转角或水平探测转角，通过改变各自的发射或探测角度，进行灵活的实验前调试或更换不同的磁光分支效应。

优选的，线偏振光旋转发射器的基础旋转夹台夹设有线偏振光旋转射管，线偏振光旋转射管包括射定后端和射转前端，射转前端相对于射定后端可以自由旋转、射转前端旋转改变偏振光旋转发射器的发射旋转角度，射转前端外壳管口端内壁对应设置扩口，射定后端外壳管管口端外壁对应设置缩口，所述外壁缩口插入内壁阔口，射定后端外壳作为射转前端旋转轴，通过夹具紧固线偏振光旋转射管的射定后端，确保线偏振光旋转射管发射的线偏振光的稳定性，同时为线偏振光旋转射管的射转前端提供一个稳固的旋转基础，确保射转前端旋转的精度，同时使用射定后端外壳作为射转前端的转动轴最大程度的为线偏振光旋转射管内部设备预留内腔空间。

进一步优选的，线偏振光旋转射管的射定后端包括带减速齿轮箱的角控电机以及通过固板固定于角控电机前方的激光器，位于角控电机与激光器中间的传动轴端头带有外齿小轮，与之对应的啮合传动的是线偏振光旋转射管射转前端的内齿大轮，内齿大轮固定于射转前端外壳的内腔，外齿小轮带动内齿大轮进而带动射转前端旋转，内齿大轮前端、柱状壳内部还有光阑板、光阑板前端对应有方形腔，方形腔内安置有光学棱镜或偏光板，通过带减速齿轮箱的角控电机以及啮合的外齿小轮与内齿大轮的传动，可以提供更稳定和精准的传动控制，并通过固板将激光器固定于角控电机前端，确保激光器固定于射定后端，进而拥有一个稳固的发射基础，与之对应的射转前端布置的光阑板则用于限制激光器激光光径大小、光阑板前端的光学棱镜或偏振片则用于将激光过滤成线偏振光。

优选的，偏振光旋转探测器的基础旋转夹台夹设偏振光旋转探测管，偏振光旋转探测管包括探定后端和探转前端，探转前端相对于探定后端自由旋转、探转前端旋转改变偏振光旋转探测器的探测旋转角度，探转前端外壳管口端内壁对应设置扩口，探定后端外壳管管口端外壁对应设置缩口二，所述外壁缩口二插入内壁阔口，探定后端外壳作为探转前端旋转轴，通过夹具紧固偏振光旋转探测管的探定后端，确保偏振光旋转探测管探测偏振光时的稳定性，同时为偏振光旋转探测管的探转前端提供一个稳固的旋转基础，确保探转前端旋转的精度，同时使用探定后端外壳作为探转前端的转动轴最大程度的为偏振光旋转探测管内部设备预留内腔空间。

进一步优选的，偏振光旋转探测管的探定后端包括带减速齿轮箱的角控电机以及通过固板固定于角控电机前方的半导体光感器，位于角控电机和半导体光感器之间的传动轴端头设置有外齿小轮、与之对应啮合传动的是偏振光旋转探测管的探转前端的内齿大轮，内齿大轮固定于探转前端外壳的内腔，外齿小轮带动内齿大轮进而带动探转前端旋转，内齿大轮前端、柱状壳内部还设有狭长孔腔，狭长孔腔前端对应有方形腔，方形腔内安置有光学棱镜或偏光板，通过带减速齿轮箱的角控电机以及啮合的外齿小轮与内齿大轮的传动，可以提供更稳定和精准的传动控制，并通过固板将半导体感光器固定于角控电机前端，确保半导体感光器固定于探定后端，进而拥有一个稳固的探测基础，与之对应的探转前端布置的狭长孔腔则用于屏蔽环境的杂散光、狭长孔腔前端的光学棱镜或偏振片则用于确定被探测偏振光的偏振角度。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的线偏振光旋转发射器的基础旋转夹台通过旋旋夹具带动线偏振光旋转射管旋转，让线偏振光旋转射管在平行于平台的旋转平面内拥有了任意的水平发射转角，再通过线偏振光的射转前端相对于射定后端的自由旋转，可以在光传播路径不变的情况下改变线偏振光的偏振面朝向，配合线偏振光发射器对应的直线导轨使得整体组成一个直接生成偏振光且偏振光的偏振面朝向可调制且光传播方向的可调制的并且发射位置可改变的发射单元；

2、本发明在被观测偏振光最佳观测角度调制校对过程中，除了通过只调整偏振光旋转探测管的探测旋转角度获得偏振光径向最佳观测角度，还可以通过调整线偏振光旋转射管的发射旋转角度来调整校对让偏振光探测管获得偏振光径向最佳观测角度，另外还可以在实验的过程中多次调整线偏振光旋转射管的发射旋转角度并配合校对偏振光旋转探测管的探测旋转角度进行多次对比实验，用于分析不同朝向偏振面的线偏振光照射样品后样品所表现的磁光效应属性；

3、本发明的样品磁致装置采用分别设置于三条并列导轨滑块之上的电磁线圈左臂、电磁线圈右臂以及样品安置台，通过电磁线圈左臂与电磁线圈右臂的旋转组合，例如当电磁线圈左臂、右臂的两电磁线圈开口方向与直线导轨滑块传导方向一致且电磁线圈在样品安置台对应的直线导轨之上时，进行样品磁致磁场方向就平行于直线导轨滑块传导方向，又当电磁线圈左臂、右臂的两电磁线圈开口方向垂直于直线导轨滑块传导方向时且两电磁线圈开口重合并且两电磁线圈在电磁线圈左臂、右臂对应直线导轨内侧时，进行样品磁致磁场方向就垂直于直线导轨滑块传导方向，同时配合导磁芯管理模块，两电磁线圈可以有：无导磁芯、有导磁芯两种形态，最后配合上述的三条并列导轨综述，样品磁致装置可根据实验需求灵活调控磁致位置、磁致角度、磁致电磁线圈导磁芯有无、以及磁致距离，并可根据实验需求手动择取是否使用导磁块将导磁芯组合成导磁实芯。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的整体结构组成示意图；

图2为本发明磁光克尔效应测验布设示意图；

图3为本发明法拉第磁致旋光效应测验布设示意图；

图4为本发明科顿-穆顿磁致双折射效应测验布设示意图；

图5为本发明的偏振光旋转探测管轴向拆解示意图；

图6为本发明的线偏振光旋转射管轴向拆解示意图；

图7为本发明的基础旋转夹台结构示意图；

图8为本发明的电磁线圈左、右臂结构示意图；

图9为本发明的直线导轨结构示意图。

附图标记所代表的为：1-平台，2-线偏振光旋转发射器，2-1-射定后端外壳，2-2-缩口，2-3-激光器，2-4-射转前端外壳，2-5-线偏振光旋转射管，3-电磁线圈左臂，4-样品安置台，5-电磁线圈右臂，6-偏振光旋转探测器，6-1-探定后端外壳，6-2-缩口二，6-3-半导体光感器，6-4-探转前端外壳，6-5-偏振光旋转探测管，7-直线导轨，8-角控电机，9-减速齿轮箱，10-固板，11-外齿小轮，12-内齿大轮，13-光学棱镜或偏光板，14-第一控制电机，15-第一齿轮箱，16-夹具，17-基础旋转夹台，18-旋转板臂，19-第二齿轮箱，20-导磁芯，21-导磁块，22-电磁线圈，23-双并列螺纹直杆，24-滑块，25-直线导轨轨体，26-第二控制电机，27-第三控制电机，28-导轨控制电机。

实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。需要说明的是，本发明已经处于实际研发使用阶段。

实施例

如图1、图9所示，本实施例包括平台1以及位于左侧的线偏振光旋转发射器2、中间的样品磁致装置、右侧的偏振光旋转探测器6，线偏振光旋转发射器2、样品磁致装置、偏振光旋转探测器6分别设置于各直线导轨7的滑块24之上，各直线导轨7固定于平台1之上且相互平行；

结合图6、图7所示，线偏振光旋转发射器2由基础旋转夹台17和被基础旋转夹台17夹设的线偏振光旋转射管2-5组成，基础旋转夹台17由第一控制电机14、第一齿轮箱15以及夹具16组成，其中第一齿轮箱15带有垂直于平台1的输出轴，夹具16与输出轴的端头固定，第一控制电机14传动轴旋转带动第一齿轮箱15运转、带动输出轴转动进而带动夹具16旋转，夹具16旋转带动被夹具16夹设的线偏振光旋转射管2-5旋转，又由输出轴是垂直于平台1的，因此线偏振光旋转射管2-5可以在平行于平台1的旋转面内获得一个完整的圆周发射转角，同时配合底部的直线导轨7，线偏振光旋转射管2-5可随对应直线导轨7导程移动位置，并且在导程中的任意位置旋转发射线偏振光，线偏振光旋转射管2-5由射定后端和射转前端组成，射转前端可以相对于射转后端旋转，射定后端由设定后端外壳2-1，带减速齿轮箱9的角控电机8和通过固板10固定于电机前方的激光器2-3组成，角控电机8和激光器2-3之间的传动轴端头设置有外齿小轮11，外齿小轮11与固定在射转前端外壳2-4内腔的内齿大轮12啮合传动，以此带动射转前端旋转，同时射转前端外壳2-4与射定后端外壳2-1结合处分别设置扩口和缩口2-2，缩口2-2直接插入扩口，射定后端外壳2-1作为射转前端的旋转轴，射转前端外壳2-4内腔设置有光阑板，光阑板前端的方形腔内设置有光学棱镜或偏光板13、射转前端旋转带动光学棱镜或偏光板13旋转，将改变光学棱镜或偏光板13和射定后端的激光器2-3的相对位置及角度，可以在不通过改变线偏振光传播方向的情况下调整发射旋转角度，从而，线偏振光旋转发射器2可在平台1灵活调整位置、调整水平发射转角以及调整旋转发射角度发射线偏振光。

再结合图5所示，偏振光旋转探测器6与线偏振光旋转发射器2原理大体一致，不同的是：

结构上，探定后端的角控电机8通过固板10在前端固定半导体感光器6-3，探定前端外壳6-4没有设置光阑板而设置有狭长通孔，用于屏蔽杂散光；

动作上，其调控的是位置、偏振光旋转探测管6-5的水平探测角度以及旋转探测角度探测线偏振光。

再结合图8所示，样品磁致装置由电磁线圈旋转左臂3、电磁线圈旋转右臂5、以及设置在两臂之间的样品安置台4组成，电磁线圈旋转左臂3、电磁线圈旋转右臂5以及样品安置台4分别设置在三条相互平行直线导轨7的滑块24之上，其中电磁线圈左臂3、电磁线圈右臂5组成结构相同，结构由基础旋转基台、旋转板臂18、导磁芯管理模块、电磁线圈22组成，基础旋转基台包括第二控制电机26、与第二控制电机26传动轴相连的第一齿轮箱15，第一齿轮箱15设置有一个垂直于平台1的输出轴，第二控制电机26传动轴带动第一齿轮箱15运转，进而带动输出轴旋转，输出轴顶部端头固定旋转板臂18一端，并带动旋转板臂18旋转，旋转板臂18上侧固定有电磁线圈22，电磁线圈22内底部布设有双并列螺纹直杆23，双并列螺纹直杆23杆体方向与电磁线圈22开口方向相同，并且双并列螺纹直杆23杆体穿设于底部带双内螺纹孔的导磁芯20、杆体螺纹与导磁芯20螺纹耦合，同时双并列螺纹直杆23杆体一端与第二齿轮箱19，第二齿轮箱19对应设置有作为驱动的第三控制电机27，第三控制电机27驱动第二齿轮箱19，进而带动双并列螺纹直杆23杆体自旋，带动导磁芯20在双并列螺纹直杆23的导程上移动，进而将导磁芯20送入电磁线圈22或抽离电磁线圈22，对应的导磁芯20设置有过光槽，对应过光槽设置有导磁块21，根据磁光效应分支效应实验的要求手动择取是否使用导磁块21嵌合导磁芯20形成导磁实芯；

电磁线圈22采用铜线绕设，电磁线圈22内外侧包裹有防护衬，电磁线圈22的开口方向中间的虚拟直线至少与一条电磁线圈22的圆形旋转面的一条切线平行，确保电磁线圈左臂、右臂（3、5）的两电磁线圈22在样品安置台4所在直线导轨7上方时近距离以平行于直线导轨7的磁场方向磁致样品、在直线导轨7两侧时近距离以垂直于直线导轨7的磁场方向磁致样品。

再结合图2所示，展示实施例实施磁光克尔效应实验姿态：

线偏振光旋转发射器2和偏振光旋转探测器6通过对应的直线导轨7布设于平台1前端，样品磁致装置通过对应的直线导轨7布设于后端，调整线偏振光旋转发射器2使得线偏振光旋转射管2-5以正确的水平发射转角向设置于样品安置台4上方的磁光克尔反射型样品表面发射线偏振光，同时调整电磁线圈左臂、右臂（3、5）以平行于样品安置台4对应的直线导轨7的磁场方向磁致样品，调整偏振光旋转探测器6使得偏振光旋转探测管6-5以正确的水平探测转角观测被样品反射的偏振光，调整偏振光旋转探测管6-5旋转探测角度通过半导体光感器6-3获取不同的旋转探测角度下被探测偏振光通过光学棱镜或偏光板13的光强，根据相应的线偏振光旋转射管2-5的旋转发射角度、偏振光旋转探测管6-5的旋转探测角度、以及对应偏振光旋转探测管6-5的旋转探测角度下的光强信息，验证磁光克尔效应；

此时导磁芯20布设于电磁线圈内部，并组合了导磁块21形成导磁实芯。

再结合图3所示，展示实施例实施法拉第磁致旋光效应实验姿态：

法拉第磁致旋光效应测试则是通过调整线偏振光旋转射管2-5朝向、偏振光旋转探测管6-5朝向、样品磁致装置的电磁线圈左臂3的电磁线圈22开口朝向、电磁线圈右臂5的电磁线圈22开口朝向以及样品安置台4，使其处于同一条直线上，此时线偏振光需要穿过布设在导磁线圈22内部的导磁芯20的过光槽并穿过透光样品，则本实验不使用导磁块21，布设完成后，通过与上述磁光克尔效应的发射和参数收集流程，验证法拉第磁致旋光效应。

再结合图4所示，展示实施例磁致双折射效应实验姿态：

磁致双折射效应与法拉第磁致旋光效应布设方式类似，不同的是，电磁线圈22朝向不再同一条直线上，而是位于样品安置台4所对应的直线导轨7上方并以平行直线导轨7的磁场方向磁致样品，并通过与上述相同的发射和参数收集流程，验证磁致双折射效应；

此时导磁芯20布设于电磁线圈22外部以降低磁场强度。

本实施例控制器采用西门子型号为s7200的PLC控制器作为控制主脑，采用西门子型号为6AV2123-2GB03-0AX0的液晶显示屏作为交互组件，进行指令的输入、参数的输出；

同时光学棱镜或偏光板13采用格兰棱镜。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。