实验14 微波光学.doc

实验14 微波光学实验微波在科学研究、工程技术、交通管理、医疗诊断、国防工业的国民经济的各个方面都有十分广泛的应用。研究微波，了解它的特性具有十分重要的意义。微波和光都是电磁波，都具有波动这一共性。都能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。因此用微波作波动实验与用光作波动实验所说明的波动现象及规律时一致的。由于微波的波长比光波的波长在数量级上相差一万倍左右，因此用微波来做波动实验比光学实验更直观，方便和安全。比如在验证晶格的组成特征时，布喇格衍射就非常的形象和直观。通过本系统所提供的以下实验内容，可以加深对微波及微波系统的理解，特别是微波的波动这一特性。【实验目的】1. 了解微波光学系统实验的仪器和组件的工作原理，掌握其使用的一般方法。2. 了解迈克尔逊干涉仪工作原理，测量并计算微波波长。3. 了解劳埃德镜原理，并用劳埃德镜测微波波长。4. 了解法布里-贝罗干涉仪原理，测量并计算微波波长。5. 了解布喇格衍射实验原理，并测量立方晶格内晶面间距。【仪器用具】 ZKY-WB微波光学实验仪。【仪器介绍】1 仪器组成微波信号源输出频率10.545GHz，波长2.84459cm，功率15mW，频率稳定度可达510-5，幅度稳定度：10-2。这种微波源相当于光学实验中的单色光束。发射器组件组成部分：缆腔换能器，谐振腔，隔离器，衰减器，喇叭天线及支架。将电缆中的微波电流信号转换为空中的电磁场信号。喇叭天线的增益大约是20分贝，波瓣的理论半功率点宽度大约为：H面20。，E面16。当发射喇叭口面的宽边与水平面平行时，发射信号电矢量的偏振方向是水平的。接收器组件组成部分：喇叭天线，检波器，支架、放大器和电流表。检波器将微波信号变为直流或低频信号。放大器分三个档位，分别为1倍档、10倍档和50倍档，可根据实验需要来调节放大器倍数，以得到合适的电流表读数。中心平台 测试部件的载物台和角度计。其他配件反射板（金属板，2块），透射板（部分反射板，2块），偏振板，光缝屏（宽屏1块，窄屏1块），光缝夹持条，中心支架，移动支架（2个），塑料棱镜，棱镜座，模拟晶阵，晶阵座，聚苯乙烯丸，钢直尺（4根）。2仪器操作方法（1）将发射器和接收器安置在带有角度计的中心平台上，其中发射器安置在固定臂（2号钢直尺）上，接收器安置在可动臂（1号钢直尺）上。注意发射器和接收器的喇叭口相对，宽边与地面平行，如图14.1。图14.1 仪器布置（2） 调节发射器和接收器之间的距离。（喇叭口相距40cm左右）。调节发射器上的衰减器和电流表上的档位开关，使接收器上的电流表的指示在1/2量程左右（约50uA）。（3） 沿着可动臂缓慢移动接收器，观察并记下不同位置处对应电流表上的数值。距离移动范围为15cm。（4） 松开接收器上面的手动螺栓，慢慢转动接收器，同时观察电流表上读数的变化，并解释这一现象。（5） 发射器上旋钮使用方法如下：衰减器旋钮：顺时针旋转为增大发射功率，反之则减小发射功率；喇叭止动旋钮：该旋钮可以锁定喇叭的方向。喇叭只能单方向旋转90。接收器上也有喇叭止动旋钮，功能和发射器上对应旋钮一样。如图14.2所示 。 衰减器旋钮 喇叭止动旋钮图14.2 发射器及接收器【实验原理及内容】1. 迈克尔逊干涉实验原理：图14.3 迈克尔逊干涉仪结构图迈克尔逊干涉仪将单波分裂成两列波，透射波经再次反射后和反射波叠加形成干涉条纹。迈克尔逊干涉仪的结构如图14.3。A和B是反射板（全反射），C是透射板（部份反射）。从发射源发出的微波经两条不同的光路入射到接收器。一部份经C透射后射到A，经A反射后再经C反射进入接收器。另一路分波从C反射到B，经B反射回C，最后透过C进入接收器。若两列波同相位，接收器将探测到信号的最大值。移动任一块反射板，改变其中一路光程，使两列波不再同相，接收器探测到信号就不再是最大值。若反射板移过的距离为/2，光程将改变一个波长，相位改变360度，接收器探测到的信号出现一次最小值后又回到最大值。因此，可以通过反射板（A或B）改变的距离来计算微波波长，计算公式为：上式中的表示反射板改变的距离，N为出现接收到信号幅度最大值的次数。实验步骤：1. 如图14.3布置实验仪器。接通信号源，调节衰减器使电流表的显示电流值适中。C与各条臂成45度关系，发射器安装在2号钢尺上，接收器安装在4号钢尺上，A、B两块反射板分别安装在3号、1号钢尺上。2. 移动反射板A，观察电流表读数变化，当电流表上数值最大时，记下反射板A所处位置刻度X1。3. 向外（或内）缓慢移动A，注意观察电流表读数变化，当电流表读数出现至少10个最小值并再次出现最大值时停止，记录这时反射板A所处位置刻度X2，并记下经过的最小值次数N。4. 根据上面公式，计算微波的波长。5. A不动，操作B，重复以上步，记录数据于表1中。表1测量次数X1X2N测量值和实际值的相对误差12342. 劳埃德镜实验原理：劳埃德镜是干涉现象的又一个列子。和其它干涉条纹一样，用它也可测量微波的波长。图14.4 劳埃德镜示意图从发射器发出的微波一路直接到达接收器，另一路经反射镜反射后再到达接收器。由于两列波的波程及方向不一样，它们必然发生干涉。在交汇点，若两列波同相，将测到极大值。若反相将测到几极小值。其原理可用图14.4表示。发射器和接收器距离转盘中心的距离应相等，反射板从位置1移到位置2的过程中，电流表出现了n个极小值后再次达到极大值。由光程差根据图14.4可以得到计算波长公式如下：实验步骤：1. 如图14.5布置实验仪器。接通信号源，调节衰减器和电流表档位开关，使电流表的显示电流值适中（3/4量程左右）。要求：发射器和接收器处于同一直线上，且到中心平台的距离相等（均为500mm左右）。图14.5 劳埃镜实验仪器布置2. 反射板夹持在移动支架上，并安置在3号钢尺上。反射板面平行于两喇叭的轴线。3. 在3号钢尺上缓慢移动反射板，观察并记录电流表的读数及移动的距离。4. 改变发射器和接收器之间的距离，重复步骤2，3。5. 计算波长。3. 法布里-珀罗干涉实验原理：当电磁波入射到部份反射镜（透射板）表面时，入射波将被分割为反射波和透射波。法布里-珀罗干涉仪在发射波源和接收探测器之间放置了两面相互平行并与轴线垂直的部份反射镜。发射器发出的电磁波有部份将在两透射板之间来回反射，同时有一部份波透射出去被探测器接收。若两块透射板之间的距离为n/2 ，则所有入射到探测器的波都是同相位的，收器接探测到的信号最大。若两块透射板之间的距离不为n/2，则产生相消干涉，信号不为最大。因此，可以通过改变两面透射板之间的距离来计算微波波长，计算公式为：上式中的表示两面透射板改变的距离，N为出现接收到信号幅度最大值的次数。实验步骤：1. 如图14.6布置实验仪器。接通信号源，调节衰减器和电流表档位开关，使电流表的显示电流值适中（3/4量程左右）。图14.6 法布里-珀罗干涉实验仪器布置2. 调节两透射板之间的距离，观察相对最大值和最小值。3. 调节两透射板之间的距离，使接收到的信号最强（电流表读数在不超过满量程的条件下达到最大），记下两透射板之间的距离d1。4. 使一面透射板向远离另一面透射板的方向移动，直到电流表读数出现至少十个最小值并再次出现最大值时，记下经过最小值的次数N及两透射板之间的距离d2。5. 根据上面公式，计算微波的波长。6. 改变两透射板之间的距离，重复以上步骤，记入表2中。表2测量次数d1d2N测量值和实际值的相对误差123454. 布喇格衍射实验原理：任何的真实晶体都具有自然外形和各向异性的性质，这和晶体的离子，原子或分子在空间按一定的几何规律排列密切相关。晶体内的离子，原子或分子占据着点阵的结构，两相邻结点的距离叫晶体的晶格常数。真实晶体的晶格常数哟在10-8厘米的数量级。X射线的波长与晶体常数属于同一数量级。实际上晶体是起着衍射光栅的作用。因此可以利用X射线在晶体点阵上的衍射现象来研究晶体点阵的间距和相互位置的排列，以达到对晶体接构的了解。本实验是仿照X射线入射真实晶体发生衍射的基本原理，用金属球制做了一个方形点阵的模拟晶体，用微波代替X射线。将微波射向模拟晶体，观察从不同晶体点阵面反射的微波相互干涉所需要的条件：布喇格方程2d sin n布喇格定律将晶体的晶面间距和X射线衍射角联系起来研究晶体结构。在本实验中用一嵌有10mm大小金属球的醚类聚氨脂泡沫胶立方体用立方“晶体”来验证布喇格定律。实验前，应先了解布喇格衍射的原理。特别是入射波必须满足两个条件，即（1），入射角等于反射角。（2），满足布喇格公式 2d sinn 。其中d为晶面间距,为掠射角，n为正整数，为入射波波长。实验步骤：1、 如图14-7布置实验仪器，接通信号源。图14-7 布喇格衍射实验仪器布置2、 先让晶体平行于微波光轴，即掠射角为零度。调节衰减器使电流表的显示电流值适中，记下该值。3、 将掠射角增大到20度，反射角也对应改变20度。然后顺时针旋转晶体1度（即掠射角增加1度），接收器动臂顺时针旋转2度，记录掠射角角度和对应电流表读数。4、 重复步骤3，直到不能再转。5、 作衍射信号相对强度对入射波掠射角的函数曲线。计算并比较测出的晶面间距与实量间距。【注意事项】1. 微波波长比较长，在调节和观察实验现象时变化不如光波一样灵敏，要注意仔细调节和观察。2. 实验前应根据实验需要来调节放大器倍数，以得到合适的电流表读数。3. 实验中