微波光學(xué)試驗(yàn)儀試驗(yàn)指導(dǎo)

1、微波分光儀一、概述微波在科學(xué)研究、工程技術(shù)、交通管理、醫(yī)療診斷、國(guó)防工業(yè)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面都有十分 廣泛的應(yīng)用。研究微波，了解它的特性具有十分重要的意義。微波和光都是電磁波，都具有波動(dòng)這一共性。都能產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象。因此 用微波作波動(dòng)實(shí)驗(yàn)與用光作波動(dòng)實(shí)驗(yàn)所說(shuō)明的波動(dòng)現(xiàn)象及規(guī)律時(shí)一致的。由于微波的波長(zhǎng)比光波的 波長(zhǎng)在數(shù)量級(jí)上相差一萬(wàn)倍左右，因此用微波來(lái)做波動(dòng)實(shí)驗(yàn)比光學(xué)實(shí)驗(yàn)更直觀，方便和安全。比如 在驗(yàn)證晶格的組成特征時(shí)，布喇格衍射就非常的形象和直觀。通過(guò)本系統(tǒng)所提供的以下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以加深對(duì)微波及微波系統(tǒng)的理解，特別是微波的波動(dòng)這 一特性。1、微波的反射， 2、駐波 -測(cè)量波長(zhǎng)

2、； 3、棱鏡的折射； 4、偏振； 5、雙縫干涉； 6、勞埃德鏡； 7、法布里 -羅布干涉儀； 8、邁克爾遜干涉儀； 9 布儒斯特角； 10、布喇格衍射； 11、纖維光學(xué)。二、系統(tǒng)組成1、微波信號(hào)源輸出頻率 10.5GHz 20MHz，波長(zhǎng) 2.85517cm ，功率 15mW，頻率穩(wěn)定度可達(dá) 2 10-4， 幅度穩(wěn)定度： 10-2。這種微波源相當(dāng)于光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的單色光束。2、發(fā)射器組件 組成部分：纜腔換能器，諧振腔，隔離器，衰減器，喇叭天線及支架。將電纜中的微 波電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為空中的電磁場(chǎng)信號(hào)。 喇叭天線的增益大約是 20 分貝，波瓣的理論半功率 點(diǎn)寬度大約為： H 面 20，E 面 16。當(dāng)發(fā)

3、射喇叭口面的寬邊與水平面平行時(shí)，發(fā)射信號(hào) 電矢量的偏振方向是垂直的，而微波的偏振方向則是水平的。3 、 接收器組件 組成部分：喇叭天線，檢波器，支架、放大器和電流表。檢波器將微波信號(hào)變?yōu)橹绷?或低頻信號(hào)。放大器分三個(gè)檔位，分別為1檔、 0.1檔和 0.02檔，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要來(lái)調(diào)節(jié)放大器倍數(shù)，以得到合適的電流表讀數(shù)。4、 中心平臺(tái) 測(cè)試部件的載物臺(tái)和角度計(jì)，直徑 200 。5、 其他配件 反射板（金屬板， 2 塊），透射板（部分反射板， 2塊），偏振板，光縫屏（寬屏 1 塊， 窄屏 1 塊），光縫夾持條，中心支架，移動(dòng)支架（ 2 個(gè)），塑料棱鏡，棱鏡座，模擬晶陣， 晶陣座，聚苯乙烯丸，鋼直尺（

4、4 根）。三、儀器的基本操作 鋼直尺的使用情況：除了進(jìn)行“邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)”時(shí)，接收器組件安置在 2 號(hào)鋼尺外， 其他實(shí)驗(yàn)都是安置在 1 號(hào)鋼尺上。發(fā)射器組件一直安置在 3 號(hào)鋼尺上。1 號(hào)鋼尺上有指針， 并有鎖緊螺釘， 在直線移動(dòng)接收器的時(shí)候需將直尺鎖緊在180的位置處，以保證移動(dòng)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)接收器轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象； 而在沿轉(zhuǎn)盤(pán)中軸轉(zhuǎn)動(dòng)接收器時(shí)， 需松開(kāi)鎖緊螺釘。實(shí)驗(yàn) 1 系統(tǒng)初步認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模罕緦?shí)驗(yàn)系統(tǒng)的介紹了微波光學(xué)系統(tǒng)，它有助于學(xué)習(xí)設(shè)備的使用及理解用這套設(shè)備進(jìn)行測(cè)量的重要性。實(shí)驗(yàn)儀器 ：微波信號(hào)源發(fā)射器組件接收器組件中心平臺(tái)反射板鋼直尺（ 1號(hào)、 3 號(hào)） 實(shí)驗(yàn)步驟：1. 將發(fā)射器和接收器安置

5、在帶有角度計(jì)的中心平 臺(tái)上，其中發(fā)射器安置 在固定臂（ 3 號(hào)鋼直尺） 上，接收器安置在可動(dòng) 臂（ 1 號(hào)鋼直尺）上。 注意發(fā)射器和接收器的 喇叭口相對(duì)，寬邊與地 面平行，如圖 1.1。圖 1.1 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的儀器布置圖2. 調(diào)節(jié)發(fā)射器和接收器之 間的距離。 （喇叭口相 距 40cm 左右，可根據(jù) 實(shí)際情況自行調(diào)整） 。調(diào) 節(jié)發(fā)射器上的衰減器和 電流表上的檔位開(kāi)關(guān)，使接收器上的電流表的指示在 1/2 量程左右（約 50uA ）。3. 沿著可動(dòng)臂緩慢移動(dòng)接收器，觀察并記下不同位置處對(duì)應(yīng)電流表上的數(shù)值。距離移動(dòng)范圍 為 15cm。發(fā)射器上旋鈕使用方法如下。 衰減器旋鈕：順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為增大發(fā)射功率，反之

6、則減小發(fā)射功率； 喇叭止動(dòng)旋鈕：該旋鈕可以鎖定喇叭的方向。喇叭只能圖示方向內(nèi)旋轉(zhuǎn)90。接收器上也有喇叭止動(dòng)旋鈕，功能和發(fā)射器上對(duì)應(yīng)旋鈕一樣。圖 1.2 發(fā)射器上旋鈕位置圖4. 松開(kāi)接收器上面的手動(dòng)螺栓，慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)接收器，同時(shí)觀察電流表上讀數(shù)的變化，并解釋這 一現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn) 2 反射實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解微波的反射特性 實(shí)驗(yàn)儀器 ：微波信號(hào)源發(fā)射器組件中心平臺(tái)中心支架實(shí)驗(yàn)原理：微波和光都是電磁波，都具有波動(dòng)這一 共性，都能產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn) 象。在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可以用肉眼看到反射的光 線。本實(shí)驗(yàn)將通過(guò)電流表反映出折射的微波。如圖 2.1 所示，入射波軸線與反射鏡法線 之間的夾角稱為入射角。實(shí)驗(yàn)步

7、驟：接收器組件 鋼直尺（ 1 號(hào)、3號(hào)） 反射板1. 將發(fā)射器安置在 3 號(hào)鋼尺上， 接收器安置在 1 號(hào)鋼尺上， 喇叭朝向一致 （寬邊水平） 。發(fā)射 器和接收器距離中心平臺(tái)中心約 350 。打開(kāi)信號(hào)源開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。如圖 2.2 所示。圖 2.2 反射儀器布置圖2. 固定入射角于 45 度。轉(zhuǎn)動(dòng)裝有接收器的可轉(zhuǎn)動(dòng)臂， 使電流表讀數(shù)最大， 記錄此時(shí)的反射角 于表 1 中。（接收器喇叭的軸線與反射鏡法線之間的夾角稱為反射角）3. 當(dāng)入射角分別為 20，30， 40， 50， 60， 70時(shí)測(cè)量對(duì)應(yīng)的反射角，記錄于表1中。比較入射角和反射角之間的關(guān)系。表1入射角度反射角度誤差度數(shù)誤差百分比2030607

8、0實(shí)驗(yàn) 3駐波- 測(cè)量波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解微波的駐波現(xiàn)象，并利用駐波來(lái)測(cè)量微波的波長(zhǎng) 實(shí)驗(yàn)儀器 ：微波信號(hào)源 發(fā)射器組件 接收器組件 中心平臺(tái)鋼直尺（ 1號(hào)、3 號(hào)）實(shí)驗(yàn)原理：微波喇叭既能接收微波，同時(shí)它也會(huì)反射微波，因此，發(fā)射器發(fā)射的微波在發(fā)射喇叭和接收喇 叭之間來(lái)回反射，振幅逐漸減小。當(dāng)發(fā)射源到接收檢波點(diǎn)之間的距離等于n/2 時(shí)（ n 為整數(shù)， 為波長(zhǎng)），經(jīng)多次反射的微波與最初發(fā)射的波同相，此時(shí)信號(hào)振幅最大，電流表讀數(shù)最大。dN2上式中的 d 表示發(fā)射器不動(dòng)時(shí)接收器移動(dòng)的距離， N 為出現(xiàn)接收到信號(hào)幅度最大值的次數(shù)。 實(shí)驗(yàn)步驟：1. 如圖 3.1 布置實(shí)驗(yàn)儀器，要求發(fā)射器和接收器處于同一軸

9、線上，喇叭口正對(duì)。接通信號(hào)源， 調(diào)整發(fā)射器和接收器使二者距離中心平臺(tái)中心的位置（約200 ，可自行調(diào)整） ，再調(diào)節(jié)發(fā)射器衰減器和電流表檔位開(kāi)關(guān)，使電流表的顯示電流值適中（ 3/4 量程左右）。圖 3.1 駐波實(shí)驗(yàn)的儀器布置圖2. 將接收器沿鋼尺緩慢滑動(dòng)遠(yuǎn)離發(fā)射器（發(fā)射器和接收器處于同一軸線上） ，觀察電流表的顯 示變化。3. 當(dāng)電流表在某一位置出現(xiàn)極大值時(shí)，記下接收器所處位置刻度X 1，然后緩慢將接收器沿遠(yuǎn)離發(fā)射器方向緩慢滑動(dòng)，當(dāng)電流表讀數(shù)出現(xiàn)N（至少十）個(gè)極小值后再次出現(xiàn)極大值時(shí)，記下接收器所處位置刻度 X 2，將記錄的數(shù)據(jù)填入表 2 中。4. 計(jì)算微波的波長(zhǎng)，并與實(shí)際值比較。表 2 ：測(cè)量

10、 次數(shù)X1（d1）X2（d2）d X1 X 2N和實(shí)際值的 相對(duì)誤差1234實(shí)驗(yàn) 4 棱鏡的折射接收器組件 塑料棱鏡（聚乙烯）鋼直尺（ 1號(hào)、3 號(hào)）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解微波的折射特性，計(jì)算所給材料的折射率 實(shí)驗(yàn)儀器 ：微波信號(hào)源發(fā)射器組件中心平臺(tái)棱鏡座實(shí)驗(yàn)原理：通常電磁波在某種均勻媒質(zhì)中是以勻速直線傳播的，在不同媒質(zhì)中由于媒質(zhì)的密度 不同，其傳播的速度也不同， 速度與密度 成反比。所以，當(dāng)它通過(guò)兩種媒質(zhì)的分界 面時(shí)，傳播方向就會(huì)改變， 如圖 4.1 所示， 這稱為波的折射。它遵循折射定律（或稱為斯涅耳定律）n1 sin 1 n2 sin 2 1為入射波與兩媒質(zhì)分界面法線的夾角， 稱為入射角。 2

11、 為折射波與兩媒質(zhì)分界面法線 的夾角，稱為折射角。每種媒質(zhì)可以用折射率 n 表示，折射率是電磁波在真空中的傳播速率與在媒質(zhì)空中的傳播速率 之比。一般而言， 分界面兩邊介質(zhì)的折射率不同， 分別用 n1 和 n2 表示。兩種介質(zhì)的折射率不同 波速不同）導(dǎo)致波的偏轉(zhuǎn)?；蛘哒f(shuō)當(dāng)波入射到兩不同媒質(zhì)的分界面時(shí)將會(huì)發(fā)生折射。本實(shí)驗(yàn)將利用折射定律測(cè)量聚乙烯板的折射率。實(shí)驗(yàn)步驟：1. 如圖 4.2 布置實(shí)驗(yàn)儀器。接通信號(hào)源，調(diào)節(jié)衰減器和電流表檔位開(kāi)關(guān)，使電流表的顯示電流 值適中（約 1/2 量程）。1 轉(zhuǎn)過(guò)的角度。圖 4.2 棱鏡折射實(shí)驗(yàn)布置圖2. 繞中心平臺(tái)的中心軸緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)接收器，記下電流表讀數(shù)最大時(shí)鋼尺3.

12、 設(shè)空氣的折射率為 1，根據(jù)折射定律，計(jì)算聚乙烯板的折射率。4. 轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡，改變?nèi)肷浣?，重?fù)前 3 步實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn) 5 布喇格衍射實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獠祭裱苌鋵?shí)驗(yàn)原理，并測(cè)量立方晶格內(nèi)晶面間距 實(shí)驗(yàn)儀器 ：發(fā)射器組件接收器組件鋼直尺（ 1、3 號(hào)）中心平臺(tái)晶陣座模擬晶陣實(shí)驗(yàn)原理：任何的真實(shí)晶體都具有自然外形和各向異性的性質(zhì)，這和晶體的離子，原子或分子 在空間按一定的幾何規(guī)律排列密切相關(guān)。晶體內(nèi)的離子，原子或分子占據(jù)著點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)，兩相鄰結(jié)點(diǎn)的距離叫晶體的晶格常數(shù)。真實(shí)晶 體的晶格常數(shù)喲在 10-8 厘米的數(shù)量級(jí)。 X 射線的波長(zhǎng)與晶體常數(shù)屬于同一數(shù)量級(jí)。實(shí)際上晶體是起 著衍射光柵的作用。 因此可以利用

13、 X 射線在晶體點(diǎn)陣上的衍射現(xiàn)象來(lái)研究晶體點(diǎn)陣的間距和相互位 置的排列，以達(dá)到對(duì)晶體接構(gòu)的了解。本實(shí)驗(yàn)是仿照 X 射線入射真實(shí)晶體發(fā)生衍射的基本原理， 用金屬球制做了一個(gè)方形點(diǎn)陣的模擬 晶體，用微波代替 X 射線。將微波射向模擬晶體，觀察從不同晶體點(diǎn)陣面反射的微波相互干涉所需 要的條件：布喇格方程 2d sin n布喇格定律將晶體的晶面間距和 X 射線衍射角聯(lián)系起來(lái)研究晶體結(jié)構(gòu)。 在本實(shí)驗(yàn)中用一個(gè)面間 距為 50mm，直徑 10mm 的金屬球組成的模擬立方“晶體”來(lái)驗(yàn)證布喇格定律。實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)先了解布喇格衍射的原理。特別是入射波必須滿足兩個(gè)條件，即（1），入射角等于反射角。（ 2），滿足布喇格公式 2d sin n 。其中 d 為晶面間距， 為掠射角 （入射線或反射線與 反射面的夾角稱為掠射角） ，n 為正整數(shù)， 為入射波波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)步驟：1、 如圖 12.1 布置實(shí)驗(yàn)儀器。接通信號(hào)源。圖 12.1 布喇格衍射實(shí)驗(yàn)布置圖2、 先讓晶體平行于微波光軸，即掠射角 為零度。3、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)晶體，使掠射角增大到 20，反射方向的掠射角也對(duì)應(yīng)改變?yōu)?/p>