微波光学实验报告.docx

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微波光学实验报告

微波光学实验报告

微波光学实验报告一、实验目的与实验仪器1.实验目的

（1）学习一种测量微波波长的方法。

（2）观察微波的衍射现象并进行定量测量。

（3）测量微波的布拉格衍射强度分布。

2.实验仪器微波分光仪、分束玻璃板、固定和移动反射板、单缝板、双缝板、模拟晶体等。

二、实验原理（要求与提示：

限400字以内，实验原理图须用手绘后贴图的方式）微波是一种波长处于1mm~1m之间的电磁波，范围为3×102~3×105MHz之间。

微波也具有衍射、干涉等性质。

1.用微波分光仪（迈克尔逊干涉仪）测微波波长用迈克尔逊干涉仪测波长光路图如上。

设微波波长为λ，若经M1和M2反射的两束波波程差为Δ，则当满足Δ=kλ（k=±1，±2，…）时，两束波干涉加强，得到各级极大值；当满足Δ=（k+）λ（k=0，±1，±2，…）时，两束波干涉减弱，得到各级极小值。

将反射板M2沿着微波传播的方向移动d，则波程差改变了2d.若从某一极小值开始移动可动反射板M2，使接收喇叭收经过N个极小值信号，即电流示数出现N个极小值，读出M2移动的总距离L，则有：

2L=N·λ从而λ=由此可见，只要测定金属板位置的该变量L和出现接收到信号幅度最小值的次数N，可以求出微波波长。

2.微波的单缝衍射实验当微波入射到宽度和其波长差不多的一个狭缝时，会发生衍射现象。

在狭缝后面的衍射屏上出现衍射波强度不均匀，中央最强且最宽，从中央向两边微波衍射强度迅速减小。

当θ=0时，衍射波强度最大，为中央零级极大；其他次级强所在位置为：

asinθ=±（k+）λ（k=1，2，…）暗条纹位置为：

asinθ=kλ（k=±1，±2，…）式中a为单缝的宽度。

因此可以画出单缝衍射的强度分布曲线如上图。

3.微波的双缝干射实验当微波入射到一块开有两个缝的铝板时，会发生衍射现象，两缝面内波是同相位的。

由惠更斯原理，来自两缝波面向同一方向传播的子波叠加决定该方向的强度。

强度极小所在位置（干涉相消）：

dsinθ=（k+）λ（k=0，±1，±2，…）强度极大所在位置（干涉相长）：

asinθ=kλ（k=0，±1，±2，…）4.微波的布拉格衍射晶体中的原子按一定规律形成高度规则的空间排列，称为晶格。

最简单的晶格为立方晶格，具有三维的空间点阵结构，它如同一个三维光栅。

晶体点阵中原子排列成许多具有不同取向的晶面，每个取向都由许多互相平行的晶面构成晶面族。

由于晶体面间距与X射线

波长相当，因此晶体能对X射线产生衍射。

密勒指数的确定方法为：

该晶面在坐标轴的截距分别为x，y，z，取其倒数，，的简单整数倍即为密勒指数（hkl）.布拉格认为，当散射方向满足“光学镜面反射”条件，即散射线、入射线、晶面法线共面，且在法线两侧，反射角等于入射角，各原子的散射波将具有相同的相位，因而干涉加强。

以（100）晶面族研究微波的衍射。

如图，当波束衍射到（100）晶面族上时，每个晶面将反射一部分，相邻两晶面波程差为：

PQ+QR=2dsinθ式中，θ为掠射角（布拉格角），2θ为衍射角，d为晶面间距，简单立方中，晶面间距d=当满足布拉格公式：

2dsinθ=nλ（n=0,1,2…）时，两波相干加强。

对应于n=0,1,2，…，分别得到中央极大和一组次级大。

由布拉格公式可知，≤d是能产生衍射的条件。

布拉格公式是能产生衍射衍射的方向条件。

满足方向条件，还要满足强度条件才能产生衍射。

简单立方中没有能产生消光的晶面，但是对于不同的晶面，随着面间距的减小，平面上单位面积的衍射中心数减少，衍射波强度减弱。

三、实验步骤（要求与提示：

限400字以内）1.测量微波波长使发射喇叭与接收喇叭轴线互相垂直，半透射玻璃板通过支架座放置在刻度盘正中，并与两喇叭轴线成45°角。

将读数测微机构通过螺丝固定在底座上，插上反射板M2和M1.

（1）打开固态信号发生器，将面板按键置于“电压”和“等幅”位置，电压表指针指向10V左右（满偏15V），按下“电流”指示，指针应为0，表明固态信号发生器正常。

再将固态源连线插入固态信号发生器“输出插孔”，此时微波从发射喇叭发出。

（2）转动测微机构手柄，使可移动反射板M2移动，观察接收部分微安表示数变化，如果超过100μA，则可调节接收喇叭后边的可变衰减器。

（3）调节M2，使其从测微机构一端移向另一端，从某一波强极小值开始，使微安表指针出现N次极小值，利用测微机构读出M2移动的总距离L，即可计算出微波波长。

2.单缝衍射实验

（1）取下M1、M2、测微机构和半透射玻璃板，将接收喇叭调到180°位置。

（2）调整单缝的缝宽为a=6.0cm，安装单缝板到支座上，使单缝板和发射喇叭保持垂直。

（3）从180°到120°转动接收喇叭，在始终不超过量程的前提下，每移动1°记录微安表

示数。

（4）从180°到240°转动接收喇叭，每移动1°记录微安表示数。

3.双缝干射实验双缝的d=11.0cm，缝宽为a=4.0cm，测量过程同单缝衍射实验。

4.布拉格衍射实验

（1）调整模拟晶体为晶格常数为4.0cm的简单立方。

（2）将载物平台固定在小转台上，模拟晶体放在载物平台上，使模拟晶体所研究面的法线方向与载物平台上某一刻线方向一致，并将此刻线调整为90°方向。

（3）测（100）面衍射强度分布。

转动载物平台，使布拉格角至一级衍射极大位置（约23°），使微安表不超过量程。

然后布拉格角从15°到60°转动载物平台，载物平台每转动1°，对应的接收喇叭转动2°以保证入射角等于反射角，记录微安表读数。

（4）按照以上步骤，测量晶体（110）面反射情况。

布拉格角从25°至45°.四、数据处理（要求与提示：

对于必要的数据处理过程要贴手算照片）1.计算微波波长微波测波长实验（N=3）次数123位置左侧/mmx0x1x0x1x0x14.69553.9874.82553.8004.98554.130右侧/mm4.98554.6725.43555.3035.58555.505平均/mm4.84054.3305.13054.5525.28554.818L=（x1-x0）/mm49.49049.42249.5334x0x14.62153.9155.24654.8704.93454.39349.4595x0x14.75053.9286.09555.9095.42354.91949.496—L==49.480mm由测量数据，微波波长为：

λ===3.2986cm

2.单缝衍射曲线1）衍射极强：

k-10实际极大值角-45°0°理论极大值角-56°0°相对误差%%2）衍射极弱k-10实际极小值角理论极小值角相对误差-32°-33%3.双缝干射曲线147°56°%134°35°%1）干涉相长k-2-1012实际极大值角-38°-19°0°19°38°理论极大值角-37°-17°0°17°37°相对误差2.7%11.8%0%11.8%2.7%

2）干涉相消k-2-1012实际极小值角-26°-11°10°28°理论极小值角-27°-9°9°27°相对误差3.7%22.2%11.1%3.7%4.布拉格衍射1）（100）晶面的布拉格衍射n实际布拉格角理论布拉格角相对误差2）（110）晶面的布拉格衍射122°24°8.3%（100）晶面的间距d100=4.0cm256°56°0%（110）晶面的间距d110=（4.0/）cm

n实际布拉格角理论布拉格角相对误差136°36°0%五、分析讨论（提示：

分析讨论不少于400字）1.在单缝衍射实验中，我们绘制出I-θ曲线，发现主极大缺失。

通过查阅相关文献，我发现衍射曲线是单缝和发射源前的矩形喇叭口2次衍射叠加的结果，且与数值模拟计算结果吻合相当好。

图1缝宽8cm的菲涅耳衍射理论曲线图2喇叭口菲涅耳衍射理论曲线图3缝宽8cm的衍射曲线通过查阅文献，图1是缝宽为8cm时，利用实验数据和菲涅尔函数通过计算机模拟的理论衍射曲线，图2是将喇叭口作为单缝的衍射曲线，图3则是真实测量的衍射曲线。

.通过对比实验衍射曲线和理论衍射曲线发现，其实验衍射曲线的形状、极值的位置是理论曲线和喇叭口菲涅耳衍射理论曲线叠加而成，对应位置的极值叠加后恰好与实验曲线绝大部分吻合。

则我们可以知道微波分光计单缝衍射实验衍射图样是喇叭口衍射与单缝衍射共同作用的结果。

另外，观察实验衍射曲线发现，实验图形左右峰值不等，且图形都不对称，与理论结果有些误差。

通过模拟计算发现，主要是因为在缝的长宽一定情况下，喇叭口中心与单缝板中心不在同一水平直线上导致的。

实验中若能有效调整使其基本平行，则能减少实验误差。

进一步查阅相关文献发现，其他一些因素也会导致单缝衍射曲线形状及主极大的变化。

通过增加缝宽到6～9cm，增强衍射强度；通过增加挡板面积，减小挡板外杂波对衍射图像干扰；通过改变单缝结构，减小单缝边缘对次波的影响采取上述措施可以得到与理论图样吻

合很好的实验图样。

2.在做（100）晶面的布拉格衍射实验时，我们观察到实验结果与布拉格方程计算的理论结果不符合的奇异峰，通过查阅文献，并根据实验结果对奇异峰产生的原因进行了分析。

由于喇叭发射的微波不是严格的平面波，产生布拉格衍射时存在一个临界掠射角。

掠射角小于临界角时，接收喇叭不但可以接收到晶面反射波，还可以接收到发射喇叭发射的微波，二者相干叠加而产生奇异峰。

从图中可以看出，在15°~60°测量范围内，共出现了3个波峰，分别是17°、22°、56°.根据布拉格方程2dsinθ=nλ（n=0，1，2，…）θ1=arcsin（λ/2d）=23.6°θ2=arcsin（2λ/2d）=53.1°θ3=arcsin（3λ/2d）由于sinθ=≤1，即n≤==2，则对于（100）面只能观测出两个衍射强度极大值。

相关文献分析认为，奇异峰的产生是由于发射喇叭有一定的张角，发出的波不是严格的平面波。

发生布拉格衍射时存在一个临界掠射角，当掠射角小于临界角时，接收喇叭不但可以接收到晶面反射波，还可以接收到发射喇叭发射的微波，二者相干叠加从而产生奇异峰。

临界掠射角的计算：

θmin=实验中我们用的微波发射喇叭张角=40°，故对应临界掠射角θmin=20°．在（110）晶面的衍射实验中，我们从25°开始测量，故没有出现奇异峰。

六、实验结论

（1）本次实验没有大的偏差，所作图象和理论图像有些偏差，经过查找相关文献后也很好的解释了该现象。

（2）单双缝衍射中的畸变、台阶及凹陷现象，与实验仪器等因素相关.主要是由喇叭干扰引起的，所得数据与理论值很接近。

（3）布拉格（100）及（110）面的衍射实验中，所得角度与理论值偏差很小，很好的证明了布拉格公式理论的正确性与准确性。

七、原始数据（要求与提示：

此处将原始数据拍成照片贴图即可）