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晶体微波衍射特性本科论文
题目晶体微波衍射特性
学生姓名学号
所在学院物理与电信工程学院
专业班级物理学（师范类）1202
指导教师
完成地点陕西理工学院
目录
1微波的介绍1
2微波的衍射4
2.1单缝衍射4
2.1.1光的夫朗禾费单缝衍射4
2.1.2微波的单缝衍射7
2.2微波多缝衍射8
2.2.1多缝衍射8
2.2.2微波多缝衍射11
2.3晶体衍射12
2.3.1晶体几何学12
2.3.2布拉格公式14
2.3.3模拟立方晶体面族的微波布拉格衍射14
3实验仪器介绍15
4实验操作16
4.1微波单缝衍射16
4.1.1测量内容16
4.1.2测量方法与步骤16
4.2微波多缝衍射16
4.2.1测量内容16
4.2.2测量方法与步骤17
4.3微波布拉格衍射衍射17
4.3.1测量内容17
4.3.2测量方法与步骤17
5数据与分析18
5.1微波单缝衍射18
5.2微波多缝衍射21
5.3微波布拉格衍射23
6微波衍射的探讨25
附录26
1微波单缝衍射原始实验数据26
2微波单缝衍射原始实验数据27
3微波单缝衍射原始实验数据28
晶体微波特性衍射研究
作者：
（陕西理工学院物理与电信工程学院物理学（师范类）专业1202班级陕西汉中72300）
指导老师：
[摘要]微波作为一种电磁波，具有波粒二象性。
微波和光波一样都具有波动特性，能产生反射、折射、干涉和衍射等光学现象。
同时对于玻璃，塑料和瓷器微波基本上是完全穿透的。
但也有些物质会吸收微波而使自身发热。
晶体对微波的衍射也会伴生很多物理现象。
基于以上特征，对微波的晶体衍射特性的研究就非常必要了。
本课题基于ZKY-WB综合测试系统，通过对微波的衍射特性的参数测量，综合测量晶体在微波段的衍射规律，并提出和验证晶体微波衍射特性的物理规律
[关键词]微波单缝衍射多缝衍射布拉格衍射
引言
微波微波作为一种电磁波，具有波粒二象性。
微波和光波一样都具有波动特性，能产生反射、折射、干涉和衍射等光学现象。
因此微波作为波动实验与用光作波动实验所说明的波动现象及规律是一致的[1]。
由于微波的波长比光波的波长在数量级上至少相差一万倍，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，布拉格衍射就非常的形象和直观。
微波的基本性质通常还呈现为穿透、吸收、反射三个特征，对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿透而不被吸收；水和食物等物质会吸收微波而是自身发热；对金属类物质，则会反射微波，因此对微波的研究就有其必要性。
1微波的介绍
微波是指频率为300MHz~300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1毫米~1米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。
微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。
微波作为一种电磁波也具有波粒二象性，微波量子的能量为1.99×l0-25～1.99×10-21焦耳。
微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。
对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收，对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热，而对金属类东西，则会反射微波。
从电子学和物理学观点来看，微波这段电磁频谱具有不同于其他波段的如下重要特点：
微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。
微波透入介质时，由于微波能与介质发生一定的相互作用，以微波频率2450兆赫兹，使介质的分子每秒产生24亿五千万次的震动，介质的分子间互相产生摩擦，引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。
物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。
介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。
由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。
物质不同，产生的热效果也不同。
水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。
而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。
因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。
微波对介质材料是瞬时加热升温，升温速度快。
另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。
微波波长很短，比地球上的一般物体（如飞机，舰船，汽车建筑物等）尺寸相对要小得多，或在同一量级上。
使得微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性。
因此使用微波工作，能使电路元件尺寸减小；使系统更加紧凑；可以制成体积小，波束窄方向性很强，增益很高的天线系统，接受来自地面或空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体方位和距离，分析目标特征。
由于微波波长与物体（实验室中无线设备）的尺寸有相同的量级，使得微波的特点又与声波相似，即所谓的似声性。
例如微波波导类似于声学中的传声筒；喇叭天线和缝隙天线类似与声学喇叭，萧与笛；微波谐振腔类似于声学共鸣腔。
微波的量子能量还不够大，不足与改变物质分子的内部结构或破坏分子之间的键（部分物质除外：
如微波可对废弃橡胶进行再生，就是通过微波改变废弃橡胶的分子键）。
再有物理学之道，分子原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因而微波为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段。
另一方面，利用这一特性，还可以制作许多微波器件。
由于微波频率很高，所以在不大的相对带宽下，其可用的频带很宽，可达数百甚至上千兆赫兹。
这是低频无线电波无法比拟的。
这意味着微波的信息容量大，所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外都是工作在微波波段。
另外，微波信号还可以提供相位信息，极化信息，多普勒频率信息。
这在目标检测，遥感目标特征分析等应用中十分重要。
微波能通常由直流电或50Hz交流电通过一特殊的器件来获得。
可以产生微波的器件有许多种，但主要分为两大类：
半导体器件和电真空器件。
电真空器件是利用电子在真空中运动来完成能量变换的器件，或称之为电子管。
在电真空器件中能产生大功率微波能量的有磁控管、多腔速调管、微波三、四极管、行波管等。
在微波加热领域特别是工业应用中使用的主要是磁控管及速调管。
微波波长约在1m~0.1mm（相应频率约为300MHz到300GHz）之间的电磁波。
这段电磁频谱包括分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波等波段。
在雷达和常规微波技术中，常用拉丁字母代号表示更细的波段划分。
以上关于微波的波长或频率范围，是一种传统上的约定。
从现代微波技术的发展来看,一般认为短于1毫米的电磁波（即亚毫米波）属于微波范围，而且是现代微波研究的一个重要领域。
从电子学和物理学的观点看，微波这段电磁谱具有一些不同于其他波段的特点。
微波在电子学方面的特点表现在它的波长比地球上很多物体和实验室中常用器件的尺寸相对要小很多，或在同一量级。
这和人们早已熟悉的普通无线电波不同，因为普通无线电波的波长远大于地球上一般物体的尺寸。
当波长远小于物体（如飞机、船只、火箭、建筑物等）的尺寸时，微波的特点和几何光学的相似。
利用这个特点，在微波波段能制成高方向性的系统（如抛物面反射器）。
当波长和物体（如实验室中的无线电设备）的尺寸有相同量级时，微波的特点又与声波相近,例如微波波导类似于声学中的传声筒;喇叭天线和缝隙天线类似于喇叭、箫和笛；谐振腔类似于共鸣箱等。
波长和物体尺寸在同一量级的特点，提供了一系列典型的电磁场边值问题。
在物理学方面，分子、原子与核系统所表现的许多共振现象都发生在微波的范围，因而微波为探索物质的基本特性提供了有效的研究手段。
由于这些特点，微波的产生、放大、发射、接收、传输、控制和测量等一系列技术都不同于其他波段（见微波电子管、微波测量等）。
微波成为一门技术科学，开始于20世纪30年代。
微波技术的形成以波导管的实际应用为其标志。
若干形式的微波电子管（速调管、磁控管、行波管等）的发明，是另一标志。
在第二次世界大战中，微波技术得到飞跃发展。
因战争需要，微波研究的焦点集中在雷达方面，由此而带动了微波元件和器件、高功率微波管、微波电路和微波测量等技术的研究和发展。
至今，微波技术已成为一门无论在理论和技术上都相当成熟的学科，又是不断向纵深发展的学科。
图1.1微波传感器
微波振荡源的固体化以及微波系统的集成化是现代微波技术发展的两个重要方向。
固态微波器件在功率和频率方面的进展，使得很多微波系统中常规的微波电子管已为或将为固体源所取代。
固态微波源的发展也促进了微波集成电路的研究。
频率不断向更高范围推进，仍然是微波研究和发展的一个主要趋势。
60年代激光的研究和发展，已越过亚毫米波和红外之间的间隙而深入到可见光的电磁频谱。
利用常规微波技术和量子电子学方法，已能产生从微波到光的整个电磁频谱的辐射功率。
但在毫米波－红外间隙中的某些频率和频段上，还不能获得足够用于实际系统的相干辐射功率。
微波的发展还表现在应用范围的扩大。
微波的最重要应用是雷达和通信。
雷达不仅用于国防，同时也用于导航、气象测量、大地测量、工业检测和交通管理等方面。
通信应用主要是现代的卫星通信和常规的中继通信。
射电望远镜、微波加速器等对于物理学、天文学等的研究具有重要意义。
毫米波微波技术对控制热核反应的等离子体测量提供了有效的方法。
微波遥感已成为研究天体、气象和大地测量、资源勘探等的重要手段。
微波在工业生产、农业科学等方面的研究，以及微波在生物学、医学等方面的研究和发展已越来越受到重视（见微波应用、微波能应用、微波医学应用等）。
微波与其他学科互相渗透而形成若干重要的边缘学科，其中如微波天文学、微波气象学、微波波谱学、量子电动力学、微波半导体电子学、微波超导电子学等，已经比较成熟。
微波声学的研究和应用已经成为一个活跃的领域。
微波光学的发展，特别是70年代以来光纤技术的发展，具有技术变革的意义（见微波和射频波谱学）。
常用的无线传输介质是微波、激光和红外线，通信介质也称为传输介质，用于连接计算机网络中的网络设备，传输介质一般可分为有线传输介质和无线传输介质！
从理论上说，微波可以充当一种武器，打击任何电子系统，让汽车、飞机和核电站陷入瘫痪。
此外，微波武器还能在不导致伤亡情况下让人产生灼痛感，可用于驱散人群。
控导波管上安装的发射器。
电磁铁施加器（空腔）内的波导结构是来自于能量耦合。
反射的电磁能量是依赖于的空腔的尺寸和介电加热的加热产品。
通过使用调谐器的反射的电磁能量的量可以被最小化，以提高效率的最佳。
2微波的衍射
2.1单缝衍射
2.1.1光的夫朗禾费单缝衍射
如图2.1（a）所示，使来自光源S的光经望远镜系统构成的扩束器L1或不经扩束直接投放到一狭缝BB’上。
在狭缝后面放置一透镜L2，那么在透镜L2的焦平面上放置的屏幕F上将产生明暗相间的衍射图样。
图2.1（b）是用普通光源拍摄的单狭缝小的亮条纹。
相邻的亮条纹之间有一条暗条纹。
如以相邻暗条纹之间的间隔作为亮条纹的宽度，则两侧的亮条纹是等宽的，而中央条纹的宽度为其他亮条纹的两倍[2]。
L2
S
L1
B’
B
（a）
（b）
图2.1夫朗禾费单缝衍射
强度的计算
图2.2所示的是图2.1装置的右半部，为了清楚起见，图中狭缝的宽度BB’已经放大。
平行垂直于缝的平面入射时，波面和缝平面重合（垂直于图面）。
将缝分为一组平行于缝长的窄带，从没一条这样的窄带发出次波的振幅正比于窄带的宽度dx。
设光波的初相位为0，b为缝BB’的宽度，A0为整个狭缝所发出的次波
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