微波分光实验报告

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1、微波分光实验小组成员：陈瑶 20121004159肖望 20121003780薛帅 20121004279蔡阳 20121004087微波光学实验一， 实验原理1. 反射实验 电磁波在传播过程中如果遇到反射板,必定要发生反射.本实验室以一块金属板作为反射板,来研究当电磁波以某一入射角投射到此金属板上时所遵循的反射规律。2. 单缝衍射实验如图, 在狭缝后面出现的颜射波强度并不均匀, 中央最强,同时也最宽, 在中央的两侧颜射波强度迅速减小, 直至出现颜射波强度的最小值, 即一级极小值, 此时衍射角为 =arcsin( /a).然后随着衍射角的增大衍射波强度也逐渐增大, 直至出现一级衍射极大值,此时

2、衍射角为 =arcsin(3/2* /a),随着衍射角度的不断增大会出现第二级衍射极小值,第二级衍射极大值, 以此类推。3.双缝干涉平面微波垂直投射到双缝的铝板上时，由惠更斯原理可知会发生干涉现象。当dsin=(k+1/2)（k=0,1,2）时为干涉相消（强度为极小） ，当dsin=k(k=0,1,2)时为干涉相长（强度为极大）4.偏振设有一沿 z 轴传播的平面电磁波，若它的电池方向平行于 x 轴，则它的电场可用下面表达式的实部来表示：式中 k0 为波矢。这是一种线偏振平面波。这种波的电场矢量平行于 x 轴，至于指向正方向还是负方向取决于观察时刻的震荡电场。在与电磁波传播方向 z 垂直的 X-

3、y 平面内，某一方向电场为 E=Ecos， 是 E 与偏振方向 E0 的夹角。电磁场沿某一方向的能量与偏振方向的能量有 cos2 的关系，这是光学中的马吕斯定律：I=I 0COS25.迈克尔孙干涉实验在平面波前进的方向上放置一块 45的半透半反射版, 在此板的作用下,将入射波分成两束, 一束向 A 传播,另一束向 B 传播.由于 A,B 两板的全反射作用 ,两束波将再次回到半透半反板并达到接收装置处,于是接收装置收到两束频率和振动方向相同而相位不同的相干波,若两束波相位差为 2 的整数倍 ,则干涉加强;若相位差为 的奇数倍,则干涉减弱。6.微波布拉格衍射实验当 X 射线投射到晶体时,将发生晶体

4、表面平面点阵散射和晶体内部平面点阵的散射,散射线相互干涉产生衍射条纹,对于同一层散射线, 当满足散射线与晶面见尖叫等于掠射角 时,在这个方向上的散射线,其光程差为 0,于是相干结果产生极大 ,对于不同层散射线,当他们的光程差等于波长的整数倍时, 则在这个方向上的散射线相互加强形成极大,设相邻晶面间距为d,则由他们散射出来的 X 射线之间的光程差为 CD+BD=2dsin,当满足 2dsin=K,K=1,2,3时,就产生干涉极大.这就是布拉格公式, 其中 称为掠射角 , 为 X 射线波长.利用此公式,可在 d 已测时, 测定晶面间距;也可在 d 已知时, 测量波长 ,由公式还可知,只有在 2d

5、时,才会产生极大衍射。二， 实验仪器本实验采用成套的微波分光仪，其结构如图所示。还有单缝板、双缝板、透射板块各一块，反射板两块，模拟晶体，两个支架等。三， 实验内容1. 反射实验 2. 单缝衍射实验 3.双缝干涉 4.偏振 5.迈克尔孙干涉实验6.微波布拉格衍射实验四，实验步骤将实验仪器放置在水平桌面上,调整底座四只脚使底盘保持水平。调节保持发射喇叭、接收喇叭、接收臂、活动臂为直线对直状态，并且调节发射喇叭，接收喇叭的高度相同。连接好 X 波段微波信号源、微波发生器间的专用导线，将微波发生器的功率调节旋钮逆时针调到底，即微波功率调至最小，通电并预热 10 分钟。1.微波的反射 实验将金属反射板

6、安装在支座上，安装时板平面法线应与载物小平台 0位一致,并使固定臂指针、接收臂指针都指向 90,这意味着小平台零度方向即是金属反射板法线方向。 打开检波信号数字显示器的按钮开关。接着顺时针转动小平台，使固定臂指针指在某一角度处，这角度读数就是入射角，然后顺时针转动活动臂在液晶显示器上找到一最大值，此时活动臂上的指针所指的小平台刻度就是反射角。做此项实验，入射角最好取 30至 65之间，因为入射角太大接收喇叭有可能直接接收入射波，同时应注意系统的调整和周围环境的影响。 实验记录：2.微波的单缝衍射 按需要调整单缝衍射板的缝宽。将单缝衍射板安置在支座上时，应使衍射板平面与载物圆台上 900 指示针

7、一致。转动载物圆台使固定臂的指针在载物圆台的 1800 处，此时相当于微波从单缝衍射板法线方向入射。这时让活动臂置小平台 00 处，调整微波发生器的功率使液晶显示器显示一定值，然后在 00 的两侧，每改变 2 度读取一次液晶显示器读数，并记录下来。 根据记录数据，画出单缝衍射强度与衍射角度的关系曲线。并根据微波衍射强度一级极小角度和缝宽 ，度和缝宽 和其百分误差（表中 U 左 ，U 右 是相对于 0 刻度两边对应角度的电压值） 。数据记录：3微波的双缝干涉按需要调整双缝干涉板的缝宽。将双缝缝干射板安置在支座上时，应使双缝板平面与载物圆台上 900 指示线一致。转动小平台使固定臂的指针在小平台的

8、 1800 处。此时相当于微波从双缝干涉板法线方向入射。这时让活动臂置小平台 00 处，调整信号使液晶显示器显示较大，然后在 00 线的两侧，每改变 3 度读取一次液晶显示器的读数，并记录下来，然后就可以画出双缝干涉强度与角度的关系曲线。并根据微波衍射强度一级极大角度和缝宽，计算微波波长 和其百分误差。数据记录：（0） 0 3 6 9 12 15 81左U（mv） 右4.微波的偏振干涉实验 按实验要求调整喇叭口面相互平行正对共轴。调整信号使显示器显示一定值，然后旋转接收喇叭短波导的轴承环（相当于偏转接收器方向） ，每隔 100 记录液晶显示器的读数。直至 900。就可得到一组微波强度与偏振角度

9、关系数据，验证马吕斯定律。注意，做实验时应尽量减少周围环境的影响。数据记录：5.迈克尔逊干涉实验 在微波前进的方向上放置一玻璃板，使玻璃板面与载物圆台 450 线在统一面上，固定臂指针指向 90 度刻度线,接收臂指针指向 0 度刻度线(如图） 。按实验要求如图安置固定反射板、可移动反射板、接收喇叭。使固定反射板固定在大平台上，并使其法线与接收喇叭的轴线一致。可移动反射板装在一旋转读数机构上后，然后移动旋转读数机构上的手柄，使可移反射板移动，测出 n+1 个微波极小值。并同时从读数机构上读出可移反射板的移动距离 L（注意：旋转手柄要慢，并注意回程差的影响） 。波长满足：=2L/n)6.验证布拉格

10、衍射公式 由已知的晶格常数 a 和微波波长 ，估算出（100）面和（110）面衍射极大的入射角；调整发射喇叭和接收喇叭的天线正对，调节衰减器；将模型固定在载物台上，晶面法线与刻度盘 0重合，发射臂指针的读数即为入射角，将接受臂转至 0另一侧同一度数，即得到入射角等于反射角。在理论峰值附近寻找电流最大的入射角。入射角 30 33 36 39 42 45 48 反射角100 面五实验数据及数据处理过程1.微波的反射实验 入射角（度） 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52反射角（度） 29.2 30.5 32.5 35.6 36.6 39.5 40.9 42.4 4

11、5.1 46.9 47.2 49.3入射角（度） 54 56 58 60 62 63反射角（度） 52.7 53.8 55.3 58.2 60.1 61.2在误差允许范围内验证了反射原理。2.微波的单缝衍射实验 参量值： =60mm =32mm；U 左（mv ） （0） U 右（mv）62.2 0 62.261.0 3 60.454.4 6 52.248.5 9 47.613.8 12 20.04.0 15 5.76.1 18 4.62.5 21 2.00.3 24 0.80.2 27 0.40.2 30 0.30.1 33 0.30.1 36 0.10 39 0.10.1 42 0.10.2

12、 45 0.20.1 48 0.30.1 51 0.20.2 54 0.10 57 00 60 0a*sin=（k+1/2）=53.5 0实验得 =-55 0=57 0 百分差得 2.8%，6.54%a*sin=k=32.4 0实验的 =-33 0=35 0 百分差得 1.85%，8.02%3.微波的双缝干射实验a=20mm b=87mm =32mmU 左（mv ） (0) U 右（mv）4.2 0 4.23.2 2 4.80.8 4 30.1 6 1.60.1 8 0.51.3 10 04.5 12 0.18.4 14 1.24.8 16 54.2 18 65.6 20 5.53.9 22

13、7.21.1 24 40.4 26 1.50.8 28 0.2U0204060801 4 7 10 1316 19 2225 28 3134 37 40系 列 11.3 30 01.1 32 01 34 0.13.2 36 0.28.7 38 1.57.6 40 4.72 42 50.1 44 1.10 46 0.10.2 48 00.4 50 0.20.7 52 0.21 54 0.10.7 56 00.2 58 00.5 60 0测量的极大值为-38 0，-14 0，2 0,220,4200通过 dsin=k 计算得,0 0，14.,5 0,300，48.6 0测量的极小值为-38 0，-

14、22 0，-9 0,60,210,380通过 dsin=（k+1/2） 计算得 7.20,220,38.70,610犹豫干涉板不够大，当角度偏大时，有很明显的误差，所以只讨论中间角度偏小的几组白分差分别为，6.67%，10.34% ，0%，10.34%，6.67%1.8%，0%，25%，16.67%，4.55%，1.84%4.微波的偏振干涉实验转角 0 10 20 30 40 50 60 70 80 9002468101 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61系 列 1Umv 131.5 131.0 121.5 104.8 82.2 55.4 26

15、.7 6.7 0.7 0此实验验证了偏振光原理5.迈克尔逊干涉实验最小点度数（mm） 70.20 53.12 36.18 20.24=（L4+L3-L2-L1）*1/2=33.45mm实际 =32mm百分差为 4.53%6.验证布拉格衍射公式入射角(o) U(mv) 反射角(o)30 3.7 2833 4 3536 4.8 3439 0.7 4142 1.1 4745 1.0 4448 2.3 4951 2.1 5554 3.1 5257 33.3 5960 40.0 6263 87.8 5966 61.9 6969 21.0 6672 10.5 76由布拉格公式得到理论掠射角：1sin -1/2a 0=24.702sin -12/2a 0=52.80上图和公式中角互余，所以 1=27 02=53 0百分差为 8.52%，0.38%六实验结果及分析1.发射器与接收器不是严格的位于同一平面：2.干涉板并不能干涉所有的波：3.实验环境太差，周围有其他波干扰：4.其中部分实验的读数是估读的：5.迈克尔逊两个反射板也无法保证完全垂直，而且存在晃动：七存在的问题及对策可买进更先进的设备八参考文献物理光学，应用光学。