微波的光学特性试验

1、微波的光学特性实验2021级光电信息科学与工程 盼园摘要微波是一种特定波段的电磁波，其波长围为1mm1m。它存在明显的反射、折射、干预、衍射和偏振等现象。本实验主要对微波的单缝 衍射、双缝干预及布拉格衍射现象进展验证讨论。关键词微波、布拉格衍射、光学特性。实验目的1了解微波的原理及实验装置2认识微波的光学特性及测量方法3.明确布拉格公式的解释以及用微波实验系统验证该公式。实验原理微波是一种特定波段的电磁波，其波长围为1mm1m。它存在反射、折射、干预、衍射和偏振等现象。但因为它的波长、频率和能 量具有特殊的量值，所以它所表现出的这些性质也具有特殊性。用微波来仿真晶格衍射，发生明显衍射效应的晶格

2、可以放大到宏观尺度厘米量级，因此要微波进展波动实验比光学实验更直观，平安。.word.zl.微波的单缝衍射当一平面波入射到一宽度和波长可比较的狭缝时，就要发生衍射 的现象。缝后出现的衍射波强度并不是均匀的，中央最强，同时也最 宽。在中央两侧的衍射波强度迅速减小，直至出现衍射波强度的最小值，即一级极小，此时衍射角为sin1*,其中是 波长，a是狭a缝宽度。随着衍射角增大，衍射波强度又逐渐增大，直至出现一级极 大值，角度为：sin 1(1.43-)。如图2 1。aA-aT -4 -I ° I * 皿中图3T-2单缱衍射相对光强分布曲线图2 12 .微波的双缝干预当一平面波垂直入射到一金属

3、板的两条狭线上，那么每一条狭缝就是次级波波源。由两缝发出的次级波是相干波。当然，光通过每个缝也有衍射现象。为了只研究主要是由于来自双缝的两束中央衍射波相互干预的结果，实验中令缝宽a接近。干预加强的角度为sin 1(K*)，其中K=1 , 2 ,.,干预减弱角度为： a b.word.zl.加1（生*一），其中K=0, 1, 2,。实验仪器布置与图2 2 a b一样，只是将单缝换成双缝。原理图如下2 2 :3彳散波的布拉格衍射晶体的离子、原子或分子占据着点阵的构造，两相邻结点的距离 叫晶体的晶格常数，约在10-8 cm的数量级。X射线的波长与晶体的 常数属于同一数量级。实际上晶体是起着衍射光栅的

4、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，以到达对晶体构造的了解。根据晶体格点六面体的形状的不同， 晶体可划分为七个晶系。立 方晶体部有多个方向相互平行的晶面族，本次实验用到了100，110两种晶面族。本实验是仿照X射线入射真实晶体发生衍射的根本原理，人为 的制作了一个方形点阵的模拟晶体，以微波代替 X射线，使微波向 模拟晶体入射，观察从不同晶面上点阵的反射波产生干预应符合的条 件。这个条件就是布拉格方程：2d* sin K ,本实验采用入射角，而不是掠射角，布拉格公式变形为：2d * cos K , K = 1 , 2, 3.n.word.zl.实

5、验仪器DH926B型微波装置，ZKY-WB-2型微波装置。实验容1微波的单缝衍射本实验微波的入射角为0o,在单缝的两侧使衍射角每改变 2o读取 一次表头读数，并记录下数据，直到旋到 50o,画出单缝衍射强度与 衍射角的关系曲线，理论算出一级极小和一级极大的衍射角，并与实验曲线上求得的一级极小和极大的衍射角进展比较。 分析误差及产生 原因，假设微波的波长不明确，可利用曲线上的衍射角计算波长。2微波的双缝干预调整好双缝距离b,接收器距离双缝的距离，双缝缝宽应接近波长。本实验微波的入射角为0o,在单缝的两侧使衍射角每改变1o读取 一次表头读数，并记录下数据，直到旋到 60o,画出单缝衍射强度与 衍射

6、角的关系曲线，理论算出干预最强和最弱的角度，并与实验值进 展比较。分析误差及产生原因，假设微波的波长不明确，可利用曲线 上的衍射角计算波长。3验证布拉格公式1用100晶面族作为散射点阵面，实验时逐点测定I、，画出I曲线图，通过I曲线图确定第一级入射角和第二级入射角1、2并与理论值比照；2用110晶面族作为散射点阵面，重复1的实验操作。验证布拉格公式。.word.zl.实验数据分析及处理1微波的单缝衍射光强-角度图2 3由图2-3可以得出微波单缝衍射的大致走势，当微波的信号较弱时，我们对微波的信号强度进展改变，在 20o时将信号增强，在 40o将信号减弱，便于读数，但所得实验数据不符号实际情况，

7、实验操作出错，无法得出实验结论。.word.zl.图2 4再次实验，得到图2-4。由图2-4可得0o附近单缝衍射的强度最 大，随着入射角变大，光强逐渐变小，在20o和40o之间光强变化围特 别小，读数无法准确，实验误差较大，可粗略判断一级极大和一级极 小条纹的位置。实验中狭缝的宽度为70mm,估计一级极大为 二44o, 一级极小 二240。由一级极小计算28.47mm,11%,误差过大，说明一级极小 二240出现读数失误，因为此段数据变化极小，无确判断一级极 小对应的角度；由一级极大计算33.99mm,6.2%,实验误差较大。假设取 32mm,那么计算得对应的一级极小二27.20, 一级极大为

8、二40.80。2微波的双缝干预双缝干预实验a,b,均为值。干预加强和干预减弱的理论值分别 为：加强：i 10.8 ,2 22.2 ；减弱：i 5.4 ,2 16.4。实验数据绘制图形为：.word.zl.3验证布拉格公式 ©为入射角，d=40mm, F32mm对于100面计算理论值为：© 1=664 ;梃=36.9°对于 110 面，计算理论值为：d=40*0.707=28.28mm, 01=55.6。实验测得：对于100面，1 66 ,2 38,误差为1 0.9%,2 2.9%；对于 110 面， 56 ,误差 1.1%。分析：实验值与理论值存在误差，可能由于读

9、数过程指针往复摆 动，造成读数不准确，角度测量的准确度不够高使最大角度的测量不 准确。实验值与理论值的误差处于合理围，可认为实验操作根本准确。布拉格衍射100面角度.word.zl.思考讨论：1如何用单缝衍射的方法测微波波长？由实验原理可得，微波波长与一级极大极小衍射角有一定关系，满足公式：极小sin1*,极大sin 1(1.43)。实验中测得光波的一级 aa极大、极小衍射角的角度，即可测得微波的波长。实验过程可以先采用波长的微波对实验进展检验，通过对波长的微波进展实验，对实验过程进展检验和改良，以保证实验操作过程、 实验方法的稳健性和准确性，再利用该实验方案对未知波长的微波进 展波长测量。2

10、为什么只有入射角和反射角相等时，才可能产生布拉格衍射？ 对于同一层散射线，在满足散射线与晶面之间的夹角等于入射掠射角时，他们之间的光程差才为 0,想干结果在这个方向光强最大; 在不同层散射线，只有晶面夹角与入射掠射角相等的散射线且两者光 程差为波长的整数倍时，才互相干预形成亮纹。.word.zl.3.本实验采用111晶面族作为散射点阵面是否可行？根据实验原理，111晶面族也可以被用作散射点阵面。但本 实验要求入射角等于反射角，所用晶面族的法线应该处于水平方向， 故111晶面族应该用一个顶点进展支撑，来满足实验要求，而由于实 验仪器的限制，无法做到。故本实验无法用111晶面族作为散射点阵 面。.

11、word.zl.附录:单缝衍射实验数据：-1640角度小光强I-1456-502-1269-485-1078-4611-883-447-693-423-498-402-2100-3820100-3642100-3454104-3226105-302886-2821070-2621269-2421464-2221645-2091828-18252011.word.zl.2253348124234502262355212823656230237581322386013443948236440441382414214024228142343201448441014684541483461150247