微波光学试验(20211109173037)

1、微波光学实验实验十六实验内容1了解微波分光仪的结构，学会调整它并能用它进行实验。2 进一步认识电磁波的波动性，测量并验证单缝衍射和双缝衍射的规律。 教学要求1 了解物理量相对测量的特点和研究方法。2 学习如何利用实验理论，通过比拟理论结果与实验结果得出实验结论的方法。 实验器材微波分光仪微波和光波都是电磁波，都具有波动性，能产生反射、衍射、干预及折射等现象。 微波的波长在一毫米到一米之间，在电磁波谱中其短波长一端与远红外光波相连接，在 长波长一端与超高频无线电波相连接。许多可见光和其他波长的电磁波的性质，都可以 用微波来再现，只是由于波长不同，波动现象的尺度不同而已。利用微波代替光波来进 行实

2、验直观、方便的多。实验原理1. 单缝衍射由微波分光仪的发射天线发出的微波是在一定范围内的平面波，当平面波入射到缝宽为 a的单缝上就会发生衍射，在不同方向上可以由接收天线接收到不同强度的微波，在各 衍射方向上的微波可以看作是这个方向上小范围内的平面波，接收天线将其会聚到一起 来。因此可以认为这种衍射是夫琅和费衍射。单缝夫琅和费衍射的光强分布光强为：si n( sin)扎a 2(sin)扎当衍射角:=0时，衍射波的强度最大，称为中央极强，它有一定的宽度。在中央极强两侧，衍射波的强度迅速减小，直至出现衍射波强度的极小值，即一级极小。可以证明正一级极小的衍射角为：s in一。同样，负一级极小的衍射角为

3、：a;：彳二sin ° -一。如果定义两个一级极小之间的夹角为中央极强的角宽度，那么中央极强a的角宽度为：- 2 sin “ 。a我们还可以证明各级极小的衍射角：满足：=：sin 4k=1,2 , 3,a分别称为一级极小，二级极小，三级极小，。除中央极强外，其余各级衍射极大的衍射角近似满足：si n12k k =1, 2, 3 2a分别称为一级极大，二级极大，三级极大，。2. 双缝衍射双缝衍射光强为：si n u 2Ip = 4I 02 c 0 SVu二a二 du . sin v sin各级极大对应的衍射角为：* = sin JK K=0,1,2，d分别称为中央极大，一级极大，二级极

4、大，。各级极小对应的衍射角为：K = sin，空 1 K =0,1,22 d分别称为一级极小，二级极小，三级极小，。操作步骤1 .调整发射天线使其和接收天线对正。转动刻度盘使其180°的位置正对固定臂发射天线的指针，转动可动臂接收天线使其指针指着刻度盘的0°处，使发射天线喇叭与接收天线喇叭对正。2. 将单缝衍射板的缝宽 a调整为40mm左右，将其安放在刻度盘上，衍射板的边线 与刻度盘上两个 90°对齐。3翻开电源开关，依次微调发射喇叭、衍射板、接收喇叭，使衍射强度分布的中央极大位于0°调节发射和接收衰减器，使中央极大值的信号电平处于80 90A;在一 5

5、00的范围内转动接收天线，观察衍射强度分布，认为分布合理后开始测量。4. 将微波分光仪的活动臂转到衍射角为+500后开始读数，衍射角每改变 2°读取一次微安表的读数并作好记录，一直读到衍射角为-50 °。5. 调整好双缝衍射板的参数 a与d 根据本实验的实际， 可取a =30mm d / 100mm, 将其安放在刻度盘上，衍射板的边线与刻度盘上两个90°对齐。6. 类似于步骤3、4进行仪器的调节和测量。只是对双缝衍射的测量是每改变1° 读取一次表头读数。7 .分别作出单缝衍射和双缝衍射的相对强度与衍射角的关系曲线以衍射角为横轴，电流值Ip为纵轴，确定出各

6、级极大和极小衍射角的实验值。8 .利用实验测出的缝宽和波长，计算对应的各级极小和极大的衍射角的理论值，并 与实验值比拟，作出实验结论。考前须知1 .衰减器调整要适当，太小那么观察不便，太大那么可能使电流表指针满偏。2 .单缝衍射实验时每隔 2°记录一次，双缝衍射时每隔1°记录一次。3. 为保证实验结果能与理论结果进行比拟，开始测量前要反复调整仪器、观察衍射强度分布，尽可能将中央极大值的位置调整在00处。问题讨论1 本实验为什么属于夫琅和费衍射？2 双缝衍射与双缝干预有何异同？3实验中，中央极大的位置对得出实验结论有何意义？如何才能调整好中央极大 的位置？附录一、微波分光仪微

7、波分光仪的结构如图 16-5所示。固态信号发生器产生一个与微波频率相同的电流， 经过天线发出需要的具有平面波振面的微波；微波经过衍射板后，到达接收天线再将强 度转变成一个相应的电流强度，并由微安表显示出来。各局部及其作用简介如下：1 0° -360 °分度转盘：均匀刻有 360°刻度，可以读出接收天线所在方位。所在 平台可放置各种实用附件，如单缝衍射板，反射板，双缝衍射板，布拉格晶体模型等。2 三厘米固态信号发生器：产生微波信号。3 发射喇叭天线：将微波发射出去。4 可变衰减器：用来控制发射波的强弱，其指示越大，对信号的衰减越大。5 晶体检波器：将接收到的微波信号

8、转变成直流电信号。6 接收喇叭天线：可以绕分度盘的中心旋转，以便接收来自不同方向的微波信号。7信号线：将微波电信号传递到发射天线。8. 电缆：将探测到的微波强度的电信号传递到微安表。9. 支座10. 固定臂：安装微波发射装置。11. 可旋转臂：安装微波强度测量装置。12 微安电流表：读出用电流强度表示的微波信号的强度。二、数据记录表1.单缝衍射单缝宽a= mm，微波波长 =32.02mm护(0)0246810121416182022241 十(mA )1 (mA )申(0)262830323436384042444648501 + (mA )1 (mA )2 双缝衍射缝宽a= mm ,缝间距d (a b) =mm，微波波长'=32.02mm半(0)0123456789101112131