大学物理实验 微波光学特性及布拉格衍射

1、微波光学特性及布拉格衍射 微波光学特性及布拉格衍射摘要：微波是一种特定波段的电磁波，其波长范围为IminJin。它存在反射、折射、干涉、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。用微波來仿真晶格衍射，发生明显衍射效应的晶格可以放大到宏观尺度（厘米量级）。所以，本实验用一束3cm的微波代替X射线，观察微波照射到人工制作的晶体模型时的衍射现象，用來模拟发生在真实晶体上的布拉格衍射，并验证著名的布拉格公式。该实验还利用了微波分光仪完成了微波的单缝衍射和微波迈克尔逊干涉实验。该报告主要介绍了上述实验的原理，并进行了数据处理和误差分析，在最后还提出

2、了一种实验仪器的改进方案。关键字：微波光学特性布拉格衍射实验目的：了解微波原理及微波分光的使用方法；认识微波的光学性质，及基本测量方法。实验仪器：体效应管微波发生器、微波分光计及其附件、微波发射天线、微波接收天线、检波器、微安表等。实验原理微波波长从lm到0.1mm,其频率范围从300MHz3000GHz,是无线电波中波长最短的电磁波。微波波长介于一般无线电波与光波之间，因此微波有似光性,它不仅具有无线电波的性质，还具有光波的性质，即具有光的直射传播、反射、折射、衍射、干涉等现象。由于微波的波长比光波的波长在量级上大10000倍左右，因此用微波进行波动实验将比光学方法更简便和直观。微波是一种电

3、磁波，它和其他电磁波如光波、X射线一样，在均匀介质中沿直线传播，都具有反射、折射、衍射、干涉和偏振等现象。1、微波的反射实验微波的波长较一般电磁波短，相对于电磁波更具方向性，因此在传播过程中遇到障碍物，就会发生反射。如当微波在传播过程中，碰到一金属板，则会发生反射，且同样遵循和光线一样的反射定律：即反射线在入射线与法线所决定的平面内，反射角等于入射角。2、微波的单缝衍射实验当一平面微波入射到一宽度和微波波长可比拟的一狭缝时，在缝后就要发生如光波一般的衍射现象。同样中央零级最强，也最宽，在中央的两侧衍射波强度将迅速减小。根据光的单缝衍射公式推导可知，如为一维衍射，微波单缝衍射图样的强度分布规律也

4、为:2sinXTTOfsitl少(1)式中厶是中央主极大中心的微波强度，&为单缝的宽度，人是微波的波长，卩为衍射角22沖，/“常叫做单缝衍射因子，表征衍射场内任一点微波相对强度的大小。一般可通过测量衍射屏上从中央向两边微波强度变化來验证公式（1）。同时与光的单缝衍射一样，当asm严土滋厂=1,2,3,4(2)时，相应的卩角位置衍射度强度为零。如测出衍射强度分布如图2则可依据第一级衍射最小值所对应的卩角度，利用公式（2）,求出微波波长丸。3、微波的双缝干涉实验当一平面波垂直入射到一金属板的两条狭缝上，狭缝就成为次级波波源。由两缝发出的次级波是相干波，因此在金属板的背后面空间中，将产生干涉现象。当

5、然，波通过每个缝都有衍射现象。因此实验将是衍射和干涉两者结合的结果。为了只研究主要來自两缝中央衍射波相互干涉的结果，令双缝的缝宽&接近丸，例如：丸=?2cm。当两缝之间的间隔b较大时，干涉强度受单缝衍射的影响小，当b较小时，干涉强度受单缝衍射影响大。干涉加强的角度为:一12、3）110面：a二4.00cmd=cos45a=2cmA=2dcosPP的平均值为54.8所以入二3.261cm刻度盘仪二0.lmm仪c二Ub（p）=0.0577mm阡01-02）d二Ua（P）二Y2+1二0.0305mmU（P）=Vc2+d2=o.0653mmU（cosP）=U（P）*sinp=0.0534mmU（入）/

6、A=U（cosP）/cosPU（入）=3.020mmU（入）A=32.613.02mm100面K=1P1=66.4=1.158rada=da二入/（2cos）=4.0025cm仪c=Ub（p）=0.0577mmd二Ua（P）=0.0136mmu（p）二血+小二0.0593mmU(cosP)=U(P)*sinP二0.0543mmItailpU(a)二Yeos*u(cosp)二0.3104mmaU(a)二(40.O25O.310)mmK=2P2=37.7=0.6577rada=da二入/(2cosp)=2.0234仪c二Ub(P)二点二0.0577mmd=Ua(p)=0.01377mmU(p)=V

7、c2+d2=o.0593mmU(cosP)=U(P)*sinf二0.0363mm/tailpU(a)二YCS卩*U(cosp)=0.036mmaU(a)二(40.O25O.036)mm注意事项1、实验前要先检查电源线是否连接正确；2、电源连接无误后，打开电源使微波源预热10分钟左右；3、实验时，先要使两喇叭口正对，可从接收显示器看出(正对时示数最大)；4、为减少接收部分电池消耗，在不需要观测数据时，要把显示开关关闭；5、实验结束后，关闭电源。思考题实验前，为什么必须将两喇叭天线对正？如果不对正，对实验结果将产生什么影响？答:实验前必须将两喇叭天线对正，这样才会使得测量结果正确，并与理论值相符合

8、。若两喇叭天线没对正，即发射喇叭偏离，在双缝干涉实验中，将使衍射曲线中央极大偏离，两边不对称，同时接收信号偏小或接收不到信号；在布拉格衍射实验中，调节的入射角不等于实验入射角.所以测得的数据是错误的。如果按收喇叭天线偏离.则可能使接收信号偏小，共至核收不到信号。做反射实验时，为什么要求角度在35-65之问？入射角为什么不能太大？答：做反射实验时，要求角度在35-65之间，在这个角度之间才能比较正确地验证反射定律。由于发射喇叭天线发出的微波束是一个扇形区域的波束。若入射角度太小，即使想法调节到小角度，则接收喇叭会挡住部分发射喇叭天线发出的微波，测量结果就不正确；若入射角度太大，则发射喇叭天线发出

9、的部分微波没有经过反射板就直接进入了接收喇叭，这样的结果显然是错误的，也就不能验证反射定律.在布拉格衍射实验中，为什么要左右各测一次取平均值？答：模晶格放在圆盘上时，不可能完全中心对齐，待测面的法线也不可能完全与0重合.这样测量结果会存在一个“0位误差”，即衍射极大的角度可能偏大成偏小，左右各测一次再取平均可减小成消除这种“0位误差”。试设计用微波相干仪测量不透明介质的折射率。答：(1)原理：用微波的迈克尔逊于涉实验逃行测量。由于电磁波可以透过不透明介质，将这种不透明的介质做成厚度为d的平板放入干涉仪的一臂之中，如图所示。则两臂的波程差将变化为2(n-l)d,由此变化可测量出介质的折射率n(2)做法：首先在没有介质板的情况下，调节螺旋测微计使B板移动，同时