2023年微波光学实验实验报告

近代物理实验报告

指导教师：ﻩﻩ ﻩﻩ ﻩ ﻩ ﻩﻩﻩ得分：实验时间:２0２3年1１月２3日，第十三周,周一,第5-8节实验者:班级材料0705学号姓名童凌炜同组者:班级材料0705学号姓名车宏龙实验地点：综合楼503实验条件：室内温度℃，相对湿度%，室内气压实验题目：ﻩﻩ 微波光学实验 ﻩ 实验仪器：(注明规格和型号)微波分光仪,反射用金属板，玻璃板，单缝衍射板实验目的:了解微波分光仪的结构,学会调整并进行实验．验证反射规律运用迈克尔孙干涉仪方法测量微波的波长测量并验证单缝衍射的规律运用模拟晶体考察微波的布拉格衍射并测量晶格数实验原理简述：反射实验

电磁波在传播过程中假如碰到反射板,必然要发生反射.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。

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，将入射波提成两束，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成接受装置处,于是接受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２π的整数倍,则干涉加强;若相位差为π的奇数倍,则干涉减弱。ﻫ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φ＝ａrcsiｎ(λ/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，此时衍射角为Φ=aｒcsiｎ(3/２*λ／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。ﻫ微波布拉格衍射实验ﻫ当X射线投射到晶体时,将发生晶体表面平面点阵散射和晶体内部平面点阵的散射,散射线互相干涉产生衍射条纹,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θ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互相加强形成极大,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=2dsｉnθ，当满足2ｄｓｉnθ=Kλ,K＝1,２，3…时，就产生干涉极大.这就是布拉格公式,其中θ称为掠射角,λ为Ｘ射线波长.运用此公式,可在d已测时,测定晶面间距;也可在ｄ已知时,测量波长λ，由公式还可知，只有在<2d时,才会产生极大衍射ﻫ实验环节简述:反射实验

1．１将微波分光仪发射臂调在主分度盘１80°位置,接受臂调为０°位置．

1．２启动三厘米固态信号发射器电源，这时微安表上将有指示，调节衰减器使微安表指示满刻度.

1.3将金属板放在分度小平台上,小分度盘调至0°位置,此时金属板法线应与发射臂在同一直线上，ﻫ1.4转动分度小平台，每转动一个角度后,再转动接受臂,使接受臂和发射臂处在金属板的同义词,并使接受指示最大,记下此时接受臂的角度.

1.５由此，拟定反射角,验证反射定律,实验中入射角在允许范围内任取８个数值，测量微波的反射角并记录.ﻫ迈克尔孙干涉实验

2.1将发射臂和接受臂分别置于90°位置，玻璃反射板置于分度小平台上并调在45°位置,将两块金属板分别作为可动反射镜和固定反射镜.ﻫ2．2两金属板法线分别在与发射臂接受臂一致，实验时,将可动金属板B移动到导轨左端,从这里开始使金属板缓慢向右移动，依次记录微安表出现的的极大值时金属板在标尺上的位置．ﻫ２.３若金属板移动距离为Ｌ，极大值出现的次数为n+1则,,λ=２L／ｎ这便是微波的波长，再令金属板反向移动,反复上面操作,最后求出两次所得微波波长的平均值.ﻫ单缝衍射实验ﻫ３．１预先调整好单缝衍射板的宽度(70mm),该板固定在支座上,并一起放到分度小平台上，单缝衍射板要和发射喇叭保持垂直,

3．2然后从衍射角０°开始，在单缝的两侧使衍射角每改变１°,读一次表头读数,并记录.ﻫ由于本实验的单缝衍射版的最小值，衍射角度不能过大，同时考虑到第一级衍射极大值的强度比中央极大值的强度弱很多,隐刺将本实验提成两段，第一段从-3０°~30°，第二段从３0°~5０°．ﻫ3.3画出两段的-φ实验曲线图，根据微波波长和缝宽，算出第一级极小和一级极大的衍射角与曲线上求得的结果进行比较ﻫ微波布拉格衍射实验ﻫ4.1用微波代替X射线验证布拉格公式，必须制作一个模拟晶体,使晶格常熟略大于微波波长.

模拟晶体是由直径10ｍm的金属球做成的立方晶体模型，相邻球距为40mm，这些金属球就相称于晶体点阵中的粒子,实验时，将模拟晶体放在分度小平台上.

4．2一方面令分度小平台指示在0°位置,这样晶体（１00)面与发射臂平行,固定臂指针指示的是入射角;活动臂指针指示的是经晶体（100)面反射的微波的反射角.

4.3转动分度小平台,改变微波的掠射角,掠射角的测量范围１５°~35°,45°~６０°,保证散射角与掠射角相等，分度小平台每次转动1°,读取接受检波电流值,再绘出-θ曲线图.从实验曲线上求出极大值θ角大小,然后与理论公式计算出来的衍射角相比较(取K＝1,d=40ｍm,λ=32.0２mm),计算其偏离限度,并分析其因素ﻬ原始数据、数据解决及误差计算:反射实验数据nθin/degrｅeθouｔ/degｒeeｎθin/dｅgrｅｅθout/deｇreｅ120235555８２30306６0６53404３.577074450538８０80从上面的实验数据看出,微波的入射角θin和反射角θoｕt在误差允许的范围内可认为是相等的，少数的偏差也许是由于微波易受外界干扰所致。因而可以认为,微波也是符合反射定律的。

迈克尔逊干涉实验数据正向0～7０ｍｍ,记录极大值出现的位置１3．4２mm3１．44mm48.00ｍｍ64．61mm反向70~0ｍm，记录极大值出现的位置64.18ｍm48.３０mm31.4９mｍ14．09mm正向出现的三次极大值之间的间距分别为１8.０2mm，16．５6mm,１6.1６mｍ，间距的平均值为Ｌ１=17.063ｍm在这个间距内，极大峰只在首尾各出现了一次,因此λ１=2＊L１=34.1２6mm反向出现三次极大值之间的间距分别为1５.８8mm，16.８1mm,16．59ｍｍﻫ间距的平均值为Ｌ2=１6.4２7mｍ同样,在这个间距内，极大峰首尾各出现一次，因此λ2＝2＊L2=３2．8５4mm两次波长的平均值为λ＝33.49mｍ，与仪器给出的标定波长３2.０2mm较为接近，可认为微波的迈克尔逊干涉是符合定律并且波长测量时可信的。单缝衍射实验数据实验数据过多,故这里略去，详见附表的原始数据。只给出转换以后的I-ψ实验曲线图和相关峰值。

-－-－－图片见附页1－-－---可见,中央衍射峰出现在-1°，而第一级衍射峰分别出现在-45°和4３°而根据理论的第一极大值衍射角计算公式Φ=arｃsin(3/２*λ/ａ),以及波长λ=32.02mｍ，单缝宽a＝７0ｍm,可以得到，理论的两个第一极大衍射角为±43.３２5°，与实验测得的结果相近，除去干扰导致的误差影响，可以认为，微波也符合单缝衍射规律。微波布拉格衍射实验数据实验数据略去,根据数据作出的I-θ关系图如下，按照掠射角的范围提成两段:ﻬ从图中可以读出的两个极大值相应掠射角为θ1＝23°,θ２=５3°(极大的衍射峰出现位由于过大而被略去)而根据理论计算公式,代入相关数据，可以得到理论的极大值衍射角为θ1’=2３．５9°，θ2’=53．17（这时分别取K＝1和2)对照理论值,可见实验中得到的测量值偏离理论值很小,实验测量的结果是可靠的。少量偏移误差的存在,可以认为是由于实验中微波的发射以及传播过程受到外界因素的干扰所致。思考题，实验感想,疑问与建议:实验中发现有两个因素也许导致结果出现误差:一个是干扰因素,微波自身很容易受到干扰，另一方面，实验仪器的开放限度很大，实验人员很容易在操作过程中遮挡了微波传播的途径而导致结果不准确。另一个是仪器设计上的缺陷,仪器中,玻璃片、金属板都是手动通过螺栓固定到底座上的,虽然底座上有刻度可以对准小分度盘,但是不能保证底座上的金属