微波光學試驗儀試驗指導

1、微波分光儀一、概述微波在科學研究、工程技術(shù)、交通管理、醫(yī)療診斷、國防工業(yè)的國民經(jīng)濟的各個方面都有十分 廣泛的應用。研究微波，了解它的特性具有十分重要的意義。微波和光都是電磁波，都具有波動這一共性。都能產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象。因此 用微波作波動實驗與用光作波動實驗所說明的波動現(xiàn)象及規(guī)律時一致的。由于微波的波長比光波的 波長在數(shù)量級上相差一萬倍左右，因此用微波來做波動實驗比光學實驗更直觀，方便和安全。比如 在驗證晶格的組成特征時，布喇格衍射就非常的形象和直觀。通過本系統(tǒng)所提供的以下實驗內(nèi)容，可以加深對微波及微波系統(tǒng)的理解，特別是微波的波動這 一特性。1、微波的反射， 2、駐波 -測量波長

2、； 3、棱鏡的折射； 4、偏振； 5、雙縫干涉； 6、勞埃德鏡； 7、法布里 -羅布干涉儀； 8、邁克爾遜干涉儀； 9 布儒斯特角； 10、布喇格衍射； 11、纖維光學。二、系統(tǒng)組成1、微波信號源輸出頻率 10.5GHz 20MHz，波長 2.85517cm ，功率 15mW，頻率穩(wěn)定度可達 2 10-4， 幅度穩(wěn)定度： 10-2。這種微波源相當于光學實驗中的單色光束。2、發(fā)射器組件 組成部分：纜腔換能器，諧振腔，隔離器，衰減器，喇叭天線及支架。將電纜中的微 波電流信號轉(zhuǎn)換為空中的電磁場信號。 喇叭天線的增益大約是 20 分貝，波瓣的理論半功率 點寬度大約為： H 面 20，E 面 16。當發(fā)

3、射喇叭口面的寬邊與水平面平行時，發(fā)射信號 電矢量的偏振方向是垂直的，而微波的偏振方向則是水平的。3 、 接收器組件 組成部分：喇叭天線，檢波器，支架、放大器和電流表。檢波器將微波信號變?yōu)橹绷?或低頻信號。放大器分三個檔位，分別為1檔、 0.1檔和 0.02檔，可根據(jù)實驗需要來調(diào)節(jié)放大器倍數(shù)，以得到合適的電流表讀數(shù)。4、 中心平臺 測試部件的載物臺和角度計，直徑 200 。5、 其他配件 反射板（金屬板， 2 塊），透射板（部分反射板， 2塊），偏振板，光縫屏（寬屏 1 塊， 窄屏 1 塊），光縫夾持條，中心支架，移動支架（ 2 個），塑料棱鏡，棱鏡座，模擬晶陣， 晶陣座，聚苯乙烯丸，鋼直尺（

4、4 根）。三、儀器的基本操作 鋼直尺的使用情況：除了進行“邁克爾遜干涉實驗”時，接收器組件安置在 2 號鋼尺外， 其他實驗都是安置在 1 號鋼尺上。發(fā)射器組件一直安置在 3 號鋼尺上。1 號鋼尺上有指針， 并有鎖緊螺釘， 在直線移動接收器的時候需將直尺鎖緊在180的位置處，以保證移動時不會出現(xiàn)接收器轉(zhuǎn)動現(xiàn)象； 而在沿轉(zhuǎn)盤中軸轉(zhuǎn)動接收器時， 需松開鎖緊螺釘。實驗 1 系統(tǒng)初步認識實驗目的：本實驗系統(tǒng)的介紹了微波光學系統(tǒng)，它有助于學習設(shè)備的使用及理解用這套設(shè)備進行測量的重要性。實驗儀器 ：微波信號源發(fā)射器組件接收器組件中心平臺反射板鋼直尺（ 1號、 3 號） 實驗步驟：1. 將發(fā)射器和接收器安置

5、在帶有角度計的中心平 臺上，其中發(fā)射器安置 在固定臂（ 3 號鋼直尺） 上，接收器安置在可動 臂（ 1 號鋼直尺）上。 注意發(fā)射器和接收器的 喇叭口相對，寬邊與地 面平行，如圖 1.1。圖 1.1 基礎(chǔ)實驗的儀器布置圖2. 調(diào)節(jié)發(fā)射器和接收器之 間的距離。 （喇叭口相 距 40cm 左右，可根據(jù) 實際情況自行調(diào)整） 。調(diào) 節(jié)發(fā)射器上的衰減器和 電流表上的檔位開關(guān)，使接收器上的電流表的指示在 1/2 量程左右（約 50uA ）。3. 沿著可動臂緩慢移動接收器，觀察并記下不同位置處對應電流表上的數(shù)值。距離移動范圍 為 15cm。發(fā)射器上旋鈕使用方法如下。 衰減器旋鈕：順時針旋轉(zhuǎn)為增大發(fā)射功率，反之

6、則減小發(fā)射功率； 喇叭止動旋鈕：該旋鈕可以鎖定喇叭的方向。喇叭只能圖示方向內(nèi)旋轉(zhuǎn)90。接收器上也有喇叭止動旋鈕，功能和發(fā)射器上對應旋鈕一樣。圖 1.2 發(fā)射器上旋鈕位置圖4. 松開接收器上面的手動螺栓，慢慢轉(zhuǎn)動接收器，同時觀察電流表上讀數(shù)的變化，并解釋這 一現(xiàn)象。實驗 2 反射實驗目的： 了解微波的反射特性 實驗儀器 ：微波信號源發(fā)射器組件中心平臺中心支架實驗原理：微波和光都是電磁波，都具有波動這一 共性，都能產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn) 象。在光學實驗中，可以用肉眼看到反射的光 線。本實驗將通過電流表反映出折射的微波。如圖 2.1 所示，入射波軸線與反射鏡法線 之間的夾角稱為入射角。實驗步

7、驟：接收器組件 鋼直尺（ 1 號、3號） 反射板1. 將發(fā)射器安置在 3 號鋼尺上， 接收器安置在 1 號鋼尺上， 喇叭朝向一致 （寬邊水平） 。發(fā)射 器和接收器距離中心平臺中心約 350 。打開信號源開始實驗。如圖 2.2 所示。圖 2.2 反射儀器布置圖2. 固定入射角于 45 度。轉(zhuǎn)動裝有接收器的可轉(zhuǎn)動臂， 使電流表讀數(shù)最大， 記錄此時的反射角 于表 1 中。（接收器喇叭的軸線與反射鏡法線之間的夾角稱為反射角）3. 當入射角分別為 20，30， 40， 50， 60， 70時測量對應的反射角，記錄于表1中。比較入射角和反射角之間的關(guān)系。表1入射角度反射角度誤差度數(shù)誤差百分比2030607

8、0實驗 3駐波- 測量波長實驗目的： 了解微波的駐波現(xiàn)象，并利用駐波來測量微波的波長 實驗儀器 ：微波信號源 發(fā)射器組件 接收器組件 中心平臺鋼直尺（ 1號、3 號）實驗原理：微波喇叭既能接收微波，同時它也會反射微波，因此，發(fā)射器發(fā)射的微波在發(fā)射喇叭和接收喇 叭之間來回反射，振幅逐漸減小。當發(fā)射源到接收檢波點之間的距離等于n/2 時（ n 為整數(shù)， 為波長），經(jīng)多次反射的微波與最初發(fā)射的波同相，此時信號振幅最大，電流表讀數(shù)最大。dN2上式中的 d 表示發(fā)射器不動時接收器移動的距離， N 為出現(xiàn)接收到信號幅度最大值的次數(shù)。 實驗步驟：1. 如圖 3.1 布置實驗儀器，要求發(fā)射器和接收器處于同一軸

9、線上，喇叭口正對。接通信號源， 調(diào)整發(fā)射器和接收器使二者距離中心平臺中心的位置（約200 ，可自行調(diào)整） ，再調(diào)節(jié)發(fā)射器衰減器和電流表檔位開關(guān)，使電流表的顯示電流值適中（ 3/4 量程左右）。圖 3.1 駐波實驗的儀器布置圖2. 將接收器沿鋼尺緩慢滑動遠離發(fā)射器（發(fā)射器和接收器處于同一軸線上） ，觀察電流表的顯 示變化。3. 當電流表在某一位置出現(xiàn)極大值時，記下接收器所處位置刻度X 1，然后緩慢將接收器沿遠離發(fā)射器方向緩慢滑動，當電流表讀數(shù)出現(xiàn)N（至少十）個極小值后再次出現(xiàn)極大值時，記下接收器所處位置刻度 X 2，將記錄的數(shù)據(jù)填入表 2 中。4. 計算微波的波長，并與實際值比較。表 2 ：測量

10、 次數(shù)X1（d1）X2（d2）d X1 X 2N和實際值的 相對誤差1234實驗 4 棱鏡的折射接收器組件 塑料棱鏡（聚乙烯）鋼直尺（ 1號、3 號）實驗目的： 了解微波的折射特性，計算所給材料的折射率 實驗儀器 ：微波信號源發(fā)射器組件中心平臺棱鏡座實驗原理：通常電磁波在某種均勻媒質(zhì)中是以勻速直線傳播的，在不同媒質(zhì)中由于媒質(zhì)的密度 不同，其傳播的速度也不同， 速度與密度 成反比。所以，當它通過兩種媒質(zhì)的分界 面時，傳播方向就會改變， 如圖 4.1 所示， 這稱為波的折射。它遵循折射定律（或稱為斯涅耳定律）n1 sin 1 n2 sin 2 1為入射波與兩媒質(zhì)分界面法線的夾角， 稱為入射角。 2

11、 為折射波與兩媒質(zhì)分界面法線 的夾角，稱為折射角。每種媒質(zhì)可以用折射率 n 表示，折射率是電磁波在真空中的傳播速率與在媒質(zhì)空中的傳播速率 之比。一般而言， 分界面兩邊介質(zhì)的折射率不同， 分別用 n1 和 n2 表示。兩種介質(zhì)的折射率不同 波速不同）導致波的偏轉(zhuǎn)。或者說當波入射到兩不同媒質(zhì)的分界面時將會發(fā)生折射。本實驗將利用折射定律測量聚乙烯板的折射率。實驗步驟：1. 如圖 4.2 布置實驗儀器。接通信號源，調(diào)節(jié)衰減器和電流表檔位開關(guān)，使電流表的顯示電流 值適中（約 1/2 量程）。1 轉(zhuǎn)過的角度。圖 4.2 棱鏡折射實驗布置圖2. 繞中心平臺的中心軸緩慢轉(zhuǎn)動接收器，記下電流表讀數(shù)最大時鋼尺3.

12、 設(shè)空氣的折射率為 1，根據(jù)折射定律，計算聚乙烯板的折射率。4. 轉(zhuǎn)動棱鏡，改變?nèi)肷浣?，重復?3 步實驗。實驗 5 布喇格衍射實驗目的：了解布喇格衍射實驗原理，并測量立方晶格內(nèi)晶面間距 實驗儀器 ：發(fā)射器組件接收器組件鋼直尺（ 1、3 號）中心平臺晶陣座模擬晶陣實驗原理：任何的真實晶體都具有自然外形和各向異性的性質(zhì)，這和晶體的離子，原子或分子 在空間按一定的幾何規(guī)律排列密切相關(guān)。晶體內(nèi)的離子，原子或分子占據(jù)著點陣的結(jié)構(gòu)，兩相鄰結(jié)點的距離叫晶體的晶格常數(shù)。真實晶 體的晶格常數(shù)喲在 10-8 厘米的數(shù)量級。 X 射線的波長與晶體常數(shù)屬于同一數(shù)量級。實際上晶體是起 著衍射光柵的作用。 因此可以利用

13、 X 射線在晶體點陣上的衍射現(xiàn)象來研究晶體點陣的間距和相互位 置的排列，以達到對晶體接構(gòu)的了解。本實驗是仿照 X 射線入射真實晶體發(fā)生衍射的基本原理， 用金屬球制做了一個方形點陣的模擬 晶體，用微波代替 X 射線。將微波射向模擬晶體，觀察從不同晶體點陣面反射的微波相互干涉所需 要的條件：布喇格方程 2d sin n布喇格定律將晶體的晶面間距和 X 射線衍射角聯(lián)系起來研究晶體結(jié)構(gòu)。 在本實驗中用一個面間 距為 50mm，直徑 10mm 的金屬球組成的模擬立方“晶體”來驗證布喇格定律。實驗前，應先了解布喇格衍射的原理。特別是入射波必須滿足兩個條件，即（1），入射角等于反射角。（ 2），滿足布喇格公式 2d sin n 。其中 d 為晶面間距， 為掠射角 （入射線或反射線與 反射面的夾角稱為掠射角） ，n 為正整數(shù)， 為入射波波長。實驗步驟：1、 如圖 12.1 布置實驗儀器。接通信號源。圖 12.1 布喇格衍射實驗布置圖2、 先讓晶體平行于微波光軸，即掠射角 為零度。3、順時針旋轉(zhuǎn)晶體，使掠射角增大到 20，反射方向的掠射角也對應改變?yōu)?/p>