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認(rèn)證類型：個(gè)人認(rèn)證

認(rèn)證主體：張**（實(shí)名認(rèn)證）

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IP屬地：天津 上傳時(shí)間：2021-12-20 格式：DOC 頁數(shù)：5 大?。?11.50KB 積分：15 舉報(bào) 版權(quán)申訴

1、微波干涉和布拉格衍射無線電波、光波、X光波等都是電磁波。波長在 1mm到1m范圍的電磁波稱為微波，其 頻率范圍從300MHz- 3000GHz是無線電波中波長最短的電磁波。微波波長介于一般無線電 波與光波之間，因此微波有似光性， 它不僅具有無線電波的性質(zhì)， 還具有光波的性質(zhì)， 即具 有光的直線傳播、反射、折射、衍射、干涉等現(xiàn)象。由于微波的波長比光波的波長在量級上 大10000倍左右，因此用微波進(jìn)行波動(dòng)實(shí)驗(yàn)將比光學(xué)方法更簡便和直觀。本實(shí)驗(yàn)就是利用波長3cm左右的微波代替 X射線對模擬晶體進(jìn)行布拉格衍射，并用干涉法測量它的波長。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解與學(xué)習(xí)微波產(chǎn)生的基本原理以及傳播和接收等基本特性

2、；2. 觀測微波干涉、衍射、偏振等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；3. 觀測模擬晶體的微波布拉格衍射現(xiàn)象；4. 通過邁克耳遜實(shí)驗(yàn)測量微波波長。二、實(shí)驗(yàn)儀器DHMS-1型微波光學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)儀一套， 包括：X波段微波信號源、微波發(fā)生器、發(fā)射喇叭、 接收喇叭、微波檢波器、檢波信號數(shù)字顯示器、可旋轉(zhuǎn)載物平臺(tái)和支架，以及實(shí)驗(yàn)用附件(反 射板、分束板、單縫板、雙縫板、晶體模型、讀數(shù)機(jī)構(gòu)等)。三、 實(shí)驗(yàn)原理圖6-12-1 DHMS-1型微波光學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)儀1. 微波的產(chǎn)生和接收圖6-12-2微波產(chǎn)生的原理框圖實(shí)驗(yàn)使用的微波發(fā)生器是采用電調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)的，優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用靈活，參數(shù)調(diào)配方便，適用于多種微波實(shí)驗(yàn)，其工作原理框圖見圖6-12-2。

3、微波發(fā)生器內(nèi)部有一個(gè)電壓可調(diào)控制的VCO，用于產(chǎn)生一個(gè) 4.4GHz-5.2GHz的信號，它的輸出頻率可以隨輸入電壓的不同作相應(yīng) 改變，經(jīng)過濾波器后取二次諧波8.8GHz-9.8GHz，經(jīng)過衰減器作適當(dāng)?shù)乃p后，再放大，經(jīng)過隔離器后，通過探針輸出至波導(dǎo)口，再通過E面天線發(fā)射出去。接收部分采用檢波/數(shù)顯一體化設(shè)計(jì)。由 E面喇叭天線接收微波信號，傳給高靈敏度的 檢波管后轉(zhuǎn)化為電信號，通過穿心電容送出檢波電壓，再通過A/D轉(zhuǎn)換，由液晶顯示器顯示微波相對強(qiáng)度。2. 微波光學(xué)實(shí)驗(yàn)微波是一種電磁波，它和其他電磁波如光波、X射線一樣，在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，都具有反射、折射、衍射、干涉和偏振等現(xiàn)象。(1)

4、微波的反射實(shí)驗(yàn)微波的波長較一般電磁波短，相對于電磁波更具方向性，因此在傳播過程中遇到障礙 物，就會(huì)發(fā)生反射。如當(dāng)微波在傳播過程中，碰到一金屬板，則會(huì)發(fā)生反射，且同樣遵循和 光線一樣的反射定律：即反射線在入射線與法線所決定的平面內(nèi)，反射角等于入射角。(2) 微波的單縫衍射實(shí)驗(yàn)當(dāng)一平面微波入射到一寬度和微波波長可比擬的一狹縫時(shí)，在縫后就要發(fā)生如光波一般的衍射現(xiàn)象。同樣中央零級最強(qiáng)，也最寬，在中央的兩側(cè)衍射波強(qiáng)度將迅速減小。根據(jù)光的單縫衍射公式推導(dǎo)可知，如為一維衍射，微波單縫衍射圖樣的強(qiáng)度分布規(guī)律也為：sin(6-12-1).2I sin1 0 2式中Io是中央主極大中心的微波強(qiáng)度，為單縫的寬度，是

5、微波的波長，為衍射角,2 2sin /常叫做單縫衍射因子，表征衍射場內(nèi)任一點(diǎn)微波相對強(qiáng)度的大小。一般可通過 測量衍射屏上從中央向兩邊微波強(qiáng)度變化來驗(yàn)證公式(6-12-1 )。同時(shí)與光的單縫衍射一樣，當(dāng)sin = 1, 2, 3, 4川卅(6-12-2 )時(shí)，相應(yīng)的角位置衍射度強(qiáng)度為零。如測出衍射強(qiáng)度分布如圖6-12-3，則可依據(jù)第一級衍射最小值所對應(yīng)的角度，利用公式(6-12-2 ),求出微波波長圖6-12-3單縫衍射強(qiáng)度分布(3) 微波的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)當(dāng)一平面波垂直入射到一金屬板的兩條狹縫上，狹縫就成為次級波波源。由兩縫發(fā)出的次級波是相干波，因此在金屬板的背后面空間中，將產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。當(dāng)然，波

6、通過每個(gè)縫都有衍射現(xiàn)象。因此實(shí)驗(yàn)將是衍射和干涉兩者結(jié)合的結(jié)果。為了只研究主要來自兩縫中央衍射波相互干涉的結(jié)果，令雙縫的縫寬 接近 ，例如：=3.2cm , =4cm。當(dāng)兩縫之間的間隔b較大時(shí)，干涉強(qiáng)度受單縫衍射的影響小，當(dāng)b較小時(shí)，干涉強(qiáng)度受單縫衍射影響大。干涉加強(qiáng)的角度為： 1 =sink(6-12-3 )bK=1, 2, 3干涉減弱的角度為： 1 =sin2k 1K=1, 2, 3(6-12-4 )2b(4)微波的邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)在微波前進(jìn)的方向上放置一個(gè)與波傳播方向成45角的半透射半反射的分束板（如圖6-12-4 ）。將入射波分成一束向金屬板 A傳播，另一束向金屬板 B傳播。由于A B金

7、屬板的 全反射作用，兩列波再回到半透射半反射的分束板，回合后到達(dá)微波接收器處。這兩束微波同頻率，在接收器處將發(fā)生干涉，干涉疊加的強(qiáng)度由兩束波的光程差（即位相差）決定。當(dāng) 兩波的相位差為2 , = 1, 2, 3, 時(shí)，干涉加強(qiáng)；當(dāng)兩波的相位差為2 +1時(shí),則干涉最弱。當(dāng) A、B板中的一塊板固定，另一塊板可沿著微波傳播方向前后移動(dòng)，當(dāng)微波 接收信號從極小（或極大）值到又一次極?。ɑ驑O大）值，則反射板移動(dòng)了入/2距離。由這個(gè)距離就可求得微波波長。圖6-12-4 邁克爾遜干涉原理示意圖（5）微波的偏振實(shí)驗(yàn)電磁波是橫波，它的電場強(qiáng)度矢量E和波的傳播方向垂直。如果E始終在垂直于傳播方向的平面內(nèi)某一確定方

8、向變化，這樣的橫電磁波叫線極化波，在光學(xué)中也叫偏振光。 如一線極化電磁波以能量強(qiáng)度發(fā)射，而由于接收器的方向性較強(qiáng)（只能吸收某一方向的線極化電磁波，相當(dāng)于一光學(xué)偏振片，如圖6-12-5所示。發(fā)射的微波電場強(qiáng)度矢量E如在圖6-12-5光學(xué)中的馬呂斯定律P方向，經(jīng)接收方向?yàn)镕2的接收器后（發(fā)射器與接收器類似起偏器和檢偏器），其強(qiáng)度2I Io COS ，其中 為F和F2的夾角。這就是光學(xué)中的馬呂斯（ Malus）定律，在微波測量中同樣適用（實(shí)驗(yàn)中由于喇叭口的影響會(huì)有一定的誤差，因此當(dāng)有消光現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，便可驗(yàn)證馬呂律）。（6）模擬晶體的布拉格衍射實(shí)驗(yàn)布拉格衍射是用 X射線研究微觀晶體結(jié)構(gòu)的一種方法。因?yàn)?/p>

9、X射線的波長與晶體的晶格常數(shù)同數(shù)量級，所以一般采用X射線研究微觀晶體的結(jié)構(gòu)。而在此用微波模擬X射線，照射 到放大的晶體模型上，產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象與 X射線對晶體的布拉格衍射現(xiàn)象與計(jì)算結(jié)果都基本 相似。所以通過此實(shí)驗(yàn)對加深理解微觀晶體的布拉格衍射實(shí)驗(yàn)方法是十分直觀的。固體物質(zhì)一般分晶體與非晶體兩大類6-12-6晶體又分單晶與多晶。組成晶體的原子或分子按一定 規(guī)律在空間周期性排列，而多晶體是由許多單晶體的晶粒組成。其中最簡單的晶體結(jié)構(gòu)如圖6-12-6所示，在直角坐標(biāo)中沿X、Y、Z三個(gè)方向，原子在空間依序重復(fù)排列，形成簡單的立方點(diǎn)陣。組成晶體的原子可以看作處在晶體的晶面上，而晶體的晶面有許多不同的取向。

10、圖6-12-6左方為最簡立方點(diǎn)陣，右方表示的就是一般最重要也是最常用的三種晶面。這三種晶面分別為（100）面、（110）面、（111 ）面，圓括號中的三個(gè)數(shù)字稱為晶面指數(shù)。般而言，晶面指數(shù)為門小2門3的晶面族，其相鄰的兩個(gè)晶面間距d=.12 nf nf。顯然其中（100）面的間距d等于晶格常數(shù) ；相鄰的兩個(gè)（110）面的晶面間距d=.邁;而相鄰兩個(gè)（111）面的晶面間距d= , ；3，實(shí)際上還有許許多多更復(fù)雜的取法形成其他取向的晶面族。4時(shí)鍛1 1 $ !VZIV/ 1曹N 1 、七i-«daina2/cina- kA圖6-12-7布拉格衍射因微波的波長可在幾厘米，所以可用一些鋁制的

11、小球模擬微觀原子，制作晶體模型。具體方法是將金屬小球用細(xì)線串聯(lián)在空間有規(guī)律地排列，形成如同晶體的簡單立方點(diǎn)陣。各小球間距d設(shè)置為4cm （與微波波長同數(shù)量級）左右。當(dāng)如同光波的微波入射到該模擬晶體結(jié) 構(gòu)的三維空間點(diǎn)陣時(shí)，因?yàn)槊恳粋€(gè)晶面相當(dāng)于一個(gè)鏡面，入射微波遵守反射定律，反射角等于入射角，如圖6-12-7所示。而從間距為 d的相鄰兩個(gè)晶面反射的兩束波的程差為2dsin ，其中為入射波與晶面的夾角。顯然，只是當(dāng)滿足（6-12-5 ）2d sin,123 |時(shí)，出現(xiàn)干涉極大。方程（|6-12-5 ）稱為晶體衍射的布拉格公式。如果改用通常使用的入射角表示，則（6-12-5 ）式為2d cos,123

12、|（6-12-6 ）四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容將實(shí)驗(yàn)儀器放置在水平桌面上，調(diào)整底座四只腳使底盤保持水平。調(diào)節(jié)保持發(fā)射喇叭、 接收喇叭、接收臂、活動(dòng)臂為直線對直狀態(tài)，并且調(diào)節(jié)發(fā)射喇叭，接收喇叭的高度相同。連接好X波段微波信號源、微波發(fā)生器間的專用導(dǎo)線，將微波發(fā)生器的功率調(diào)節(jié)旋鈕逆 時(shí)針調(diào)到底，即微波功率調(diào)至最小，通電并預(yù)熱10分鐘。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1. 微波波長的測量（1） 用邁克爾遜干涉法測微波波長的儀器布置如圖6-12- 1所示。使發(fā)射喇叭面與接收喇叭面互相成90：角，半透射板（玻璃板）通過支架座固定在刻度轉(zhuǎn)盤正中并與兩喇叭軸線 互成45角，使可移動(dòng)反射板的法線與發(fā)射喇叭一致，使固定反射板的法線與接收喇

13、叭的軸線一致。（2）將可變衰減器放在衰減較大位置上，接上固定振蕩器電源，打開電源開關(guān)，預(yù)熱 20分鐘左右。（3 ）測量微波波長前，在讀數(shù)機(jī)構(gòu)上移動(dòng)反射板，觀察微安表指針變化情況。調(diào)節(jié)可變衰減器使最大電流不超過微安表的量程（滿度），并在電流達(dá)到某個(gè)極大值的位置上，微波半透射板和兩個(gè)反射板的角度使電流值達(dá)到最大。（4）測量時(shí)，先將可移動(dòng)反射板移到讀數(shù)機(jī)構(gòu)的一端，在附近找出與微安表上第一個(gè)極小值相對應(yīng)的可移動(dòng)反射板的位置。然后向同一個(gè)方向移動(dòng)反射板，從微安表上測出后續(xù) N個(gè)極小值的位置，并從讀數(shù)機(jī)構(gòu)上讀出相應(yīng)的數(shù)值。利用隔項(xiàng)逐差法算出位移L,則微波波2L。N（5）重復(fù)測量三次，算出平均波長。2. 微

14、波布拉格衍射強(qiáng)度分布的測量（1）將模擬晶體調(diào)好。模擬晶體的晶格常數(shù)設(shè)計(jì)為4cm，用梳形鋁制摸片對模擬的晶體點(diǎn)陣球上下一層一層進(jìn)行調(diào)節(jié)。要注意，模擬晶體架下面小圓盤的某一條刻線，與所研究的晶面法線相一致，與刻度盤上的0：刻線一致。為了避免兩個(gè)喇叭之間微波的直接入射,測量時(shí)微波的入射角a取值范圍最好在30：至73：之間，即衍射角 B在60至17：之間。（2） 改變微波的入射角度a,同時(shí)調(diào)節(jié)衰減器，使入射角度a在30 73時(shí)，微安表的讀數(shù)在量程（滿度）以內(nèi)。（3）入射角度a從30度開始測量，每改變 1度，讀一次微安表，一直使入射角度 到73：為止。在改變?nèi)肷浣嵌鹊臏y量過程中，既要轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，同時(shí)也要轉(zhuǎn)動(dòng)接收喇叭，以保 證入射角度a等于反射角a。（4） 測出（100）面和（110）面的數(shù)據(jù)后，以微安表的讀數(shù)為縱坐標(biāo)I （ yA）,衍射角為橫坐標(biāo)作布拉格衍射強(qiáng)度分布曲線。根據(jù)所測的微波波長以及（100）面和2（110）面群和兩相鄰面之間的距離，計(jì)算相應(yīng)一級、二級衍射角，并與實(shí)驗(yàn)曲線中的衍射 角進(jìn)行比較。3. 單縫衍射實(shí)驗(yàn)（自行設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟）。4. 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)（自行設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟）。五、數(shù)據(jù)處理參考實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟，用以前學(xué)過的數(shù)據(jù)處理方法處理數(shù)據(jù)，并對誤差進(jìn)行分析。六、注意事項(xiàng)1. 實(shí)驗(yàn)前要先檢查電源線是否連接正確。2. 電源連