微波光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)

1、成都世紀(jì)中科儀器有限公司郵編：610041地址：成都市人民南路四段九號(hào)中科院成都分院電話：（028）8524700685213812傳真：（028）85247006錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式的文字。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書第 頁共10頁成都世紀(jì)中科儀器有限公司郵編：610041地址：成都市人民南路四段九號(hào)中科院成都分院電話：（028）8524700685213812傳真：（028）85247006微波光學(xué)實(shí)驗(yàn)微波作為一種電磁波，具有波粒二象性。微波和光波一樣，都具有波動(dòng)性，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(dòng)實(shí)驗(yàn)與用光作波動(dòng)實(shí)驗(yàn)所說明的波動(dòng)現(xiàn)象及規(guī)律是一致的。由于微波的波長比光波的波

2、長在數(shù)量級(jí)上至少相差一萬倍，因此用微波來做波動(dòng)實(shí)驗(yàn)比光學(xué)實(shí)驗(yàn)更直觀、方便和安全。微波的基本性質(zhì)通常還呈現(xiàn)為穿透、吸收、反射三個(gè)特性。對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿透而不被吸收；水和食物等物質(zhì)會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱；對(duì)金屬類物質(zhì)，則會(huì)反射微波。通過本系統(tǒng)所提供的以下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以加深對(duì)微波及微波系統(tǒng)的理解，特別是微波的波動(dòng)這一特性。1、反射，2、折射，3、偏振，4、雙縫干涉，5、駐波-測(cè)量波長，儀器介紹圖1實(shí)驗(yàn)整機(jī)圖發(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、支架及微波信號(hào)源。其中微波信號(hào)源輸出微波中心頻率10.5G20MHz，波長2.85517cm,功率15mW,頻率

3、穩(wěn)定度可達(dá)2x10-4,幅度穩(wěn)定度：10-2,這種微波源相當(dāng)于光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的單色光束，將電纜中的微波電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為空中的電磁場(chǎng)信號(hào)。喇叭天線的增益大約是20分貝，波瓣的理論半功率點(diǎn)寬度大約為：H面20，E面16。當(dāng)發(fā)射喇叭口面的寬邊與水平面平行時(shí)，發(fā)射信號(hào)電矢量的偏振方向是垂直的。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(hào)變?yōu)橹绷骰虻皖l信號(hào)。放大器分三個(gè)檔位，分別為xl檔、X0.1檔和X0.02檔，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)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)。在讀數(shù)時(shí)，實(shí)際電流值等于讀數(shù)值乘以所在檔位的系數(shù)。3.平臺(tái)組成部分：中心平臺(tái)和四根支撐臂等。其中，中心平臺(tái)上刻

4、有角度，直徑為20cm,3號(hào)臂為固定臂，用于固定微波發(fā)射器，1號(hào)臂為活動(dòng)臂，可繞中心做160。旋轉(zhuǎn)，用于固定微波接收器，剩下兩臂可以拆除。4.支架組成部分：一個(gè)中心支架和兩個(gè)移動(dòng)支架，不用時(shí)可以拆除。中心支架一般放置在中心平臺(tái)上，移動(dòng)支架一般固定在支撐臂上。其他配件反射板（5,金屬板，2塊），雙縫板（6,金屬板，有兩個(gè)寬度為15mm的縫），偏振板（7），塑料棱鏡（8），透射板（9，玻璃板，2塊），聚苯乙烯顆粒袋（10），模擬晶陣（11），棱鏡座，晶陣座，DC12V電源（兩支）。實(shí)驗(yàn)1系統(tǒng)初步認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹了微波光學(xué)系統(tǒng)，有助于學(xué)習(xí)設(shè)備的使用及理解用這套設(shè)備進(jìn)行測(cè)量的重要性。實(shí)驗(yàn)儀器

5、發(fā)射器組件接收器組件平臺(tái)DC12V電源實(shí)驗(yàn)步驟將發(fā)射器和接收器分別安置在固定臂和活動(dòng)臂上，發(fā)射器和接收器的喇叭口正對(duì)，寬邊與地面平行，活動(dòng)臂刻線與180對(duì)齊，如圖2。打開電源開關(guān)。調(diào)節(jié)發(fā)射器和接收器之間的距離，間距初始值設(shè)置為41cm左右（可根據(jù)實(shí)際情況自行調(diào)整）。將電流表上的檔位開關(guān)置于“X0.1”檔，調(diào)節(jié)發(fā)射器上的衰減器強(qiáng)弱旋鈕，使接收器上的電流表的指針在1/2量程左右（約5uA）。將接收器沿著活動(dòng)臂緩慢向右移動(dòng)30cm，每隔1cm觀察并記錄對(duì)應(yīng)電流表上的數(shù)值，將數(shù)值記錄在表1中。（實(shí)驗(yàn)過程中電流表讀數(shù)值過大、過小都可通過調(diào)節(jié)檔位來讀數(shù)）將發(fā)射器和接收器之間的間距調(diào)節(jié)為70cm（建議發(fā)射器

6、和接收器到中心的距離各35cm）,調(diào)節(jié)衰減器的強(qiáng)弱使電流表在“X0.1”檔時(shí)的電流值居中。松開接收器上面的手動(dòng)螺栓，慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)接收器，同時(shí)觀察電流表上讀數(shù)的變化，將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄在表2中，并解釋這一現(xiàn)象。錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式的文字。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書第 頁共10頁成都世紀(jì)中科儀器有限公司郵編：610041地址：成都市人民南路四段九號(hào)中科院成都分院電話：(028)8524700685213812傳真：(028)85247006錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式的文字。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書第 #頁共10頁成都世紀(jì)中科儀器有限公司郵編：610041地址：成都市人民南路四段九號(hào)中科院成都分院電話：（028）

7、8524700685213812傳真：（028）85247006圖2基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖發(fā)射器和接收器上旋鈕使用方法如下:圖3左圖為發(fā)射器上旋鈕位置圖，右圖為接收器喇叭天線轉(zhuǎn)動(dòng)方向圖衰減器強(qiáng)弱旋鈕：順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為增大微波發(fā)射功率，反之則減小發(fā)射功率；喇叭止動(dòng)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(dòng)旋鈕，功能和發(fā)射器上對(duì)應(yīng)旋鈕一樣。表1接收電流與距離的關(guān)系初始條件：發(fā)射器到中心位置距離cm,接收器到中心位置距離89AX(cm)01234567I(uA)AX(cm)1617181920212223I(uA)AX表示接收器在初始位置的基礎(chǔ)上向右移動(dòng)的距離。2425cm

8、1026112712281314152930錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式的文字。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書第 #頁共10頁成都世紀(jì)中科儀器有限公司郵編：610041地址：成都市人民南路四段九號(hào)中科院成都分院電話：(028)8524700685213812傳真：(028)85247006錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式的文字。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書第 #頁共10頁成都世紀(jì)中科儀器有限公司郵編：610041地址：成都市人民南路四段九號(hào)中科院成都分院電話：（028）8524700685213812傳真：（028）85247006表2接收電流與轉(zhuǎn)角的關(guān)系0()0102030405060708090錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式

9、的文字。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書第 #頁共10頁成都世紀(jì)中科儀器有限公司郵編：610041地址：成都市人民南路四段九號(hào)中科院成都分院電話：(028)8524700685213812傳真：(028)85247006錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式的文字。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書第 #頁共10頁成都世紀(jì)中科儀器有限公司郵編：610041地址：成都市人民南路四段九號(hào)中科院成都分院電話：（028）8524700685213812傳真：（028）85247006錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式的文字。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書第 #頁共10頁成都世紀(jì)中科儀器有限公司郵編：610041地址：成都市人民南路四段九號(hào)中科院成都分院電話：(

10、028)8524700685213812傳真：(028)85247006錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式的文字。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書第 #頁共10頁成都世紀(jì)中科儀器有限公司郵編：610041地址：成都市人民南路四段九號(hào)中科院成都分院電話：（028）8524700685213812傳真：（028）85247006I(uA)錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式的文字。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書第 頁共10頁成都世紀(jì)中科儀器有限公司地址：成都市人民南路四段九號(hào)中科院成都分院郵編：610041電話：（028）8524700685213812傳真：（028）85247006錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式的文字。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書第

11、#頁共10頁成都世紀(jì)中科儀器有限公司郵編：610041地址：成都市人民南路四段九號(hào)中科院成都分院電話：（028）8524700685213812傳真：（028）85247006錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式的文字。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書第 頁共10頁成都世紀(jì)中科儀器有限公司地址：成都市人民南路四段九號(hào)中科院成都分院郵編：610041電話：（028）8524700685213812傳真：（028）85247006錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式的文字。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書第 #頁共10頁成都世紀(jì)中科儀器有限公司郵編：610041地址：成都市人民南路四段九號(hào)中科院成都分院電話：（028）8524700685213

12、812傳真：（028）85247006實(shí)驗(yàn)2反射實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馕⒉ǖ姆瓷洮F(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)儀器發(fā)射器組件接收器組件平臺(tái)中心支架反射板實(shí)驗(yàn)原理微波和光波都是電磁波，都具有波動(dòng)這一共性，都能產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象。電磁波在傳播過程中若遇到障礙物則會(huì)發(fā)生反射，本實(shí)驗(yàn)用一塊金屬鋁板作為障礙物來研究不同入射角對(duì)應(yīng)的反射現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)通過電流表的讀數(shù)確定反射角的位置，電流讀數(shù)最大處為反射角的位置。如圖4所示，入射波軸線與反射板法線之間的夾角稱為入射角，接收器軸線和法線之間的夾角稱為反射角。圖4反射原理圖實(shí)驗(yàn)步驟圖5反射實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖將發(fā)射器和接收器分別安置在固定臂和活動(dòng)臂上，喇叭寬邊水平。發(fā)射器和接收器距離中心

13、平臺(tái)中心約35cm。如圖5所示。電流表置于“X0.02”檔，打開電源，調(diào)節(jié)微波強(qiáng)弱，使電流表的讀數(shù)適中。將入射角分別設(shè)定為20。、30。、40。、50。、60。、70（中心支架上白色刻線的方向代表反射板法線的方向），通過逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)支架找到對(duì)應(yīng)的反射角，記錄于表3中。比較入射角和反射角之間的關(guān)系。表3入射角（）反射角（）誤差度數(shù)（）誤差百分比（）203040506070實(shí)驗(yàn)3折射實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馕⒉ǖ恼凵洮F(xiàn)象，計(jì)算指定材料的折射率。實(shí)驗(yàn)儀器發(fā)射器組件接收器組件平臺(tái)棱鏡座塑料棱鏡（聚乙烯）實(shí)驗(yàn)原理通常電磁波在均勻媒質(zhì)中以勻速直線傳播的，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

14、成反比。所以，當(dāng)它通過兩種媒質(zhì)的分界面時(shí)，傳播方向就會(huì)改變，如圖6所示，這稱為波的折射。圖6n1n2時(shí)折射原理圖波在不同煤質(zhì)的界面間傳播時(shí)遵循折射定律（或稱為斯涅耳定律）nsin=nsin（1）112201為入射波與兩媒質(zhì)分界面法線的夾角，稱為入射角。02為折射波與兩媒質(zhì)分界面法線的夾角，稱為折射角。媒質(zhì)的折射率是電磁波在真空中的傳播速率與在媒質(zhì)中的傳播速率之比，用n表示。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（即波速不同）導(dǎo)致波的偏轉(zhuǎn)?；蛘哒f當(dāng)波入射到兩不同媒質(zhì)的分界面時(shí)將會(huì)發(fā)生折射。本實(shí)驗(yàn)將利用折射定律測(cè)量塑料棱鏡（電磁波能夠穿透塑料）的折射率，空

15、氣的折射率近似為1。實(shí)驗(yàn)步驟將發(fā)射器和接收器分別安置在固定臂和活動(dòng)臂上，喇叭寬邊水平。發(fā)射器和接收器距離中心平臺(tái)中心約35cm。如圖7所示。打開電源，電流表置于“X1”檔，調(diào)節(jié)微波強(qiáng)弱，使電流表的讀數(shù)適中。棱鏡一直角邊正對(duì)發(fā)射器，繞中心軸緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)支架，讀出電流表讀數(shù)最大時(shí)活動(dòng)支架對(duì)應(yīng)的角度，并通過微波折射路線計(jì)算折射角，將數(shù)值記錄于表4。設(shè)空氣的折射率為1，根據(jù)折射定律，計(jì)算塑料棱鏡的折射率。轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡，改變?nèi)肷浣?，重?fù)前3步實(shí)驗(yàn)。根據(jù)公式（1）計(jì)算塑料棱鏡的折射率片。圖7棱鏡折射實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖表4次數(shù)123入射角o1（）折射角02（）空氣折射率n2實(shí)驗(yàn)4偏振實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠^察及了解微波經(jīng)喇叭極化后的

16、偏振現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)儀器發(fā)射器組件接收器組件平臺(tái)中心支架偏振板實(shí)驗(yàn)原理平面電磁波是橫波，它的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E和波的傳播方向垂直。在與傳播方向垂直的二維平面內(nèi)，電矢量E可能具有各方向的振動(dòng)。如果E在該平面內(nèi)的振動(dòng)只限于某一確定方向（偏振方向），這樣的電磁波叫做極化波，在光學(xué)中也叫偏振波。用來檢測(cè)偏振狀態(tài)的元件叫做偏振器，它只允許沿某一方向振動(dòng)的電矢量E通過，該方向叫做偏振器的偏振軸。強(qiáng)度為I0的偏振波通過偏振器時(shí)，透過波的強(qiáng)度I隨偏振器的偏振軸和偏振方向的夾角9的變化而有規(guī)律地變化，及遵循馬呂斯定律:1=1ocos2（2）本信號(hào)源輸出的電磁波經(jīng)喇叭后電場(chǎng)矢量方向是與喇叭的寬邊垂直的，相應(yīng)磁場(chǎng)矢量是與喇叭

17、的寬邊平行的，垂直極化。而接收器由于其物理特性，它也只能收到與接收喇叭口寬邊相垂直的電場(chǎng)矢量，（對(duì)平行的電場(chǎng)矢量有很強(qiáng)的抑制，認(rèn)為它接收為零）。所以當(dāng)兩喇叭的朝向（寬邊）相差9度時(shí)，它只能接收一部份信號(hào)。在本實(shí)驗(yàn)中將研究偏振現(xiàn)象，找出偏振板是如何改變微波偏振的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)步驟如圖8布置實(shí)驗(yàn)儀器，將發(fā)射器和接收器分別安置在固定臂和活動(dòng)臂上，喇叭寬邊水平，活動(dòng)臂刻線與180對(duì)齊。發(fā)射器和接收器距離中心平臺(tái)中心約35cm。打開電源，電流表置于“X1”檔，調(diào)節(jié)微波強(qiáng)弱，使電流表的讀數(shù)最大（100uA）。松開接收器上的喇叭止動(dòng)旋扭，以10（或其他角度）增量旋轉(zhuǎn)接收器，記錄每個(gè)位置電流表錯(cuò)誤!文檔中沒有指定

18、樣式的文字。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書第 頁共10頁成都世紀(jì)中科儀器有限公司郵編：610041地址：成都市人民南路四段九號(hào)中科院成都分院電話：（028）8524700685213812傳真：（028）85247006錯(cuò)誤!文檔中沒有指定樣式的文字。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書第 頁共10頁成都世紀(jì)中科儀器有限公司郵編：610041地址：成都市人民南路四段九號(hào)中科院成都分院電話：(028)8524700685213812傳真：(028)85247006上的讀數(shù)于表5中。偏振板放置在中心支架上(如圖9方式布置，中心支架上的白色刻線與轉(zhuǎn)盤的0刻線或180刻線對(duì)齊)，偏振板的柵條方向與豎直方向分別為45，90時(shí)，重

19、復(fù)步驟2。將理論值、不加偏振板時(shí)的實(shí)驗(yàn)值及偏振板與豎直方向成90時(shí)的實(shí)驗(yàn)值做比較，分析比較各組數(shù)據(jù)。試分析若偏振板柵條方向與豎直方向成0時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖8未加偏振板實(shí)物圖圖9加45偏振板儀器實(shí)物圖表5初始條件：發(fā)射器、接收器距中心點(diǎn)cm接收器轉(zhuǎn)角()0102030405060708090理論I(uA)10097.088.37558.741.32511.73.00無偏振板實(shí)驗(yàn)I(uA)偏振板柵條與豎45I(uA)直方向夾角90I(uA)注：表5中已列出各實(shí)驗(yàn)角度下按馬呂斯定律計(jì)算出的理論電流值。實(shí)驗(yàn)5雙縫干涉實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馕⒉ǖ母缮嫣匦裕⒂?jì)算微波波長。實(shí)驗(yàn)儀器發(fā)射器組件接收器組件平臺(tái)中心支架雙縫

20、板實(shí)驗(yàn)原理兩束傳播方向不一致的波相遇將在空間相互疊加，形成類似駐波的波譜，在空間某些點(diǎn)上形成極大值或極小值。電磁波通過兩狹縫后，就相當(dāng)于兩個(gè)波源在向四周發(fā)射，對(duì)接收器來說就等于是兩束傳播方向不一致的波相遇。雙縫板外波束的強(qiáng)度隨探測(cè)角度的變化而變化。兩縫之間的距離為d接收器距雙縫屏的距離大于10d，當(dāng)探測(cè)角0滿足dsin0=nX時(shí)會(huì)出現(xiàn)最大值（其中入為入射波的波長，n為整數(shù)），如圖10。圖10雙縫干涉示意圖實(shí)驗(yàn)中用到的雙縫板的兩條縫寬均為15mm,中間縫屏的寬度為50mm。實(shí)驗(yàn)步驟圖11雙縫干涉實(shí)物圖如圖11布置實(shí)驗(yàn)儀器，將發(fā)射器和接收器分別安置在固定臂和活動(dòng)臂上，發(fā)射器和接收器都處于水平偏振狀

21、態(tài)（喇叭寬邊與地面平行），初始位置時(shí)活動(dòng)臂刻線與180對(duì)齊。發(fā)射器距離中心平臺(tái)中心約35cm,接收器到中心平臺(tái)距離大于650mm。打開電源，電流表調(diào)節(jié)在合適檔位,記錄初始位置的電流值。緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)支架，找出電流表取最大、最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的角度并每隔5（或其他角度，可自己設(shè)定）記錄對(duì)應(yīng)電流值于表6中，繪制接收電流隨轉(zhuǎn)角變化的曲線圖，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算微波的波長及誤差。表6初始條件：接收器距離中心點(diǎn)位置為mm；順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)活動(dòng)臂轉(zhuǎn)角（）05101520253035404550電流值（uA）活動(dòng)臂轉(zhuǎn)角（）0-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50電流值（uA）實(shí)驗(yàn)6駐波-測(cè)量波長實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馕⒉ǖ鸟v波現(xiàn)象，并利用駐波來測(cè)量微波的波長。實(shí)驗(yàn)儀器發(fā)射器組件接收器組件平臺(tái)實(shí)驗(yàn)原理微波喇叭既能接收微波，同時(shí)它也會(huì)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(dāng)發(fā)射源到接收檢波點(diǎn)之間的距離等于N入/2時(shí)（N為整數(shù)，入為波長），經(jīng)多