微波綜合實驗

PAGE1PAGE11實驗名稱微波的光學性質(zhì)和布拉格衍射實驗實驗目的1..明確布拉格公式的解釋以及用微波分光計驗證的方法2.認識微波的光學性質(zhì)，學習X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的基本知識摘要本實驗研究的是微波的光學性質(zhì)——反射、單縫衍射、雙縫干涉、偏振、邁克爾遜干涉和微波的布拉格衍射實驗，通過本實驗我們可以驗證微波的一些性質(zhì)和驗證或測量的方法，從而達到了解微波的一些性質(zhì)和原理。關(guān)鍵詞微波，反射，單縫衍射，雙縫干涉，偏振，邁克爾遜干涉，布拉格衍射正文：（一）實驗設(shè)備1、耿氏二極管微波發(fā)射器如圖所示：將體效應管通過一個同軸支線內(nèi)導體延長的芯桿，安放在一段矩形波導寬壁的中央；同軸支線中設(shè)有高頻扼流裝置，以便由它引入直流偏壓時不引起高頻外泄；從支持管子的芯桿到波導的后腔充當諧振腔。當在體效應管的兩端加上10V左右的直流電壓時，就可以在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生波長為3cm左右的微波振蕩，用發(fā)射喇叭傳送出去。2、接收系統(tǒng)如圖所示：接收系統(tǒng)從喇叭接收到的微波信號，先經(jīng)一個可變衰減器，利用該衰減器調(diào)節(jié)輸出功率的大小，使指示器有適當?shù)闹甘尽Ｔ賹⑽⒉ㄐ盘柦?jīng)晶體管檢波器檢波后，送微安表指示。（二）實驗原理及其內(nèi)容1、反射實驗微波遵從反射定律，如圖所示。一束微波從發(fā)射喇叭A發(fā)出以入射角i射向金屬板MN，則在反射方向的位置上，置一接收喇叭B，只有當B處在反射角時，接受到的功率最大，即反射角等于入射角。步驟：（１）裝上反射板，使其法線與刻度盤上的線一致，固定在刻度盤上。（２）轉(zhuǎn)動圓盤，使固定臂指針指向某一角度，即入射角。然后轉(zhuǎn)動活動臂，找到一個最大接收位置，這個位置所對應的角度為反射角。（３）每隔做一次，記錄所對應的位置。（４）從左、右方向入射，各做一次，取平均值，驗證反射定律。數(shù)據(jù)處理：入射角（°）3035404550556065左測反射角（°）30.636.141.145.850.755.961.066.2右測反射角（°）29.634.739.545.049.355.259.064.4實驗結(jié)論：把誤差考慮在內(nèi)，可以認為:反射角等于入射角。2、單縫衍射微波的衍射原理與光波的完全相同，當一束微波如入射到一寬度與波長可比擬的狹縫時，它就要發(fā)生衍射現(xiàn)象，如圖而示。設(shè)波長為，狹縫寬度為a，當衍射角滿足

asin=kk=……-1，0，1,2,3,4…時，在狹縫背面出現(xiàn)衍射波的強度極小，當asin=+(2k+1)/2k=…-1，-2，0，1，2，3…時，在縫后出現(xiàn)的衍射波的強度最大。實驗步驟如下：（１）將固定臂和活動臂的指針分別指向180°和0°線處。（２）裝上單縫板，使其表面與圓盤上的90°線重合，縫寬控制在70mm。（３）衍射角從0°開始，轉(zhuǎn)動活動臂，每隔2°記錄一次表頭讀數(shù)，做到50°為止，左右各一次。（４）畫出單縫衍射強度與衍射角的關(guān)系曲線，求出一級極大和一級極小，并且與理論計算出來的相應角度進行比較。數(shù)據(jù)處理：a=70mm;=33.3mm角度02468101214161820222426左測81.280.280.279.172.554.949.847.843.930.714.25.32.01.9右測80.280.486.186.078.265.860.354.545.635.222.38.41.70.92830323436384042444648501.80.40.20.20.80.50.71.84.24.31.80.10.80.20.30.41.31.00.50.41.85.35.41.70010203040506070809010002468101214161820222426283032343638404244464850左邊右邊由公式求得的理論值：一級極小值=33.7°；一級極大值=45.5°由實驗數(shù)據(jù)求得的值：一級極小值=32.5°；一級極大值=46.5°3、雙縫干涉微波遵守光波的干涉定律，如圖三所顯示，當一束微波垂直入射到金屬板的兩條狹縫上，則每條狹縫就是次波源，由兩縫發(fā)出的次波是干涉波，因此金屬板的背面空間中，將產(chǎn)生干涉現(xiàn)象設(shè)縫寬為a,，兩縫間距為b，則由光的干涉原理得為加強當為減弱實驗步驟如下：（１）將固定臂和活動臂的指針分別指向180°和0°線處。（２）裝上雙縫板，使其表面與圓盤上的90°線重合，縫寬a=35mm；b=58mm。（３）衍射角從0°開始，轉(zhuǎn)動活動臂，每隔1°記錄一次表頭讀數(shù)，做到25°為止，左右各一次。（４）畫出雙縫干涉強度與干涉角的關(guān)系曲線，求出干涉加強和減弱時的角度，并且與理論計算出來的相應角度進行比較。數(shù)據(jù)處理：a=35mm;b=58mm角度0123456789101112右測81.885.684.776.770.551.739.221.810.63.70.20.10.2左測80.574.663.155.932.419.77.80.90.20.10.31.66.3131415161718192021222324251.03.65.911.822.438.249.258.369.674.871.661.541.615.121.632.344.258.254.156.262.357.344.229.618.77.900102030405060708090012345678910111213141516171819202122232425右邊左邊由公式求得的理論值：第一級加強點=21.0°第一級減弱點不在所測得范圍內(nèi)。由實驗數(shù)據(jù)求得的值：第一級加強點值在20°~22°之間，與理論值近似相等4、微波的偏振性微波在自由空間傳播是橫電磁波，它的電場強度矢量E與磁場強度矢量H和波的傳播方向S永遠成正交的關(guān)系，它們的振動面的方向總是保持不變。E、H、S遵守烏莫夫-坡印矢量關(guān)系(見圖3-53)，即為如果正在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，沿著一條固定的直線變化，這樣的橫電磁波叫線極化波，在光學中也叫偏振波。電磁場沿某一方向的能量有的關(guān)系，這就是光學中的馬呂斯定律。式中為偏振光強度,α是I與間的夾角。實驗步驟如下：（１）將固定臂和活動臂的指針分別指向180°和0°線處。（2）從0°開始，轉(zhuǎn)動接收喇叭，每隔10°記錄一次表頭讀數(shù)，做到90°為止，左右各一次，測得的值與理論計算出來的值進行比較。數(shù)據(jù)處理：度數(shù)（°）0102030405060708090光強理論值10096.9883.37558.6841.322511.730光強實驗值100948471553823910實驗結(jié)論：把誤差考慮在內(nèi)，可以認為得到的實驗數(shù)據(jù)基本和理論值相等。5、微波的邁克爾遜干涉用微波源做波源的邁克爾遜干涉儀與光學中的邁克爾遜干涉儀完全相似，其裝置如圖所示。發(fā)射喇叭發(fā)出的微波，被放置的分光玻璃板MM(也稱半透射板)分成兩束。一束由MM反射到固定反射板A,另一束透過MM到達可移動反射板B。由于A、B為全反射金屬板，兩列波被反射再次回到半透射板。A束透射，B束反射，會聚于接受喇叭，于是接受喇叭收到兩束同頻率、振動方向一致的二束波。如果這二束波的位相差為2π的整數(shù)倍，則干涉加強；當位相差為π的奇數(shù)倍則干涉減弱。假設(shè)入射的微波波長為λ，經(jīng)A和B反射后到達接受喇叭的波程差為δ，當時，將在接受喇叭后面的指示器有極大示數(shù)。當時，指示器顯示極小示數(shù)。當A不動，將活動板B移動L距離，則波程差就改變了假設(shè)從某一級極大開始記數(shù)，測出n個極大值，則由得到，即可測出微波的波長。實驗步驟如下：（１）使固定臂和活動臂分別指向0°和90°處。固定活動臂，裝上透射板，使法線對準圓盤上的45°線，并固定之。（２）分別裝上反射板（應相互垂直），其法線應與喇叭的軸線一致。（３）移動反射板（通過旋轉(zhuǎn)讀數(shù)機構(gòu)上的手柄），在表頭上讀出（n+1）個極小（大）值，并同時從讀數(shù)機構(gòu)上讀出相應各個極小（大）值的讀數(shù)，從而可求出可移反射板移動的總距離，根據(jù)公式求出λ及相對誤差。實驗數(shù)據(jù)：讀數(shù)為極小值時的刻度（mm）：4.170；19.762；35.170；53.736；69.337讀數(shù)為極大值時的刻度（mm）：11.596；27.929；42.821；61.353數(shù)據(jù)處理：由讀數(shù)極小值測得的波長：=（69.337-4.170）2/4=32.58nm由讀數(shù)極大值測得的波長：=(61.353-11.596)2/3=33.17nm求均值：=32.88nm理論值;=33.3nm相對誤差：=1.26%6、微波的布拉格衍射根據(jù)用Ｘ射線在晶體內(nèi)原子平面族的反射來解釋Ｘ射線衍射效應的理論，如有一單色平行于Ｘ射線束以掠射角θ入射于晶格點陣中的某平面族，例如圖3-56所示之（１００）晶面族產(chǎn)生反射，相鄰平面間的波程差為ＰＱ＋ＱＲ＝２ｄ１００ｓｉｎθ式中ｄ１００是（１００）平面族的面間距。若程差是波長的整數(shù)倍，則二反射波有相長干涉，即因滿足２ｄｓｉｎθ＝ｎλ（ｎ＝０，１，２，…）（５０—１）而得到加強。此式即布拉格定律，它規(guī)定了衍射的Ｘ射線從晶體射出的方位。對每個格點位置上有相同類型原子的簡單立方結(jié)構(gòu)，隨著間距ｄ的減?。ɡ鐝模洌保保暗剑洌保玻埃?，在每個晶面上的原子數(shù)目也減少，反射就變得弱些。當用單色波對處于特定方位的晶體進行分析時，隨著掠射角θ的改變，可得到一個反射光強度的分布。若把最強的反射峰對應的θ角值代入式（５０—１），就能算出對這個峰值有貢獻的平面族的面間距ｄ。如有幾個滿足布拉格定律的晶面族產(chǎn)生反射，其弱者可視為總強度分布的本底。本實驗使用的３ｃｍ波長的微波和點陣常數(shù)為４ｃｍ的簡立方點陣模擬晶體。晶格格點上的粒子由小鋁球組成，小鋁球是微波的散射中心。能獲得幾個級次的反射，取決于所研究的平面族。為了測量微波的波長，可以仿照光學實驗中的邁克耳孫干涉儀方法。因為微波的波長幾萬倍于可見光的波長。分束器可以是一塊普通的２ｍｍ厚的平板有機玻璃，兩個反射鏡用普通鋁板做成。若使動鏡從微波接收器顯示極大值的位置移動距離ｌ的過程中，接收器測出了Ｎ個極大值，則波長λ＝２ｌ／Ｎ（５０—２）實驗步驟：（１）將模擬晶體排成方形點陣，放在圓盤上，使待側(cè)面法線與圓盤上0°垂直，并固定。（２）轉(zhuǎn)動圓盤，使固定臂指針指在某一角度即入射角，將活動臂轉(zhuǎn)至反射角方向，使反射角等于入射角，讀出μA表讀數(shù)。（３）改變?nèi)肷浣?，每?°測一次數(shù)據(jù)。（４）左右各做一次，取平均值，測出加強點的衍射角，畫出衍射角曲線，并和理論測得的衍射角曲線相比較。數(shù)據(jù)處理：角度（°）30313233343536373839404142100面光強34353534312030444543273020110面光強000000000000043444546474849505152535455566100025610842600011224126173548585758596061