微波的光學(xué)特性試驗(yàn)

1、微波的光學(xué)特性實(shí)驗(yàn)2021級(jí)光電信息科學(xué)與工程 盼園摘要微波是一種特定波段的電磁波，其波長(zhǎng)圍為1mm1m。它存在明顯的反射、折射、干預(yù)、衍射和偏振等現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)微波的單縫 衍射、雙縫干預(yù)及布拉格衍射現(xiàn)象進(jìn)展驗(yàn)證討論。關(guān)鍵詞微波、布拉格衍射、光學(xué)特性。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解微波的原理及實(shí)驗(yàn)裝置2認(rèn)識(shí)微波的光學(xué)特性及測(cè)量方法3.明確布拉格公式的解釋以及用微波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證該公式。實(shí)驗(yàn)原理微波是一種特定波段的電磁波，其波長(zhǎng)圍為1mm1m。它存在反射、折射、干預(yù)、衍射和偏振等現(xiàn)象。但因?yàn)樗牟ㄩL(zhǎng)、頻率和能 量具有特殊的量值，所以它所表現(xiàn)出的這些性質(zhì)也具有特殊性。用微波來(lái)仿真晶格衍射，發(fā)生明顯衍射效應(yīng)的晶格

2、可以放大到宏觀尺度厘米量級(jí)，因此要微波進(jìn)展波動(dòng)實(shí)驗(yàn)比光學(xué)實(shí)驗(yàn)更直觀，平安。.word.zl.微波的單縫衍射當(dāng)一平面波入射到一寬度和波長(zhǎng)可比較的狹縫時(shí)，就要發(fā)生衍射 的現(xiàn)象?？p后出現(xiàn)的衍射波強(qiáng)度并不是均勻的，中央最強(qiáng)，同時(shí)也最 寬。在中央兩側(cè)的衍射波強(qiáng)度迅速減小，直至出現(xiàn)衍射波強(qiáng)度的最小值，即一級(jí)極小，此時(shí)衍射角為sin1*,其中是 波長(zhǎng)，a是狹a縫寬度。隨著衍射角增大，衍射波強(qiáng)度又逐漸增大，直至出現(xiàn)一級(jí)極 大值，角度為：sin 1(1.43-)。如圖2 1。aA-aT -4 -I ° I * 皿中圖3T-2單繾衍射相對(duì)光強(qiáng)分布曲線圖2 12 .微波的雙縫干預(yù)當(dāng)一平面波垂直入射到一金屬

3、板的兩條狹線上，那么每一條狹縫就是次級(jí)波波源。由兩縫發(fā)出的次級(jí)波是相干波。當(dāng)然，光通過(guò)每個(gè)縫也有衍射現(xiàn)象。為了只研究主要是由于來(lái)自雙縫的兩束中央衍射波相互干預(yù)的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中令縫寬a接近。干預(yù)加強(qiáng)的角度為sin 1(K*)，其中K=1 , 2 ,.,干預(yù)減弱角度為： a b.word.zl.加1（生*一），其中K=0, 1, 2,。實(shí)驗(yàn)儀器布置與圖2 2 a b一樣，只是將單縫換成雙縫。原理圖如下2 2 :3彳散波的布拉格衍射晶體的離子、原子或分子占據(jù)著點(diǎn)陣的構(gòu)造，兩相鄰結(jié)點(diǎn)的距離 叫晶體的晶格常數(shù)，約在10-8 cm的數(shù)量級(jí)。X射線的波長(zhǎng)與晶體的 常數(shù)屬于同一數(shù)量級(jí)。實(shí)際上晶體是起著衍射光柵的

4、作用。因此可以利用X射線在晶體點(diǎn)陣上的衍射現(xiàn)象來(lái)研究晶體點(diǎn)陣的間距和相互 位置的排列，以到達(dá)對(duì)晶體構(gòu)造的了解。根據(jù)晶體格點(diǎn)六面體的形狀的不同， 晶體可劃分為七個(gè)晶系。立 方晶體部有多個(gè)方向相互平行的晶面族，本次實(shí)驗(yàn)用到了100，110兩種晶面族。本實(shí)驗(yàn)是仿照X射線入射真實(shí)晶體發(fā)生衍射的根本原理，人為 的制作了一個(gè)方形點(diǎn)陣的模擬晶體，以微波代替 X射線，使微波向 模擬晶體入射，觀察從不同晶面上點(diǎn)陣的反射波產(chǎn)生干預(yù)應(yīng)符合的條 件。這個(gè)條件就是布拉格方程：2d* sin K ,本實(shí)驗(yàn)采用入射角，而不是掠射角，布拉格公式變形為：2d * cos K , K = 1 , 2, 3.n.word.zl.實(shí)

5、驗(yàn)儀器DH926B型微波裝置，ZKY-WB-2型微波裝置。實(shí)驗(yàn)容1微波的單縫衍射本實(shí)驗(yàn)微波的入射角為0o,在單縫的兩側(cè)使衍射角每改變 2o讀取 一次表頭讀數(shù)，并記錄下數(shù)據(jù)，直到旋到 50o,畫(huà)出單縫衍射強(qiáng)度與 衍射角的關(guān)系曲線，理論算出一級(jí)極小和一級(jí)極大的衍射角，并與實(shí)驗(yàn)曲線上求得的一級(jí)極小和極大的衍射角進(jìn)展比較。 分析誤差及產(chǎn)生 原因，假設(shè)微波的波長(zhǎng)不明確，可利用曲線上的衍射角計(jì)算波長(zhǎng)。2微波的雙縫干預(yù)調(diào)整好雙縫距離b,接收器距離雙縫的距離，雙縫縫寬應(yīng)接近波長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)微波的入射角為0o,在單縫的兩側(cè)使衍射角每改變1o讀取 一次表頭讀數(shù)，并記錄下數(shù)據(jù)，直到旋到 60o,畫(huà)出單縫衍射強(qiáng)度與 衍射

6、角的關(guān)系曲線，理論算出干預(yù)最強(qiáng)和最弱的角度，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn) 展比較。分析誤差及產(chǎn)生原因，假設(shè)微波的波長(zhǎng)不明確，可利用曲線 上的衍射角計(jì)算波長(zhǎng)。3驗(yàn)證布拉格公式1用100晶面族作為散射點(diǎn)陣面，實(shí)驗(yàn)時(shí)逐點(diǎn)測(cè)定I、，畫(huà)出I曲線圖，通過(guò)I曲線圖確定第一級(jí)入射角和第二級(jí)入射角1、2并與理論值比照；2用110晶面族作為散射點(diǎn)陣面，重復(fù)1的實(shí)驗(yàn)操作。驗(yàn)證布拉格公式。.word.zl.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及處理1微波的單縫衍射光強(qiáng)-角度圖2 3由圖2-3可以得出微波單縫衍射的大致走勢(shì)，當(dāng)微波的信號(hào)較弱時(shí)，我們對(duì)微波的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)展改變，在 20o時(shí)將信號(hào)增強(qiáng)，在 40o將信號(hào)減弱，便于讀數(shù)，但所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不符號(hào)實(shí)際情況，

7、實(shí)驗(yàn)操作出錯(cuò)，無(wú)法得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。.word.zl.圖2 4再次實(shí)驗(yàn)，得到圖2-4。由圖2-4可得0o附近單縫衍射的強(qiáng)度最 大，隨著入射角變大，光強(qiáng)逐漸變小，在20o和40o之間光強(qiáng)變化圍特 別小，讀數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)誤差較大，可粗略判斷一級(jí)極大和一級(jí)極 小條紋的位置。實(shí)驗(yàn)中狹縫的寬度為70mm,估計(jì)一級(jí)極大為 二44o, 一級(jí)極小 二240。由一級(jí)極小計(jì)算28.47mm,11%,誤差過(guò)大，說(shuō)明一級(jí)極小 二240出現(xiàn)讀數(shù)失誤，因?yàn)榇硕螖?shù)據(jù)變化極小，無(wú)確判斷一級(jí)極 小對(duì)應(yīng)的角度；由一級(jí)極大計(jì)算33.99mm,6.2%,實(shí)驗(yàn)誤差較大。假設(shè)取 32mm,那么計(jì)算得對(duì)應(yīng)的一級(jí)極小二27.20, 一級(jí)極大為

8、二40.80。2微波的雙縫干預(yù)雙縫干預(yù)實(shí)驗(yàn)a,b,均為值。干預(yù)加強(qiáng)和干預(yù)減弱的理論值分別 為：加強(qiáng)：i 10.8 ,2 22.2 ；減弱：i 5.4 ,2 16.4。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖形為：.word.zl.3驗(yàn)證布拉格公式 ©為入射角，d=40mm, F32mm對(duì)于100面計(jì)算理論值為：© 1=664 ;梃=36.9°對(duì)于 110 面，計(jì)算理論值為：d=40*0.707=28.28mm, 01=55.6。實(shí)驗(yàn)測(cè)得：對(duì)于100面，1 66 ,2 38,誤差為1 0.9%,2 2.9%；對(duì)于 110 面， 56 ,誤差 1.1%。分析：實(shí)驗(yàn)值與理論值存在誤差，可能由于讀

9、數(shù)過(guò)程指針往復(fù)擺 動(dòng)，造成讀數(shù)不準(zhǔn)確，角度測(cè)量的準(zhǔn)確度不夠高使最大角度的測(cè)量不 準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)值與理論值的誤差處于合理圍，可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)操作根本準(zhǔn)確。布拉格衍射100面角度.word.zl.思考討論：1如何用單縫衍射的方法測(cè)微波波長(zhǎng)？由實(shí)驗(yàn)原理可得，微波波長(zhǎng)與一級(jí)極大極小衍射角有一定關(guān)系，滿足公式：極小sin1*,極大sin 1(1.43)。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得光波的一級(jí) aa極大、極小衍射角的角度，即可測(cè)得微波的波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以先采用波長(zhǎng)的微波對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展檢驗(yàn)，通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)的微波進(jìn)展實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)展檢驗(yàn)和改良，以保證實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程、 實(shí)驗(yàn)方法的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性，再利用該實(shí)驗(yàn)方案對(duì)未知波長(zhǎng)的微波進(jìn) 展波長(zhǎng)測(cè)量。2

10、為什么只有入射角和反射角相等時(shí)，才可能產(chǎn)生布拉格衍射？ 對(duì)于同一層散射線，在滿足散射線與晶面之間的夾角等于入射掠射角時(shí)，他們之間的光程差才為 0,想干結(jié)果在這個(gè)方向光強(qiáng)最大; 在不同層散射線，只有晶面夾角與入射掠射角相等的散射線且兩者光 程差為波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，才互相干預(yù)形成亮紋。.word.zl.3.本實(shí)驗(yàn)采用111晶面族作為散射點(diǎn)陣面是否可行？根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，111晶面族也可以被用作散射點(diǎn)陣面。但本 實(shí)驗(yàn)要求入射角等于反射角，所用晶面族的法線應(yīng)該處于水平方向， 故111晶面族應(yīng)該用一個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)展支撐，來(lái)滿足實(shí)驗(yàn)要求，而由于實(shí) 驗(yàn)儀器的限制，無(wú)法做到。故本實(shí)驗(yàn)無(wú)法用111晶面族作為散射點(diǎn)陣 面。.

11、word.zl.附錄:單縫衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：-1640角度小光強(qiáng)I-1456-502-1269-485-1078-4611-883-447-693-423-498-402-2100-3820100-3642100-3454104-3226105-302886-2821070-2621269-2421464-2221645-2091828-18252011.word.zl.2253348124234502262355212823656230237581322386013443948236440441382414214024228142343201448441014684541483461150247