微波分光儀課件

微波分光儀I一.實驗原理二.微波分光儀三.實驗內(nèi)容及要求微波分光儀I一.實驗原理

微波是一種電磁波，就應(yīng)有干涉、衍射、反射、折射、偏振等特性。本實驗正是研究微波的這些特性。由于微波波長比光波波長大幾個（大約5個，十萬倍）數(shù)量級，因此用微波作波動實驗比用光波作波動實驗更直觀和方便。一、實驗原理⒈電磁波的反射定律：

反射線在入射線和通過射點的法線所決定的平面上，反射線和入射線分居在法線兩側(cè)，反射角等于入射角。微波的頻率很高在導體表面發(fā)生全反射，可用一塊大金屬板作為反射板。微波是一種電磁波，就應(yīng)有干涉、衍射、反射、折射、偏振⒉邁克耳孫干涉

邁克耳孫干涉的基本原理如圖1所示。

G是與入射微波成45°的半透半反板，將入射波分成兩束，一束向A一束向B。

A、B是兩塊全反射板，兩束波又返回G并到達接收喇叭。

移動B可控制二者的相位差，B移動半個微波波長，二者相位改變2π。故移動B，可從干涉極大或極小值的變化，測量微波波長。發(fā)射喇叭圖1接收喇叭固定反射板可移動反射板GAB這兩列波是相干波。若B移動了距離L，接收到n+1個極大或極小，則波長為：⒉邁克耳孫干涉邁克耳孫干涉的基本原理如圖1所示。波導二、微波分光儀微波發(fā)射喇叭分波元件信號發(fā)生器接收喇叭檢波二極管μA衰減器諧振腔旋轉(zhuǎn)主軸圖2分光儀的基本組成波導二、微波分光儀微波發(fā)射喇叭分波元件信號接收喇叭檢波二極管如圖2所示

分光儀主要由微波的發(fā)射、接收和分波元件三部分組成；

接收器和分波元件均可繞主旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；

分波元件可以是半透射板、金屬反射板、單縫、雙縫、模擬晶體等；信號發(fā)生器與諧振腔等共同組成微波源；所產(chǎn)生的微波經(jīng)耦合孔進入波導管，波導管為矩型波導管，它能在來自諧振腔的微波中選出橫電波TE10（橫電波，下標1表示電磁場沿波導寬邊形成一個半波駐波，0表示沿窄邊方向處處均勻）；

微波電場垂直于波導(或喇叭)寬面；

接收裝置只能接收橫電波，接收波導中的檢波二極管把微波變?yōu)橹绷麟?，微安表的電流與微波強度成正比。

衰減器可控制微波的強度。發(fā)射微波：如圖2所示分光儀主要由微波的發(fā)射、接收和分波元件三部分組

圖3微波分光儀的邁克耳孫干涉發(fā)射喇叭接收喇叭A反射板B移動板G板μA表微波源電信號諧振腔微波衰減器波導管檢波二極管圖3微波分光儀的邁克耳孫干涉發(fā)射喇叭接收喇叭A反射板B三、實驗內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理

1.用邁克耳孫干涉測微波波長：

自己想辦法把儀器調(diào)整成圖1的狀態(tài)。

可移動反射板每移動半個波長，干涉條紋改變一個。若L為n+1個干涉極小反射板所移動的距離，則微波波長λ=2L/n，測量三次取平均。2.驗證反射定律：

分波元件為金屬板。為讀數(shù)方便，板的法線指0°。為消除反射板法線指零不準，反射角應(yīng)取正負、入射角所得反射角的平均值。用列表法或作圖法處理數(shù)據(jù)。可省略，因為只有反射定律成立，才能驗證邁克耳孫干涉。三、實驗內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理1.用邁克耳孫干涉測微波波長：自己四、思考題

本實驗裝置可用于模擬布拉格衍射。布拉格衍射是指晶體對X射線的衍射，這種衍射用于研究晶體的晶格結(jié)構(gòu)。用微波代替X射線，因微波波長遠遠大于X射線波長，可用放大的晶體模型代替晶體，了解布拉格衍射。這樣的模擬直觀簡單，有利于初學者認識掌握晶體結(jié)構(gòu)。1.微波分光儀不象可見光干涉儀那么精密，但測量結(jié)果的誤差為什么不大呢?2.如果各個干涉極小（或極大）的強度相差過大，是什么原因造成的?四、思考題本實驗裝置可用于模擬布拉格衍射。布拉格衍射是指微波分光儀II一.實驗原理二.微波分光儀三.實驗內(nèi)容及要求微波分光儀II一.實驗原理

微波是一種電磁波，就應(yīng)有干涉、衍射、反射、折射、偏振等特性。本實驗正是研究微波的這些特性。由于微波波長比光波波長大幾個（大約7個，千萬倍）數(shù)量級，因此用微波作波動實驗比用光波作波動實驗更直觀和方便。一、實驗原理⒈

微波的偏振

平面電磁波是橫波，它的電場強度矢量和波長的傳播方向垂直。電場強度矢量如果沿一固定方向變化，這樣的橫電磁波叫線偏振波；電磁場沿某一方向（與偏振方向的夾角為θ）的能量與偏振方向的能量有的關(guān)系，式中I0為偏振方向微波的強度，I為θ方向微波的強度。θI0I發(fā)射喇叭方向接收喇叭方向圖1微波是一種電磁波，就應(yīng)有干涉、衍射、反射、折射、偏振⒉單縫衍射

當一平面波入射到寬度和波長可比擬的狹縫時，就會發(fā)生衍射現(xiàn)象。

縫后面的衍射波強度出現(xiàn)不均勻分布，中央主極大強度最強，寬度最寬，次極大的強度很弱。

若滿足夫瑯和費衍射的“遠場”條件時,波的相對強度分布如圖2所示。當當

時

式中

時出現(xiàn)次極大…I=0出現(xiàn)暗條紋。

設(shè)波長為λ縫寬為衍射角為θ則強度分布如下：I/I0sinθ圖2⒉單縫衍射當一平面波入射到寬度和波長可比擬的狹縫時，波導二、微波分光儀微波發(fā)射喇叭分波元件信號發(fā)生器接收喇叭檢波二極管μA衰減器諧振腔旋轉(zhuǎn)主軸圖3分光儀的基本組成①③②波導二、微波分光儀微波發(fā)射喇叭分波元件信號接收喇叭檢波二極管如圖3所示

分光儀主要由微波的發(fā)射、接收和分波元件三部分組成；接收和發(fā)射喇叭平行等高；接收器和分波元件均可繞主旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。

分波元件可以是半透射板、金屬反射板、單縫、雙縫、模擬晶體等；信號發(fā)生器與諧振腔等共同組成微波源；所產(chǎn)生的微波經(jīng)耦合孔進入波導管，波導管為矩型波導管，它能在來自諧振腔的微波中選出橫電波（橫電波，下標1表示電磁場沿波導寬邊形成一個半波駐波，0表示沿窄邊方向處處均勻）；

微波電場垂直于波導或喇叭寬面；

接收裝置只能接收橫電波，接收波導中的檢波二極管把微波變?yōu)橹绷麟姡脖淼碾娏髋c微波強度成正比。

衰減器可控制微波的強度。發(fā)射微波：如圖3所示分光儀主要由微波的發(fā)射、接收和分波元件三部分組成

圖4微波分光儀的單縫衍射發(fā)射喇叭微波源電信號諧振腔微波衰減器波導管μA表接收喇叭檢波二極管單縫圖4微波分光儀的單縫衍射發(fā)射喇叭微波源電信號諧振腔微波三、實驗內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理⒈微波的偏振

自己想辦法把儀器調(diào)整成圖3的狀態(tài)；無分波元件如圖2所示。接收喇叭可以旋轉(zhuǎn)，可改變θ的大小。

每5度測一個實驗點，用圖示法與理論曲線比較。

⒉研究微波的單縫衍射

自己想辦法把儀器調(diào)整成圖3的狀態(tài)；分波元件為單縫，則儀器如圖4所示?？p寬7cm左右，每兩度左右測一個實驗點；

給出相對強度分布曲線。根據(jù)暗紋位置計算微波波長。

分析實驗值與理論值差別較大的原因。三、實驗內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理⒈微波的偏振自己想辦法把儀器四、應(yīng)用

本實驗裝置可用于模擬布拉格衍射。布拉格衍射是指晶體對X射線的衍射，這種衍射用于研究晶體的晶格結(jié)構(gòu)。用微波代替X射線，因微波波長遠遠大于X射線波長，可用放大的晶體模型代替晶體，了解布拉格衍射。這樣的模擬直觀簡單，有利于初學者認識掌握晶體結(jié)構(gòu)。四、應(yīng)用本實驗裝置可用于模擬布拉格衍射。布拉格衍射是指晶微波分光儀I一.實驗原理二.微波分光儀三.實驗內(nèi)容及要求微波分光儀I一.實驗原理

微波是一種電磁波，就應(yīng)有干涉、衍射、反射、折射、偏振等特性。本實驗正是研究微波的這些特性。由于微波波長比光波波長大幾個（大約5個，十萬倍）數(shù)量級，因此用微波作波動實驗比用光波作波動實驗更直觀和方便。一、實驗原理⒈電磁波的反射定律：

反射線在入射線和通過射點的法線所決定的平面上，反射線和入射線分居在法線兩側(cè)，反射角等于入射角。微波的頻率很高在導體表面發(fā)生全反射，可用一塊大金屬板作為反射板。微波是一種電磁波，就應(yīng)有干涉、衍射、反射、折射、偏振⒉邁克耳孫干涉

邁克耳孫干涉的基本原理如圖1所示。

G是與入射微波成45°的半透半反板，將入射波分成兩束，一束向A一束向B。

A、B是兩塊全反射板，兩束波又返回G并到達接收喇叭。

移動B可控制二者的相位差，B移動半個微波波長，二者相位改變2π。故移動B，可從干涉極大或極小值的變化，測量微波波長。發(fā)射喇叭圖1接收喇叭固定反射板可移動反射板GAB這兩列波是相干波。若B移動了距離L，接收到n+1個極大或極小，則波長為：⒉邁克耳孫干涉邁克耳孫干涉的基本原理如圖1所示。波導二、微波分光儀微波發(fā)射喇叭分波元件信號發(fā)生器接收喇叭檢波二極管μA衰減器諧振腔旋轉(zhuǎn)主軸圖2分光儀的基本組成波導二、微波分光儀微波發(fā)射喇叭分波元件信號接收喇叭檢波二極管如圖2所示

分光儀主要由微波的發(fā)射、接收和分波元件三部分組成；

接收器和分波元件均可繞主旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；

分波元件可以是半透射板、金屬反射板、單縫、雙縫、模擬晶體等；信號發(fā)生器與諧振腔等共同組成微波源；所產(chǎn)生的微波經(jīng)耦合孔進入波導管，波導管為矩型波導管，它能在來自諧振腔的微波中選出橫電波TE10（橫電波，下標1表示電磁場沿波導寬邊形成一個半波駐波，0表示沿窄邊方向處處均勻）；

微波電場垂直于波導(或喇叭)寬面；

接收裝置只能接收橫電波，接收波導中的檢波二極管把微波變?yōu)橹绷麟?，微安表的電流與微波強度成正比。

衰減器可控制微波的強度。發(fā)射微波：如圖2所示分光儀主要由微波的發(fā)射、接收和分波元件三部分組

圖3微波分光儀的邁克耳孫干涉發(fā)射喇叭接收喇叭A反射板B移動板G板μA表微波源電信號諧振腔微波衰減器波導管檢波二極管圖3微波分光儀的邁克耳孫干涉發(fā)射喇叭接收喇叭A反射板B三、實驗內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理

1.用邁克耳孫干涉測微波波長：

自己想辦法把儀器調(diào)整成圖1的狀態(tài)。

可移動反射板每移動半個波長，干涉條紋改變一個。若L為n+1個干涉極小反射板所移動的距離，則微波波長λ=2L/n，測量三次取平均。2.驗證反射定律：

分波元件為金屬板。為讀數(shù)方便，板的法線指0°。為消除反射板法線指零不準，反射角應(yīng)取正負、入射角所得反射角的平均值。用列表法或作圖法處理數(shù)據(jù)?？墒÷裕驗橹挥蟹瓷涠沙闪?，才能驗證邁克耳孫干涉。三、實驗內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理1.用邁克耳孫干涉測微波波長：自己四、思考題

本實驗裝置可用于模擬布拉格衍射。布拉格衍射是指晶體對X射線的衍射，這種衍射用于研究晶體的晶格結(jié)構(gòu)。用微波代替X射線，因微波波長遠遠大于X射線波長，可用放大的晶體模型代替晶體，了解布拉格衍射。這樣的模擬直觀簡單，有利于初學者認識掌握晶體結(jié)構(gòu)。1.微波分光儀不象可見光干涉儀那么精密，但測量結(jié)果的誤差為什么不大呢?2.如果各個干涉極小（或極大）的強度相差過大，是什么原因造成的?四、思考題本實驗裝置可用于模擬布拉格衍射。布拉格衍射是指微波分光儀II一.實驗原理二.微波分光儀三.實驗內(nèi)容及要求微波分光儀II一.實驗原理

微波是一種電磁波，就應(yīng)有干涉、衍射、反射、折射、偏振等特性。本實驗正是研究微波的這些特性。由于微波波長比光波波長大幾個（大約7個，千萬倍）數(shù)量級，因此用微波作波動實驗比用光波作波動實驗更直觀和方便。一、實驗原理⒈

微波的偏振

平面電磁波是橫波，它的電場強度矢量和波長的傳播方向垂直。電場強度矢量如果沿一固定方向變化，這樣的橫電磁波叫線偏振波；電磁場沿某一方向（與偏振方向的夾角為θ）的能量與偏振方向的能量有的關(guān)系，式中I0為偏振方向微波的強度，I為θ方向微波的強度。θI0I發(fā)射喇叭方向接收喇叭方向圖1微波是一種電磁波，就應(yīng)有干涉、衍射、反射、折射、偏振⒉單縫衍射

當一平面波入射到寬度和波長可比擬的狹縫時，就會發(fā)生衍射現(xiàn)象。

縫后面的衍射波強度出現(xiàn)不均勻分布，中央主極大強度最強，寬度最寬，次極大的強度很弱。

若滿足夫瑯和費衍射的“遠場”條件時,波的相對強度分布如圖2所示。當當

時

式中

時出現(xiàn)次極大…I=0出現(xiàn)暗條紋。

設(shè)波長為λ縫寬為衍射角為θ則強度分布如下：I/I0sinθ圖2⒉單縫衍射當一平面波入射到寬度和波長可比擬的狹縫時，波導二、微波分光儀微波發(fā)射喇叭分波元件信號發(fā)生器接收喇叭檢波二極管μA衰減器諧振腔旋轉(zhuǎn)主軸圖3分光儀的基本組成①③②波導二、微波分光儀微波發(fā)射喇叭分波元件信號接收喇叭檢波二極管如圖3所示

分光儀主要由微波的發(fā)射、接收和分波元件三部分組成；接收和發(fā)射喇叭平行等高；接收器和分波元件均可繞主旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。

分波元件可以是半透射板、金屬反射板、單縫、雙縫、模擬晶體等；信號發(fā)生器與諧振腔等共同組成微波源；所產(chǎn)生的微波經(jīng)耦合孔進入波導管，波導管為矩型波導管，它能在來自諧振腔的微波中選出橫電波（橫電波，下標1表示電磁場沿波導寬邊形成一個半波駐波，0表示沿窄邊方向