大学物理实验微波光学特性及布拉格衍射.docx

微波光学特性及布拉格衍射摘要：微波是一种特定波段的电磁波，其波长范围为1mm~1m。它存在反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。但因为它的波长、频率和能量具有特殊的量值，所以它所表现出的这些性质也具有特殊性。用微波来仿真晶格衍射，发生明显衍射效应的晶格可以放大到宏观尺度（厘米量级）。所以，本实验用一束3cm的微波代替X射线，观察微波照射到人工制作的晶体模型时的衍射现象，用来模拟发生在真实晶体上的布拉格衍射，并验证著名的布拉格公式。该实验还利用了微波分光仪完成了微波的单缝衍射和微波迈克尔逊干涉实验。该报告主要介绍了上述实验的原理，并进行了数据处理和误差分析，在最后还提出了一种实验仪器的改进方案。关键字：微波光学特性 布拉格衍射实验目的：了解微波原理及微波分光的使用方法;认识微波的光学性质，及基本测量方法。实验仪器： 体效应管微波发生器、微波分光计及其附件、微波发射天线、微波接收天线、检波器、微安表等。实验原理微波波长从1m到0.1mm，其频率范围从300MHz～3000GHz，是无线电波中波长最短的电磁波。微波波长介于一般无线电波与光波之间，因此微波有似光性，它不仅具有无线电波的性质，还具有光波的性质，即具有光的直射传播、反射、折射、衍射、干涉等现象。由于微波的波长比光波的波长在量级上大10000倍左右，因此用微波进行波动实验将比光学方法更简便和直观。微波是一种电磁波，它和其他电磁波如光波、X射线一样，在均匀介质中沿直线传播，都具有反射、折射、衍射、干涉和偏振等现象。1、微波的反射实验微波的波长较一般电磁波短，相对于电磁波更具方向性，因此在传播过程中遇到障碍物，就会发生反射。如当微波在传播过程中，碰到一金属板，则会发生反射，且同样遵循和光线一样的反射定律：即反射线在入射线与法线所决定的平面内，反射角等于入射角。2、微波的单缝衍射实验 当一平面微波入射到一宽度和微波波长可比拟的一狭缝时，在缝后就要发生如光波一般的衍射现象。同样中央零级最强，也最宽，在中央的两侧衍射波强度将迅速减小。根据光的单缝衍射公式推导可知，如为一维衍射，微波单缝衍射图样的强度分布规律也为： （1）式中是中央主极大中心的微波强度，为单缝的宽度，是微波的波长，为衍射角／常叫做单缝衍射因子，表征衍射场内任一点微波相对强度的大小。一般可通过测量衍射屏上从中央向两边微波强度变化来验证公式（1）。同时与光的单缝衍射一样，当 （2）时，相应的角位置衍射度强度为零。如测出衍射强度分布如图2则可依据第一级衍射最小值所对应的角度，利用公式（2），求出微波波长。3、微波的双缝干涉实验当一平面波垂直入射到一金属板的两条狭缝上，狭缝就成为次级波波源。由两缝发出的次级波是相干波，因此在金属板的背后面空间中，将产生干涉现象。当然，波通过每个缝都有衍射现象。因此实验将是衍射和干涉两者结合的结果。为了只研究主要来自两缝中央衍射波相互干涉的结果，令双缝的缝宽接近，例如：。。当两缝之间的间隔b较大时，干涉强度受单缝衍射的影响小，当b较小时，干涉强度受单缝衍射影响大。干涉加强的角度为： K=1，2，3…… （3）干涉减弱的角度为： K=1，2，3…… （4）4、微波的迈克尔逊干涉实验在微波前进的方向上放置一个与波传播方向成角的半透射半反射的分束板（如图3）。将入射波分成一束向金属板A传播，另一束向金属板B传播。由于A、B金属板的全反射作用，两列波再回到半透射半反射的分束板，回合后到达微波接收器处。这两束微波同频率，在接收器处将发生干涉，干涉叠加的强度由两束波的程差（即位相差）决定。当两波的相位差为时，干涉加强；当两波的相位差为时，则干涉最弱。当A、B板中的一块板固定，另一块板可沿着微波传播方向前后移动，当微波接收信号从极小（或图2 迈克尔逊干涉原理示意图极大）值到又一次极小（或极大）值，则反射板移动了λ/2距离。由这个距离就可求得微波波长。 5、微波的偏振实验电磁波是横波，它的电场强度矢量E和波的传播方向垂直。如果E始终在垂直于传播方向的平面内某一确定方向变化，这样的横电磁波叫线极化波，在光学中也叫偏振光。如一线极化电磁波以能量强度发射，而由于接收器的方向性较强（只能吸收某一方向的线极化电磁波，相当于一光学偏振片，发射的微波电场强度矢量E如在方向，经接收方向为的接收器后（发射器与接收器类似起偏器和检偏器），其强度，其中为P1和P2的夹角。这就是光学中的马吕斯（Malus）定律，在微波测量中同样适用。6.布拉格衍射 如图所示，从间距为d的两个相邻晶面反射的两束波的程差为2dsinθ，θ为入射波与晶面的掠射角，显然，只有满足2dsinθ=kλ （k=1,2,3……）的θ才能形成干涉极大。布拉格定律：波长为λ的平面波入射到间距为d的晶面族上，