微波光学综合实验
【实验目的】
1、了解与学习微波产生的基本原理以及传播和接收等基本特性。
2、观测微波干涉、衍射、偏振等实验现象。
4、通过迈克耳逊实验测量微波波长。
【实验仪器】
DHMS-1型微波光学综合实验仪一套,包括:X波段微波信号源、微波发生器、发射喇叭、接收喇叭、微波检波器、检波信号数字显示器、可旋转载物平台和支架,以及实验用附件(反射板、分束板、单缝板、双缝板、读数机构等)。微波
光学实验系统装置如图1所示。
1.电池后盖 2.开关 3.接受部件 4.转动臂 5.筋骨装置 6.移动装置 7.圆形底盘 8.机脚 9.x波段信号源 10.长支柱 11.紧固蝶形螺丝 12.信号源传输电缆 13.频率调节旋钮 14.功率调节旋钮 15.发射部件 16.发射喇叭 17.固定臂 18.载物圆台 19.圆形支架 20.指针 21.短支柱 22接收喇叭 23.接收旋转部件 24.液晶显示器
图1 微波光学实验系统装置
【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
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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
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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。
图2 迈克尔逊干涉原理示意图
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。
【实验内容】
将实验仪器放置在水平桌面上,调整底座四只脚使底盘保持水平。调节保持发射喇叭、接收喇叭、接收臂、活动臂为直线对直状态,并且调节发射喇叭,接收喇叭的高度相同。
连接好X波段微波信号源、微波发生器间的专用导线,将微波发生器的功率调节旋钮逆时针调到底,即微波功率调至最小,通电并预热10分钟。
1.微波的反射
将金属反射板安装在支座上,安装时板平面法线应与载物小平台0°位一致,并使固定臂指针、接收臂指针都指向90°,这意味着小平台零度方向即是金属反射板法线方向。
打开检波信号数字显示器的按钮开关。接着顺时针转动小平台,使固定臂指针指在某一角度处,这角度读数就是入射角,然后顺时针转动活动臂在液晶显示器上找到一最大值,此时活动臂上的指针所指的小平台刻度就是反射角。做此项实验,入射角最好取30°至65°之间,因为入射角太大接收喇叭有可能直接接收入射波,同时应注意系统的调整和周围环境的影响。
实验记录:
入射角(度)
30
32
34
36
38
40
64
反射角(度)
2.微波的单缝衍射
按需要调整单缝衍射板的缝宽。将单缝衍射板安置在支座上时,应使衍射板平面与载物圆台上
指示线一致。转动载物圆台使固定臂的指针在载物圆台的
处,此时相当于微波从单缝衍射板法线方向入射。这时让活动臂置小平台
处,调整微波发生器的功率使液晶显示器显示一定值,然后在
线的两侧,每改变1~3度读取一次液晶显示器读数,并记录下来。
根据记录数据,画出单缝衍射强度与衍射角度的关系曲线。并根据微波衍射强度一级极小角度和缝宽
,计算微波波长
和其百分误差(表中
、
是相对于0刻度两边对应角度的电压值)。
数据记录:
(0)
0
3
6
9
12
15
(mV)
(mV)
3.微波的双缝干涉
按需要调整双缝干涉板的缝宽。将双缝缝干射板安置在支座上时,应使双缝板平面与载物圆台上
指示线一致。转动小平台使固定臂的指针在小平台的
处。此时相当于微波从双缝干涉板法线方向入射。这时让活动臂置小平台
处,调整信号使液晶显示器显示较大,然后在
线的两侧,每改变1~3度读取一次液晶显示器的读数,并记录下来,然后就可以画出双缝干涉强度与角度的关系曲线。并根据微波衍射强度一级极大角度和缝宽
,计算微波波长
和其百分误差。
数据记录:
(0)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
…
80
U
(mv)
左侧
右侧
4.迈克尔逊干涉实验
在微波前进的方向上放置一玻璃板,使玻璃板面与载物圆台450线在统一面上,固定臂指针指向90度刻度线,接收臂指针指向0度刻度线(如图3)。按实验要求如图安置固定反射板、可移动反射板、接收喇叭。使固定反射板固定在大平台上,并使其法线与接收喇叭的轴线一致。可移动反射板装在一旋转读数机构上后,然后移动旋转读数机构上的手柄,使可移反射板移动,测出n+1个微波极小值。并同时从读数机构上读出可移反射板的移动距离L(注意:旋转手柄要慢,并注意回程差的影响)。波长满足:
最小点读数(mm)
5.微波的偏振干涉实验
按实验要求调整喇叭口面相互平行正对共轴。调整信号使显示器显示一定值,然后旋转接收喇叭短波导的轴承环(相当于偏转接收器方向),每隔
记录液晶显示器的读数。直至
。就可得到一组微波强度与偏振角度关系数据,验证马吕斯定律。注意,做实验时应尽量减少周围环境的影响。
数据记录:
转角
0°
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
90°
实验
【注意事项】
1、实验前要先检查电源线是否连接正确;
2、电源连接无误后,打开电源使微波源预热10分钟左右;
3、实验时,先要使两喇叭口正对,可从接收显示器看出(正对时示数最大);;
4、为减少接收部分电池消耗,在不需要观测数据时,要把显示开关关闭;
5、实验结束后,关闭电源。
【思考题】
1、各实验内容误差主要影响是什么?
2、金属是一种良好的微波反射器。其它物质的反射特性如何?是否有部分能量透过这些物质还是被吸收了?比较导体与非导体的反射特性。
3、在偏振实验中所产生的误差是因为什么原因?