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1、微波的光特性微波的光特性近代物理实验第1页/共21页内内 容容实验目的实验目的1实验仪器实验仪器2实验原理实验原理3实验内容和步骤实验内容和步骤4数据记录和处理数据记录和处理5第2页/共21页实验目的实验目的 1.通过观测微波的反射、干涉、衍射及偏振等现象,能加深理解微波和光都是电磁波，都具有波动这一共同性.2.掌握用微波验证晶体对电磁波的衍射特性的方法.3.分析并掌握实验中产生误差的原因第3页/共21页实验仪器实验仪器微波分光计微波分光计仪器包括（发射部分、仪器包括（发射部分、接受部分、）接受部分、）在两喇叭之间可绕中心在两喇叭之间可绕中心轴自由转动的分度平台轴自由转动的分度平台圆盘底座圆盘
2、底座第4页/共21页实验原理实验原理1.微波光特性的测量微波光特性的测量（1）微波的反射）微波的反射 微波遵从反射定律，一束微波以入射角 i 从发射喇叭发出的射向金属板，则在反射方向的位置上，置一接收喇叭，只有当反射角 时，接受到的功率最大。即反射角等于入射角.(2)微波的单缝衍射微波的单缝衍射 微波的衍射原理与光波完全相同.当一束微波入射到一宽度与波长可比拟的狭缝时，它就要发生衍射现象，如图 4.3.1 所示.设微波波长为 ，狭缝宽度 a，当衍射角 符合（4.3.2）时，则在缝后面出现衍射波的强度极大（第5页/共21页主极大发生在 处）.(3)微波的双缝干涉微波的双缝干涉 微波遵守光波的干涉
3、规律，如图 4.3.2 所示.当一束微波（波长为 ）垂直入射到金属板的二条狭缝上，则每条狭缝就是次波源.由两缝发出的次波是相干波，因此金属板的背面空间中，将产生干涉现象.设缝宽为 ,两缝间距离为 ，则由光的干涉原理可知，当（4.3.3）时，干涉加强.当（4.3.4）时，干涉减弱.第6页/共21页第7页/共21页(4)微波的偏振性微波的偏振性 微是波在自由空间传播是横电磁波，它的电场强度矢量 E 与磁场强度矢量 H 和波的传播方向 S 永远成正交的关系，它们的振动面的方向总是保持不变.E、H、S 遵守乌莫夫-坡印矢量关系（见图 4.3.3），即为(4.3.5)若果正在垂直于传播方向的平面内，沿着
4、一条固定的直线变化，这样的横电磁波叫线极化波，在光学中也叫偏振波.电磁场沿一方向的能量有 的关系，这就是光学中的马吕斯定律.(4.3.6)第8页/共21页式中 为偏振光强度，是 与 间的夹角.(5)微波的迈克尔逊干涉微波的迈克尔逊干涉 用微波源做波源的迈克尔逊干涉仪与光学中的迈克尔逊的干涉仪完全相似，其装置如图 4.3.4 所示.发射喇叭发出的微波，被 放置的分光玻璃板 MM（也成半透射板）分成两束一束由 MM 反射到固定反射板A，另一束透过MM到达可移动反射板B.由于A,B为全反射金属板，两列波反射再次回到半透射板。A束透射，B束反射，会聚于接收喇叭，于是接束喇叭收到两束同频率，振动方向一致
5、的二束波.如果这二束波的位相差为 的整数倍，则干涉加强；当为相差为 的奇数倍则干涉减弱。第9页/共21页假设入射的微波波长为 ，经A和B反射后到达接受喇叭的波程差为 ，当 （4.3.7）时，将在接收喇叭后面的指示器有极大示数。当 （4.3.8）时指示器显示极小示数。当A不动，将活动板B移动L距离，则波程改变了 假设从某一级极大开始记数，测出n个极大值,则有 得到 （4.3.9）即可测出微波的波长。第10页/共21页（6）微波的布拉格衍射）微波的布拉格衍射X光波与晶体的晶格常数属于同一数量级，晶体点阵可以做为X射线衍射光栅。而微波波长是0.01m量级的电磁波，显然实际晶体不能作为微波的三维衍射光
6、栅。本实验以立方点阵（点阵结点之间距离为0.01m量级)的模拟晶体为研究对象，用微波向模拟晶体入射，观测不同晶面上点阵的反射波产生干涉应符合的条件，即应满足布拉格（Brags)在1912年导出的X射线衍射关系式布拉格公式。现对模拟立方晶体水平上的某一晶面加以分析，如图4.3.5所示。假设“原子”占据着点阵的结点，两相邻“原于”之间的距离为a（晶格常数）。晶体内特定取向的平面用密勒指数（h,k,l)标记。图4.3.5中实线和虚线分别表示（100）和（110）晶面第11页/共21页与水平某一晶面的交线。当一束微波以 角掠射到（100）晶面，一部分微波将为表面层的“原子”所散射，其余部分的微波将为晶
7、体内部个晶面上的“原子”所散射。各层晶面上“原子”散射的本质是因“原子”在微波电磁场胁迫下做与微波同频率的受迫震荡，然后向周围发出电磁子波。由图4.3.5知入射波束PA和QB分别受到表层“原子”A和第二层“原子”B散射，散射束分别为AP和BQ，则PAP和QBQ的波程差 为 （4.3.10）式中d=AB为晶面间距，对立方晶体d=a，显然波程差为入射波波长 的整数倍时，即 （4.4.11）两列波同相位，产生干涉极大值。式中 表示掠射角（入射线与晶面夹角），称为布拉格角：n为整数，称为衍射第12页/共21页级次。同样可以证明，凡是在此掠射角被（100）各晶面散射的微博均为干涉加强。式（4.3.11）
8、就是著名的布拉格公式。布拉格公式不仅对于（100）晶面族成立，而对于其他晶面族也成立，但晶面间距不同.对于（110）晶面族 计算晶面间距公式为 （4.3.12）第13页/共21页实验内容与要求实验内容与要求1.微波光特性测量微波光特性测量（1）反射实验反射实验在入射角分别等于 并在反射板的另一侧对称地进行测量，然后求其相应的反射角平准值，数据以列表形式给出.(2)单缝衍射实验单缝衍射实验 在 测出 1 级极小和 1 级极大的 角值.并同理论计算值相对比，求出相对误差.(3)双缝干涉实验双缝干涉实验 在 时计算出 0 级及 1,2 级极小值和 1,2 级极大值的 角，通过实验验证之，数据列表给出
9、，计算出相对误差.第14页/共21页(4)微波的偏振实验微波的偏振实验 同理论值对比，数据列表给出.(5)迈克尔逊干涉实验迈克尔逊干涉实验调整发射喇叭和接受喇叭彼此正交.移动活动反射板测出 个极大值位置，求出微波波长（6）布拉格衍射实验（选作）布拉格衍射实验（选作）测量（100）或（110）晶面衍射强度随入射角 变化，分划计算出晶面间距，并与模拟晶体的实际尺寸做比较，求出相对误差.每改变 测一读数.数据以列表或画出 关系曲线形式给出(为了避免两喇叭之间波的直接入射，入射角取值范围最好选在 到 之间）.2014年2月12日第15页/共21页第16页/共21页第17页/共21页第18页/共21页第19页/共21页第20页/共21页感谢您的观看！第21页/共21页