实验14 微波光学

实验14 微波光学实验

微波在科学研究、工程技术、交通管理、医疗诊断、国防工业的国民经济的各个方面都有十分广泛的应用。研究微波，了解它的特性具有十分重要的意义。

微波和光都是电磁波，都具有波动这一共性。都能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。因此用微波作波动实验与用光作波动实验所说明的波动现象及规律时一致的。由于微波的波长比光波的波长在数量级上相差一万倍左右，因此用微波来做波动实验比光学实验更直观，方便和安全。比如在验证晶格的组成特征时，布喇格衍射就非常的形象和直观。

通过本系统所提供的以下实验内容，可以加深对微波及微波系统的理解，特别是微波的波动这一特性。

【实验目的】

1. 了解微波光学系统实验的仪器和组件的工作原理，掌握其使用的一般方法。 2. 了解迈克尔逊干涉仪工作原理，测量并计算微波波长。 3. 了解劳埃德镜原理，并用劳埃德镜测微波波长。

4. 了解法布里-贝罗干涉仪原理，测量并计算微波波长。 5. 了解布喇格衍射实验原理，并测量立方晶格内晶面间距。

【仪器用具】

ZKY-WB微波光学实验仪。

【仪器介绍】

1． 仪器组成

微波信号源

输出频率10.545GHz，波长2.84459cm，功率15mW，频率稳定度可达5×10-5，幅度稳定度：10-2。这种微波源相当于光学实验中的单色光束。 发射器组件

组成部分：缆腔换能器，谐振腔，隔离器，衰减器，喇叭天线及支架。将电缆中的微波电流信号转换为空中的电磁场信号。喇叭天线的增益大约是20分贝，波瓣的理论半功率点宽度大约为：H面20。，E面16。。当发射喇叭口面的宽边与水平面平行时，发射信号电矢量的偏振方向是水平的。 接收器组件

组成部分：喇叭天线，检波器，支架、放大器和电流表。检波器将微波信号变为直流或低频信号。放大器分三个档位，分别为×1倍档、×10倍档和×50倍档，可根据实验需要来调节放大器倍数，以得到合适的电流表读数。 中心平台

测试部件的载物台和角度计。 其他配件

反射板（金属板，2块），透射板（部分反射板，2块），偏振板，光缝屏（宽屏1块，窄屏1块），光缝夹持条，中心支架，移动支架（2个），塑料棱镜，棱镜座，模拟晶阵，晶阵座，聚苯乙烯丸，钢直尺（4根）。

2．仪器操作方法

（1）将发射器和接收器安置在带有角度计的中心平台上，其中发射器安置在固定臂（2号钢直尺）上，接收器安置在可动臂（1号钢直尺）上。注意发射器和接收器的喇叭口相对，宽边与地面平行，如图14.1。

图14.1 仪器布置

（2） 调节发射器和接收器之间的距离。（喇叭口相距40cm左右）。调节发射器上的

衰减器和电流表上的档位开关，使接收器上的电流表的指示在1/2量程左右（约50uA）。

（3） 沿着可动臂缓慢移动接收器，观察并记下不同位置处对应电流表上的数值。距

离移动范围为±15cm。

（4） 松开接收器上面的手动螺栓，慢慢转动接收器，同时观察电流表上读数的变化，

并解释这一现象。

（5） 发射器上旋钮使用方法如下：

衰减器旋钮：顺时针旋转为增大发射功率，反之则减小发射功率；

喇叭止动旋钮：该旋钮可以锁定喇叭的方向。喇叭只能单方向旋转90°。 接收器上也有喇叭止动旋钮，功能和发射器上对应旋钮一样。如图14.2所示 。

衰减器旋钮 喇叭止动旋钮

图14.2 发射器及接收器

【实验原理及内容】

1. 迈克尔逊干涉

实验原理：

迈克尔逊干涉仪将单波分裂成两列波，透射波经再次反射后和反射波叠加形成干涉条纹。迈克尔逊干涉仪的结构如图14.3。

A和B是反射板（全反射），C是透射板（部份反射）。从发射源发出的微波经两条不同的光路入射到接收器。一部份经C透射后射到A，经A反射后再经C反射进入接收器。另一路分波从C反射到B，经B反射回C，最后透过C进入接收器。

若两列波同相位，接收器将探测到信号的最大值。移动任一块反射板，改变其中一路光程，使两列波不再同相，接收器探测到信号就不再是最大值。若反射板移过的距离为λ/2，光程将改变一个波长，相位改变360度，接收器探测到的信号出现一次最小值后又回到最大值。

图14.3 迈克尔逊干涉仪结构图

因此，可以通过反射板（A或B）改变的距离来计算微波波长，计算公式为：

?d?N?2

上式中的?d表示反射板改变的距离，N为出现接收到信号幅度最大值的次数。 实验步骤：

1. 如图14.3布置实验仪器。接通信号源，调节衰减器使电流表的显示电流值适中。

C与各条臂成45度关系，发射器安装在2号钢尺上，接收器安装在4号钢尺上，A、B两块反射板分别安装在3号、1号钢尺上。

2. 移动反射板A，观察电流表读数变化，当电流表上数值最大时，记下反射板A所

处位置刻度X1。

3. 向外（或内）缓慢移动A，注意观察电流表读数变化，当电流表读数出现至少10

个最小值并再次出现最大值时停止，记录这时反射板A所处位置刻度X2，并记下

经过的最小值次数N。

4. 根据上面公式，计算微波的波长。

5. A不动，操作B，重复以上步，记录数据于表1中。

表1

测量次数 1 2 3 4 X1 X2 ?d?X1?X2 N 测量值? ? 和实际值的相对误差

2. 劳埃德镜

实验原理：

劳埃德镜是干涉现象的又一个列子。和其它干涉条纹一样，用它也可测量微波的波长。 从发射器发出的微波一路直接到达接收器，另一路经反射镜反射后再到达接收器。由于两列波的波程及方向不一样，它们必然发生干涉。在交汇点，若两列波同相，将测到极大值。若反相将测到几极小值。其原理可用图14.4表示。

发射器和接收器距离转盘中心的距离应相等，反射板从位置1移到位置2的过程中，电流表出现了n个极小值后再次达到极大值。由光程差根据图14.4可以得到计算波长公式如下：

A2?X2?A2?X1?n22?2

图14.4 劳埃德镜示意图

实验步骤：

1. 如图14.5布置实验仪器。接通信号源，调节衰减器和电流表档位开关，使电流表

的显示电流值适中（3/4量程左右）。

要求：发射器和接收器处于同一直线上，且到中心平台的距离相等（均为500mm左右）。

图14.5 劳埃镜实验仪器布置

2. 反射板夹持在移动支架上，并安置在3号钢尺上。反射板面平行于两喇叭的轴线。 3. 在3号钢尺上缓慢移动反射板，观察并记录电流表的读数及移动的距离。 4. 改变发射器和接收器之间的距离，重复步骤2，3。 5. 计算波长。

3. 法布里-珀罗干涉 实验原理：

当电磁波入射到部份反射镜（透射板）表面时，入射波将被分割为反射波和透射波。法布里-珀罗干涉仪在发射波源和接收探测器之间放置了两面相互平行并与轴线垂直的部份反射镜。

发射器发出的电磁波有部份将在两透射板之间来回反射，同时有一部份波透射出去被探测器接收。若两块透射板之间的距离为nλ/2 ，则所有入射到探测器的波都是同相位的，收器接探测到的信号最大。若两块透射板之间的距离不为nλ/2，则产生相消干涉，信号不为最大。

因此，可以通过改变两面透射板之间的距离来计算微波波长，计算公式为：

?d?N?2

上式中的?d表示两面透射板改变的距离，N为出现接收到信号幅度最大值的次数。 实验步骤：

1. 如图14.6布置实验仪器。接通信号源，调节衰减器和电流表档位开关，使电流表

的显示电流值适中（3/4量程左右）。

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