微波分光仪课件.ppt

微波分光仪I,一.实验原理二.微波分光仪三.实验内容及要求,微波是一种电磁波，就应有干涉、衍射、反射、折射、偏振等特性。本实验正是研究微波的这些特性。由于微波波长比光波波长大几个（大约5个，十万倍）数量级，因此用微波作波动实验比用光波作波动实验更直观和方便。,一、实验原理,电磁波的反射定律：,反射线在入射线和通过射点的法线所决定的平面上，反射线和入射线分居在法线两侧，反射角等于入射角。微波的频率很高在导体表面发生全反射，可用一块大金属板作为反射板。,迈克耳孙干涉,迈克耳孙干涉的基本原理如图1所示。,G是与入射微波成45的半透半反板，将入射波分成两束，一束向A一束向B。,A、B是两块全反射板，两束波又返回G并到达接收喇叭。,移动B可控制二者的相位差，B移动半个微波波长，二者相位改变2。故移动B，可从干涉极大或极小值的变化，测量微波波长。,图1,这两列波是相干波。,若B移动了距离L，接收到n+1个极大或极小，则波长为：,二、微波分光仪,微波发射喇叭,分波元件,信号发生器,接收喇叭,检波二极管,A,衰减器,谐振腔,旋转主轴,图2分光仪的基本组成,如图2 所示,分光仪主要由微波的发射、接收和分波元件三部分组成 ；,接收器和分波元件均可绕主旋转轴转动；,分波元件可以是半透射板、金属反射板、单缝、双缝、模拟晶体等；,信号发生器与谐振腔等共同组成微波源 ；,所产生的微波经耦合孔进入波导管，波导管为矩型波导管，它能在来自谐振腔的微波中选出横电波TE10（横电波，下标1表示电磁场沿波导宽边形成一个半波驻波，0表示沿窄边方向处处均匀）；,微波电场垂直于波导(或喇叭)宽面；,接收装置只能接收横电波，接收波导中的检波二极管把微波变为直流电，微安表的电流与微波强度成正比。,衰减器可控制微波的强度。,发射微波：,图3 微波分光仪的迈克耳孙干涉,发射喇叭,接收喇叭,A反射板,B移动板,G板,微波源电信号,谐振腔,微波衰减器,波导管,检波二极管,三、实验内容及数据处理,1.用迈克耳孙干涉测微波波长：,自己想办法把仪器调整成图1的状态。,可移动反射板每移动半个波长，干涉条纹改变一个。若L为n+1个干涉极小反射板所移动的距离，则微波波长=2L/n，测量 三次取平均。,2.验证反射定律：,分波元件为金属板。为读数方便，板的法线指0。为消除反射板法线指零不准，反射角应取正负、入射角所得反射角的平均值。用列表法或作图法处理数据。,可省略，因为只有反射定律成立，才能验证迈克耳孙干涉。,四、思考题,本实验装置可用于模拟布拉格衍射。布拉格衍射是指晶体对X射线的衍射，这种衍射用于研究晶体的晶格结构。用微波代替X射线，因微波波长远远大于X射线波长，可用放大的晶体模型代替晶体，了解布拉格衍射。这样的模拟直观简单，有利于初学者认识掌握晶体结构。,1. 微波分光仪不象可见光干涉仪那么精密，但测量结果的误差为什么不大呢?,2.如果各个干涉极小（或极大）的强度相差过大，是什么原因造成的?,微波分光仪II,一.实验原理二.微波分光仪三.实验内容及要求,微波是一种电磁波，就应有干涉、衍射、反射、折射、偏振等特性。本实验正是研究微波的这些特性。由于微波波长比光波波长大几个（大约7个，千万倍）数量级，因此用微波作波动实验比用光波作波动实验更直观和方便。,一、实验原理, 微波的偏振,平面电磁波是横波，它的电场强度矢量和波长的传播方向垂直。,电场强度矢量如果沿一固定方向变化，这样的横电磁波叫线偏振波 ；,电磁场沿某一方向（与偏振方向的夹角为）的能量与偏振方向的能量有 的关系，式中I0为偏振方向微波的强度，I为方向微波的强度。,I0,I,发射喇叭方向,接收喇叭方向,图1, 单缝衍射,当一平面波入射到宽度和波长可比拟的狭缝时，就会发生衍射现象。,缝后面的衍射波强度出现不均匀分布，中央主极大强度最强，宽度最宽，次极大的强度很弱。,若满足夫琅和费衍射的“远场”条件时,波的相对强度分布如图2所示。,当,当,时,式中,时出现次极大,I=0出现暗条纹。,设波长为缝宽为 衍射角为则强度分布如下：,I/I0,sin,图2,二、微波分光仪,微波发射喇叭,分波元件,信号发生器,接收喇叭,检波二极管,A,衰减器,谐振腔,旋转主轴,图3分光仪的基本组成,如图3所示,分光仪主要由微波的发射、接收和分波元件三部分组成 ；,接收和发射喇叭平行等高；接收器和分波元件均可绕主旋转轴转动。,分波元件可以是半透射板、金属反射板、单缝、双缝、模拟晶体等；,信号发生器与谐振腔等共同组成微波源 ；,所产生的微波经耦合孔进入波导管，波导管为矩型波导管，它能在来自谐振腔的微波中选出横电波（横电波，下标1表示电磁场沿波导宽边形成一个半波驻波，0表示沿窄边方向处处均匀）；,微波电场垂直于波导或喇叭宽面；,接收装置只能接收横电波，接收波导中的检波二极管把微波变为直流电，微安表的电流与微波强度成正比。,衰减器可控制微波的强度。,发射微波：,图4 微波分光仪的单缝衍射,发射喇叭,微波源电信号,谐振腔,微波衰减器,波导管,单缝,三、实验内容及数据处理,微波的偏振,自己想办法把仪器调整成图3的状态；无分波元件 如图2所示。接收喇叭可以旋转，可改变的大小。,每5度测一个实验点，用图示法与理论曲线比较。,研究微波的单缝衍射,自己想办法把仪器调整成图3的状态；分波元件为单缝，则仪器如图4所示。,缝宽7cm左右，每两度左右测一个实验点；,给出相对强度分布曲线。根据暗纹位置计算微波波长。,分析实验值与理论值差别较大的原因。,四、应用,本实验装置可用于模拟布拉格衍射。布拉格衍射是指晶体对X射线的衍射，这种衍射用于研究晶体的晶格结构。用微波代替X射线，因微波波长远远大于X射线波长，可用放大的晶体模型代替晶体，了解布拉格衍射。这样的模拟直观简单，有利于初学者认识掌握晶体结构。,