1、实验实验 14 微波光学实验微波光学实验 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
2、的实验目的】 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。 【仪器用具仪器用具】 ZKY-WB 微波光学实验仪。 【仪器介绍仪器介绍】 1 仪器组成仪器组成 微波信号源微波信号源 输出频率 10.545GHz，波长 2.84459cm，功率 15mW，频率稳定度可达 510-5，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
3、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。 中心平台中心平台 测试部件的载物台和角度计。 其他配件其他配件 反射板（金属
4、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
5、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 【实验原理及内容实验原理及内容】 1.迈克尔逊干涉迈克
6、尔逊干涉 实验原理：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 /2，光程将改变一个波长，相
7、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。 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： 2 Nd 上式中的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。d 实验步骤：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
8、 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 图 14.3 迈克尔逊干涉仪结构图 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 X1X2 21 XXdN 测量 值 和实际值的 相对误差 1 2 3 4 2.劳埃德镜劳埃德镜 实验原理：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
9、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： 2 2 1 2 2 2 2 nXAXA 实验步骤：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
10、 14.4 劳埃德镜示意图 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.法布里法布里-珀罗干涉珀罗干涉 实验原理：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
11、。若两块透射板之间的距离为 n/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 n/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： 2 Nd 上式中的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。d 实验步骤：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） 。 图 14.6 法布里-珀罗干涉实验仪器布置 2.调节两透射板之间的距离，观察相对最大值和最小值。 3.调节两透射板之间的距离，使
12、接收到的信号最强（电流表读数在不超过满量程的 条件下达到最大） ，记下两透射板之间的距离 d1。 4.使一面透射板向远离另一面透射板的方向移动，直到电流表读数出现至少十个最 小值并再次出现最大值时，记下经过最小值的次数 N 及两透射板之间的距离 d2。 5.根据上面公式，计算微波的波长 。 6.改变两透射板之间的距离，重复以上步骤，记入表 2 中。 表 2 测量 次数 d1d2 21 dddN 测量 值 和实际值的 相对误差 1 2 3 4 5 4.布喇格衍射布喇格衍射 实验原理：实验原理： 任何的真实晶体都具有自然外形和各向异性的性质，这和晶体的离子，原子或分子在 空间按一定的几何规律排列密
13、切相关。 晶体内的离子，原子或分子占据着点阵的结构，两相邻结点的距离叫晶体的晶格常数。 真实晶体的晶格常数哟在 10-8厘米的数量级。X 射线的波长与晶体常数属于同一数量级。 实际上晶体是起着衍射光栅的作用。因此可以利用 X 射线在晶体点阵上的衍射现象来研 究晶体点阵的间距和相互位置的排列，以达到对晶体接构的了解。 本实验是仿照 X 射线入射真实晶体发生衍射的基本原理，用金属球制做了一个方形 点阵的模拟晶体，用微波代替 X 射线。将微波射向模拟晶体，观察从不同晶体点阵面反 射的微波相互干涉所需要的条件：布喇格方程 2d sin n 布喇格定律将晶体的晶面间距和 X 射线衍射角联系起来研究晶体结
14、构。在本实验中 用一嵌有 10mm 大小金属球的醚类聚氨脂泡沫胶立方体用立方“晶体”来验证布喇格定律。 实验前，应先了解布喇格衍射的原理。特别是入射波必须满足两个条件，即 （1） ，入射角等于反射角。 （2） ，满足布喇格公式 2d sinn 。其中 d 为晶面间距, 为掠射角，n 为正整 数， 为入射波波长。 实验步骤：实验步骤： 1、 如图 14-7 布置实验仪器，接通信号源。 图 14-7 布喇格衍射实验仪器布置 2、 先让晶体平行于微波光轴，即掠射角 为零度。调节衰减器使电流表的显示电 流值适中，记下该值。 3、 将掠射角增大到 20 度，反射角也对应改变 20 度。然后顺时针旋转晶体
15、 1 度（即 掠射角增加 1 度） ，接收器动臂顺时针旋转 2 度，记录掠射角角度和对应电流表 读数。 4、 重复步骤 3，直到不能再转。 5、 作衍射信号相对强度对入射波掠射角的函数曲线。计算并比较测出的晶面间距与 实量间距。 【注意事项注意事项】 1.微波波长比较长，在调节和观察实验现象时变化不如光波一样灵敏，要注意仔细调节 和观察。 2.实验前应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。 3.实验中由于信号的不稳定可能造成测量数据波动，应根据实际情况进行多次测量。 【思考问题思考问题】 课前预习题课前预习题 1.微波在日常生活中有哪些应用？ 2.光的波动性表现是什么，微波与光
16、波的本质有什么区别？ 3.X 光透视的原理是什么？ 课后思考题课后思考题 4.利用迈克尔逊实验测微波波长与测激光波长有何区别？ 5.如何利用劳埃镜实验说明光从折射率小的介质入射到折射率大的介质时产生半波损失 的现象。 6. 试分析用上述几种方法测量微波波长的优点和缺点。当我被上帝造出来时， 上帝问我想在人间当一个怎样的人，我不假思索的说，我要做一个伟大的 世人皆知的人。于是，我降临在了人间。 我出生在一个官僚知识分子之家，父亲在朝中做官，精读诗书，母亲知书 答礼，温柔体贴，父母给我去了一个好听的名字：李清照。 小时侯，受父母影响的我饱读诗书，聪明伶俐，在朝中享有“神童”的称 号。小时候的我天真
17、活泼，才思敏捷，小河畔，花丛边撒满了我的诗我的笑， 无可置疑，小时侯的我快乐无虑。 “兴尽晚回舟，误入藕花深处。争渡，争渡，惊起一滩鸥鹭。”青春的我 如同一只小鸟，自由自在，没有约束，少女纯净的心灵常在朝阳小，流水也被 自然洗礼，纤细的手指拈一束花，轻抛入水，随波荡漾，发髻上沾着晶莹的露 水，双脚任水流轻抚。身影轻飘而过，留下一阵清风。 可是晚年的我却生活在一片黑暗之中，家庭的衰败，社会的改变，消磨着 我那柔弱的心。我几乎对生活绝望，每天在痛苦中消磨时光，一切都好象是灰 暗的。“寻寻觅觅冷冷清清凄凄惨惨戚戚”这千古叠词句就是我当时心情的写 照。 最后，香消玉殒，我在痛苦和哀怨中凄凉的死去。 在
18、天堂里，我又见到了上帝。上帝问我过的怎么样，我摇摇头又点点头， 我的一生有欢乐也有坎坷，有笑声也有泪水，有鼎盛也有衰落。我始终无法客 观的评价我的一生。我原以为做一个着名的人，一生应该是被欢乐荣誉所包围， 可我发现我错了。于是在下一轮回中，我选择做一个平凡的人。 我来到人间，我是一个平凡的人，我既不着名也不出众，但我拥有一切的 幸福：我有温馨的家，我有可亲可爱的同学和老师，我每天平凡而快乐的活着， 这就够了。 天儿蓝蓝风儿轻轻，暖和的春风带着春的气息吹进明亮的教室，我坐在教 室的窗前，望着我拥有的一切，我甜甜的笑了。我拿起手中的笔，不禁想起曾 经作诗的李清照，我虽然没有横溢的才华，但我还是拿起
19、手中的笔，用最朴实 的语言，写下了一时的感受： 人生并不总是完美的，每个人都会有不如意的地方。这就需要我们静下心 来阅读自己的人生，体会其中无尽的快乐和与众不同。 “富不读书富不久，穷不读书终究穷。”为什么从古到今都那么看重有学 识之人？那是因为有学识之人可以为社会做出更大的贡献。那时因为读书能给 人带来快乐。 自从看了丑小鸭这篇童话之后，我变了，变得开朗起来，变得乐意同 别人交往，变得自信了因为我知道：即使现在我是只“丑小鸭”，但只要 有自信，总有一天我会变成“白天鹅”的，而且会是一只世界上最美丽的“白 天鹅” 我读完了这篇美丽的童话故事，深深被丑小鸭的自信和乐观所折服，并把 故事讲给了外婆
20、听，外婆也对童话带给我们的深刻道理而惊讶不已。还吵着闹 着多看几本名着。于是我给外婆又买了几本名着故事，她起先自己读，读到不 认识的字我就告诉她，如果这一面生字较多，我就读给她听整个一面。渐渐的， 自己的语文阅读能力也提高了不少，与此同时我也发现一个人读书的乐趣远不 及两个人读的乐趣大，而两个人读书的乐趣远不及全家一起读的乐趣大。于是， 我便发展“业务”带动全家一起读书现在，每每遇到好书大家也不分男女 老少都一拥而上，争先恐后“抢书”，当我说起我最小应该让我的时候，却没 有人搭理我。最后还把书给撕坏了，我生气地哭了，妈妈一边安慰我一边对外 婆说：“孩子小，应该让着点。”外婆却不服气的说：“我这
21、一把年纪的了， 怎么没人让我呀？”大家人你一言我一语，谁也不肯相让读书让我明白了 善恶美丑、悲欢离合，读一本好书，犹如同智者谈心、谈理想，教你辨别善恶， 教你弘扬正义。读一本好书，如品一杯香茶，余香缭绕。读一本好书，能使人 心灵得到净化。书是我的老师，把知识传递给了我；书是我的伙伴，跟我诉说 心里话；书是一把钥匙，给我敞开了知识的大门；书更是一艘不会沉的船，引 领我航行在人生的长河中。其实读书的真真乐趣也就在于此处，不是一个人闷 头苦读书；也不是读到好处不与他人分享，独自品位；更不是一个人如痴如醉 地沉浸在书的海洋中不能自拔。而是懂得与朋友，家人一起分享其中的乐趣。 这才是读书真正之乐趣呢！这
22、所有的一切，不正是我从书中受到的教益吗？ 我阅读，故我美丽；我思考，故我存在。我从内心深处真切地感到：我从 读书中受到了教益。当看见有些同学宁可买玩具亦不肯买书时，我便想到培根 所说的话：“世界上最庸俗的人是不读书的人，最吝啬的人是不买书的人，最 可怜的人是与书无缘的人。”许许多多的作家、伟人都十分喜欢看书，例如毛 泽东主席，他半边床上都是书，一读起书来便进入忘我的境界。 书是我生活中的好朋友，是我人生道路上的航标，读书，读好书，是我无 怨无悔的追求。 一个人的谈吐有没有“味道”，完全要看他的读书方法。如果读者获得书中 的“味”，他便会在谈吐中把这种风味表现出来；如果他的谈吐中有风味，他在 写
23、作中也免不了会表现出风味来。 所以，我认为风味或嗜好是阅读一切书籍的关键。这种嗜好跟对食物的嗜 好一样，必然是有选择性的，属于个人的。吃一个人所喜欢吃的东西终究是最 合卫生的吃法，因为他知道吃这些东西在消化方面一定很顺利。 读书跟吃东西一样，“此人吃来是蜜糖，他人吃来是砒霜”。教师不能以其 所好强迫学生去读，父母也不能希望子女的嗜好和他们一样。如果读者对他所 读的东西感不到趣味，那么所有的时间全都浪费了。 所以，永远记得，这世间上没有什么一个人必读的书，只有在某时某地， 某种环境，和生命中的某个时期必读的书。读书和婚姻一样，是命运注定的或 阴阳注定的。 纵使某一本书，如圣经之类，是人人必读的，
24、读这种书也一定应当在 合适的时候。当一个人的思想和经验还没有达到阅读一本杰作的程度时，那本 杰作只会留下不好的滋味。 孔子曰：“五十以学易。”便是说，四十五岁时候尚不可读易经。 孔子在论语中的训言的冲淡温和的味道，以及他的成熟的智慧，非到读者 自己成熟的时候是不能欣赏的。 四十学易是一种味道，到五十岁，看过更多的人世变故的时候再去学 易，又是一种味道。所以，一切好书重读起来都可以获得益处和新乐趣。 多读书，可以让你觉得有许多的写作灵感。可以让你在写作文的方法上用 的更好。在写作的时候，我们往往可以运用一些书中的好词好句和生活哲理。 让别人觉得你更富有文采，美感。 多读书，可以让你全身都有礼节。
25、俗话说：“第一印象最重要。”从你留 给别人的第一印象中，就可以让别人看出你是什么样的人。所以多读书可以让 人感觉你知书答礼，颇有风度。 多读书，可以让你多增加一些课外知识。培根先生说过：“知识就是力量。” 不错，多读书，增长了课外知识，可以让你感到浑身充满了一股力量。这种力 量可以激励着你不断地前进，不断地成长。从书中，你往往可以发现自己身上 的不足之处，使你不断地改正错误，摆正自己前进的方向。所以，书也是我们 的良师益友。 多读书，可以让你变聪明，变得有智慧去战胜对手。书让你变得更聪明， 你就可以勇敢地面对困难。让你用自己的方法来解决这个问题。这样，你又向 你自己的人生道路上迈出了一步。 多
26、读书，也能使你的心情便得快乐。读书也是一种休闲，一种娱乐的方式。 读书可以调节身体的血管流动，使你身心健康。所以在书的海洋里遨游也是一 种无限快乐的事情。用读书来为自己放松心情也是一种十分明智的。 读书能陶冶人的情操，给人知识和智慧。所以，我们应该多读书，为我们以后 的人生道路打下好的、扎实的基础！ “书籍是全世界的营养品, 生活里没有书籍, 就好象没有阳光; 智慧里没有书籍, 就好象鸟儿没有翅膀。”（英 莎士比亚）。“一本新书象一艘船, 带领着我 们从狭隘的地方, 驶向生活的无限广阔的海洋。”（瑞士 凯勒）。“不读书 就没有真正的学问,没有也不可能有欣赏能力、文采和广博的见识。不读书 的人就
27、不是一个完人。”（俄 赫尔岑）。多读书, 可以开阔视野, 增长见识, 启迪智慧, 可以使自己在工作中有所创造, 有所成就; 多读书, 可以丰富自己的 知识宝库, 进一步懂得生活, 可以提高自己的文采和对艺术的欣赏能力, 可一伀倀儀刀匀吀唀嘀圀堀夀娀嬀尀崀帀开怀愀戀挀搀攀昀最栀椀樀欀氀洀渀漀瀀焀爀猀琀甀瘀眀砀礀稀笀簀紀縀缀耀脀舀茀萀蔀蘀蜀蠀褀言謀谀贀踀輀退鄀鈀錀鐀销阀需頀餀騀鬀鰀鴀鸀鼀一伀倀儀刀匀吀唀嘀圀堀夀娀嬀尀崀帀开怀愀戀挀搀攀昀最栀椀樀欀氀洀渀漀瀀焀爀猀琀甀瘀眀砀礀稀笀簀紀縀缀耀脀舀茀萀蔀蘀蜀蠀褀言謀谀贀踀輀退鄀鈀錀鐀销阀需頀餀騀鬀鰀鴀鸀鼀础一伀倀儀刀匀吀唀嘀圀堀夀娀嬀尀崀帀开怀愀戀挀搀攀昀最栀椀樀欀氀洀渀漀瀀焀爀猀琀甀瘀眀砀礀稀笀簀紀縀缀耀脀舀茀萀蔀蘀蜀蠀褀言謀谀贀踀輀退鄀鈀錀鐀销阀需頀餀騀鬀鰀鴀鸀鼀一伀倀儀刀匀吀唀嘀圀堀夀娀嬀尀崀帀开怀愀戀挀搀攀昀最栀椀樀欀氀洀渀漀瀀焀爀猀琀甀瘀眀砀礀稀笀簀紀縀缀耀脀舀茀萀蔀蘀蜀蠀褀言謀谀贀踀輀退鄀鈀錀鐀销阀需頀餀騀鬀鰀鴀鸀鼀
