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1、微波分光仪实验1. 布拉格衍射实验1）目的：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约在 10-8厘米的数量级。X射线的波长与晶体的 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 体结构的了解。2）原理本实验是仿照 X 射线入射真实晶体发生衍射的基本原理， 人为的制作了一个 方形点阵的模拟晶体，以微波代替 X 射线，使微波向模拟
2、晶体入射，观察从不 同晶面上点阵的反射波产生干涉应符合的条件。 这个条件就是布拉格方程， 即当 微波波长为 的平面波入射到间距为a （晶格常数）的晶面上，入射角为，当满足条件 n 2aCos 时（ n 为整数），发生衍射。 衍射线在所考虑的晶面反射线 方向。在一般的布拉格衍射实验中采用入射线与晶面的夹角（即通称的掠射角），这时布拉格方程为 n 2aSin 。我们这里采用入射线与晶面法线的夹角 （即 通称的入射角），是为了在实验时方便。3）系统构建系统布置如图 1 所示。模拟晶体球应用模片调得上下左右成为一方形点阵，当把模拟晶体模拟晶体架上的中心孔插在支架上与度盘中心一致的一个销子上 架放到小平
3、台上时，应使模拟晶体架晶面法线一致的刻线与度盘上的 0刻度一 致。为了避免两喇叭之间波的直接入射，入射角取值范围最好在30度到70度之间图1布拉格衍射实验系统构建图4）实验操作先把模拟晶体架晶面法线与入射线调为 30度（此为起始角度），活动臂与入 射线调为60度。逆时针匀速转动DH926B型微波分光仪的圆盘改变入射角，要 求一次转动10度。然后逆时针匀速转动 活动臂,要求一次转动20度。如此交替 转动直到入射线与活动臂成140度。随着活动臂的移动改变相应的反射角， 表头 显示的电压值也相应的改变。按照不同的入射角和相应的反射角分别记录相应的 电压值，然后，绘制布拉格衍射曲线。2. 极化波的产生
4、/检测1）原理波的极化是用以描述电场强度空间矢量在某点位置上随时间变化的规律。无 论是线极化波、圆极化波或椭圆极化波都可由同频率正交场的两个线极化组成 若他们同相（或反相）、等幅（或幅度不等）其合成场的波认为线极化波；若它 们相位相位差为90,即= 90,幅度相等，合成场波为右旋或左旋圆极 化波；若它们相位差为0土 90,幅度相等（或幅度不等），合成场波 为右旋或左旋椭圆极化波。DH30003型栅网组件是由两个栅条方向相差 90的栅网组成。栅网（见图2） 是在一金属框架上绕有一排互相平行的金属丝，以反射平行金属丝的电场， DH30003型栅网组件与DH926B型微波分光仪组合使用可获得圆极化波
5、。图2 DH30003型栅网组件图3栅网实现波极化的原理图图3所示，Pri为垂直栅网，Pr2为水平栅网，当辐射喇叭Pro转角45后, 辐射波的场分为E/与E丄两个分量，Pri则反射E丄分量，而E /分量透过垂直 栅网被吸收；Pr2则反射E/分量，而E丄分量透过水平栅网被吸收。这是转动 接收喇叭Pr3，当Pr3喇叭E面与垂直栅网平行时收到 E丄波。经几次调整辐射喇 叭Pro的转角使Pr3接收到的|E / |=|E丄|，实现了圆极化的幅度相等要求。然后 接收喇叭Pr3在E丄与E/之间转动，将出现任意转角下的|E a | 0.93，即椭圆度为0.93。可以认为基本上实现了圆极化波的要 求。2）系统构
6、建如图4,使DH926B型微波分光仪两喇叭口面互成 90,半透射板与两喇叭 轴线互成45 ,将读数机构通过它本身上带有的两个螺钉旋入底座上相应的旋 孔，使其固定在底座上。图4栅网实验系统构建图4）实验操作首先，调整测试设备的Po的转角d，使Pr3分别接收的Eir和E2rP幅度相等， 这时d 50，同时PrPiPr2P3的口面垂线彼此相垂直。其次改变 巳,使只3处于 0 360任何转角时，其接收的场幅度不变，找到lo处，可获得圆极化波。3. 圆极化波左旋/右旋1）装置简介电磁波极化天线是由方圆波导转换、介质圆波导和圆锥喇叭连接而成。介质圆波导可做360旋转，并有刻度指示转动的角度，当 TEo波经
7、方圆波导转 换到圆波导口面时则过渡为TEii波，并在介质圆波导内分成两个分量的波， 即垂 直介质片平面的一个分量和平行介质面的一个分量。适当调整介质圆波导（亦可 转动介质片）的角度使两个分量的幅度相等时则可得到圆极化波。当圆极化波辐射装置方圆波导（如图5）使TE。的Ey波过渡到TEi成为乐波后，在装有介质片的圆波导段内分成 Et和En两个分量的波，因Et和En的速度不同，即Vc = Vn Vt =V/r，当介质片的长度L取得合适时，使En波的相位超前Et波的相位90?,这就实现了圆极化波相位条件的要求；为使 En与Et的幅 度相等，可使介质片的n方向跟丫轴之间夹角为a= 45?,若介质片的损耗
8、略去不计，则有Etm=Enm=1 , 2 Erm，实现了圆极化波幅度相等条件的要求（有时 需稍偏离45?以实现幅度相位的要求）。为了确定圆极化波右旋、左旋的特性把 n转到丫方向符合右手螺旋规则的 波，定为右旋圆极化波；把 n转到丫方向符合左手螺旋规则的波，定为左旋圆 极化波。图5圆极化波辐射（或接收）装置2）系统构建系统构建时，如图6所示，将DH926B型微波分光仪发射端喇叭换成 DH30002型电磁波极化天线，即如图7所示的圆锥喇叭，并使圆锥喇叭连接方式同原矩形发射喇叭连接（圆锥喇叭的方圆波导转换仍连接微波分光仪的衰减器和DH1121B型三厘米固态信号源的振荡器）;DH926B型微波分光仪的
9、接收喇叭（矩形喇叭） 口面应与DH30002型电磁波极化天线（圆锥喇叭）口面互相正对，它们各自的 轴线应在一条直线上，指示两喇叭位置的指针分别指于工作平台的90刻度或0-180刻度处。图6圆极化波左旋/右旋实验图7 DH30002型电磁波极化天线3）实验操作将辐射喇叭（圆锥喇叭）旋转 45，其内部介质片也随之旋转，内部介质片应与喇叭垂直轴线成 45,此时，理论上实现了圆极化波幅度相等条件的要 求。察看表头指示，同时，旋转 DH926B型微波分光仪的接收喇叭（矩形喇叭） 如果表头指示在微波分光仪的接收喇叭旋转到任一角度时基本接近，就实现了用DH30002 型电磁波极化天线得到了圆极化波； 但如果
10、表头指示差别很大， 适当调 整辐射喇叭（圆锥喇叭）的角度，直到接收喇叭旋转到任一角度时表头指示接近。此时，我们可以根据圆极化波右旋、左旋的特性来判断右旋、左旋圆极化波。4. 圆极化波反射/折射1）原理用本仪器可以证实右旋圆极化波经过反射后成为左旋圆极化波，而折射进入另一媒质时仍为右旋圆极化波。辐射的右旋圆极化波必须用右旋圆极化天线接收。若用左旋圆极化波天线时，接收天线为零（如图 8）。相反亦然。2）系统构建在上述第3个实验的基础上，即 DH926B型微波分光仪发射端喇叭一一 DH30002型电磁波极化天线（圆锥喇叭）在调整形成圆极化波的基础上，将微波 分光仪接收端喇叭（矩形喇叭）也更换成 DH
11、30002型电磁波极化天线（圆锥喇 叭），并使圆锥喇叭连接方式同原矩形接收喇叭连接（圆锥喇叭的方圆波导转换 仍连接微波分光仪的检波器）；接收与发射喇叭（DH30002型电磁波极化天线） 口面互相正对，它们各自的轴线应在一条直线上，指示两喇叭位置的指针分别指 于工作平台的90刻度处。将支座放在工作平台上，并利用平台上的定位销和刻线对正支座， 拉起平台上四个压紧螺钉旋转一个角度后放下，即可压紧支座。将半透射板放到支座上时,应使半透射板平面与支座下面的小圆盘上的0-180这对刻线一致，这时小平台上的90刻度就与半透射板的法线方向一致。如图 9所示。图9圆极化波反射/折射3）实验操作转动微波分光仪的小
12、平台，使固定臂指针指在某一刻度处，这刻度数就是入 射角度数，然后匀速转动活动臂,观察表头指示，以此来证实右旋圆极化波经过 反射后成为左旋圆极化波，而折射进入另一媒质时仍为右旋圆极化波。辐射的右 旋圆极化波必须用右旋圆极化天线接收， 若用左旋圆极化波天线时，接收天线为 零。入射角最好取30至65之间，因为入射角太大或太小接收喇叭有可能直 接接收入射波。做这项实验时应注意系统的调整和周围环境的影响。顺时针匀速转动 接收喇叭,通过观察表头示数证实右旋圆极化波经过反射后 成为左旋圆极化波，而折射进入另一媒质时仍为右旋圆极化波。 辐射的右旋圆极 化波必须用右旋圆极化天线接收，若用左旋圆极化波天线时，接收天线为零