文档介绍：实验十、微波布拉格衍射
实验目的
1、了解与学****微波产生的基本原理以及传播和接收等基本特性。
2、观测模拟晶体的微波布拉格衍射现象。
实验仪器
DHMS-1型微波光学综合实验仪一套,包括:三厘米微波信号源、固态微波震荡器、衰减器、隔离器、发射喇叭、接收喇叭、检波器、检波信号数显器、可旋转载物平台和支架,以及实验用附件(晶体模型、读数机构等)。
实验原理
,其频率范围从300MHz~3000GHz,是无线电波中波长最短的电磁波。微波波长介于一般无线电波与光波之间,因此微波有似光性,它不仅具有无线电波的性质,还具有光波的性质,即具有光的直射传播、反射、折射、衍射、干涉等现象。由于微波的波长比光波的波长在量级上大10000倍左右,因此用微波进行波动实验将比光学方法更简便和直观。
本实验装置由微波三厘米固态信号电源、固态微波震荡器、衰减器、发射喇叭、载物平台、接收喇叭、检波器、液晶显示器等组成。(选件:简单立方交替模型等)
图1 1 调谐杆 2 谐振腔 3输出孔 4 体效应管 5 偏压引线 6 负载
体效应振荡器经微波三厘米固态信号电源供电,使得体效应管内的载流子在半导体材料内运动,产生微波,经调谐杆调制到所要产生的频率。产生的微波经过衰减器(可以调节输出功率)由发射喇叭向空间发射(发射信号电矢量的偏振方向垂直于水平面)。微波碰到载物台上的选件,将在空间上重新分布。接收喇叭通过短波导管与放在谐振腔中的检波二极管连接,可以检测微波在平面分布,检波二极管将微波转化为电信号,通过A/D转化,由液晶显示器显示。
模拟晶体的布拉格衍射实验
图5 晶体结构模型
布拉格衍射是用X射线研究微观晶体结构的一种方法。因为X射线的波长与晶体的晶格常数同数量级,所以一般采用X射线研究微观晶体的结构。而在此用微波模拟X射线,照射到放大的晶体模型上,产生的衍射现象与X射线对晶体的布拉格衍射现象与计算结果都基本相似。所以通过此实验对加深理解微观晶体的布拉格衍射实验方法是十分直观的。
固体物质一般分晶体与非晶体两大类,晶体又分单晶与多晶。组成晶体的原子或分子按一定规律在空间周期性排列,而多晶体是由许多单晶体的晶粒组成。其中最简单的晶体结构如图5所示,在直角坐标中沿X、Y、Z三个方向,原子在空间依序重复排列,形成简单的立方点阵。组成晶体的原子可以看作处在晶体的晶面上,而晶体的晶面有许多不同的取向。如图4左方为最简立方点阵,右方表示的就是一般最重要也是最常用的三种晶面。这三种晶面分别为(100)面、(110)面、(111)面,圆括号中的三个数字称为晶面指数。一般而言,晶面指数为的晶面族,其相邻的两个晶面间距d=。显然其中(100)面的间距d等于晶格常数;相邻的两个(110)面的晶面间距d=;而相邻两个(111)面的晶面间距d=。实际上还有许许多多更复杂的取法形成其他取向的晶面族。因微波的波长可在几厘米,所以可用一些铝制的小球模拟微观原子,制作晶体模型。具体方法是将金属小球用细线串联在空间有规律地排列,形成如同晶体的简单立方点阵。各小球间距d设置为4cm(与微波波长同数量级)左右。当如同光波的微波入射到该模拟晶体结构的三维空间点阵时,因为每一个晶面相当于一个镜面,入射微波遵守反射定律,反射角等于入射角,如图5所示。而从间距为