微波技术实验报告

微波技术实验报告——光的偏振摘要：由于微波是频率非常高的电磁波，具有一些与光波类似的性质。因此，用微波研究光学现象有很多优点。本实验就是利用3cm固体信号发生器产生波长约3cm的微波，来验证（定性）电磁波的一些特性和规律，例如,反射特性、干涉特性、衍射特性、偏振特性，以及晶体对电磁波的衍射特性等。本实验将重点讲解光的偏振性，并对微波的产生、传播和检测的知识与技术有所了解。关键字：微波电磁波偏振实验目的（1）用微波验证（定性）电磁波的特性与规律：偏振特性。（2）分析实验数据，做出图像。（3）与理论图像进行比较，分析误差原因。实验原理（1）光是一种电磁波，由于电磁波对物质的作用主要是电场，故在光学中把电场强度E称为光矢量。在垂直于光波传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动方向，通常把光矢量保持一定的振动方向上的状态称为偏振态。如果光在传播过程中，若光矢量保持在固定平面上振动，这种振动状态称为平面振动态，此平面称为振动面（见图一）。此时此时光矢量在垂直与传播方向平面上的投影为一条直线，故又称为线偏振态。（2）微波是波长介于1m和1mm的电磁波，它具有电磁波的特性，即能够产生反射、折射、干涉、衍射等现象。用微波和用光波做波动实验所说明的波动现象及其规律是一致的，由于微波的波长比光波的波长在量级上差一万倍左右，因此用微波做波动实验比用光波做波动实验更直观和方便。（3）虽然普通光源发出自然光，但是在自然界中存在各种偏振光，目前使用最广泛的偏振光的器件为人造偏振片，它利用二向色性获得偏振光（有些各向同性介质，在某些作用下会呈现各向异性，能强烈吸收入射光矢量在某方向上的分量，而通过其垂直分量，从而使入射的自然光变为偏振光介质的这种特性称为二向色性。）。偏振器件可以用来使入射的自然光变为平面偏振光——起偏，也可以用来鉴别线偏振光、自然光和部分偏振光——检偏、用作起偏的偏振片叫做起偏器，用作检偏的偏振片叫做检偏器。实际上，两者为通用的。（4）若两偏振片的透振方向之间的夹角为，透过起偏器的线偏振光振幅为A0，则透过检偏器的线偏振光的振幅为A，220cosAA，强度2AI，220220coscosIAI，其中0I为进入检偏器前（检偏器无吸收时）线偏振光的强度。称为马吕斯定律。显然，以光线传播方向为轴，转动检偏器时，透射光强将发生周期性变化。（5）在本实验中，微波在自由传播时为横电磁波，它的电场强度矢量E与磁场强度矢量H与波的传播方向S垂直，它们的振动面的方向总是保持不变，三者满足右手螺旋定则：E×H=S。如果E在垂直于传播方向平面内沿一条固定的直线变化，称为线极化波，也称为偏振波。在矩形波导中传播的微波为TD10波，它是竖直偏振的，如果接收端波导的放置状态与发射端一致，则接收端能接受到微波，其强度为I0，如果接收端波导相对于发射端波导沿中心轴线旋转一个角度，则只有垂直于波导宽面的微波分量在波导中存在，平行于宽面的分量被衰减掉。在整个过程中检测到的微波强度为20cosII，即马吕斯（Malus）定律。图一实验装置微波分光仪，由微博发生、变换、接受和检测等部分组成（见图二）。稳压电源、体效应管和微波谐振腔共同组成了“微波固体源”，所产生的微波经过耦合孔进入波导管，波导管为矩形波导管，它能在来自谐振腔的微波中选出TD10波，该波形的电场分量为竖直的，由天线发出去，天线的方向增益约20dB，在波导管中有衰减器，可以控制微波的输出强度（功率），微波的发射固定在一个固定的金属臂上，该金属臂能绕放置分波元件的度盘旋转，其旋转角度能从度盘上读出。在接收端的波导中有垂直于宽面放置的检波二极管，能接收到的微波信号变成直流或低频信号输出，与之连接的微安表可以检测到该电流，且该电流与接收到的微波强度成正比。图二实验内容做偏振实验不需要在度盘上放置任何分波元件，将两个喇叭口面互相平行，其轴线在一条直线上。接收喇叭可绕其轴线旋转，每旋转一个角度，测量接受到的微波强度。利用角度和强度数据，验证马吕斯定律。实验数据我们测得原始数据：度数051015202530354045505560657075808590示数99989794918682756860524332211372.410（注：度数单位为度，示数单位为毫安）根据数据画出图像：（注：红色曲线为理论曲线）数据分析（1）观察我们所得出的曲线与理论曲线的大致走向相同，我们认为验证了马吕斯定律。（2）观察到与理论曲线有一定的偏差，分析原因。误差分析（1）波导中传播的电磁波为线偏振波。（2）周围环境中电磁波对其产生干扰。参考文献大华无线电仪器厂.1998.微波分光仪说明书高铁军，朱俊孔.2000.近代物理实验.济南：山东大学出版社