少年班系07級(jí)姓名許競(jìng)偉學(xué)號(hào)PB07000819日期08.11.24實(shí)驗(yàn)十、微波布拉格衍射實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解與學(xué)習(xí)微波產(chǎn)生的基本原理以及傳播和接收等基本特性。2、觀測(cè)模擬晶體的微波布拉格衍射現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)儀器DHMS-1型微波光學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)儀一套，包括：三厘米微波信號(hào)源、固態(tài)微波震蕩器、衰減器、隔離器、發(fā)射喇叭、接收喇叭、檢波器、檢波信號(hào)數(shù)顯器、可旋轉(zhuǎn)載物平臺(tái)和支架，以及實(shí)驗(yàn)用附件（晶體模型、讀數(shù)機(jī)構(gòu)等）。實(shí)驗(yàn)原理微波的產(chǎn)生微波波長(zhǎng)從1m到0.1mm，其頻率范圍從300MHz～3000GHz，是無(wú)線電波中波長(zhǎng)最短的電磁波。微波波長(zhǎng)介于一般無(wú)線電波與光波之間，因此微波有似光性，它不僅具有無(wú)線電波的性質(zhì)，還具有光波的性質(zhì)，即具有光的直射傳播、反射、折射、衍射、干涉等現(xiàn)象。由于微波的波長(zhǎng)比光波的波長(zhǎng)在量級(jí)上大10000倍左右，因此用微波進(jìn)行波動(dòng)實(shí)驗(yàn)將比光學(xué)方法更簡(jiǎn)便和直觀。本實(shí)驗(yàn)裝置由微波三厘米固態(tài)信號(hào)電源、固態(tài)微波震蕩器、衰減器、發(fā)射喇叭、載物平臺(tái)、接收喇叭、檢波器、液晶顯示器等組成。（選件：簡(jiǎn)單立方交替模型等）圖11調(diào)諧桿2諧振腔3輸出孔4體效應(yīng)管5偏壓引線6負(fù)載體效應(yīng)振蕩器經(jīng)微波三厘米固態(tài)信號(hào)電源供電，使得體效應(yīng)管內(nèi)的載流子在半導(dǎo)體材料內(nèi)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生微波，經(jīng)調(diào)諧桿調(diào)制到所要產(chǎn)生的頻率。產(chǎn)生的微波經(jīng)過(guò)衰減器（可以調(diào)節(jié)輸出功率）由發(fā)射喇叭向空間發(fā)射（發(fā)射信號(hào)電矢量的偏振方向垂直于水平面）。微波碰到載物臺(tái)上的選件，將在空間上重新分布。接收喇叭通過(guò)短波導(dǎo)管與放在諧振腔中的檢波二極管連接，可以檢測(cè)微波在平面分布，檢波二極管將微波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)化，由液晶顯示器顯示。模擬晶體的布拉格衍射實(shí)驗(yàn)圖5晶體結(jié)構(gòu)模型布拉格衍射是用X射線研究微觀晶體結(jié)構(gòu)的一種方法。因?yàn)閄射線的波長(zhǎng)與晶體的晶格常數(shù)同數(shù)量級(jí)，所以一般采用X射線研究微觀晶體的結(jié)構(gòu)。而在此用微波模擬X射線，照射到放大的晶體模型上，產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象與X射線對(duì)晶體的布拉格衍射現(xiàn)象與計(jì)算結(jié)果都基本相似。所以通過(guò)此實(shí)驗(yàn)對(duì)加深理解微觀晶體的布拉格衍射實(shí)驗(yàn)方法是十分直觀的。圖5晶體結(jié)構(gòu)模型固體物質(zhì)一般分晶體與非晶體兩大類，晶體又分單晶與多晶。組成晶體的原子或分子按一定規(guī)律在空間周期性排列，而多晶體是由許多單晶體的晶粒組成。其中最簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)如圖5所示，在直角坐標(biāo)中沿X、Y、Z三個(gè)方向，原子在空間依序重復(fù)排列，形成簡(jiǎn)單的立方點(diǎn)陣。組成晶體的原子可以看作處在晶體的晶面上，而晶體的晶面有許多不同的取向。如圖4左方為最簡(jiǎn)立方點(diǎn)陣，右方表示的就是一般最重要也是最常用的三種晶面。這三種晶面分別為（100）面、（110）面、（111）面，圓括號(hào)中的三個(gè)數(shù)字稱為晶面指數(shù)。一般而言，晶面指數(shù)為的晶面族，其相鄰的兩個(gè)晶面間距d=。顯然其中（100）面的間距d等于晶格常數(shù)；相鄰的兩個(gè)（110）面的晶面間距d=；而相鄰兩個(gè)（111）面的晶面間距d=。實(shí)際上還有許許多多更復(fù)雜的取法形成其他取向的晶面族。因微波的波長(zhǎng)可在幾厘米，所以可用一些鋁制的小球模擬微觀原子，制作晶體模型。具體方法是將金屬小球用細(xì)線串聯(lián)在空間有規(guī)律地排列，形成如同晶體的簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣。各小球間距d設(shè)置為4cm（與微波波長(zhǎng)同數(shù)量級(jí)）左右。當(dāng)如同光波的微波入射到該模擬晶體結(jié)構(gòu)的三維空間點(diǎn)陣時(shí)，因?yàn)槊恳粋€(gè)晶面相當(dāng)于一個(gè)鏡面，入射微波遵守反射定律，反射角等于入射角，如圖5所示。而從間距為d的相鄰兩個(gè)晶面反射的兩束波的程差為，其中為入射波與晶面的夾角。顯然，只是當(dāng)滿足（5）時(shí)，出現(xiàn)干涉極大。方程（5）稱為晶體衍射的布拉格公式。圖6布拉格衍射圖6布拉格衍射如果改用通常使用的入射角表示，則（5）式為（6）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、微波源基本特性觀測(cè)旋轉(zhuǎn)調(diào)諧桿旋鈕，改變頻率，觀察輸入電流變化，了解固態(tài)微波信號(hào)源工作原理；改變接收喇叭短波導(dǎo)管處的負(fù)載與晶體檢波器之間的距離，觀察阻抗不匹配對(duì)輸出功率的影響；也可改變頻率，固定負(fù)載與晶體檢波器之間的距離，觀測(cè)頻率的變化對(duì)輸出功率的影響。2．微波的反射將金屬板平面安裝在一支座上，安裝時(shí)板平面法線應(yīng)與支座圓座上指示線方向一致。將該支座放置在載物臺(tái)上時(shí)，支座圓座上指示線指示在載物小平臺(tái)位置。這意味著小平臺(tái)零度方向即是金屬反射板法線方向。轉(zhuǎn)動(dòng)小平臺(tái)，使固定臂指針指在某一角度處，這角度讀數(shù)就是入射角，然后轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)臂在液晶顯示器上找到一最大值，此時(shí)活動(dòng)臂上的指針?biāo)傅男∑脚_(tái)刻度就是發(fā)射角。如果此時(shí)電表指示太大或太小，應(yīng)調(diào)整衰減器、固態(tài)震蕩器或晶體檢波器，使表頭指示接近滿量程。做此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，入射角最好取30度至65度之間，因?yàn)槿肷浣翘蠼邮绽扔锌赡苤苯咏邮杖肷洳ǎ瑫r(shí)應(yīng)注意系統(tǒng)的調(diào)整和周圍環(huán)境的影響。入射角（度）303234363840…64反射角（度）實(shí)驗(yàn)記錄：3、布拉格衍射實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)喇叭口的安置同反射實(shí)驗(yàn)一樣。模擬具體球應(yīng)用模片調(diào)得上下應(yīng)成為一方形點(diǎn)陣，各金屬球點(diǎn)陣間距相同。模擬晶片架上的中心孔插在一專用支架上，將支架放至平臺(tái)上時(shí)，應(yīng)讓晶體的中心軸與轉(zhuǎn)動(dòng)軸重合。并使所研究的晶面（100）法線正對(duì)小平臺(tái)上的零刻度線。為了避免兩喇叭之間波的直接入射，入射角取值范圍最好在30度到60度之間，尋找一級(jí)衍射最大。數(shù)據(jù)記錄：入射角303336394560反射角U(mV)數(shù)據(jù)處理1.微波的反射：（固定入射角為45度）反射角30323436384042U（mv）56.571.788.7104.4113.1116116.2反射角44454648505254U（mv）120.1119117.3111.110494.780.3反射角5658606264U（mv）64.645.631.519.211.42.布拉格衍射：入射角/反射角(°)303336394245U（mv）16.419.61623.422.24.3入射角/反射角(°)485154576063U（mv）0.856.33.93.64.7入射角/反射角(°)666869707275U（mv）12.740.162.658.6317.83.用直尺估測(cè)d=4.5cm.由記錄數(shù)據(jù)易看出,當(dāng)入射角和反射角為69度時(shí),U最大。實(shí)驗(yàn)所用頻率為9.3GHz，所以由λ=C/ν（C為光速，v為頻率）可得，波長(zhǎng)λ=3.22cm，又由取к=1為一級(jí)極大，可算得d=4.50cm，與實(shí)際估測(cè)結(jié)果十分相似。誤差分析本實(shí)驗(yàn)由于是用微波進(jìn)行，所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中易受到影響。使得顯示器上讀數(shù)會(huì)產(chǎn)生一定誤差。而已其本身也存在誤差因素，并且在操作過(guò)程中即旋轉(zhuǎn)角度時(shí)不能那么精確。這些因素都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定誤差。實(shí)際所測(cè)d，為用普通直尺估測(cè)而得，僅供參考。思考題實(shí)驗(yàn)內(nèi)容誤差主要影響是什么？答：主要是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)儀器的干擾，及操作不當(dāng)?shù)取＜偃珙A(yù)先不知道晶體中晶面的方向，是否會(huì)增加實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性？又該如何定位這些晶面？答：由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是要知道入射角與反射角的，所以如果預(yù)先不知道晶體中晶面的方向，則不能直接進(jìn)行操作，應(yīng)先確定晶面，所以會(huì)增加實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性。確定晶