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,则透过检偏器的线偏振光的振幅为, ,强度,,其中为进入检偏器前(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,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,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:
(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
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