PASCO物理组合实验系列 微波光学组合实验 王威武编译 上海交通大学物理实验中心
PASCO 物理组合实验系列 微波光学组合实验 王威武 编译 上海交通大学物理实验中心
目录 引言… 实验1系统介绍 实验2反射 3 实验3驻波一测量波长 4 实验4棱镜的折射… 7 实验5偏振… 9 实验6双缝干涉… 11 实验7劳埃德镜… 实验8法布里-珀罗干涉仪 15 实验9迈克尔逊干涉仪… 实验10纤维光学 18 实验11布儒斯特角… o 实验12布喇格衍射…2引
目 录 引言···································································································································· I 实验 1 系统介绍············································································································· 1 实验 2 反射····················································································································· 3 实验 3 驻波── 测量波长··························································································· 4 实验 4 棱镜的折射········································································································· 7 实验 5 偏振····················································································································· 9 实验 6 双缝干涉············································································································· 11 实验 7 劳埃德镜············································································································· 13 实验 8 法布里-珀罗干涉仪··························································································· 15 实验 9 迈克尔逊干涉仪································································································· 16 实验 10 纤维光学············································································································· 18 实验 11 布儒斯特角········································································································· 19 实验 12 布喇格衍射········································································································· 21 1
引言 在微波频率范围内研究光学现象有许多优点。用波长为2.85厘米微波转换了实验的刻 度，微米变成厘米，改变传统光学实验小刻度易变不清晰的缺点，使实验易于观察和操作。 PASCO科学模型WA-9314B基本微波光学系统就充分利用这些优点。基本微波光学系统由 发射波长为2.85cm的发射器和具有多种放大倍数（从1X到30X)的接收器组成，也包括 研究各种光学现象所需的附属设备。 本手册描述了微波仪器的操作和维护，并给出多个实验的详细说明，从反射和折射的定 量研究到迈克耳逊干涉和法布里-珀罗干涉的微波模型。若有WA-9316或WA-9315还可以 研究布喇格衍射和布儒斯特角。 实验仪器 耿氏二极管发射器 耿氏二极管发射器输出波长为2.85cm,功率为15mW相干线偏振波。该发射器由耿氏 二极管，10.525GHz谐振腔、控制输出的喇叭及为减小桌面反射，高度为18cm的支架组成。 发射器可接入标准115V或220/240V,50/60Hz的交流电。它还包括一个用发光二极管做指 示的电源指示灯及测量偏振角用的刻度盘。 耿氏二极管是起着在微波波段振荡的非线性电阻的作用。沿二极管轴向线偏振的微波经 喇叭发射出沿喇叭轴线的微波波束。 微波发射器的操作 将电源插头接入发射器底部面板上的 插孔，并将电源插头插入115V或220/240V, 50/60Hz标准交流电源。 注意：虽然微波发射器的输出能量在标准范 围内，但是当发射器打开的时候不能 近距离地对着喇叭口看。 Microwave Transmitter with Power Supply 电源规格 9V,500mA: 微型听筒塞孔接头（尖头为正）。 微波接收器 接收器连有电流计，在低幅信号下它的读数和入射波信号强度大致成比例。微波喇叭和 发射器是一样的，收集微波信号并把它引入10.525GHz谐振腔内的肖特基二极管。该二极 管只响应沿二极管轴线偏振的那部分波并生成随微波信号振幅变化的直流电压。 接收器有四档放大范围，从1到30，对每档范围，可用微调旋钮调整放大率。为方便 2
引 言 在微波频率范围内研究光学现象有许多优点。用波长为 2.85 厘米微波转换了实验的刻 度，微米变成厘米，改变传统光学实验小刻度易变不清晰的缺点，使实验易于观察和操作。 PASCO 科学模型 WA-9314B 基本微波光学系统就充分利用这些优点。基本微波光学系统由 发射波长为 2.85cm 的发射器和具有多种放大倍数（从 1X 到 30X）的接收器组成，也包括 研究各种光学现象所需的附属设备。 本手册描述了微波仪器的操作和维护，并给出多个实验的详细说明，从反射和折射的定 量研究到迈克耳逊干涉和法布里-珀罗干涉的微波模型。若有 WA-9316 或 WA-9315 还可以 研究布喇格衍射和布儒斯特角。 实验仪器 耿氏二极管发射器 耿氏二极管发射器输出波长为 2.85cm，功率为 15mW 相干线偏振波。该发射器由耿氏 二极管，10.525GHz 谐振腔、控制输出的喇叭及为减小桌面反射，高度为 18cm 的支架组成。 发射器可接入标准 115V 或 220/240V，50/60Hz 的交流电。它还包括一个用发光二极管做指 示的电源指示灯及测量偏振角用的刻度盘。 耿氏二极管是起着在微波波段振荡的非线性电阻的作用。沿二极管轴向线偏振的微波经 喇叭发射出沿喇叭轴线的微波波束。 微波发射器的操作 将电源插头接入发射器底部面板上的 插孔，并将电源插头插入 115V 或 220/240V， 50/60Hz 标准交流电源。 注意：虽然微波发射器的输出能量在标准范 围内，但是当发射器打开的时候不能 近距离地对着喇叭口看。 电源规格 9 V，500mA； 微型听筒塞孔接头（尖头为正）。 微波接收器 接收器连有电流计，在低幅信号下它的读数和入射波信号强度大致成比例。微波喇叭和 发射器是一样的，收集微波信号并把它引入 10.525GHz 谐振腔内的肖特基二极管。该二极 管只响应沿二极管轴线偏振的那部分波并生成随微波信号振幅变化的直流电压。 接收器有四档放大范围，从 1 到 30，对每档范围，可用微调旋钮调整放大率。为方便 2
课堂演示，香焦插头连接器提供可接入投影仪输出信号（如PASCO Model ES9065投影仪 或$E-9617直流电压表)。输出信号也可接入示波器。接收器由电池供电，并附有发光二极 管指示灯，发光二极管亮时表明已开启接收器，电池在工作。和发射器一样，接在18cm高 的支架上可以减少桌面的反射，并配有刻度圆盘方便测量偏振角。 接收器一侧有一凹形连接器用来连接 微波探测器。探测器除了没有喇叭和共振腔 外，其它和接收器是一样的。喇叭能阻碍波 的传播，在测量波谱时探测器就显出它的优 势，如实验3所描述的驻波波谱。 注意：接收器的检波二极管是非线性设备。 这种非线性对大多数实验没有什么 影响。值得注意的是，电流计读数不 与电场强度(E)或入射波强度(I) 成正比，它只大致反应出某些中间 值。 Microwave Receiver 微波接收器的操作 注意：使用接收器以前，你需要安装两节9V的电池。详情参考手册最后的维护部分。 1.将NTENSITY选项钮从OFF旋到30X。若电池指示灯亮，说明电池是好的，若不亮， 则应按照维护部分所介绍的步骤更换电池。 注意：NTENSITY选项的设置值乘上电流计读数才是你真正应测得的数值。例如3OX,表 明你应该把电流计读数乘上30才能得出当NTENSITY选项设为IX的一样的值，当 然在测量中不能改变VARIABLE SENSITIVITY旋钮的位置。 2.将微波喇叭指向入射波。除非研究偏振效应，调整发射器和接收器的偏振角使它们方向 相同（如两喇叭都垂直或都水平）。 3.调节VARIABLE SENSITIVITY旋钮，使电流计指针指向正中。若电流计指针没有偏转， 顺时针旋转NTENSITY旋钮增大放大率。作定量比较测量时，记住将电流计读数乘上 放大率。 设备初装 Washers 做实验前要将发射器和接收器连到它们 各自的支架上，并遵循以下步骤： Hand screw 1.将接收器的发射器面板后面的手转旋钮 旋开。 2.如图所示将设备接到支架上，注意垫圈的 位置。 Attaching the Transmitter and Recelver Stands 3
课堂演示，香焦插头连接器提供可接入投影仪输出信号（如 PASCO Model ES9065 投影仪 或 SE-9617 直流电压表）。输出信号也可接入示波器。接收器由电池供电，并附有发光二极 管指示灯，发光二极管亮时表明已开启接收器，电池在工作。和发射器一样，接在 18 cm 高 的支架上可以减少桌面的反射，并配有刻度圆盘方便测量偏振角。 接收器一侧有一凹形连接器用来连接 微波探测器。探测器除了没有喇叭和共振腔 外，其它和接收器是一样的。喇叭能阻碍波 的传播，在测量波谱时探测器就显出它的优 势，如实验 3 所描述的驻波波谱。 注意：接收器的检波二极管是非线性设备。 这种非线性对大多数实验没有什么 影响。值得注意的是，电流计读数不 与电场强度（ E ）或入射波强度（ I ） 成正比，它只大致反应出某些中间 值。 微波接收器的操作 注意：使用接收器以前，你需要安装两节 9V 的电池。详情参考手册最后的维护部分。 1．将 INTENSITY 选项钮从 OFF 旋到 30X。若电池指示灯亮，说明电池是好的，若不亮， 则应按照维护部分所介绍的步骤更换电池。 注意：INTENSITY 选项的设置值乘上电流计读数才是你真正应测得的数值。例如 30X，表 明你应该把电流计读数乘上 30 才能得出当 INTENSITY 选项设为 1X 的一样的值，当 然在测量中不能改变 VARIABLE SENSITIVITY 旋钮的位置。 2．将微波喇叭指向入射波。除非研究偏振效应，调整发射器和接收器的偏振角使它们方向 相同（如两喇叭都垂直或都水平）。 3．调节 VARIABLE SENSITIVITY 旋钮，使电流计指针指向正中。若电流计指针没有偏转， 顺时针旋转 INTENSITY 旋钮增大放大率。作定量比较测量时，记住将电流计读数乘上 放大率。 设备初装 做实验前要将发射器和接收器连到它们 各自的支架上，并遵循以下步骤： 1．将接收器的发射器面板后面的手转旋钮 旋开。 2．如图所示将设备接到支架上，注意垫圈的 位置。 3
3.要调整发射器和接收器的偏振角，松开手转旋钮，转动设备，在预定方向上旋紧旋钮。 用设备背部的刻度盘测量偏振角。注意，在大部分实验中，接收器和发射器的偏振方向 相同，使它们的偏振角匹配则显得尤为重要。若将其中一个设备旋转10°，则应将另一 设备旋转-10°(350°)。 附属设备 基本微波光学系统的附属设备包括： Rotating Table(1) Goniometer(1) Component Hoider(☒ Rotating Component Holder(1) Fixed Arm Assembly(1) 角度计(1) 固定臂设备(1) 旋转台(1)支架(2)可转支架(1) Metal Reflector (2) Slit Extender Arm(1) Partial Reflector (2) Narrow Slit Spacer(1) Polarizers(2) Wide Slit Spacer (1) 金属反射镜(2) 狭缝添加臂(1) 部分反射镜(2) 狭缝添加臂(1) 偏振片(2)) 宽缝屏(1)
3．要调整发射器和接收器的偏振角，松开手转旋钮，转动设备，在预定方向上旋紧旋钮。 用设备背部的刻度盘测量偏振角。注意，在大部分实验中，接收器和发射器的偏振方向 相同，使它们的偏振角匹配则显得尤为重要。若将其中一个设备旋转 10°，则应将另一 设备旋转-10°（350°）。 附属设备 基本微波光学系统的附属设备包括： 角度计（1） 固定臂设备（1） 旋转台（1） 支架（2）可转支架（1） 金属反射镜（2） 狭缝添加臂（1） 部分反射镜（2） 狭缝添加臂（1） 偏振片（2） ） 宽缝屏（1） 4