Get清风电磁场与微波实验三报告双缝干涉实验.docx

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Get清风电磁场与微波实验三报告双缝干涉实验

电磁场与微波实验三报告——双缝干涉实验

双缝干预实验

1.

实验原理

如右图所示，当一平面波垂直入射到一金属板的两条狭缝上时，那么每一条狭缝就是次级波波源。

由同一波源到达两缝后所发出的次级波是相干波，因此在金属板后面的空间中将产生干预现象。

当然，当光通过每条缝时也会出现前面所讨论过的衍射现象，因此这项实验是干预和衍射两者结合的结果，为重点研究干预的结果，可以通过控制波长和缝隙宽度来使衍射的现象减弱。

假设b为双缝的间距，a仍为缝宽，取a尽量接近波长λ。

在这样的条件下当取较大的b时，干预强度受单缝衍射的影响较小，反之，当b较小时，干预强度受单缝衍射影响较大。

干预加强的角度为半波长的偶数倍处：

式中K=1,2,…;干预减弱的角度为半波长的奇数倍处：

式中K=1,2,…。

只要a、b选取合理，可以只对1级极大的干预角和0级极小的干预角进行讨论。

2.实验步骤

实验平台搭接如上

调整双缝板的缝宽到所需大小，将狭缝板放到支座上，使板面与小圆盘上的90-90刻线一致。

固定臂的指针指在小平台的180刻度处。

调整信号电平使数据采集仪接近满刻度。

〔注意：

双缝板的两面材料不同〕开始实验前，检查实验装置状态，注意仪器保护。

〔尤其三厘米固态信号源〕观察三厘米固态信号源的“等幅〞和“方波〞档的设置，将数据采集仪的“等幅/方波〞设置按钮等同于三厘米固态信号源的设置。

由于双缝板横向尺寸有限，b选取较大时，接收端转角过大，易使微波直接被接收端接收，使数据产生偏差。

在主菜单页面点击“双缝干预实验〞，弹出“建议提示框〞，这是软件建议选择的“采集点数〞和“脉冲通道〞，单击“OK〞进入“输入采集参数〞界面。

本实验默认选取通道1作为光栅通道插座和数据采集仪的数据接口。

采集点数可根据提示选取。

在“输入采集参数〞界面点击“试采集〞按钮，可预览采集过程。

试采集后，假设开始“正式采集〞，务必要把实验装置恢复到实验的初始状态，方可继续进行“正式采集〞工作！

本实验采集180个点，采集结束后，可对数据进行保存，点击“保存数据〞按钮进行保存。

默认存储路径为本软件安装的根目录，保存格式是以“.txt〞为扩展名的文本文件。

3.实验结果

当λ=3.2cm时，f=9.375GHz，对应于微波源刻度值为4.308mm.

当a=4cm,λ=3.2cm,b/a=1.7时测定的干预实验曲线如上，左侧第0级极小干预角φ1=9度，第1级极大干预角φ2=17度，右侧第0级极小干预角φ3=9度，第1级极大干预角φ4=19度，曲线较为对称，干预显著。

当a=4cm,λ=3.2cm,b/a=1.3时测定的干预实验曲线如上，左侧第0级极小干预角φ1=10度，第1级极大干预角φ2=18度，右侧第0级极小干预角φ3=12度，第1级极大干预角φ4=23度，曲线较为对称，干预显著。

当a=6cm,λ=3.2cm,b/a=1.5时测定的干预实验曲线如上，左侧第0级极小干预角φ1=8度，第1级极大干预角φ2=14，右侧第0级极小干预角φ3=7，第1级极大干预角φ4=13度，曲线对称性不佳，可能是转动臂的转动角度过大的原因或者是实验板大小受限，双缝板上缝隙处侧边还留有小缝隙的缘故。

当a=6cm,λ=3.2cm,b/a=1.1时测定的干预实验曲线如上，左侧第0级极小干预角φ1=8度，第1级极大干预角φ2=15，右侧第0级极小干预角φ3=8，第1级极大干预角φ4=14度，曲线对称性不佳，可能是转动臂的转动角度过大的原因或者是实验板大小受限，双缝板上缝隙处侧边还留有小缝隙的缘故。

4.结果分析与讨论

电磁波/光波干预现象的应用:

光学仪器中，光学元件外表的反射，不仅影响光学元件的通光能量；而且这些反射光还会在仪器中形成杂散光，影响光学仪器的成像质量。

为了解决这些问题，通常在光学元件的外表镀上一定厚度的单层或多层膜，目的是为了减小元件外表的反射光，这样的膜叫光学增透膜〔或减反膜〕。

这里我们首先从能量守恒的角度对光学增透膜的增透原理给予分析。

一般情况下，当光入射在给定的材料的光学元件的外表时，所产生的反射光与透射光能量确定，在不考虑吸收、散射等其他因素时，反射光与透射光的总能量等于入射光的能量。

即满足能量守恒定律。

当光学元件外表镀膜后，在不考虑膜的吸收及散射等其他因素时，反射光和透射光与入射光仍满足能量守恒定律。

而所镀膜的作用是使反射光与透射光的能量重新分配。

对增透膜而言，分配的结果使反射光的能量减小，透射光的能量增大。

由此可见，增透膜的作用使得光学元件外表反射光与透射光的能量重新分配，分配的结果是透射光能量增大，反射光能量减小。

光就有这样的特性：

通过改变反射区的光强可以改变透射区的光强。

光从一种介质反射到另一种介质时，在两种介质的交界面上将发生反射和折射，把反射光强度与入射光强度的比值叫做反射率。

用

表示，

，

和

分别表示反射光和入射光的振幅

　　设入射的光强度为1，那么反射光的强度为

，在不考虑吸收及散射情况下，折射光的强度为〔1-ρ〕。

根据菲涅尔公式和折射定律可知：

当入射角很小时，光从折射率n1的介质射向折射率n2介质，反射率

                 〔1〕

　　在介质外表镀一层增透膜，设空气、薄膜、介质的折射率分别为n1、、n、n2,薄膜厚度为d，如下列图所示：

在入射角很小的情况下，空气与薄膜之间的反射率为　

薄膜与介质之间的反射率为

　　如果把入射光线的强度仍设为1，光线①是入射光线经过空气与薄膜的界面一次反射形成的，那么其强度为

；光线②入射光线经过空气与薄膜的界面两次折射和薄膜与介质的界面一次反射而形成的，其强度为

；光线③是入射光线经过空气与薄膜的界面两次折射、一次反射和薄膜与介质的界面两次反射而形成的，其强度为

。

如果

、

、

，那么光线①的强度为

，光线②的强度为

，光线③的强度为

，此光束以后反射到空气中的强度将更小。

由此可见，返回空气中的光线主要是①和②，而其它的光线强度非常小可以略去不计。

那么，只要光线①和②满足振幅相等，正好反相时，那么相互抵消，整个系统的反射光能量接近零。

根据增透膜增透过程中能量守恒，透射过去的光能量得到了增强，几乎使全部光透射过去。

　　通过上面的分析我们知道，只要使光线①和②的振幅相等，并且正好反相，这层薄膜就起到了理想的增透作用。

欲使光线①和②振幅相等，即强度相等，那么

．由于

非常小，

非常接近1，所以，只要

就可以实现1和2振幅相等。

又因

所以①和②振幅相等的条件是：

化简上式，薄膜的折射率应满足

。

一般空气折射率n1为1，

为玻璃折射率为1．5，那么增透膜的折射率为

，所以人们选择增透膜的折射率应等于1．23或接近它。

由于折射率小于氟化镁〔折射率为1．38〕的镀膜材料很难找到，所以，现在一般都用氟化镁镀制增透膜。

另外，要使光线①和②正好反相，对薄膜的厚度有一定的要求。

当光从光疏介质射向光密介质时，反射光有半波损失。

对于玻璃上的增透膜，其折射率大小介于玻璃和空气的折射率之间，所以，当光从空气透过薄膜射向玻璃时，光线①在空气与薄膜的交界面反射时有半波损失，光线②在薄膜与介质的交界面反射时也有半波损失。

所以，当光从空气透过介质薄膜垂直射入玻璃时，光线①和②要干预相消，只要光线①和光线②的光程相差半个波长。

那么让薄膜厚度

〔k为自然数，

为光在薄膜中波长〕，这样光线②经薄膜传播一个来回比光线①多行

，因为光是波，具有周期性，所以不管k为哪个自然数，光线②与光线①的光程只要相差半个波长，就能到达目的。

在这里还要强调光从光疏介质射向光密介质时，反射光有半波损失。

而当

时，这样光线①和②返回空气中时都经历了一次半波损失，相互抵消，可以不考虑半波损失。

下面总结光线①和②的干预情况与膜的厚度关系为：

其中k为自然数，

为光在薄膜中的波长。

因此，当膜的厚度

那么光线①和②重合时，出现干预相消，从而减弱反射光的强度，增加透射光的强度，起到增透的作用。

当然，要满足光线①和②的重合，必须要求光线垂直入射，所以，增透膜在光线垂直入射时效果最好，入射角很小时增透膜也有一定的增透作用，但不如垂直入射时效果好。

讨论干预图像随a、b取值不同的变化特点，进行误差分析，说明操作步骤中需要注意的事项

当b/a越大的时候，所有极大条纹的强度值差距较为显著，即衍射现象显著；当b/a变小时，除0级条纹外其他极大条纹强度增加，与0级极大条纹处强度差距减小，说明干预现象显著性增强。

当a取值比拟小时，干预图案左右较为对称，此时受环境及干预板横向尺寸影响较小，而当a取值变大后，干预图案变得没那么规那么，可能是转动臂的转动角度过大的原因或者是实验板大小受限，双缝板上缝隙处侧边还留有小缝隙的缘故。

●信号源与数据采集仪“等幅/方波〞对应

●采集过程开始后，软件无采集信号时，关闭软件重新启动

●调整微波源谐振腔的千分尺，适度选取天线发射端的微波波长

●测试前使数据采集仪上读取的接收喇叭天线在无遮挡情况下的信号强度接近满量程

●周围环境、实验板大小有限、转动角度限制，都会影响到实验的精度

什么时候衍射和干预共存〔相当〕？

你认为干预信号主要包含了什么信息？

干预加强的角度

干预减弱的角度

衍射明纹的角度

衍射暗纹的角度

当b=0时，衍射加强和减弱的角度与干预加强与减弱的角度恰好相等，此时两缝之间的距离变为0，说明衍射是干预的特殊情况。

干预信号说明了两波源是相干的，有相同的频率和固定的相位差，且它们的振动方向也是一致的。

从干预信号中能够借助可以测量的a和b计算出波长λ来。