微波的光特性概要

微波的光特性

微波技术是近代发展起来的一门新兴学科，在国防、通讯、工业、农业，以及材料科学中有着广泛应用。随着社会向信息化、数字化的迈进，微波作为无线传输信息的技术手段，将发挥更为重要的作用。特别在天体物理，射电天文、宇航通信等领域，具有别的方法和技术无法取代的特殊功能。

微波有“似光性”，用可见光、X光观察到的反射、干涉和衍射现象都可以用微波再现出来，对于微波的波长为0.01m量级的电磁波，用微波设备作波动实验要显得形象、直观，更容易理解，通过观测微波的反射干涉、衍射及偏振等现象，能加深理解微波和光都是电磁波，都具有波动这一共同性。 一、微波的特性及应用 1．微波的特性

什么是微波？微波是波长很短（也就是频率很高）的电磁波，一般把波长从1米到1毫米，频率在300—300000MHZ范围内的电磁波称作微波。广义的微波包括波长从10米到10微米（频率从30MHZ到30THZ）的电磁波。微波具有以下特点。

（1）波长短：它不同于一般的无线电波，因微波波长短到毫米,它具有类似光一样有直线传播性质。

（2）频率高：微波已成为一种电磁辐射，趋肤效应、辐射损耗相当严重。所以在研究微波问题时要采用电磁场和电磁波的概念和方法。不能采用集中参数元件。需要采用分布参数元件，如波导、谐振腔、测量线等。测量的量是驻波比，频率。特性阻抗等。

（3）量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围约为10-6～10-3eV。许多原子和分子发射和吸收的电磁波能量正好处于微波波段内，人们正是利用这

一特点研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学、量子电子学等新兴学科，并研制了量子放大器、分子钟和原子钟。

（4）能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿过地球周围的电离层，是进行卫星通信，宇航通信和射电天文学研究的一种有效手段。

基于微波具有上述特点，微波作为一门独立学科得到人们的重视，获得迅速的发展。

2．微波的应用 （1）雷达与通信

微波的早期发展与雷达密切相关：利用微波直线传播的特性，可制成军用的如超远程预警雷达，相控阵雷达。民用的气象雷达，导航雷达等。

在通信方面，微波的可用频带很宽，信息容量大，现代移动通信和卫星通信中都在微波波段。

（2）受邀辐射原理——频标、计量标准

在微波波谱学深入研究的基础上，1957年根据受激辐射原理发明了微波受激辐射放大器，即“脉塞”（MASER），这就是大家知道的量子放大器。1960年发明了光受激辐射放大器，即“莱塞”（LASER）这就是激光器。激光的发明，是本世纪科学技术上的一个重大突破，但是追根寻源，不难看出激光器的发明只是将微波技术中的（受激辐射原理）成果（量子放大器）“移植”到可见光波段的一项新成就。

量子频率标准（原子钟）是利用波谱学成就制作的精确时间频率测量设备，目前量子频标的频率稳定度和准确度已分别达到10-14和10-15的数量级，在精确测量频率的基础上，物理学理论如量子电动力学和广义相对论所预言的某些效应，兰姆（Lamb）移位，电子反常磁矩、引力“红移”和引力波等已得到验证。

近年来，科技界出现一种倾向，力图用一种物理定律把其它物理量（如长度、电压和温度等）转换成频率的测量以提高测量精确度。1968年国际计量大会决议：“定义时间单位‘秒’为铯—133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9 192 613 770周期的持续时间”，这根谱线就处于微波波段内。1983年国际计量大会对米的定义做出决议：“米是光在真空中在1/299 792 458秒的时间间隔内行程的长度”。新的米定义建立在“秒”和物理基本常数光速（299 792 458m/s）的基础上。 （3）微波与物质的相互作用

微波铁氧体是微波技术中常用的一种各向异性材料，它不仅具有较强的磁性，而且具有很高的电阻率。微波很容易通过铁氧体，在铁氧体中产生特殊的磁效应——旋磁性。在恒磁场和微波场的作用下，微波铁氧体的微波磁导率是一个张量。张量磁导率的特点是：①非对称性，这使微波在铁氧体中传播具有非互易性，成为制作非互易微波铁氧体器件的基础；②张量元素都是复数，其实部具有频散特征，其虚部具有共振特性，是研究铁氧体的微波特性和微观结构的基础。 等离子体是分别带有正负电荷的两种粒子所组成的电中性的粒子体系，其中至少有一种带电粒子是可以自由运动的。等离子态称为物质的第四态。等离子体物理与受控热核反应、空间研究、天体物理和气体激光等密切相关，且有重要应用，利用微波与等离子体的相互作用，可以对等离子体的特性进行研究并促进应用。例如：①微波等离子诊断（利用微波在等子离子体中的传播特性，对等离子体的参量进行测量）；②利用高功率微波加热等离子体（利用等离子体的高频损耗特性进行微波加热）；③利用微波产生等离子体（高功率微波可以使气体放电产生等离子体）。

（4）穿透电离层——天体物理和射电天文研究

以微波为主要观测手段的射电天文学的迅速发展，扩大了天文观察的视野，促进了天体物理的研究，所谓六十年天文学的四大发现——类星体、中子星、微波背景辐射和星际分了，全都是利用微波为主要观测手段发现的。其中，微波背景辐射被誉为“二十世纪天文学的一项重大成就”，荣获1978年诺贝尔物理奖。

（5）介质的微波特性——微波电谱和磁谱，微波吸收材料，微波遥感 微波电谱和磁谱是指介质的介电常数和磁导率与外加微波场频率的相互关系，微波电谱和磁谱不仅提供介质材料性能的重要判据，在基础研究中也具有特殊的意义。例如在电子对抗技术中采用的微波吸收材料，由微波遥感获得遥感信息等，都与微波技术和微波电谱、磁谱有关。 3.耿氏（Gunn）二极管振荡器。

教学实验室常用的微波振荡器除了反射式速调管振荡器外，还有耿氏（或称体效应）二极管振荡器，也称之为固态源。

耿氏二极管振荡器的核心是耿氏二极管。耿氏二极管主要是基于n型砷化镓的导带双谷——高能谷和低能谷结构。1963年耿氏在实验中观察到在n型砷化镓样品的两端加上直流电压，当电压较小时样品电流随电压增高而增大；当电压过某一临界值

超

后，随着电压的增高电流反而减小（这种随电场的增加电流下

）则电流趋向饱和（如图1所

降的现象称为负阻效应）；电压继续增大（示）。这说明n型砷化镓样品具有负阻特性。

图1 耿氏管的电流-电压特性

砷化镓的负阻特性可用半导体能带理论解释。如图2所示，砷化镓是一种多能谷材料，其中具有最低能量的主谷和能量较高的临近子谷具有不同的性质。当电子处于主谷时有效质量较大，则迁移率

较小，则迁移率

较高；当电子处于子谷时有效质量

较低。在常温且无外加电场时，大部分电子处于电子迁移率高

而有效质量低的主谷，随着外加电场的增大，电子平均漂移速度也增大；当外加