Wstęp teoretyczny
Mikrofale to fale elektromagnetyczne o długościach λ zawartych w przedziale od ok. 1 mm do 30 cm, czyli o częstościach n z przedziału 1-300 GHz. W tym ćwiczeniu fale o długości λ=3cm są wytwarzane przez nadajnik klistrowy , a wykrywane przez odbiornik wykorzystujący diodę półprzewodnikową wysokiej częstotliwości. Przy użyciu mikrofali można łatwo zademonstrować i zmierzyć efekty zjawisk falowych takich jak dyfrakcja, interferencja i polaryzacja.
Dyfrakcja i interferencja mikrofali. Zgodnie z teorią dyfrakcji, fala płaska ugięta na otworze o rozmiarze równym lub mniejszym od długości fali rozchodzi się za przeszkodą izotropowo, jako fala kulista, lub fala walcowa. Jeśli szczelina ma większą szerokość niż wynosi długość fali, to fala ugięta daje na ekranie za szczeliną obraz dyfrakcyjny, złożony z maksimum centralnego i szeregu maksimów wtórnych. Przy użyciu fal o długości 3 cm jest bardzo trudno otrzymać taki obraz, gdyż generator, szczelina i detektor muszą być ustawione w dużych (o wiele większych od długości fali) odległościach od siebie. Obraz dyfrakcyjny można natomiast łatwo obserwować dla światła widzialnego, którego długości fali są prawie 100000razy mniejsze. Dyfrakcje mikrofal na wąskich szczelinach można natomiast wykorzystać do demonstracji znanego doświadczenia Younga, polegającego na interferencji fal rozchodzących się za podwójną szczelina.
Interferencja. W interferometrze mikrofalowym wiązka fal z generatora pada na zwierciadło półprzepuszczalne i rozdziela się na dwie. Jedna z nich ulega odbiciu, pada na zwierciadło nieruchome, odbija się od niego a następnie przechodząc przez płytkę półprzepuszczalną wpada do detektora. Druga wiązka z generatora przechodzi przez zwierciadło półprzepuszczalne, odbija się od zwierciadła ruchomego, które możemy przesuwać w kierunku wiązki, a następnie odbija się od zwierciadła półprzepuszczalnego i wpada do detektora. W detektorze nakładają się sygnały pochodzące od obu wiązek, czyli zachodzi interferencja obu fal. Wynik interferencji zależy od różnicy faz pomiędzy nimi, a więc od różnicy dróg, które odie fale pokonują od generatora do detektora. Jeśli w detektorze fale spotkają się w fazie przeciwnej(φ1-φ2=1800), to sygnał wypadkowy jest równy zeru, a jeśli w zgodnych to osiąga on wartość maksymalną. W pierwszym przypadku różnica dróg przebywanych przez obie wiązki jest nieparzystą wielokrotnością połowy długości fali, a w drugim wielokrotnością parzystą. Jeśli na drodze jednej wiązki, np. przed zwierciadłem nieruchomym wstawimy dodatkowo przezroczystą dla fal płytke płasko-równoległą o grubości D z materiału o współczynniku załamania n , to różnica dróg obu części wiązki zmieni się o ΔL=2Dn. O tyle właśnie przesunie się położenie minimów i maksimów w porównaiu z pomiarem wykonanym bez tej płytki. Dzieje się tak dlatego ponieważ prędkość fazowa fali w ośrodku jest n razy mniejsza niż w próżni, wskutek czego w jednostce czasu fala pokonuje w ośrodku krótszą drogę niż przebywałaby w próżni, zaś na przebycie pkreślonego odcinka potrzebuje dłuższego czasu. Dwójka we wzorze na ΔL wynika z faktu, że fala przechodzi przez płytkę dwukrotnie.