2025年光电信息科学与工程专业考试试卷及答案

2025年光电信息科学与工程专业考试试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.一束波长为632.8nm的氦氖激光垂直入射到折射率为1.5的玻璃表面，其反射光的光强反射率约为（）A.4%B.8%C.12%D.16%2.线偏振光通过1/4波片后，若入射光振动方向与波片光轴成30°角，则出射光的偏振态为（）A.线偏振光B.圆偏振光C.椭圆偏振光D.部分偏振光3.半导体激光器（LD）的阈值电流密度与温度的关系可表示为Jth(T)=J0exp(T/T0)，其中T0为特征温度。当T0增大时，激光器的温度稳定性（）A.增强B.减弱C.不变D.先增强后减弱4.阶跃型光纤的纤芯折射率n1=1.46，包层折射率n2=1.45，其数值孔径NA约为（）A.0.17B.0.24C.0.31D.0.385.光电倍增管（PMT）中，二次电子发射系数δ随入射电子能量的增加而（）A.单调增加B.单调减小C.先增后减D.先减后增6.超短脉冲激光的脉宽为10fs（1fs=10⁻¹⁵s），其光谱宽度Δν与脉宽Δt满足时间-带宽积Δν·Δt≈0.44（傅里叶极限），则该脉冲的光谱宽度约为（）A.4.4×10¹³HzB.4.4×10¹⁴HzC.4.4×10¹⁵HzD.4.4×10¹⁶Hz7.量子点发光二极管（QLED）与有机发光二极管（OLED）相比，其优势主要体现在（）A.发光效率更高B.色纯度更好C.驱动电压更低D.柔性更好8.光纤布拉格光栅（FBG）的中心反射波长λB=2nΛ，其中n为有效折射率，Λ为光栅周期。若对光栅施加轴向应力使其周期增大0.1%，则λB的变化为（）A.增大0.1%B.减小0.1%C.增大0.2%D.减小0.2%9.硅基光电探测器在1550nm波段响应较低，主要原因是（）A.硅的禁带宽度较大B.硅的折射率较低C.硅的吸收系数较小D.硅的载流子迁移率较低10.相干光通信中，采用正交相移键控（QPSK）调制相比二进制相移键控（BPSK），其频谱效率提高了（）A.1倍B.2倍C.3倍D.4倍二、填空题（每空2分，共20分）1.光的相干条件包括频率相同、振动方向一致和__________。2.布拉格衍射中，当入射光与声光晶体光轴夹角满足θB=λ/(2nΛ)时，衍射效率最高，其中λ为光在真空中的波长，n为晶体折射率，Λ为__________。3.发光二极管（LED）的发光机制是__________复合发光，其光谱宽度通常比半导体激光器（LD）__________（填“宽”或“窄”）。4.电荷耦合器件（CCD）的核心功能是实现__________的存储与转移，其工作过程包括光积分、__________和输出三个阶段。5.马赫-曾德尔（M-Z）干涉仪通过分束器将入射光分为两束，分别经过不同光程后再干涉，可用于测量__________或实现__________调制。6.超表面（Metasurface）通过亚波长结构单元调控光的__________、振幅和相位，可实现传统光学元件无法完成的功能，如平面透镜、__________等。三、简答题（每题8分，共40分）1.简述激光产生的三个必要条件，并说明各条件的作用。2.比较PIN光电二极管与雪崩光电二极管（APD）在结构、工作原理及性能上的主要差异。3.分析光纤通信中色散对系统传输性能的影响，并列举三种常见的色散补偿技术。4.说明迈克尔逊干涉仪的工作原理，及其在精密测量（如长度、折射率）中的应用方法。5.讨论超表面在光学成像中的优势，举例说明其在分辨率提升或像差校正中的具体应用。四、计算题（每题10分，共30分）1.一束基模高斯光束在空气中的束腰半径ω0=0.1mm，波长λ=532nm。求：（1）束腰处的波前曲率半径R(0)；（2）远场发散角θ（以毫弧度mrad为单位）；（3）距离束腰z=1m处的光束半径ω(z)。（已知高斯光束的光束半径公式ω(z)=ω0√[1+(λz/πω0²)²]，远场发散角θ≈λ/(πω0)）2.某GaAs半导体激光器的腔长L=200μm，端面反射率R1=R2=0.32，损耗系数α=10cm⁻¹，增益系数g与注入电流密度J的关系为g=g0(J-Jth)，其中g0=1×10⁻²³cm²·A⁻¹，Jth为阈值电流密度。求该激光器的阈值电流密度Jth（提示：阈值条件为g=α+(1/2L)ln(1/√(R1R2))）。3.某单模光纤的色散系数D=17ps/(nm·km)，光源谱宽Δλ=0.5nm，系统允许的最大脉冲展宽Δτ=50ps。求该光纤的最大传输距离L（忽略偏振模色散和非线性效应，脉冲展宽公式Δτ=|D|·Δλ·L）。五、综合分析题（20分）设计一个基于光纤传感的桥梁振动监测系统，要求：（1）说明系统的核心组成部分（光源、传感光纤、解调模块、信号处理单元）；（2）选择合适的光纤传感原理（如光纤布拉格光栅、干涉型光纤传感器）并阐述其工作机制；（3）分析系统可能面临的干扰因素（如温度漂移、噪声）及对应的补偿方法；（4）提出提高系统灵敏度和稳定性的优化策略。答案与解析一、单项选择题1.A解析：垂直入射时，反射率R=[(n-1)/(n+1)]²，n=1.5时，R≈(0.5/2.5)²=0.04=4%。2.C解析：1/4波片将线偏振光分解为o光和e光，相位差π/2，当夹角非0°、45°、90°时，出射为椭圆偏振光。3.A解析：T0越大，Jth随温度变化越缓慢，温度稳定性越强。4.A解析：NA=√(n1²-n2²)≈√[(1.46²-1.45²)]≈√(0.0291)=0.17。5.C解析：二次电子发射系数δ随入射电子能量增加先上升后下降，存在峰值。6.A解析：Δν≈0.44/Δt=0.44/(10×10⁻¹⁵s)=4.4×10¹³Hz。7.B解析：量子点的发射光谱更窄，色纯度优于OLED。8.A解析：λB与Λ成正比，Λ增大0.1%，λB同步增大0.1%。9.A解析：硅的禁带宽度约1.1eV，对应截止波长约1100nm，1550nm光子能量低于禁带宽度，无法激发本征吸收。10.A解析：QPSK每个符号携带2bit信息，BPSK携带1bit，频谱效率提高1倍。二、填空题1.相位差恒定2.声波波长（或声光栅周期）3.载流子（或电子-空穴）；宽4.电荷；电荷转移5.光程差变化；光6.偏振态；全息成像（或波束偏转等）三、简答题1.激光产生的必要条件：（1）粒子数反转：在激活介质中实现高能级粒子数多于低能级，形成增益介质；（2）光学谐振腔：提供正反馈，选择模式并增强特定频率的光；（3）阈值条件：增益大于损耗（包括腔内损耗和输出耦合损耗），确保光强受激辐射占主导。2.差异：（1）结构：PIN二极管在P区和N区之间插入本征I层，厚度较大；APD在I层或附近设计高电场区。（2）原理：PIN通过光生载流子漂移产生光电流；APD利用碰撞电离实现载流子倍增。（3）性能：APD响应度更高（有倍增因子），但噪声（散粒噪声）更大；PIN线性度更好，噪声更低。3.色散影响：导致光脉冲展宽，限制传输速率和距离。补偿技术：（1）色散补偿光纤（DCF），具有负色散系数；（2）光纤布拉格光栅（FBG），通过反射不同波长光的时延差补偿；（3）数字信号处理（DSP），在接收端通过算法均衡色散。4.迈克尔逊干涉仪原理：入射光经分束镜分为反射和透射两束，分别经固定镜和移动镜反射后重新干涉。应用：（1）长度测量：移动镜位移Δd对应干涉条纹移动数N，Δd=Nλ/2；（2）折射率测量：在一臂插入介质片，通过条纹移动数计算折射率变化。5.超表面优势：（1）亚波长厚度，轻量化；（2）灵活调控相位、偏振等参数；（3）可集成多功能。应用示例：超表面透镜通过相位梯度设计消除球差，实现大数值孔径下的高分辨率成像；或设计偏振敏感超表面，分离不同偏振光以校正偏振像差。四、计算题1.（1）束腰处波前为平面，R(0)=∞；（2）θ≈λ/(πω0)=532×10⁻⁹m/(π×0.1×10⁻³m)≈1.7×10⁻³rad=1.7mrad；（3）ω(z)=0.1mm×√[1+(532×10⁻⁹×1)/(π×(0.1×10⁻³)²)²]≈0.1mm×√[1+(1.7×10⁻³)²]≈0.10000014mm（近似为0.1mm，因z=1m时远小于瑞利长度zR=πω0²/λ≈(π×(0.1×10⁻³)²)/(532×10⁻⁹)≈5.9m，故光束半径变化较小）。2.阈值条件g=α+(1/2L)ln(1/√(R1R2))。计算右侧：α=10cm⁻¹=0.1μm⁻¹，L=200μm，R1=R2=0.32，故(1/2L)ln(1/√(R1R2))=(1/(2×200))ln(1/0.32)≈(1/400)×1.139≈0.00285μm⁻¹。总阈值增益g=0.1+0.00285≈0.10285μm⁻¹=1.0285×10⁴cm⁻¹。由g=g0(J-Jth)，阈值时J=Jth，故Jth=α/g0+(1/(2Lg0))ln(1/√(R1R2))=(0.1cm⁻¹)/(1×10⁻²³cm²·A⁻¹)+(0.00285μm⁻¹×10⁴cm/μm)/(1×10⁻²³cm²·A⁻¹)≈1×10²²A/cm²（注：实际中GaAs激光器Jth约10³A/cm²，此处为理论计算示例，可能因参数简化导致数值偏差）。3.由Δτ=|D|·Δλ·L，得L=Δτ/(|D|·Δλ)=50ps/(17ps/(nm·km)×0.5nm)=50/(8.5)≈5.88km。五、综合分析题（1）系统组成：①光源：采用窄线宽激光器（如DFB激光器），确保波长稳定性；②传感光纤：在桥梁关键部位（如梁体、支座）布设，敏感区域粘贴或嵌入光纤光栅（FBG）或马赫-曾德尔干涉仪（MZI）；③解调模块：使用光谱分析仪或相位解调仪，将光信号转换为波长或相位变化；④信号处理单元：通过傅里叶变换提取振动频率，结合有限元模型定位振动源。（2）传感原理选择FBG：FBG的反射波长λB=2nΛ，桥梁振动引起光纤轴向应变Δε，导致Λ变化（ΔΛ=Λ·Δε）和n变化（Δn=-n³/2·P·Δε，P为弹光系数），总波长漂移ΔλB=2(nΔΛ+ΛΔn)=2Λ(nΔε-n³/2·P·Δε)=2nΛΔε(1-n²P/2)=λB·Δε·(1-n²P/2)。通过监测λB的变化可反演应变，进而得到振动加速度。（3）干扰因素及补偿：①温度漂移：FBG对温度和