光电基础考试题库及答案解析

光电基础考试题库及答案解析一、几何光学与成像系统1.（单选）在空气中，一平凸薄透镜凸面曲率半径为10cm，折射率1.5，其焦距为A.10cm B.15cm C.20cm D.30cm答案：C解析：薄透镜制造者公式1/f=(n−1)(1/R₁−1/R₂)，R₁=+10cm，R₂=∞，得f=10cm/(1.5−1)=20cm。2.（单选）将上题透镜浸入水（n=1.33）中，其焦距变为A.20cm B.40cm C.60cm D.80cm答案：D解析：相对折射率n_rel=1.5/1.33≈1.128，1/f′=(1.128−1)(1/10)=0.0128cm⁻¹，f′≈78cm，最接近80cm。3.（填空）一物体高2cm，置于焦距+8cm凸透镜前12cm处，像高为______cm，像距为______cm。答案：像高4cm，像距24cm解析：1/v−1/u=1/f，u=−12cm，得v=+24cm；放大率m=v/u=−2，像高2cm×|m|=4cm。4.（计算）由两相同薄透镜相距d=f组成共焦系统，求组合焦距。答案：f_comb=f/2解析：矩阵法，两透镜间距d=f，各透镜光焦度Φ=1/f，系统矩阵M=[[1,0],[−1/f,1]]·[[1,f],[0,1]]·[[1,0],[−1/f,1]]=[[0,f],[−1/f,−1]]，等效焦距f_comb=−1/C=−1/(−1/f)=f/2。5.（多选）下列现象中，可用费马原理直接解释的有A.镜面反射 B.光纤全反射 C.彩虹色散 D.双缝干涉答案：A、B解析：费马原理描述光程极值，可导出反射、折射及全反射；色散与干涉需叠加原理。6.（判断）对单球面折射，若物距等于曲率半径，则像距必为无穷远。答案：错误解析：球面折射公式n₂/v−n₁/u=(n₂−n₁)/R，令u=−R，得v=n₂R/(n₂−2n₁)，仅当n₂=2n₁时才为∞。7.（简答）画出开普勒望远镜光路，并说明出瞳位置。答案：物镜与目镜均为正透镜，间距≈f_o+f_e。平行入射光经物镜成实像于其焦面，再经目镜成平行光出射。出瞳为目镜对物镜所成的像，位于目镜后焦面附近，观察者瞳孔应置于该处。8.（综合）一厚透镜中心厚6mm，两球面半径分别为+40mm与−25mm，n=1.6，求主平面位置与等效焦距。答案：H₁距第一顶点+2.67mm，H₂距第二顶点−1.04mm，f=+48.9mm解析：厚透镜公式逐面计算，先求各面光焦度，再用高斯常数法求系统矩阵，提取主平面与焦距。二、波动光学与干涉9.（单选）杨氏双缝以λ=500nm光入射，缝距0.5mm，屏距2m，第3级亮纹距中心A.3mm B.4mm C.5mm D.6mm答案：D解析：y_m=mλD/d，m=3，得y=3×500×10⁻⁹×2/0.5×10⁻³=6×10⁻³m。10.（单选）若将上题装置整体浸入水（n=1.33）中，条纹间距变为A.0.75倍 B.1.0倍 C.1.33倍 D.1.5倍答案：A解析：水中波长λ′=λ/n，条纹间距Δy=λ′D/d，故缩小为1/1.33≈0.75倍。11.（填空）用钠光589nm观察牛顿环，第5暗环直径为4.2mm，则平凸透镜曲率半径R=______m。答案：0.87m解析：第m暗环半径r_m²=mλR，m=5，r=2.1mm，得R=r²/(mλ)=4.41×10⁻⁶/(5×589×10⁻⁹)=0.87m。12.（计算）迈克耳孙干涉仪动镜移动0.785mm，条纹消失再重现共2500次，求光源平均波长。答案：628nm解析：2ΔL=Nλ，λ=2×0.785×10⁻³/2500=6.28×10⁻⁷m。13.（多选）下列措施可提高双缝干涉条纹对比度的有A.加窄带滤光片 B.增大缝宽 C.用点光源 D.在单缝前加偏振片答案：A、C解析：窄带光延长相干长度；点光源提高空间相干性；增大缝宽引入次极大降低对比；偏振片不改变相干度。14.（判断）薄膜干涉出现等倾条纹时，膜厚必须均匀。答案：正确解析：等倾条纹由相同入射角光线干涉形成，要求膜厚均匀，否则光程差随厚度变化转为等厚条纹。15.（简答）解释为什么白光下肥皂膜呈彩色，而厚度趋于零处呈黑。答案：厚度趋零时两界面反射光相位差π，相消干涉，无反射光呈黑；厚膜处不同波长满足各自相长条件，反射光叠加成彩色。16.（综合）设计一斐索干涉仪测量平行平板楔角θ。已知λ=632.8nm，相邻条纹间距2.5mm，求θ。答案：θ=λ/(2nΔx)=632.8×10⁻⁹/(2×1.5×2.5×10⁻³)=8.4×10⁻⁵rad≈0.0048°解析：等厚条纹相邻级次光程差λ，对应厚度差λ/(2n)，楔角θ=厚度差/Δx。三、衍射与傅里叶光学17.（单选）单缝夫琅禾费衍射第一极小条件为A.asinθ=λ/2 B.asinθ=λ C.asinθ=3λ/2 D.asinθ=2λ答案：B解析：矢量叠加得第一零值条件asinθ=λ。18.（单选）若缝宽减半，中央亮纹宽度变为A.不变 B.2倍 C.0.5倍 D.4倍答案：B解析：角宽度∝λ/a，a减半则宽度加倍。19.（填空）圆孔衍射艾里斑角半径θ≈______（公式）。答案：1.22λ/D解析：第一暗环条件。20.（计算）光栅常数d=2μm，λ=600nm，求第2级衍射角。答案：θ=arcsin(2λ/d)=arcsin(0.6)=36.9°解析：光栅方程dsinθ=mλ，m=2。21.（多选）提高光栅分辨本领可A.增大刻线总数N B.增大衍射级m C.减小d D.增大λ答案：A、B解析：分辨本领R=mN，与d、λ无直接关系。22.（判断）菲涅耳波带片焦点处光强与相同口径透镜相同。答案：错误解析：波带片仅奇数或偶数带贡献，振幅为透镜的一半，光强仅1/4。23.（简答）说明为何4f系统可实现光学傅里叶变换，并给出滤波示例。答案：透镜前后焦面互为傅里叶变换面，输入在f前焦面，频谱在f后焦面，再经第二透镜成像于输出面。示例：在频谱面放一狭缝可滤除高频噪声，输出平滑像。24.（综合）用640nm激光照射宽6cm光栅，刻线密度1200lines/mm，求可观察到的最高衍射级及对应衍射角。答案：m_max=floor(d/λ)=floor(1/1200×10⁻³/640×10⁻⁹)=13，θ_max=arcsin(13λ/d)=arcsin(0.998)=86.4°解析：d=1/1200mm=833nm，m_max满足|sinθ|≤1，得m=13。四、偏振与双折射25.（单选）自然光以布儒斯特角入射到玻璃（n=1.5），反射光偏振方向A.平行入射面 B.垂直入射面 C.圆偏振 D.非偏振答案：B解析：布儒斯特角反射光只有垂直分量。26.（单选）两偏振片透振方向夹角30°，自然光通过后强度为入射的A.50% B.37.5% C.25% D.12.5%答案：B解析：第一片出射线偏振强度I₀/2，第二片马吕斯定律cos²30°=3/4，总强度I₀/2×3/4=3I₀/8=37.5%。27.（填空）方解石no=1.658，ne=1.486，对λ=589nm制成λ/4片，最小厚度d=______μm。答案：0.857μm解析：Δn=0.172，d=λ/(4Δn)=589×10⁻³/(4×0.172)=0.857μm。28.（计算）右旋圆偏振光垂直入射到反射镜，反射后旋向如何？答案：左旋解析：反射时k反向，电矢量旋转方向相对传播方向反转。29.（多选）下列器件可改变线偏振方向而不改变椭圆率的有A.半波片 B.法拉第旋转器 C.旋光晶体 D.偏振片答案：A、B、C解析：半波片与旋光晶体旋转偏振面；法拉第器非互易旋转；偏振片滤除分量改变椭圆率。30.（判断）对任意椭圆偏振光，旋转检偏器一周可找到两个消光位置。答案：错误解析：仅线偏振光存在消光，椭圆偏振光最小强度不为零。31.（简答）解释应力双折射及其在光弹实验中的应用。答案：各向同性材料受应力变为单轴晶体，产生双折射，相位差与主应力差成正比。置于正交偏振片间可观测等差条纹，用于模型应力分析。32.（综合）设计一实验，用索累巴俾涅补偿器测量未知波片相位延迟δ。答案：将补偿器与未知波片置于正交偏振片间，用单色光照射，旋转补偿器使视场再次消光，读数得补偿量Δ，则δ=2πΔ/λ。五、激光与光放大33.（单选）HeNe激光632.8nm对应氖原子跃迁能级差约为A.1.96eV B.2.0eV C.2.1eV D.1.8eV答案：A解析：E=hc/λ≈1.96eV。34.（单选）激光腔长30cm，折射率1，纵模间隔为A.500MHz B.1GHz C.2GHz D.5GHz答案：B解析：Δν=c/(2nL)=3×10⁸/(2×0.3)=0.5GHz，但相邻纵模频率差为c/(2nL)=500MHz，题目选项A500MHz正确，B1GHz为次近，原答案勘误为A。35.（填空）Nd:YAG激光四能级系统优点在于______。答案：低阈值解析：终端能级为空，易实现粒子数反转。36.（计算）掺铒光纤放大器小信号增益系数g=2m⁻¹，长度5m，求最大增益dB。答案：G=exp(gL)=e¹⁰≈22026，10log₁₀G≈43.4dB解析：小信号增益公式G=exp(gL)。37.（多选）下列措施可提高激光器输出功率的有A.增大输出镜透射率 B.提高泵浦功率 C.降低腔内损耗 D.加长腔长答案：B、C解析：增大透射率降低腔内光强可能降低功率；加长腔长增加损耗。38.（判断）激光横模TEM₀₁光斑中心光强为零。答案：正确解析：TEM₀₁含节线，中心光强为零。39.（简答）说明锁模激光器产生飞秒脉冲机理。答案：通过调制器或饱和吸收体使纵模相位锁定，各模干涉形成周期脉冲，脉宽≈1/Δν，带宽积极限下可达飞秒量级。40.（综合）设计一外腔半导体激光，用光栅选频，求光栅入射角使输出波长1550nm，光栅常数1.2μm，一级衍射。答案：θ=arcsin(λ/d)=arcsin(1.55/1.2)=arcsin(1.29)无解，需改为二级：m=2，θ=arcsin(2×1.55/1.2)=arcsin(2.58)仍无解，故应改用更长光栅常数d≥2λ=3.1μm，取d=3.2μm，则θ=arcsin(2×1.55/3.2)=arcsin(0.97)=75.9°解析：光栅方程mλ=d(sinα+sinβ)，外腔Littrow配置α=β，得sinθ=mλ/(2d)，需mλ≤2d。六、光电探测与成像器件41.（单选）硅PIN光电二极管在850nm量子效率80%，入射光功率1μW，光电流约为A.0.51μA B.0.55μA C.0.61μA D.0.65μA答案：B解析：I=ηeλP/(hc)=0.8×1.6×10⁻¹⁹×850×10⁻⁹×1×10⁻⁶/(6.63×10⁻³⁴×3×10⁸)=0.55μA。42.（单选）CCD与CMOS相比，主要优势为A.读出噪声低 B.集成度高 C.功耗低 D.速度快答案：A解析：CCD单一放大器，读出噪声低；CMOS每像素含放大器，集成高但噪声大。43.（填空）一InGaAsAPD增益M=10，过剩噪声因子F=M^0.7，则噪声电流增加______倍。答案：10^0.7≈5.01解析：噪声电流∝√(FM)。44.（计算）热释电探测器响应率1000V/W，调制频率1kHz，入射1μW方波信号，输出电压幅值______mV。答案：1000mV解析：响应率定义R=V_s/P，故V=1mW×1000V/W=1V，但1μW→1mV，答案1000mV即1V，勘误为1mV。修正：1000V/W×1μW=1mV。45.（多选）提高夜视像增强器信噪比可A.降低光阴极温度 B.增大微通道板电压 C.减小荧光屏颗粒 D.加红外照明答案：A、B、D解析：降温减小暗计数；提高MCP电压增加增益；红外照明提高信号。46.（判断）雪崩光电二极管在盖革模式下单光子探测效率可超过90%。答案：错误解析：盖革模式APD受死时间、填充因子限制，典型效率20–50%。47.（简答）解释CMOS图像传感器rollingshutter失真成因及抑制方法。答案：逐行曝光导致高速运动物体形变，抑制：使用globalshutter像素、缩短曝光、