2026年光电系统光束控制与聚焦测试试题及答案

2026年光电系统光束控制与聚焦测试试题及答案考试时长：120分钟满分：100分考核对象：光电工程相关专业学生、行业从业者题型分值分布：-判断题（10题，每题2分）总分20分-单选题（10题，每题2分）总分20分-多选题（10题，每题2分）总分20分-案例分析（3题，每题6分）总分18分-论述题（2题，每题11分）总分22分总分：100分---一、判断题（每题2分，共20分）1.光束腰是激光束横截面上光强最小的点。2.光束发散角与光束腰半径成正比。3.光学透镜可以实现光束的聚焦，但无法改变光束的波前曲率。4.光束质量因子（M²）越小，光束质量越高。5.光束整形可以通过空间光调制器（SLM）实现。6.光束聚焦深度与透镜焦距成正比。7.光束扫描可以通过振镜系统实现。8.光束相干性对聚焦精度有直接影响。9.光束传输距离越长，光束扩散越严重。10.光束聚焦的衍射极限由透镜孔径决定。二、单选题（每题2分，共20分）1.以下哪种光学元件可用于光束准直？A.透镜B.反射镜C.棱镜D.分束器2.光束腰半径与光束发散角的关系是？A.成正比B.成反比C.无关D.乘积为常数3.光束质量因子M²=1的光束属于？A.柱面光束B.高斯光束C.非相干光束D.平面波4.光束整形的主要目的是？A.增大光束腰B.减小发散角C.改变光束相干性D.提高光束质量因子5.光束聚焦的衍射极限公式涉及哪个参数？A.波长B.透镜直径C.光束腰半径D.以上都是6.光束扫描的常用方法是？A.镜面偏转B.透镜调焦C.空间光调制D.光纤传输7.光束相干性的量度是？A.自相关函数B.互相关函数C.光谱宽度D.光束发散角8.光束传输距离与光束扩散的关系是？A.成正比B.成反比C.指数关系D.对数关系9.光束聚焦深度与哪个因素无关？A.透镜焦距B.光束腰半径C.光束质量因子D.数值孔径10.光束质量因子M²的物理意义是？A.衍射极限的偏离程度B.光束相干性C.光束发散角D.光束腰半径三、多选题（每题2分，共20分）1.光束控制技术包括哪些？A.准直B.聚焦C.整形D.扫描E.传输2.影响光束质量的因素有？A.波前曲率B.相干性C.光束腰半径D.发散角E.数值孔径3.光学透镜的聚焦特性包括？A.焦距B.数值孔径C.聚焦深度D.波前畸变E.光能利用率4.光束整形的应用场景有？A.激光切割B.激光焊接C.激光显示D.激光干涉测量E.激光通信5.光束扫描的常见系统包括？A.振镜系统B.电光晶体C.空间光调制器D.反射镜阵列E.光纤耦合器6.光束相干性的重要性体现在？A.衍射极限B.光束叠加C.聚焦精度D.传输距离E.光束质量因子7.光束传输中的主要问题有？A.衍射扩散B.散射损耗C.波前畸变D.光能衰减E.相位失稳8.光束聚焦的优化方法包括？A.调整焦距B.增大数值孔径C.使用非球面透镜D.控制光束质量因子E.改变波长9.光束控制系统的关键参数有？A.波长B.光束腰半径C.发散角D.相干长度E.数值孔径10.光束质量因子M²的测量方法包括？A.光束半径测量B.光束传播距离测量C.光束截面分析D.光束相干性测试E.光束功率测量四、案例分析（每题6分，共18分）案例1：激光切割光束聚焦优化某激光切割系统使用波长为1064nm的激光，初始光束腰半径为1mm，发散角为0.5mrad。切割材料为厚度1.5mm的铝合金，要求切割深度均匀，表面粗糙度≤10μm。现有两种透镜可选：-透镜A：焦距50mm，数值孔径0.2-透镜B：焦距100mm，数值孔径0.3问：（1）哪种透镜更适合该切割任务？（2）计算聚焦后的光束腰半径和聚焦深度。案例2：激光显示光束整形某激光显示系统需要将初始光束腰半径为2mm、发散角为1mrad的激光整形为均匀矩形光斑，光斑尺寸为10mm×10mm。现有两种整形方法可选：-方法A：使用空间光调制器（SLM）进行相位调制-方法B：使用柱面透镜进行聚焦后补偿问：（1）哪种方法更适合该任务？（2）简述整形原理及关键参数。案例3：激光干涉测量光束相干性某激光干涉测量系统使用波长为633nm的氦氖激光，光束腰半径为0.5mm，发散角为0.3mrad。测量距离为1m，干涉条纹间距为1mm。问：（1）该光束的相干长度是多少？（2）若光束质量因子M²=1.2，计算实际干涉条纹间距。五、论述题（每题11分，共22分）1.论述光束质量因子M²的物理意义及其对光电系统性能的影响。2.比较光束准直、聚焦和扫描技术的原理、优缺点及典型应用场景。---标准答案及解析一、判断题1.√2.√3.×（透镜可改变波前曲率）4.√5.√6.×（聚焦深度与焦距、光束腰半径相关）7.√8.√9.√10.√解析：-4.M²=1为理想高斯光束，质量越高，M²越小。-6.聚焦深度与透镜焦距、光束腰半径及数值孔径相关，并非简单成正比。二、单选题1.B2.B3.B4.B5.D6.A7.A8.A9.D10.A解析：-5.衍射极限公式λ/NA涉及波长、数值孔径，需综合参数。-9.数值孔径与聚焦深度无关，主要影响聚焦锐度。三、多选题1.A,B,C,D,E2.A,B,C,D,E3.A,B,C,D,E4.A,B,C,D,E5.A,B,C,D,E6.A,B,C,D,E7.A,B,C,D,E8.A,B,C,D,E9.A,B,C,D,E10.A,B,C,D解析：-1.光束控制包括准直、聚焦、整形、扫描和传输等全流程。-8.聚焦优化需综合焦距、数值孔径、非球面设计等。四、案例分析案例1：（1）透镜B更适合，因数值孔径更大（0.3>0.2），可提供更锐利的聚焦。（2）聚焦后光束腰半径w₀≈1mm×(0.5/0.3)≈1.67mm，聚焦深度Δz≈πw₀²/λ×(NA)²≈1.67²×π/(1064×10⁻⁹)×(0.3)²≈0.15m。案例2：（1）方法A更适合，因SLM可精确控制相位，实现任意光斑形状。（2）整形原理：SLM通过相位调制补偿波前畸变，实现均匀光斑；关键参数包括调制精度、空间分辨率。案例3：（1）相干长度Lc≈πλ/M²≈π×633×10⁻⁹/1.2≈1.65mm。（2）实际条纹间距Δx≈Lc/1m≈1.65mm/1m≈1.65mm（理论值）。五、论述题1.M²的物理意义及影响M²是衡量光束质量的无量纲参数，定义为实际光束与理想高斯光束在传播方向上光斑半径比值的积分平方。M²=1为理想光束，M²越大表示光束质量越差（如非高斯光束、波前畸变）。对光电系统的影响：-聚焦精度：M²越小，聚焦点越锐利。-传输距离：M²越大，传输距离越短。-应用场景：高精度测量（M²≤1.1）、激光加工（M²≤1.5）需严格控制M²。2.准直、聚焦和扫描技术比较|技术|原理|优点|缺点|应用场景||------------|--------------------|--------------------|--------------------|------------------------||准直|反射/折射控制光路|简单、高效率|受限于光学元件精度|激光