2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——光場調(diào)控技術(shù)在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題3分，共30分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.在光場調(diào)控技術(shù)中，以下哪一項不屬于典型的光場參數(shù)？()A.光強分布B.相位分布C.偏振態(tài)D.波速2.全息術(shù)實現(xiàn)光場記錄和再現(xiàn)的核心物理原理依賴于光的？()A.干涉B.衍射C.偏振D.色散3.空間光調(diào)制器（SLM）在光場調(diào)控中主要功能是？()A.產(chǎn)生激光B.測量光場C.調(diào)制光的相位或振幅D.改變光的顏色4.衍射光學(xué)元件（DOE）主要利用光的哪種現(xiàn)象來實現(xiàn)對光場的調(diào)控？()A.反射B.吸收C.衍射D.透射5.自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，波前傳感器的主要作用是？()A.產(chǎn)生參考光束B.測量并補償波前畸變C.聚焦激光束D.調(diào)節(jié)光束偏振6.偏振片在光場調(diào)控中主要用來控制光的？()A.相位B.光強C.偏振態(tài)D.頻率7.超構(gòu)材料（Metamaterials）在光場調(diào)控中的獨特優(yōu)勢在于？()A.透光率高B.成本低廉C.可以在亞波長尺度上強調(diào)控光場D.制造簡單8.在光通信系統(tǒng)中，光場復(fù)用技術(shù)的主要目的是？()A.增加光的頻率B.增加傳輸距離C.在同一根光纖中傳輸多路信號D.提高光速9.數(shù)字全息成像技術(shù)與傳統(tǒng)全息術(shù)相比，其主要優(yōu)勢之一是？()A.需要更強的光源B.成像分辨率更高C.成像過程更復(fù)雜D.只能記錄靜態(tài)物體10.利用聲光效應(yīng)可以實現(xiàn)的光場調(diào)控技術(shù)是？()A.偏振旋轉(zhuǎn)B.光束掃描C.相位共軛D.光強調(diào)制二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題中的橫線上）1.光場調(diào)控技術(shù)通過改變光場的______、______或______等參數(shù)，實現(xiàn)對光傳播行為或光與物質(zhì)相互作用過程的控制。2.基于干涉原理，通過記錄物體光波______和______信息，再利用參考光進(jìn)行衍射再現(xiàn)物體像的全息術(shù)，屬于______全息。3.空間光調(diào)制器（SLM）通常由______、空間光調(diào)制陣列和______三部分組成。4.能夠?qū)崿F(xiàn)光束在空間中按預(yù)定軌跡掃描的光場調(diào)控技術(shù)，在激光加工和激光雷達(dá)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，常見方法有利用______或______。5.偏振態(tài)是描述光波特性的重要參數(shù)，可以表示為可以用瓊斯矢量表示，也可以用______橢圓或______橢圓來描述。三、簡答題（每小題5分，共15分。請簡要回答下列問題）1.簡述波前調(diào)控與偏振調(diào)控在光場調(diào)控中的主要區(qū)別。2.簡述空間光調(diào)制器（SLM）在光學(xué)成像系統(tǒng)（如全息成像或數(shù)字成像）中的一種典型應(yīng)用原理。3.簡述超構(gòu)材料實現(xiàn)光場調(diào)控（例如產(chǎn)生負(fù)折射）所依據(jù)的基本物理思想。四、計算題（共25分）1.（10分）考慮一個簡單的衍射光柵，光柵常數(shù)d=2μm，入射單色光波長λ=500nm。求該光柵的第一級衍射角θ?（設(shè)光垂直入射）。若要使該光柵能夠分辨波長差為0.1nm的兩條譜線，根據(jù)瑞利判據(jù)，其最小光柵刻線數(shù)N至少為多少？（使用公式：dsinθ=mλ，λ?Δλ=d2/N）2.（15分）一個光學(xué)系統(tǒng)需要將入射的平面波光場，通過調(diào)控其相位分布，使其在出瞳面上形成特定的光強分布I(x,y)=I?(x2+y2)。假設(shè)使用相位板進(jìn)行調(diào)控，且相位延遲φ(x,y)與光強分布成線性關(guān)系，即φ(x,y)=k*I(x,y)，其中k為常數(shù)（表示每單位光強引起的相位延遲）。請推導(dǎo)出該相位板在出瞳面上的相位分布表達(dá)式φ(x,y)。若k=2π/(λ?f)，其中λ?為光波長，f為相位板焦距，試定性描述該相位板可能起到的作用（例如是透鏡還是縮放透鏡）。五、論述題（10分）結(jié)合具體實例，論述光場調(diào)控技術(shù)（如波前整形、偏振控制等）在提高光學(xué)成像系統(tǒng)性能（如分辨率、成像深度、對比度等）方面所起的作用。試卷答案一、選擇題1.D2.A3.C4.C5.B6.C7.C8.C9.B10.B二、填空題1.強度分布，相位分布，偏振態(tài)2.振幅，相位，彩虹3.掃描器，探測器4.掃描振鏡，聲光器件5.瓊斯，馬赫-曾德爾三、簡答題1.解析思路：區(qū)分波前和偏振是光場的兩個基本屬性。波前調(diào)控主要改變光波在空間中的相位分布，如聚焦、發(fā)散、波前補償?shù)?，目的是控制光的傳播路徑或成像質(zhì)量。偏振調(diào)控則改變光波的振動方向或偏振狀態(tài)，如產(chǎn)生特定偏振光、實現(xiàn)偏振分束、調(diào)制光強等，主要影響光的相互作用特性或信息承載能力。兩者調(diào)控的對象和物理意義不同。2.解析思路：SLM作為一種空間光調(diào)制器，可以在其空間光調(diào)制陣列上實時寫入選定的相位分布或振幅透射率分布。在全息成像中，SLM作為物光參考光臂，其上寫入的相位分布可以模擬理想的參考光，與記錄到的物體光（經(jīng)傅里葉變換）在成像平面進(jìn)行相干疊加，實現(xiàn)高質(zhì)量的全息圖像再現(xiàn)。在數(shù)字成像中，SLM可以用于光場編碼，將圖像信息加載到光場上，或用于校正光學(xué)系統(tǒng)的像差。3.解析思路：超構(gòu)材料由亞波長尺寸的人工結(jié)構(gòu)單元組成，其等效介電常數(shù)或磁導(dǎo)率在空間上分布不均勻。通過精心設(shè)計這些亞波長單元的形狀、尺寸和排列方式，可以構(gòu)建出在宏觀尺度上具有特定介電常數(shù)或磁導(dǎo)率分布的人工介質(zhì)。這種人工設(shè)計的電磁響應(yīng)可以突破自然材料的限制，實現(xiàn)自然材料無法實現(xiàn)的光學(xué)現(xiàn)象，如負(fù)折射、超透射、隱身等，從而實現(xiàn)對光場的精確調(diào)控。四、計算題1.解析思路：第一級衍射（m=1）衍射角θ?由公式dsinθ?=mλ計算。代入d、λ、m值即可求解。瑞利判據(jù)要求能夠分辨的兩譜線λ?和λ?（λ?Δλ=λ?）的最小光柵刻線數(shù)N滿足λ?Δλ≈d2/N。代入λ?、Δλ、d的值，求解N即可。答案：θ?=arcsin(mλ/d)=arcsin(1*500nm/2μm)=arcsin(0.25)≈14.5°。N=d2/(λ?Δλ)=(2μm)2/(500nm*0.1nm)=4*10??m2/(50*10??m2)=80。2.解析思路：根據(jù)題意，相位延遲φ(x,y)與光強I(x,y)成正比，φ(x,y)=k*I(x,y)。將I(x,y)=I?(x2+y2)代入，得到φ(x,y)=k*I?*(x2+y2)。代入k的具體表達(dá)式，即可得到相位分布函數(shù)。分析相位分布函數(shù)φ(x,y)=kλ?f(x2+y2)，其中k=2π/λ?f，可知其形式為φ(x,y)=2π(x2+y2)/(λ?f)。該相位分布表示相位隨離光軸距離r=√(x2+y2)的平方呈線性變化，類似于焦距為f的薄透鏡的相位響應(yīng)（但系數(shù)不同），因此該相位板相當(dāng)于一個焦距為f的透鏡，但光焦度（1/f）更大，可能是一個縮放透鏡或聚焦更強的透鏡，具體取決于k值的精確數(shù)值和單位。答案：φ(x,y)=k*I?*(x2+y2)=k*I?*r2。若k=2π/(λ?f)，則φ(x,y)=(2π/(λ?f))*I?*(x2+y2)=(2π/(λ?f))*I?*r2。該相位板相當(dāng)于一個焦距為f的透鏡，光焦度更大。五、論述題解析思路：論述題需要結(jié)合具體實例，說明光場調(diào)控如何改善成像性能。可以從以下幾個方面展開：*波前整形：通過主動調(diào)控光束波前（如補償像差、產(chǎn)生特殊光場），可以提高成像系統(tǒng)的分辨率（如超分辨成像）、增大視場、改善成像對比度（如光學(xué)相干斷層掃描OCT中利用光場調(diào)控提高軸向分辨率或?qū)崿F(xiàn)掃描）。*偏振控制：利用偏振信息進(jìn)行成像（如偏振敏感成像），可以增強對特定樣品（如具有各向異性結(jié)構(gòu)或吸收）的成像能力，提高組織對比度，區(qū)分不同類型物質(zhì)，在生物醫(yī)學(xué)成像、材料分析等領(lǐng)域有獨特優(yōu)勢。*光場編碼/復(fù)用：通過調(diào)控光場結(jié)構(gòu)（如利用全息、復(fù)眼透鏡等），可以在同一時間或空間區(qū)域內(nèi)獲取多個視角或通道的信息，提高成像效率或獲取三維信息，拓展成像系統(tǒng)的功能。答案要點（需展開論述）：光場調(diào)控技術(shù)通過精確控制光的傳播特性（波前、偏振等），能夠顯著提升光學(xué)成像系統(tǒng)的性能。例如，在波前整形方面，通過波前傳感器測量并補償光學(xué)系統(tǒng)或大氣造成的波前畸變（自適應(yīng)光學(xué)），可以大幅提高成像分辨率和對比度，應(yīng)用于天文觀測、激光雷達(dá)等。利用空間光調(diào)制器或超構(gòu)材料產(chǎn)生特殊的光場（如渦旋光束、非對稱光束），可以實現(xiàn)超分辨成像、選擇性激發(fā)、增大有效孔徑等，突破傳統(tǒng)成像系統(tǒng)的衍射極限。在偏振調(diào)控方面，偏振敏感成像技術(shù)能夠利用樣品對不同偏