光學基礎與先進應用競賽試題2026年度一、單選題（共5題，每題2分）1.在光學系統(tǒng)中，下列哪一項不屬于光學像差的主要類型？A.球差B.色差C.像散D.波前畸變2.光的相干性可以分為時間相干性和空間相干性，以下哪一項主要描述時間相干性？A.光源橫向尺寸B.相干長度C.光源發(fā)散角D.光束孔徑3.在光纖通信中，色散會導致信號傳輸質量下降，以下哪種色散主要來源于光纖材料的折射率隨波長變化？A.模式色散B.材料色散C.波導色散D.模間色散4.激光器的輸出功率主要取決于以下哪一項？A.光源的光譜寬度B.激活介質的粒子數(shù)反轉C.光學系統(tǒng)的透過率D.外界環(huán)境溫度5.在全息照相中，記錄全息圖的關鍵條件是物光和參考光的以下哪一項？A.相位差B.光強比C.光源相干性D.光束發(fā)散角二、多選題（共5題，每題3分）1.光學系統(tǒng)的成像質量評價標準包括哪些？A.分辨率B.色差C.像場彎曲D.波前畸變E.放大率2.激光器的輸出特性可能受到以下哪些因素的影響？A.激活介質的增益系數(shù)B.光學諧振腔的損耗C.激光器的泵浦功率D.外界環(huán)境振動E.光源的相干長度3.光纖通信系統(tǒng)中，色散補償技術主要包括哪些方法？A.使用色散補償光纖B.采用色散管理技術C.調制信號頻率D.改變光纖傳輸距離E.使用色散移位激光器4.全息照相的記錄條件包括哪些？A.物光和參考光的相干性B.光束的干涉條紋C.全息底片的曝光時間D.光學系統(tǒng)的透過率E.物體的三維信息5.光學系統(tǒng)的像差校正方法包括哪些？A.調整光學元件的曲率半徑B.使用非球面鏡片C.增加光學元件的數(shù)量D.采用衍射光學元件E.調整光學系統(tǒng)的光闌位置三、填空題（共5題，每題2分）1.光的衍射現(xiàn)象是光具有______的表現(xiàn)，其典型實驗包括單縫衍射和圓孔衍射。2.在光纖通信中，色散補償?shù)闹饕康氖菧p少信號傳輸過程中的______失真。3.激光器的粒子數(shù)反轉是指激發(fā)態(tài)粒子的數(shù)量大于______態(tài)粒子的數(shù)量。4.全息照相的再現(xiàn)過程需要使用與記錄時相同或相似的______光束。5.光學系統(tǒng)的分辨率是指系統(tǒng)能夠分辨的最小______的能力。四、簡答題（共5題，每題4分）1.簡述光的干涉現(xiàn)象的基本原理及其應用。2.解釋光纖色散的類型及其對信號傳輸?shù)挠绊憽?.描述激光器的諧振腔結構及其對激光輸出特性的影響。4.說明全息照相的記錄和再現(xiàn)過程，并簡述其應用領域。5.分析光學系統(tǒng)的像差類型及其對成像質量的影響。五、計算題（共5題，每題6分）1.已知單縫衍射的中央亮紋寬度為Δx，光源波長為λ，縫寬為a，求中央亮紋的半角寬度。2.一根光纖的長度為10km，材料色散為D=16ps/nm/km，求該光纖傳輸信號時的色散延遲。3.某激光器的泵浦功率為5W，量子效率為0.7，求其輸出激光功率。4.全息照相中，物光和參考光夾角為30°，求干涉條紋的間距（設光源波長為632.8nm）。5.光學系統(tǒng)的焦距為100mm，物距為500mm，求像距和放大率。六、論述題（共2題，每題10分）1.論述光纖通信的優(yōu)勢及其在未來通信中的應用前景。2.分析光學相干層析（OCT）技術的原理、應用及其發(fā)展方向。答案與解析一、單選題答案與解析1.D.波前畸變解析：光學像差主要包括球差、色差、像散和場曲，波前畸變不屬于主要類型。2.B.相干長度解析：時間相干性描述光波在時間上的相干性，相干長度是衡量時間相干性的指標。3.B.材料色散解析：材料色散源于光纖材料的折射率隨波長變化，是光纖色散的主要來源。4.B.激活介質的粒子數(shù)反轉解析：激光器的輸出功率取決于粒子數(shù)反轉程度，粒子數(shù)反轉越高，輸出功率越大。5.C.光源相干性解析：全息照相要求物光和參考光具有高度相干性，這是記錄全息圖的關鍵條件。二、多選題答案與解析1.A.分辨率、B.色差、C.像場彎曲、D.波前畸變解析：成像質量評價標準包括分辨率、色差、像場彎曲和波前畸變，放大率不是評價標準。2.A.激活介質的增益系數(shù)、B.光學諧振腔的損耗、C.激光器的泵浦功率解析：激光器的輸出特性受增益系數(shù)、損耗和泵浦功率影響，外界振動和相干長度影響較小。3.A.使用色散補償光纖、B.采用色散管理技術、E.使用色散移位激光器解析：色散補償技術包括補償光纖、色散管理技術和色散移位激光器，調制頻率和傳輸距離不是直接方法。4.A.物光和參考光的相干性、B.光束的干涉條紋、C.全息底片的曝光時間解析：全息記錄條件包括相干性、干涉條紋和曝光時間，透過率和三維信息不是直接條件。5.A.調整光學元件的曲率半徑、B.使用非球面鏡片、D.采用衍射光學元件、E.調整光學系統(tǒng)的光闌位置解析：像差校正方法包括調整曲率半徑、使用非球面鏡片、采用衍射光學元件和調整光闌位置，增加元件數(shù)量不是直接方法。三、填空題答案與解析1.波動性解析：衍射是光波特有的波動性表現(xiàn)，實驗如單縫衍射驗證了光的波動性。2.脈沖展寬解析：色散導致信號脈沖展寬，影響傳輸質量，補償目的是減少脈沖展寬。3.基態(tài)解析：粒子數(shù)反轉指激發(fā)態(tài)粒子數(shù)多于基態(tài)粒子數(shù)，這是激光產(chǎn)生的條件。4.參考解析：全息再現(xiàn)需要用與記錄時相同的參考光，才能重建物體三維圖像。5.細節(jié)解析：分辨率是系統(tǒng)分辨最小細節(jié)的能力，與光學元件的孔徑和數(shù)值孔徑有關。四、簡答題答案與解析1.光的干涉現(xiàn)象：原理：兩列相干光波疊加時，光強分布發(fā)生周期性變化，形成明暗條紋。應用：光學儀器的校準、干涉測量、全息照相等。2.光纖色散：類型：材料色散、模式色散、波導色散。影響：導致信號脈沖展寬，降低傳輸速率和距離。3.激光器諧振腔：結構：由反射鏡和激活介質組成，光束在腔內(nèi)來回反射形成振蕩。影響：決定激光的頻率、方向性和輸出功率。4.全息照相：記錄：物光和參考光在底片上干涉形成全息圖。再現(xiàn)：用參考光照射全息圖，重建物體三維圖像。應用：三維顯示、光學存儲、醫(yī)療成像等。5.光學系統(tǒng)像差：類型：球差、色差、像散、場曲、波前畸變。影響：導致成像模糊、失真，降低成像質量。五、計算題答案與解析1.單縫衍射中央亮紋半角寬度：公式：θ=λ/a解：θ=632.8nm/a，Δx=2fθ=2fλ/a。2.光纖色散延遲：公式：Δτ=DL(Δλ/λ)解：Δτ=16ps/nm/km10km(Δλ/1550nm)。3.激光器輸出功率：公式：P_out=ηP_in解：P_out=0.75W=3.5W。4.全息干涉條紋間距：公式：d=λ/(2sinθ)解：d=632.8nm/(2sin30°)=632.8nm。5.光學系統(tǒng)像距和放大率：公式：1/f=1/u+1/v，M=-v/u解：1/100=1/500+1/v，v=125mm，M=-125/500=-0.25。六、論述題答案與解析1.光纖通信：優(yōu)勢：