物理光學(xué)原理與器件技術(shù)試題集

物理光學(xué)原理與器件技術(shù)試題集姓名_________________________地址_______________________________學(xué)號(hào)______________________-------------------------------密-------------------------封----------------------------線--------------------------1.請(qǐng)首先在試卷的標(biāo)封處填寫您的姓名，身份證號(hào)和地址名稱。2.請(qǐng)仔細(xì)閱讀各種題目，在規(guī)定的位置填寫您的答案。一、選擇題1.光波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)的折射率n與其關(guān)系正確的是？

a.n>1

b.n=1

c.n1

d.n與頻率無關(guān)

2.光在兩種不同介質(zhì)界面上發(fā)生全反射時(shí)，入射角和折射角的關(guān)系是？

a.入射角>折射角

b.入射角折射角

c.入射角=折射角

d.入射角和折射角無法確定

3.布儒斯特角是？

a.光從一種介質(zhì)射向另一種介質(zhì)時(shí)的入射角

b.光在介質(zhì)中傳播方向與界面垂直的角度

c.光在兩種不同介質(zhì)界面上入射角為90°時(shí)的入射角

d.光線完全折射入另一種介質(zhì)時(shí)的入射角

4.馬赫曾德爾干涉儀的主要用途是？

a.測(cè)量光的波長(zhǎng)

b.獲得單色光

c.分束和合并光束

d.以上都是

5.全息干涉的基本原理是？

a.相干光的疊加原理

b.光的反射原理

c.光的衍射原理

d.光的偏振原理

6.法布里珀羅干涉儀中，相鄰兩條干涉條紋的間距d與哪些因素有關(guān)？

a.入射光波長(zhǎng)λ

b.膜厚d

c.膜的折射率n

d.以上都是

7.哈特曼光柵的主要應(yīng)用領(lǐng)域是？

a.光譜分析

b.光通信

c.光顯示

d.光存儲(chǔ)

答案及解題思路：

1.答案：a.n>1

解題思路：介質(zhì)的折射率n是描述光在該介質(zhì)中傳播速度與在真空中傳播速度比值的一個(gè)物理量。通常情況下，介質(zhì)的折射率大于1，表示光在介質(zhì)中的傳播速度比在真空中慢。

2.答案：a.入射角>折射角

解題思路：根據(jù)斯涅爾定律，當(dāng)光從折射率較大的介質(zhì)射向折射率較小的介質(zhì)時(shí)，入射角大于折射角。當(dāng)入射角達(dá)到臨界角時(shí)，會(huì)發(fā)生全反射，此時(shí)折射角為90°。

3.答案：a.光從一種介質(zhì)射向另一種介質(zhì)時(shí)的入射角

解題思路：布儒斯特角是當(dāng)光線從一種介質(zhì)射向另一種介質(zhì)時(shí)，入射角達(dá)到特定值，使得反射光完全偏振的角度。

4.答案：d.以上都是

解題思路：馬赫曾德爾干涉儀是一種利用干涉原理的光學(xué)儀器，可用于測(cè)量光的波長(zhǎng)、獲得單色光以及分束和合并光束。

5.答案：a.相干光的疊加原理

解題思路：全息干涉是利用相干光束的疊加原理，通過干涉條紋記錄和重現(xiàn)物體的三維圖像。

6.答案：d.以上都是

解題思路：法布里珀羅干涉儀的干涉條紋間距與入射光波長(zhǎng)、膜厚以及膜的折射率有關(guān)。

7.答案：a.光譜分析

解題思路：哈特曼光柵因其高分辨能力和高效率，廣泛應(yīng)用于光譜分析領(lǐng)域。二、填空題1.光在真空中傳播的速度是3×10^8m/s。

2.折射率n等于光在真空中速度c與光在介質(zhì)中速度v的比值，即n=c/v。

3.光程差為λ（波長(zhǎng)）的整數(shù)倍時(shí)，光會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。

4.當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，光在兩種介質(zhì)界面上會(huì)發(fā)生全反射。

5.布儒斯特角是指光線從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，反射光完全偏振。

6.光柵衍射角θ與入射角i的關(guān)系可以用dsinθ=mλ表示，其中d是光柵常數(shù)，m是衍射級(jí)數(shù)。

7.在全息干涉中，利用光的干涉和衍射可以記錄物體的三維信息。

答案及解題思路：

1.答案：3×10^8m/s

解題思路：根據(jù)物理光學(xué)的基本原理，光在真空中的傳播速度是一個(gè)常數(shù)，即光速c，其值為3×10^8m/s。

2.答案：n=c/v

解題思路：折射率定義為光在真空中的速度c與光在介質(zhì)中的速度v的比值，這是描述光在不同介質(zhì)中傳播速度差異的一個(gè)物理量。

3.答案：λ（波長(zhǎng)）的整數(shù)倍

解題思路：干涉現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，兩束光的光程差必須是波長(zhǎng)的整數(shù)倍，這樣兩束光才能相互加強(qiáng)或抵消。

4.答案：臨界角

解題思路：全反射現(xiàn)象發(fā)生在光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，反射角將等于90度，光將完全反射。

5.答案：反射光完全偏振

解題思路：布儒斯特角是光線在兩種介質(zhì)界面發(fā)生完全偏振時(shí)的入射角，此時(shí)反射光和折射光之間的夾角為90度。

6.答案：dsinθ=mλ

解題思路：這是光柵衍射的基本公式，描述了光柵衍射角θ與入射角i、光柵常數(shù)d和光的波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系。

7.答案：光的干涉和衍射

解題思路：全息干涉技術(shù)利用光的干涉和衍射來記錄物體的三維信息，通過干涉產(chǎn)生的干涉圖樣包含了物體的三維信息。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述折射率的物理意義。

折射率是描述光在兩種不同介質(zhì)中傳播速度比值的一個(gè)物理量。它反映了光在介質(zhì)中傳播時(shí)速度的變化，是介質(zhì)對(duì)光傳播阻力的一種度量。折射率的物理意義包括：

描述光在介質(zhì)中的傳播速度與在真空中傳播速度的比值。

反映介質(zhì)對(duì)光的折射能力。

是光學(xué)設(shè)計(jì)和光學(xué)器件制造的重要參數(shù)。

2.解釋全反射現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

全反射現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是光從光密介質(zhì)（折射率較大）進(jìn)入光疏介質(zhì)（折射率較?。r(shí)，入射角大于臨界角。此時(shí)，光無法進(jìn)入光疏介質(zhì)，而是完全反射回光密介質(zhì)中。原因

光在光密介質(zhì)中的傳播速度小于在光疏介質(zhì)中的傳播速度。

當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，折射角等于90度，折射光無法進(jìn)入光疏介質(zhì)。

光能全部被反射，沒有光能進(jìn)入光疏介質(zhì)。

3.簡(jiǎn)述干涉條紋形成的過程。

干涉條紋的形成過程

兩束或多束相干光波相遇時(shí)，它們?cè)诳臻g中疊加。

由于光波的相位差，某些區(qū)域的光波相互加強(qiáng)（相長(zhǎng)干涉），而另一些區(qū)域的光波相互抵消（相消干涉）。

相長(zhǎng)干涉區(qū)域形成亮條紋，相消干涉區(qū)域形成暗條紋。

這些亮暗條紋交替排列，形成干涉條紋。

4.分析影響全息干涉條紋亮度的因素。

影響全息干涉條紋亮度的因素包括：

光源強(qiáng)度：光源強(qiáng)度越高，干涉條紋的亮度越高。

相干性：相干性越好，干涉條紋越清晰，亮度越高。

干涉光束的相對(duì)強(qiáng)度：兩束干涉光束的相對(duì)強(qiáng)度影響條紋的對(duì)比度，從而影響亮度。

全息圖的密度：全息圖的密度越高，干涉條紋的亮度越高。

5.舉例說明法布里珀羅干涉儀在光學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

法布里珀羅干涉儀在光學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用包括：

高精度波長(zhǎng)測(cè)量：通過測(cè)量干涉條紋的間距，可以精確測(cè)量光的波長(zhǎng)。

高分辨率光譜分析：法布里珀羅干涉儀具有極高的分辨率，可以用于分析復(fù)雜的光譜。

光學(xué)濾波：利用干涉儀的特定波長(zhǎng)選擇性，可以設(shè)計(jì)出高效率的光學(xué)濾波器。

光學(xué)傳感：法布里珀羅干涉儀可以用于光學(xué)傳感，如測(cè)量微小位移和折射率變化。

答案及解題思路：

1.答案：折射率是描述光在兩種不同介質(zhì)中傳播速度比值的一個(gè)物理量，反映了介質(zhì)對(duì)光的折射能力，是光學(xué)設(shè)計(jì)和光學(xué)器件制造的重要參數(shù)。

解題思路：理解折射率的定義和物理意義，結(jié)合光在介質(zhì)中的傳播特性進(jìn)行分析。

2.答案：全反射現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，入射角大于臨界角，導(dǎo)致光無法進(jìn)入光疏介質(zhì)，而是完全反射回光密介質(zhì)中。

解題思路：掌握全反射的條件和原理，結(jié)合光的傳播特性進(jìn)行分析。

3.答案：干涉條紋形成的過程是兩束或多束相干光波相遇時(shí)，在空間中疊加，由于相位差，某些區(qū)域光波相互加強(qiáng)形成亮條紋，某些區(qū)域光波相互抵消形成暗條紋。

解題思路：理解干涉現(xiàn)象的基本原理，結(jié)合光波的疊加和相位差進(jìn)行分析。

4.答案：影響全息干涉條紋亮度的因素包括光源強(qiáng)度、相干性、干涉光束的相對(duì)強(qiáng)度和全息圖的密度。

解題思路：分析影響干涉條紋亮度的各種因素，結(jié)合干涉儀的工作原理進(jìn)行綜合分析。

5.答案：法布里珀羅干涉儀在光學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用包括高精度波長(zhǎng)測(cè)量、高分辨率光譜分析、光學(xué)濾波和光學(xué)傳感。

解題思路：了解法布里珀羅干涉儀的原理和應(yīng)用，結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行分析。四、論述題1.論述全息干涉技術(shù)在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

全息干涉技術(shù)是光學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，它利用光的干涉原理記錄和再現(xiàn)物體的三維信息。以下為全息干涉技術(shù)在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用：

（1）全息存儲(chǔ)：全息干涉技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的存儲(chǔ)和讀取，具有高密度、高容量、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

（2）光學(xué)測(cè)量：全息干涉技術(shù)可以精確測(cè)量物體的三維形狀、尺寸和位置等信息，廣泛應(yīng)用于微電子、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

（3）光學(xué)通信：全息干涉技術(shù)可以用于光學(xué)通信中的信息加密和解密，提高通信的安全性。

（4）光學(xué)傳感器：全息干涉技術(shù)可以制作高靈敏度的光學(xué)傳感器，用于檢測(cè)和測(cè)量各種物理量。

2.分析全息干涉技術(shù)在三維圖像顯示方面的優(yōu)勢(shì)。

全息干涉技術(shù)在三維圖像顯示方面具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）立體感強(qiáng)：全息干涉技術(shù)可以再現(xiàn)物體的三維信息，使得觀眾可以觀察到真實(shí)的立體圖像。

（2）分辨率高：全息干涉技術(shù)具有較高的分辨率，可以清晰地展示物體的細(xì)節(jié)。

（3）動(dòng)態(tài)性好：全息干涉技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖像的顯示，使觀眾感受到更真實(shí)的視覺體驗(yàn)。

（4）交互性強(qiáng)：全息干涉技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，用戶可以通過觸摸、移動(dòng)等方式與三維圖像進(jìn)行互動(dòng)。

3.闡述法布里珀羅干涉儀在精密測(cè)量中的應(yīng)用。

法布里珀羅干涉儀是一種高精度的光學(xué)干涉儀，其應(yīng)用

（1）光學(xué)元件的加工和檢測(cè)：法布里珀羅干涉儀可以用于檢測(cè)光學(xué)元件的表面質(zhì)量、形狀、折射率等參數(shù)。

（2）波長(zhǎng)測(cè)量：法布里珀羅干涉儀可以精確測(cè)量光波的波長(zhǎng)，為光學(xué)儀器和器件的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（3）精密測(cè)量：法布里珀羅干涉儀可以用于測(cè)量微小長(zhǎng)度、角度、溫度等物理量，具有極高的精度。

（4）光譜分析：法布里珀羅干涉儀可以用于光譜分析，識(shí)別和測(cè)量物質(zhì)的光譜特征。

4.討論光學(xué)器件在光通信領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

光學(xué)器件在光通信領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)

（1）集成化：光學(xué)器件向集成化方向發(fā)展，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性。

（2）小型化：光學(xué)器件向小型化方向發(fā)展，降低光通信系統(tǒng)的體積和功耗。

（3）高速化：光學(xué)器件向高速化方向發(fā)展，提高光通信系統(tǒng)的傳輸速率。

（4）綠色環(huán)保：光學(xué)器件向綠色環(huán)保方向發(fā)展，降低光通信系統(tǒng)的能耗和輻射。

答案及解題思路：

1.全息干涉技術(shù)在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用：全息存儲(chǔ)、光學(xué)測(cè)量、光學(xué)通信、光學(xué)傳感器等。

解題思路：了解全息干涉技術(shù)的原理和應(yīng)用領(lǐng)域，結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行分析。

2.全息干涉技術(shù)在三維圖像顯示方面的優(yōu)勢(shì)：立體感強(qiáng)、分辨率高、動(dòng)態(tài)性好、交互性強(qiáng)。

解題思路：分析全息干涉技術(shù)的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的三維顯示技術(shù)進(jìn)行比較，闡述其優(yōu)勢(shì)。

3.法布里珀羅干涉儀在精密測(cè)量中的應(yīng)用：光學(xué)元件的加工和檢測(cè)、波長(zhǎng)測(cè)量、精密測(cè)量、光譜分析等。

解題思路：了解法布里珀羅干涉儀的原理和應(yīng)用領(lǐng)域，結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行分析。

4.光學(xué)器件在光通信領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)：集成化、小型化、高速化、綠色環(huán)保。

解題思路：分析光通信領(lǐng)域的發(fā)展需求，結(jié)合光學(xué)器件的特點(diǎn)，預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)。五、計(jì)算題1.計(jì)算光在玻璃中傳播速度與光在真空中傳播速度的比值。

解題思路：

根據(jù)折射率的定義，光在介質(zhì)中的傳播速度\(v\)與光在真空中的傳播速度\(c\)的比值等于該介質(zhì)的折射率\(n\)。即\(v=\frac{c}{n}\)。已知玻璃的折射率\(n_{\text{glass}}\)通常在1.5左右，真空中光速\(c\approx3\times10^8\)m/s。

答案：

\[

\frac{v_{\text{glass}}}{c}=\frac{1}{n_{\text{glass}}}\approx\frac{1}{1.5}\approx0.667

\]

2.若一束光在水中發(fā)生全反射，求其入射角和折射角。

解題思路：

全反射發(fā)生的條件是入射角大于臨界角。臨界角\(\theta_c\)可以通過折射率\(n\)計(jì)算得出，公式為\(\sin\theta_c=\frac{1}{n}\)。折射角\(\theta_r\)在全反射時(shí)為90度。已知水的折射率\(n_{\text{water}}\approx1.33\)。

答案：

\[

\theta_c=\arcsin\left(\frac{1}{n_{\text{water}}}\right)\approx\arcsin\left(\frac{1}{1.33}\right)\approx48.6^\circ

\]

折射角\(\theta_r=90^\circ\)。

3.設(shè)光程差為0.001mm，求對(duì)應(yīng)的干涉條紋間距。

解題思路：

干涉條紋間距\(\Deltay\)與光程差\(\DeltaL\)和介質(zhì)的折射率\(n\)有關(guān)，公式為\(\Deltay=\frac{\DeltaL}{n\lambda}\)，其中\(zhòng)(\lambda\)是光的波長(zhǎng)。假設(shè)光在空氣中傳播，折射率\(n\approx1\)。

答案：

\[

\Deltay=\frac{0.001\text{mm}}{1\times\lambda}=\frac{0.001\text{mm}}{\lambda}

\]

由于波長(zhǎng)\(\lambda\)未給出，無法計(jì)算具體數(shù)值。

4.某種光的波長(zhǎng)為632.8nm，求其頻率和光速。

解題思路：

光速\(c\)與頻率\(f\)和波長(zhǎng)\(\lambda\)的關(guān)系為\(c=f\lambda\)。已知光速\(c\approx3\times10^8\)m/s，波長(zhǎng)\(\lambda=632.8\)nm=\(632.8\times10^{9}\)m。

答案：

\[

f=\frac{c}{\lambda}=\frac{3\times10^8\text{m/s}}{632.8\times10^{9}\text{m}}\approx4.74\times10^{14}\text{Hz}

\]

光速\(c\)在真空中為\(3\times10^8\)m/s。

5.一塊厚度為2.0mm的玻璃，其折射率為1.5，求光線在其中傳播速度。

解題思路：

同樣使用折射率與傳播速度的關(guān)系\(v=\frac{c}{n}\)，其中\(zhòng)(c\)是光在真空中的速度，\(n\)是玻璃的折射率。

答案：

\[

v_{\text{glass}}=\frac{3\times10^8\text{m/s}}{1.5}=2\times10^8\text{m/s}

\]六、判斷題1.光在真空中傳播速度與光的波長(zhǎng)有關(guān)。（×）

解題思路：光在真空中傳播速度是一個(gè)常數(shù)，即約為3×10^8m/s，它不隨光的波長(zhǎng)而改變。因此，該判斷題的說法是錯(cuò)誤的。

2.折射率越大，光在介質(zhì)中的傳播速度越慢。（√）

解題思路：折射率是光在真空中的速度與光在介質(zhì)中速度的比值。折射率越大，意味著光在介質(zhì)中的速度相對(duì)于在真空中的速度越小，因此光在介質(zhì)中的傳播速度確實(shí)越慢。

3.光在兩種不同介質(zhì)界面上，入射角小于折射角。（×）

解題思路：根據(jù)斯涅爾定律，光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，入射角會(huì)大于折射角；反之，光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)，入射角會(huì)小于折射角。因此，該判斷題的說法是錯(cuò)誤的。

4.當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，可能發(fā)生全反射現(xiàn)象。（√）

解題思路：全反射現(xiàn)象發(fā)生在光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，光會(huì)完全反射回光密介質(zhì)中。因此，該判斷題的說法是正確的。

5.全息干涉條紋的亮度和對(duì)比度無關(guān)。（×）

解題思路：全息干涉條紋的亮度和對(duì)比度是相關(guān)的。亮度和對(duì)比度取決于全息圖的記錄條件以及觀察者的視覺感受。因此，該判斷題的說法是錯(cuò)誤的。六、問答題1.解釋以下概念：干涉、衍射、全反射。

干涉：干涉是指兩束或多束相干光波相遇時(shí)，在空間中某些點(diǎn)相互加強(qiáng)，而在另一些點(diǎn)相互抵消的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是波的性質(zhì)，光的干涉是干涉現(xiàn)象的一種。

衍射：衍射是指光波遇到障礙物或孔徑時(shí)，會(huì)發(fā)生彎曲傳播的現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性質(zhì)，且其波長(zhǎng)與障礙物或孔徑的尺寸相近時(shí)，衍射現(xiàn)象尤為明顯。

全反射：全反射是指當(dāng)光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，入射角大于某一臨界角時(shí)，光不會(huì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，而完全在光密介質(zhì)中傳播的現(xiàn)象。全反射現(xiàn)象是光學(xué)中的一種重要現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用于光纖通信等領(lǐng)域。

2.簡(jiǎn)述光柵在光學(xué)中的應(yīng)用。

光柵在光學(xué)中的應(yīng)用主要包括：

光譜分析：光柵可以作為一種色散元件，將復(fù)色光分解成單色光，實(shí)現(xiàn)光譜分析。

分光計(jì)：光柵分光計(jì)是利用光柵的色散作用，測(cè)量入射光的角度，從而確定光的波長(zhǎng)。

光學(xué)濾波：光柵可以作為一種濾波元件，濾除不需要的光譜成分，提高光信號(hào)的質(zhì)量。

3.論述光纖通信的基本原理。

光纖通信的基本原理是利用光的全反射特性，將光信號(hào)在光纖中傳輸。具體過程

發(fā)射端：將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過調(diào)制器調(diào)制到光纖中。

傳輸過程：光信號(hào)在光纖中傳播，由于光纖的全反射特性，光信號(hào)不會(huì)泄露，保持信號(hào)的完整性。

接收端：將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過解調(diào)器解