2026年激光原理基础考核题库

激光原理基础考核题库考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。下列每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。请将正确选项前的字母填在答题卡相应位置。）1.根据普朗克黑体辐射定律，随着温度的升高，黑体辐射能量谱的最大值将A.向长波方向移动B.向短波方向移动C.保持不变D.谱峰能量不变，峰值强度增加2.在激光产生的三个必要条件中，实现粒子数反转是哪个条件的物理基础？A.受激辐射光放大B.光学谐振腔C.高增益介质D.激励能源3.受激辐射与自发辐射相比，其主要区别在于A.辐射光子的能量不同B.辐射光子的相位不同C.辐射光子的方向不同D.是否需要外界的激励光子参与4.爱因斯坦A系数描述的是在单位时间内，一个处于高能级的粒子由于自发辐射而跃迁到低能级的概率。它主要与哪个物理量有关？A.光子能量B.温度C.介质材料D.激励强度5.对于实现粒子数反转，下列哪种说法是正确的？A.任何材料在任何温度下都能实现粒子数反转B.只有三能级系统才能实现粒子数反转C.只有四能级系统才能实现粒子数反转D.实现粒子数反转需要选择合适的能级结构和激励方式6.光学谐振腔在激光器中的作用主要是A.提供激励能源B.限制激光束的方向C.提供光放大并形成激光束D.选择特定的激光模式7.布儒斯特窗在激光器中的作用是A.提高激光器的输出功率B.减少激光器的光损耗C.选择特定的激光偏振态输出D.改善激光束的质量8.衡量激光时间相干性的物理量是A.波前孔径B.谱线宽度C.光束直径D.光束发散角9.激光的单色性主要是指A.激光束很细B.激光束发散角很小C.激光器的输出谱线宽度很窄D.激光束亮度很高10.固体激光器通常采用哪种激励方式？A.电激励B.光泵浦C.热激励D.磁激励二、多选题（每题3分，共15分。下列每小题给出的四个选项中，至少有两项是符合题目要求的。请将正确选项前的字母填在答题卡相应位置。多选、错选、少选均不得分。）11.激光之所以具有高方向性，是因为A.激光束的发散角很小B.激光束的能量集中在特定的方向上C.激光束在传播过程中几乎没有扩散D.激光束经过光学系统准直12.下列哪些属于激光的典型特性？A.高亮度B.高相干性C.高单色性D.高功率13.光泵浦固体激光器中，实现粒子数反转的能级结构通常是A.三能级系统B.四能级系统C.五能级系统D.任何能级结构都可以14.影响激光器输出功率的因素主要有A.激励功率B.工作介质的增益C.光学谐振腔的损耗D.粒子数反转密度15.激光技术可以应用于A.治疗疾病B.工业切割C.信息存储D.导航定位三、填空题（每空1分，共10分。请将答案填在答题卡相应位置。）16.黑体对投射到其表面的所有波长的辐射能都______，且辐射功率与温度的四次方成正比。17.受激辐射过程中，一个光子诱使一个处于高能级的粒子跃迁到低能级，并辐射一个与入射光子______、______、______完全相同的光子。18.实现激光产生的三个必要条件是：粒子数反转、______和光学谐振腔。19.衡量激光空间相干性的物理量是______，它决定了激光束的衍射极限光斑大小。20.半导体激光器的工作原理是基于半导体PN结的______效应，通常采用______方式激励。四、简答题（每题5分，共20分。请将答案写在答题卡相应位置。）21.简述受激辐射与自发辐射的区别。22.简述光学谐振腔的构成及其主要作用。23.简述激光时间相干性的物理意义。24.简述激光空间相干性的物理意义。五、计算题（每题10分，共20分。请将答案写在答题卡相应位置。）25.已知某激光器工作介质的中心波长为5000Å，谱线宽度为10^-4Å。求该激光器的时间相干长度和相干时间。（普朗克常数h=6.626×10^-34J·s，光速c=3×10^8m/s）26.一个三能级固体激光器，其高能级与低能级之间的能量差为E，低能级与基态之间的能量差为ε。设激光器工作在温度T下，已知高能级的自发辐射速率A_21，受激辐射截面β。试推导该激光器实现粒子数反转所需的最低激励能量密度表达式。（玻尔兹曼常数k_B=1.38×10^-23J/K）试卷答案一、选择题1.B解析：根据维恩位移定律，黑体辐射谱的最大值波长与绝对温度成反比。2.A解析：激光产生的三个必要条件是：粒子数反转、受激辐射光放大和光学谐振腔。粒子数反转是实现受激辐射光放大的物理基础。3.D解析：自发辐射是由原子或分子从高能级向低能级随机跃迁引起的，不需要外界光子参与；受激辐射是由外界光子诱导原子或分子从高能级向低能级跃迁并辐射一个与入射光子特性完全相同的光子。4.C解析：A系数是材料本身的属性，与材料的微观结构有关，反映了该材料中能级跃迁的固有概率。5.D解析：粒子数反转的实现依赖于材料的能级结构和激励方式。三能级和四能级系统是常见的实现粒子数反转的能级结构，并非只有其中一种。6.C解析：光学谐振腔通过提供光放大（多次反射）和选模（只允许特定频率和模式的光子存在）作用，使光在介质中不断放大，最终形成激光束输出。7.C解析：布儒斯特窗是倾斜放置的透明平板，当光以布儒斯特角入射时，只有线偏振光（偏振方向平行于入射面）能无反射地通过，从而选择特定的偏振态输出，减少偏振相关的损耗。8.B解析：激光的时间相干性反映其单色性，用谱线宽度Δν和相干时间τ来衡量，它们之间满足τ≈1/Δν。9.C解析：激光的单色性指其谱线宽度很窄，即频率或波长范围很窄，输出光接近于单一频率或波长的光。10.B解析：固体激光器通常利用光泵浦（通常是闪光灯或激光二极管）将能量传递给工作介质，使其实现粒子数反转并产生激光。二、多选题11.A,B解析：激光的高方向性源于其束腰很小且发散角很小，能量高度集中在特定方向传播。12.A,B,C解析：激光的三大特性是高亮度、高相干性和高单色性。高功率虽然也是激光的特点之一，但不是其本质特性。13.A,B解析：三能级和四能级系统是固体激光器中实现粒子数反转常用的能级结构。14.A,B,C,D解析：激光输出功率受激励功率、介质增益、腔损耗以及粒子数反转密度等多种因素共同影响。15.A,B,C,D解析：激光技术应用广泛，包括医疗（治疗疾病）、工业（切割、焊接）、信息存储（光盘、光存储器）、军事（制导、武器）、科研以及导航定位（激光雷达）等。三、填空题16.吸收解析：黑体能完全吸收投射到其表面的所有波长的辐射能。17.频率、相位、方向解析：受激辐射产生的光子与入射光子在频率、相位、传播方向和偏振态等方面完全相同。18.受激辐射解析：光学谐振腔是实现光放大（受激辐射）的必要条件之一。19.波前孔径解析：波前孔径决定了激光束衍射后扩展的范围，进而决定了其空间相干性。20.光电、电激励解析：半导体激光器利用PN结在注入电流时产生的电子-空穴对复合而辐射光子（光电效应），通常用电激励方式。四、简答题21.解析：自发辐射是粒子自发地从高能级跃迁到低能级，并辐射一个光子，该光子的频率、相位、方向和偏振态都是随机无规的。受激辐射是处于高能级的粒子在外界光子（频率与粒子能级差相同）的作用下，跃迁到低能级并辐射一个与入射光子特性完全相同的光子。两者区别在于是否需要外界光子触发，以及辐射光子的特性是否与入射光子相同。22.解析：光学谐振腔通常由两个反射镜构成，其中一个为全反射镜，另一个为部分透射（或可调谐）的反射镜，它们之间平行放置并围成封闭或半封闭的空间，其中放置有工作介质。其主要作用是：提供光放大（光子在其中来回传播，诱导更多受激辐射），形成激光束（只允许满足谐振条件的光模式在腔内稳定存在并不断增强），并选择特定的激光频率和模式输出。23.解析：激光的时间相干性描述了激光束在空间上相干的时间范围。相干时间越长的激光，其谱线宽度越窄，即频率越单一，单色性越好。时间相干性决定了激光束能够保持相干性的距离（相干长度），超过相干长度，激光束的干涉效应会显著减弱或消失。24.解析：激光的空间相干性描述了激光束在空间上相干的范围。相干面积越大的激光，其波前在空间上越接近于平面，即光束发散角越小，光束越“细”。空间相干性决定了激光束在传播过程中散开的大小，直接影响其聚焦能力和远场光斑特性。五、计算题25.解析：激光的时间相干长度L_c=cτ=c/Δν。谱线宽度Δν=Δλ/λ^2，其中λ=5000Å=5000×10^-10m。L_c=cλ^2/Δλ=(3×10^8m/s)×(5000×10^-10m)^2/(10^-4×10^10m^-1)L_c=7.5×10^-3m=7.5mm。相干时间τ=L_c/c=7.5×10^-3m/3×10^8m/s=2.5×10^-11s。答案：相干长度L_c=7.5mm，相干时间τ=2.5×10^-11s。26.解析：粒子数反转条件为N_2-N_1<N_1*A_21/(βhv)。其中N_2是高能级粒子数，N_1是低能级粒子数，hv是能级差（E）。要求反转，需要hv>N_1*A_21/β。激励能量密度至少需要提供使低能级粒子数N_1