激光原理及应用试卷及答案

激光原理及应用试卷及答案一、单项选择（每题2分，共20分）1.激光英文缩写“LASER”中，字母S对应的物理量是A.Stimulated B.Spontaneous C.Scattered D.Saturated答案：A解析：LASER=LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，S即Stimulated，强调受激辐射。2.四能级系统相比三能级系统的最大优势是A.泵浦阈值更低 B.输出波长更短 C.能量转换效率更低 D.增益介质更易损坏答案：A解析：四能级系统的激光下能级远离基态，粒子数反转易实现，阈值泵浦功率显著下降。3.氦氖激光器632.8nm谱线对应的能级跃迁发生在A.Ne原子5s→3p B.Ne原子3s→2p C.He原子2³S→2¹S D.He原子2¹P→1¹S答案：B解析：632.8nm由Ne的3s₂→2p₄跃迁产生，He仅起能量共振转移作用。4.稳定光学谐振腔的g参数满足A.0<g₁g₂<1 B.g₁g₂=0 C.g₁g₂>1 D.g₁g₂<0答案：A解析：稳定性判据0≤g₁g₂≤1，等号对应临界腔，实际设计常取0<g₁g₂<1。5.在均匀加宽介质中，当激光强度增大时，增益曲线将A.整体下降但线型不变 B.出现烧孔 C.线宽变窄 D.中心频率移动答案：A解析：均匀加宽下所有原子响应相同，强场导致饱和，增益整体下降而线型保持洛伦兹形。6.Q开关技术中，调Q瞬间腔损耗的变化趋势是A.由高→低突变 B.由低→高突变 C.线性增加 D.指数衰减答案：A解析：调Q先让腔处于高损耗（低Q），积累反转粒子数，再突然降低损耗，形成巨脉冲。7.光纤激光器采用双包层结构的根本目的是A.降低非线性效应 B.提高泵浦耦合效率 C.减小模式体积 D.抑制横模竞争答案：B解析：内包层大数值孔径可接受多模泵浦光，外包层约束泵浦，使泵浦光在纤芯反复吸收。8.激光测距中，相位式测距仪的最大无模糊距离由A.调制频率决定 B.激光功率决定 C.探测器带宽决定 D.光束发散角决定答案：A解析：λ_mod=c/f_mod，最大无模糊距离L_max=λ_mod/2，与调制频率成反比。9.在激光冷却中，多普勒冷却极限温度T_D与失谐Δ的关系为A.T_D∝|Δ| B.T_D∝1/|Δ| C.T_D与Δ无关 D.T_D∝Δ²答案：B解析：T_D=ℏΓ/2k_B，Γ为自然线宽，实验上Δ≈−Γ/2，故极限温度与失谐大小成反比趋势。10.激光诱导击穿光谱（LIBS）中，谱线强度与元素含量近似满足A.指数关系 B.对数关系 C.线性关系 D.幂律关系指数≈0.5答案：C解析：在局部热平衡（LTE）下，谱线强度与元素总密度成正比，常用定标曲线法做线性拟合。二、填空（每空1分，共20分）11.激光产生的三大物理基础是：________辐射、光学________、粒子数________。答案：受激、反馈、反转解析：受激辐射提供相干光子，光学反馈由谐振腔实现，粒子数反转保证增益大于损耗。12.若某谐振腔腔长L=0.5m，折射率n=1，纵模频率间隔Δν=________MHz。答案：300解析：Δν=c/2L=3×10⁸/(2×0.5)=3×10⁸Hz=300MHz。13.高斯光束束腰半径w₀=0.4mm，波长λ=1μm，则瑞利长度z_R=________m。答案：0.503解析：z_R=πw₀²/λ=π×(0.4×10⁻³)²/1×10⁻⁶≈0.503m。14.调Q脉冲宽度τ_p近似满足τ_p≧2L/c，其中L为腔长，该式体现的是________时间。答案：光子往返解析：脉冲宽度不能小于光子在腔内一次往返时间，否则无法形成稳定脉冲。15.在Nd:YAG中，Nd³⁺离子取代Y³⁺的位置，属于________掺杂，其最佳泵浦带位于________nm附近。答案：替位、808解析：Nd³⁺半径与Y³⁺接近，可形成替位固溶体；⁴F₅/₂吸收带中心约808nm。16.激光加工中，烧蚀阈值F_th与脉冲宽度τ的关系常用F_th∝τ^x描述，对于皮秒激光，x≈________。答案：0.5解析：皮秒区热扩散长度∝√τ，能量密度阈值∝√τ，故x≈0.5。17.飞秒激光成丝现象中，自聚焦与________效应的动态平衡使光束在长距离内保持________直径。答案：等离子体散焦、微米级解析：克尔自聚焦与电子等离子体散焦形成动态波导，成丝直径约100μm以下。18.激光雷达方程中，接收功率P_r∝P_t·ρ·A_r·η/R²，其中ρ表示目标________系数。答案：后向散射解析：ρ为单位面积、单位立体角的后向散射率，决定回波强度。19.在激光干涉引力波探测器中，采用________镜构成法布里珀罗腔，使等效光程达到________km量级。答案：高反射、数百解析：LIGO臂长4km，法布里珀罗腔精细度≈450，等效光程≈4×450=1800km。20.激光生物效应中，________效应是视网膜最敏感机制，其损伤阈值在可见光波段约为________μJ/cm²（纳秒脉冲）。答案：光机械、1解析：纳秒脉冲峰值功率高，产生气泡导致光机械损伤，视网膜阈值约1μJ/cm²。三、判断并改错（每题2分，共10分；先判对错，再写出正确表述）21.激光腔镜曲率半径越小，高斯光束腰斑一定越大。答案：错。正确：腔镜曲率半径减小，束腰可能减小或增大，需综合腔型g参数判断。22.非稳腔的输出耦合率一定高于稳定腔。答案：对。非稳腔几何损耗大，等效输出耦合率高，适用于高增益介质。23.在半导体激光器中，带隙越宽，激射波长越长。答案：错。正确：带隙越宽，光子能量越高，激射波长越短。24.拉曼光纤激光器的波长由泵浦光决定，与光纤长度无关。答案：错。正确：拉曼波长由斯托克斯频移决定，与泵浦波长及光纤振动模有关，长度影响阈值和效率。25.激光切割金属时，辅助气体压力越高，热影响区越大。答案：错。正确：高压气体快速带走熔融物，减少热传导，热影响区反而减小。四、简答（每题6分，共30分）26.说明均匀加宽与非均匀加宽的区别，并给出两种典型介质。答案：均匀加宽指所有原子对同一频率响应相同，线型为洛伦兹，如Nd:YAG；非均匀加宽不同原子响应不同频率，线型为高斯，如HeNe中多普勒展宽。27.画出四能级系统能级简图，标出泵浦、激光跃迁及快速弛豫过程，并解释为何阈值低。答案：基态→泵浦带（快）→上激光能级（寿命长）→下激光能级（快）→基态。下能级非基态且寿命短，易抽空，反转易实现，阈值低。28.说明克尔透镜锁模（KLM）原理，并给出实现自启动的两种方法。答案：利用克尔效应产生自聚焦，高强度脉冲自聚焦强，等效aperture损耗小，低强度连续损耗大，形成可饱和吸收。自启动：①轻微撞击镜架引入瞬时尖峰；②插入半导体可饱和吸收镜（SESAM）辅助启动。29.列举激光雷达三种测距体制，并比较其精度与适用距离。答案：①脉冲飞行时间：精度cm级，km级距离；②相位式：精度mm级，<100m；③调频连续波（FMCW）：精度μm级，<10m，适合无人驾驶近距离。30.说明激光冷却中“光学黏团”形成条件，并给出典型原子与冷却极限温度。答案：六束对射偏振正交激光，负失谐Δ=−Γ/2，形成空间周期性势阱，原子被束缚。典型：⁸⁵Rb，极限温度≈140μK。五、计算与推导（共30分）31.（10分）某Nd:YAG激光器，λ=1064nm，腔长L=10cm，输出镜透过率T=5%，往返损耗δ=0.01，受激发射截面σ=2.8×10⁻¹⁹cm²，上能级寿命τ=230μs，折射率n=1.82。求阈值反转粒子数密度ΔN_t。答案：阈值增益g_t=(δ+T)/2L=(0.01+0.05)/(2×10)=0.003cm⁻¹ΔN_t=g_t/σ=0.003/(2.8×10⁻¹⁹)=1.07×10¹⁶cm⁻³解析：增益系数g=σΔN，达到阈值时增益等于总损耗，注意单位换算。32.（10分）高斯光束腰斑w₀=0.5mm，λ=632.8nm，求距束腰z=5m处光斑半径w(z)及波前曲率半径R(z)。答案：z_R=πw₀²/λ=π×(0.5×10⁻³)²/632.8×10⁻⁹≈1.24mw(z)=w₀√[1+(z/z_R)²]=0.5√[1+(5/1.24)²]≈2.06mmR(z)=z[1+(z_R/z)²]=5[1+(1.24/5)²]≈5.31m解析：直接代入高斯光束传播公式。33.（10分）用调QNd:YAG激光打铝靶，单脉冲能量E=100mJ，脉宽τ=10ns，聚焦光斑直径d=50μm，铝的烧蚀焓H=3×10⁴J/cm³，忽略热扩散，求单脉冲烧蚀深度。答案：峰值功率P=E/τ=10MW光斑面积A=π(d/2)²=π(25×10⁻⁴)²=1.96×10⁻⁵cm²体积烧蚀V=E/H=100×10⁻³/(3×10⁴)=3.33×10⁻⁶cm³深度h=V/A=3.33×10⁻⁶/1.96×10⁻⁵≈0.17mm解析：能量全部用于烧蚀，按体积焓换算。六、综合设计（20分）34.设计一套全光纤结构、中心波长1550nm、重复频率100MHz、脉宽100fs、平均功率1W的被动锁模光纤激光器。要求：（1）画出系统框图，标出器件名称及光纤类型；（2）计算所需掺铒光纤长度（假设泵浦源980nm，功率500mW，吸收系数4dB/m，斜率效率30%）；（3）说明色散补偿方案并估算所需色散量；（4）给出腔内非线性相移控制措施；（5）提出一种功率放大至10W且不显著展宽脉宽的技术路线。答案：（1）框图：980nmLD→WDM→掺铒光纤(EDF)→偏振无关隔离器→色散补偿光纤(DCF)→输出耦合器(90:10)→非线性偏振旋转(NPR)锁模器→PC→循环。（2）小信号增益G=exp(αL)，α=4dB/m=0.92m⁻¹，设吸收泵浦P_abs=500mW×0.8=400mW，激光功率P_out=1W，需放大级增益G=10，取EDF长度L≈12m，剩余泵浦回收。（3）1550nm处标准单模光纤(SMF28)色散D=17ps/(nm·km)，100fs谱宽Δλ≈15nm，总腔长≈2m，需负色散≈−0.51ps²，采用−80ps/(nm·km