激光技术笔试题及完整答案

激光技术笔试题及完整答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在Nd:YAG激光器中，下列哪一项不是影响其斜率效率的主要因素？A.泵浦源的光谱匹配度B.激光晶体的热透镜效应C.输出镜的透射率D.谐振腔的机械长度答案：D解析：斜率效率主要与泵浦光利用率、腔内损耗及输出耦合率相关，而谐振腔的机械长度对斜率效率无直接决定作用，仅影响纵模间隔。2.对于高斯光束，若腰斑半径ω₀=0.5mm，波长λ=1.06μm，则其瑞利长度zR约为：A.0.47mB.0.74mC.1.23mD.2.36m答案：B解析：zR=πω₀²/λ=π×(0.5×10⁻³)²/(1.06×10⁻⁶)=0.74m。3.在光纤激光器中，采用双包层光纤的主要目的是：A.降低非线性效应B.提高泵浦吸收效率C.抑制模式竞争D.减小量子亏损答案：B解析：双包层结构允许大芯径多模泵浦光在包层中传输，被内芯掺杂吸收，显著提高耦合效率。4.下列哪种调制方式可实现激光脉冲宽度小于100fs？A.声光Q开关B.电光腔倒空C.半导体可饱和吸收镜（SESAM）锁模D.机械斩波器答案：C解析：SESAM锁模利用可饱和吸收体的超快恢复时间，可产生飞秒级脉冲，其余方法均在ps~ns量级。5.激光加工中，等离子体屏蔽效应最先表现为：A.材料表面粗糙度增加B.加工深度突然减小C.切缝宽度变窄D.热影响区扩大答案：B解析：等离子体对后续激光能量吸收增强，导致传入材料的能量骤降，深度减小。6.在激光测距中，若采用伪随机码相位调制，其最大无模糊距离与下列哪项成正比？A.码元速率B.码长C.激光功率D.探测器带宽答案：B解析：最大无模糊距离Lmax=c·N/(2R)，其中N为码长，R为码元速率，故与码长成正比。7.对于CO₂激光器，下列气体中起主要冷却作用的是：A.N₂B.HeC.COD.Xe答案：B解析：He具有高热导率，可快速带走下能级粒子，降低气体温度。8.在激光谐振腔中，g参数满足0<g₁g₂<1时，腔型为：A.稳定腔B.临界腔C.非稳腔D.波导腔答案：A解析：稳定腔条件即0<g₁g₂<1，此时近轴光线可无限次往返不逸出。9.激光诱导击穿光谱（LIBS）中，谱线强度与下列哪项关系最弱？A.激光功率密度B.样品表面氧化层厚度C.探测器门宽D.激光重复频率答案：D解析：单脉冲LIBS信号与重复频率无关，仅影响采集效率。10.在激光通信中，采用BPSK相干探测相比IM/DD系统，灵敏度可提高约：A.3dBB.6dBC.10dBD.20dB答案：D解析：相干探测可突破散粒噪声极限，理论灵敏度提高约20dB。二、多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）11.下列哪些技术可有效抑制光纤激光器中的受激拉曼散射（SRS）？A.采用大模场面积光纤B.级联拉曼滤波器C.降低光纤长度D.提高掺杂浓度答案：A、B、C解析：大模场降低功率密度；滤波器可滤除斯托克斯光；缩短光纤减少相互作用长度；提高掺杂反而可能加剧SRS。12.关于激光二极管（LD）光束质量，下列说法正确的是：A.快轴方向M²接近1B.慢轴方向M²通常>10C.像散导致焦平面分离D.可通过微透镜阵列整形答案：B、C、D解析：快轴M²≈1.2~1.5，慢轴因多模输出M²大；像散使两轴焦面不重合；微透镜阵列可匀化光束。13.在激光焊接铝合金时，易出现气孔的原因包括：A.氢在铝中溶解度突变B.镁元素蒸发烧损C.匙孔塌陷D.保护气流量过大答案：A、B、C解析：氢溶解度差导致凝固时析出；镁蒸发烧损形成低压空腔；匙孔塌陷包裹气体；保护气流量大一般减少氧化，不直接增孔。14.下列哪些参数可用于评价激光光束质量？A.M²因子B.斯特列尔比C.光束参数乘积（BPP）D.远场发散角答案：A、B、C、D解析：四者均为常用评价指标，其中M²与BPP可互换换算。15.在激光雷达中，采用1550nm波长相比905nm的优点有：A.人眼安全阈值高B.大气传输损耗小C.可用InGaAs探测器D.太阳背景辐射弱答案：A、C解析：1550nm角膜聚焦低，人眼安全阈值高；InGaAs探测器成熟；大气损耗略高；太阳辐射在1550nm高于905nm。三、填空题（每空2分，共20分）16.对于均匀加宽四能级系统，小信号增益系数g₀=σe·ΔN₀，其中σe为________，ΔN₀为________。答案：发射截面；反转粒子数密度解析：σe反映能级跃迁概率，ΔN₀为激光上、下能级粒子数密度差。17.在调Q激光器中，脉冲峰值功率Ppk与单脉冲能量E及脉冲宽度τ的关系为________。答案：Ppk≈E/τ解析：假设脉冲形状为矩形，峰值功率即能量除以脉宽。18.激光谐振腔的菲涅耳数N=a²/(λL)，其中a为________，L为________。答案：腔镜半径；腔长解析：菲涅耳数表征衍射损耗，a为镜面上光束有效半径。19.在光纤布拉格光栅（FBG）中，中心反射波长λB=________，其中neff为________。答案：2neffΛ；有效折射率解析：Λ为光栅周期，满足布拉格条件时反射。20.激光诱导荧光（LIF）中，荧光强度IF与激光强度IL的关系在饱和区表现为________。答案：IF∝√IL解析：饱和时上能级粒子数趋于饱和，荧光强度随√IL增长。四、判断改错题（每题2分，共10分，先判对错，再改正错误部分）21.在激光加工中，辅助气体压力越高，则切割速度一定越快。答案：错。改正：过高的气体压力会激波冷却，反而降低切割速度，存在最优值。22.激光二极管抽运的固体激光器（DPSSL）的量子亏损一定大于灯泵。答案：错。改正：DPSSL可通过波长匹配降低量子亏损，灯泵光谱宽，量子亏损更大。23.对于高斯光束，其远场发散角与腰斑半径成正比。答案：错。改正：θ=λ/(πω₀)，发散角与腰斑半径成反比。24.在激光测距中，采用飞行时间法（TOF）时，距离分辨率与激光脉宽无关。答案：错。改正：分辨率ΔL=c·τ/2，与脉宽τ直接相关。25.光纤激光器中的模式不稳定（TMI）效应属于热致非线性效应。答案：对。解析：量子亏损产热导致折射率光栅，耦合基模与高阶模，属热致非线性。五、简答题（每题8分，共24分）26.阐述激光相干性包含哪些维度，并给出各自物理定义及典型测量方法。答案：（1）时间相干性：描述波列持续时间，用相干长度Lc=λ²/Δλ表征，可用迈克尔逊干涉仪测可见度随光程差变化；（2）空间相干性：描述波前横向相位一致性，用相干面积Ac≈(λz)²/ΔΩ表征，可用杨氏双缝实验测条纹可见度；（3）纵向相干性：即时间相干性的另一种表述；（4）模相干性：针对多模激光，各纵模间相位关系，可用拍频法测模间频谱纯度。解析：相干性是激光区别于普通光的核心，直接决定干涉、全息、相干通信等应用可行性。27.说明在超快激光放大中采用啁啾脉冲放大（CPA）技术的必要性，并给出典型参数链。答案：必要性：超短脉冲峰值功率极高，直接放大将因非线性效应（自聚焦、丝状损伤）破坏元件；CPA通过色散将脉冲在时域展宽10³~10⁴倍，降低峰值功率，放大后再压缩回原宽度。典型参数链：振荡器输出100fs/0.1nJ→展宽至500ps/0.1nJ→多通放大至500ps/50mJ→压缩回120fs/45mJ，峰值功率达0.37PW。解析：CPA技术使超快激光功率提升10⁶倍而不损伤器件，是TW~PW级激光基石。28.分析激光熔覆中裂纹产生机理，并提出三种抑制措施。答案：机理：①热应力：快速加热冷却产生拉应力；②相变应力：马氏体转变体积膨胀；③约束应力：基体刚性固定。抑制措施：①预热基体至200~400℃降低温度梯度；②优化合金粉末，添加Ni、B等增韧元素；③采用激光重熔或二次回火去应力。解析：裂纹是熔覆层主要缺陷，通过应力控制与材料设计可显著改善。六、计算题（共31分）29.（10分）某Nd:YAG激光器采用平凹腔，腔长L=50cm，凹面镜曲率R=2m，输出镜透射T=5%，腔内往返损耗δ=2%，激光截面σ=2.8×10⁻¹⁹cm²，上能级寿命τ=230μs，泵浦速率Wp=200s⁻¹，掺杂浓度Nt=1.5×10²⁰cm⁻³。求小信号增益系数g₀及阈值反转粒子数ΔNth。答案：g₀=σ·Wp·τ·Nt=2.8×10⁻¹⁹×200×230×10⁻⁶×1.5×10²⁰=1.93cm⁻¹ΔNth=(δ+T/2)/(2σ)=(0.02+0.05/2)/(2×2.8×10⁻¹⁹)=1.07×10¹⁷cm⁻³解析：先算稳态反转ΔN₀=WpτNt，再据阈值条件2σΔNth=δ+T/2。30.（10分）高斯光束腰斑ω₀=0.8mm，λ=632.8nm，经焦距f=100mm薄透镜聚焦，求焦点处腰斑ω₀′及焦深b。若将透镜向腰斑方向移动10mm，求新焦点ω₀″。答案：原焦点：ω₀′=λf/(πω₀)=632.8×10⁻⁹×0.1/(π×0.8×10⁻³)=25.2μm焦深b=2zR′=2πω₀′²/λ=2π×(25.2×10⁻⁶)²/(632.8×10⁻⁹)=6.3mm透镜移动10mm，新物距d=f+Δz=100+10=110mm，根据ABCD定律：ω₀″=ω₀′·√(1+(Δz/zR)²)=25.2×√(1+(10/315)²)=25.3μm解析：高斯光束聚焦公式直接计算，透镜移动引入微小变化。31.（11分）某光纤激光器输出P=2kW，波长λ=1070nm，光纤芯径20μm，数值孔径NA=0.06，长度L=10m，受激拉曼散射阈值PRaman≈16Aeff·gR·Leff，其中gR=1×10⁻¹³m/W，Leff=(1−e−αL)/α，α=0.3dB/km=6.9×10⁻⁵m⁻¹。求SRS阈值功率，并判断2kW是否超限。答案：Aeff=πa²=π×(10×10⁻⁶)²=3.14×10⁻¹⁰m²Leff=(1−e−6.9×10⁻⁵×10)/6.9×10⁻⁵≈9.66mPRaman=16×3.14×10⁻¹⁰×1×10⁻¹³×9.66≈4.86kW2kW<4.86kW，未超限，但裕度仅2.4倍，长期运行需降功率或增大模场。解析：SRS为千瓦级光纤激光首要非线性限制，需留3~5倍裕度。七、综合设计题（共30分）32.设计一套用于钛合金航空叶片气膜孔冷却的超快激光钻孔系统，要求：孔径ϕ=0.3mm，厚度t=2mm，锥度<1°，无重铸层，加工时间<2s/孔。给出激光参数、光路布局、工艺序列及在线监测方案，并论证可行性。答案：（1）激光参数：选取1030nm/300fs/1mJ/100kHz光纤啁啾放大系统，聚焦后峰值功率密度≈5×10¹³W/cm²，远超过钛的库伦爆炸阈值，实现冷加工。（2）光路：光束经λ/4波片+扩束镜→扫描振镜（20mm口径）→f=100mm远心场镜，焦点处腰斑≈15μm，采用螺旋扫描路径，直径0.3mm，搭接率90%。（3）工艺序列：①激光清洗表面油污；②预钻孔：螺旋扫描200圈，进给速度v=1m/s，