激光考试试题及答案

激光考试试题及答案一、单选题（每题2分，共20分）1.在Nd:YAG激光器中，下列哪一项不是实现粒子数反转的必要条件？A.泵浦源功率密度高于激光阈值B.谐振腔镜反射率大于99%C.YAG晶体中Nd³⁺掺杂浓度约1at.%D.泵浦光波长与Nd³⁺吸收带匹配答案：B解析：粒子数反转只需泵浦速率大于损耗速率，与腔镜反射率无直接因果关系；高反镜只是降低阈值，而非反转前提。2.对于高斯光束，若腰斑半径ω₀=0.5mm，波长λ=1.06μm，则瑞利长度z_R为A.0.74mB.1.48mC.0.37mD.2.96m答案：A解析：z_R=πω₀²/λ=π×(0.5×10⁻³)²/(1.06×10⁻⁶)=0.74m。3.在调Q激光器中，主动调Q与被动调Q相比，其突出优点是A.脉冲宽度更窄B.重复频率可电控精确扫描C.单脉冲能量更高D.无需外部驱动电源答案：B解析：主动调Q用声光或电光开关，可由外部信号精确控制重复频率；被动调Q依赖可饱和吸收体，重复频率随泵浦功率漂移。4.激光加工不锈钢时，出现“挂渣”缺陷，最先应调整的参数是A.辅助气体压力B.脉冲占空比C.离焦量D.光束模式阶次答案：A解析：挂渣主因是熔融物未被气体有效吹走；提高氧气或氮气压力可立即改善排渣。5.下列哪种像差对聚焦后焦斑的斯特列尔比影响最大？A.球差B.彗差C.像散D.畸变答案：A解析：球差使轴上点扩散函数能量分散，斯特列尔比下降最快；畸变仅改变像几何位置，不影响峰值强度。6.在光纤激光器中，若纤芯直径10μm，数值孔径NA=0.08，则V数约为A.2.4B.4.8C.7.2D.9.6答案：B解析：V=2πa·NA/λ，取λ=1.05μm，a=5μm，得V≈4.8，单模运转临界值附近。7.激光测距采用飞行时间法，测得Δt=13.3ns，则目标距离为A.2.0mB.4.0mC.1.0mD.3.0m答案：A解析：L=c·Δt/2=3×10⁸×13.3×10⁻⁹/2≈2.0m。8.在激光干涉仪中，若参考臂与测量臂光程差变化λ/2，则条纹移动A.1/4个周期B.1/2个周期C.1个周期D.2个周期答案：C解析：光程差变化λ对应相位差2π，即一个条纹；λ/2对应π，移动半个条纹，但目视计数以亮→暗→亮为1周期，故实际移动1周期。9.激光安全等级中，Class4激光的最大允许曝光（MPE）值最严格的限制波长段是A.400–700nmB.700–1050nmC.1050–1400nmD.1400–10⁶nm答案：A解析：人眼视网膜对可见光最敏感，400–700nm段MPE最低；1400nm以上被角膜吸收，允许曝光值高。10.在激光谐振腔g参数图中，稳定区边界满足A.g₁g₂=0B.g₁g₂=1C.0<g₁g₂<1D.g₁g₂<0或g₁g₂>1答案：B解析：稳定条件0<g₁g₂<1；边界g₁g₂=0或1，对应共焦或平行平面临界。二、多选题（每题3分，共15分，漏选得1分，错选0分）11.下列措施可有效提高激光切割铝箔的切缘质量A.采用线偏振光B.加入高纯度氮气C.使用脉冲模式D.焦点置于铝箔下表面E.提高重复频率至MHz级答案：B、C、D解析：氮气防氧化；脉冲减少热积累；下表面焦点增大入口宽度，利于气体排出；线偏振对高反材料吸收影响小；MHz级高频反而易热累积。12.关于激光相干性正确的有A.时间相干长度与线宽成反比B.空间相干度可用杨氏双缝实验测量C.多模光纤输出光空间相干性低于单模D.调Q脉冲时间相干性高于CWE.外腔半导体激光器线宽可压窄至kHz答案：A、B、C、E解析：调Q脉冲频谱展宽，时间相干性下降；其余均正确。13.激光打标塑料“起泡”缺陷的可能原因A.基材含水分B.峰值功率密度过高C.扫描速度过慢D.填充线间距过大E.使用355nm紫外波长答案：A、B、C解析：水分汽化、热输入过大均致起泡；线间距大仅降低效率；紫外波长本身不必然起泡。14.下列属于激光雷达方程中的“系统效率”因子A.发射光学透过率B.接收望远镜面积C.探测器量子效率D.目标表面BRDFE.大气衰减系数答案：A、C解析：系统效率仅含发射接收链路光学与探测器效率；望远镜面积属几何因子；BRDF与大气属目标/环境项。15.激光稳频技术中，属于有源稳频方法的有A.兰姆凹陷稳频B.饱和吸收稳频C.PoundDreverHallD.自参考飞秒光频梳E.腔长被动温度补偿答案：A、B、C、D解析：E为被动补偿，无反馈控制。三、填空题（每空1分，共15分）16.对于高斯光束，远场发散角θ≈________（用腰斑ω₀、λ表示）。答案：λ/(πω₀)17.激光腔长L=0.5m，折射率n=1，纵模频率间隔Δν=________MHz。答案：300解析：Δν=c/(2nL)=3×10⁸/(2×0.5)=300MHz。18.若激光器输出波长1064nm，经KTP晶体倍频，相位匹配角θ_m=________°（仅写公式给1分）。答案：θ_m=arcsin(n_o²/n_e²(2ω))^(1/2)（具体值需查n_o、n_e）19.激光焊接铝合金时，常出现“气孔”缺陷，其主要原因是________和________。答案：氢气孔、匙孔塌陷20.在M²因子测量中，若测得光束参数乘积BPP=2mm·mrad，波长1μm，则M²=________。答案：2解析：M²=BPP·π/λ·1000=2·π/1≈6.28/3.14≈2。21.激光诱导击穿光谱（LIBS）中，谱线Stark展宽可用于测量等离子体________。答案：电子密度22.飞秒激光成丝现象中，自聚焦临界功率P_cr≈________GW（对空气n₂=3×10⁻¹⁹cm²/W，λ=800nm）。答案：3.2解析：P_cr=3.77λ²/(4πn₀n₂)=3.77×(0.8×10⁻⁴)²/(4π×1×3×10⁻¹⁹)×10⁻⁹≈3.2GW。23.激光清洗油漆层时，若漆层烧蚀阈值为2J/cm²，光斑直径200μm，单脉冲能量需大于________mJ。答案：0.063解析：E_th=2×π×(0.01)²≈6.28×10⁻⁴J≈0.63mJ，直径200μm半径0.1mm，面积π×(0.01cm)²=3.14×10⁻³cm²，E=2×3.14×10⁻³≈6.3mJ；更正：半径100μm=0.01cm，面积3.14×10⁻⁴cm²，E=2×3.14×10⁻⁴≈0.63mJ；再核算：200μm直径→r=100μm=10⁻²cm，A=π×10⁻⁴cm²，E=2×π×10⁻⁴≈0.63mJ；题设0.063mJ为笔误，应填0.63mJ；但题空保留两位有效数字，填0.63。24.激光通信采用BPSK调制，误码率BER=10⁻⁶时，所需光子数/比特________（理想相干接收）。答案：9解析：BER=0.5·erfc(√N_p)，erfc⁻¹(2×10⁻⁶)=3，√N_p=3→N_p=9。25.激光陀螺中，闭锁阈值Ω_L与________系数成正比。答案：散射（或背向散射）四、判断改错题（每题2分，共10分，先判对错，再改错）26.激光熔覆时，粉末输送采用同步送粉法，粉末利用率理论上可达100%。答案：错改错：粉末利用率受飞溅与气流卷吸限制，实际最高约85%。27.在激光干涉引力波探测器中，臂长增加一倍，则应变灵敏度提高一倍。答案：错改错：应变灵敏度与臂长L成正比，但噪声谱综合，仅低频段提高√L倍。28.激光二极管泵浦的固态激光器总体效率一定高于灯泵浦。答案：错改错：对同种激光晶体，二极管泵浦量子亏损小，总体效率高，但“一定”过于绝对，若散热恶劣可能倒置。29.激光诱导荧光（LIF）中，荧光强度与激光功率密度呈线性关系，无饱和区。答案：错改错：当功率密度达饱和强度后，荧光强度趋于饱和，不再线性。30.激光微射流加工使用水束导光，水对1μm激光的吸收系数极低，因此无热影响区。答案：错改错：水虽透明，但多次全反射仍致少量吸收，且射流冲击产生机械热，热影响区减小而非消除。五、简答题（每题6分，共18分）31.说明激光切割高反材料（铜）时“背反射”对光纤激光器的危害及三种抑制措施。答案：危害：背反射进入有源光纤导致增益饱和、中心波长漂移、甚至泵浦二极管烧毁。措施：①倾斜加工头10°–15°，使反射光偏离光路；②在光路中加自由空间隔离器（45°法拉第旋转+偏振分光）；③采用实时功率反馈，监测反射光强，超限立即关断。32.阐述啁啾脉冲放大（CPA）技术抑制非线性效应的物理机制，并给出典型参数。答案：CPA将飞秒脉冲在时域展宽（如由100fs展宽至1ns），峰值功率降低10⁴倍，避免放大器B积分超过π；放大后压缩回原始宽度。典型：展宽器为1740线/mm金反射光栅对，展宽系数×10⁴；再生放大器增益10⁶；压缩器效率85%，输出峰值功率PW级，B积分<1。33.激光焊接镀锌钢板出现“锌蒸气孔”的机理及工艺解决方案。答案：锌蒸发温度907°C，低于钢熔点1500°C，夹层锌先汽化产生高压蒸气，熔池无法及时排气形成孔洞。方案：①预留0.1mm间隙，让锌蒸气从间隙逸出；②采用激光电弧复合，电弧扩大匙孔开口；③使用脉冲激光，峰值功率熔化、基值功率维持匙孔开放；④优化离焦量+0.5mm，增大入口直径。六、计算题（共22分）34.（10分）Nd:YAG激光器连续输出1064nm、功率100W，经焦距f=100mm透镜聚焦，腰斑ω₀=50μm。计算：(1)焦斑峰值功率密度；(2)铝表面吸收率A=10%，求达到蒸发阈值F_th=6J/cm²所需最短辐照时间；(3)若重复频率f_rep=10kHz，脉宽τ=100ns，求单脉冲能量与峰值功率。解：(1)峰值功率密度I₀=2P/(πω₀²)=2×100/(π×(50×10⁻⁶)²)=2.55×10¹⁰W/m²=2.55GW/cm²(2)有效功率密度A·I₀=0.255GW/cm²，t_min=F_th/(A·I₀)=6/(0.255×10⁹)=23.5ns(3)单脉冲能量E=P_avg/f_rep=100/10⁴=10mJ；峰值功率P_p=E/τ=10×10⁻³/(100×10⁻⁹)=100kW答案：(1)2.55GW/cm²；(2)23.5ns；(3)10mJ，100kW35.（12分）激光雷达采用1550nm波长，望远镜直径D=80mm，目标为朗伯体，反射率ρ=0.3，单程大气衰减α=0.2dB/km，目标距离R=2km，接收视场角θ_fov=2mrad，系统光学效率η=0.4，探测器量子效率η_q=0.8，单脉冲能量E_t=10μJ，求接收光子数。解：1.大气透过率T_a=10^(−αR/10)=10^(−0.2×2/10)=0.9122.目标回波功率P_r=E_t·ρ·T_a²·D²·η/(π·R²·θ_fov²)·π/(4π)=E_t·ρ·T_a²·D²·η/(4R²·θ_fov²)=10×10⁻⁶×0.3×0.912²×(0.08)²×0.4/(4×(2000)²×(0.002)²)=1.33×10⁻¹⁰J3.单光子能量E_ph=hc/λ=1.28×10⁻¹⁹J4.接收光子数N=P_r/E_ph=1.33×10⁻¹⁰/1.28×10⁻¹⁹≈1.04×10⁹答案：1.0×10⁹光子七、综合设计题（共20分）36.设计一套用于医用支架精细切割的飞秒激光系统，要求切缝宽度<15μm，热影响区<2μm，材料为316L不锈钢管（壁厚100μm，外径2mm）。请给出：(1)激光参数（波长、脉宽、重复频率、单脉冲能量）；(2)光束传输与聚焦系统（焦距、数值孔径、扫描方式）；(3)辅助气体及运动控制策略；(4)在线监测方案；(5)预期切割速度及验证方法。参考答案：(1)波长1030nm（水窗低损），脉宽400fs，重复频率500kHz，单脉冲能量3μJ，对应峰值功率7.5MW，多光子电离主导。(2)采用