激光原理考试题及答案

激光原理考试题及答案

一、选择题（每题5分，共25分）1.下列哪种物质可以作为激光工作物质？（）A.普通玻璃B.红宝石C.水D.空气答案：B。红宝石是常见的激光工作物质，它能在特定条件下实现粒子数反转，产生激光。普通玻璃、水和空气一般不具备产生激光所需的能级结构和特性。2.激光产生的必要条件不包括以下哪一项？（）A.粒子数反转分布B.光学谐振腔C.外界激励源D.高温度环境答案：D。激光产生需要实现粒子数反转分布，让高能级粒子数多于低能级粒子数；光学谐振腔可以对光进行放大和选模；外界激励源用于将粒子从低能级激发到高能级。而高温度环境不是激光产生的必要条件，有时高温反而不利于粒子数反转的实现。3.以下关于光学谐振腔的说法，错误的是（）A.可以增加光在工作物质中的传播路程B.能提高激光的方向性C.会降低激光的单色性D.使受激辐射不断增强答案：C。光学谐振腔可以让光在腔内多次往返，增加光在工作物质中的传播路程，使得受激辐射不断增强。同时，它能对光的传播方向进行选择，提高激光的方向性。并且，谐振腔还能起到选频的作用，提高激光的单色性，而不是降低。4.激光的特性不包括（）A.高亮度B.高能量C.高相干性D.高发散性答案：D。激光具有高亮度，能在很小的区域内集中大量的能量；具有高相干性，其光波的相位关系非常稳定；同时，激光的发散角很小，具有很好的方向性，而不是高发散性。5.下列哪种效应与激光产生过程密切相关？（）A.光电效应B.康普顿效应C.受激辐射D.黑体辐射答案：C。受激辐射是激光产生的核心过程，处于高能级的粒子在外界光子的激励下，会发射出与激励光子完全相同的光子，从而实现光的放大。光电效应主要是指光照射到金属表面时，金属中的电子吸收光子能量而逸出的现象；康普顿效应是指X射线等与物质相互作用时发生散射，散射光波长变长的现象；黑体辐射是研究热辐射的一种理想模型，与激光产生过程没有直接关系。二、填空题（每题5分，共25分）1.激光工作物质按其物理状态可分为固体、液体、______和______。答案：气体；半导体。常见的固体激光工作物质如红宝石、钕玻璃等；液体激光工作物质有某些有机染料溶液；气体激光工作物质如二氧化碳、氦-氖等；半导体激光工作物质如砷化镓等。2.实现粒子数反转分布需要满足的条件是______和______。答案：有合适的能级结构；有外界激励源。合适的能级结构能保证粒子可以在不同能级间跃迁，形成粒子数反转；外界激励源则为粒子从低能级跃迁到高能级提供能量。3.光学谐振腔的主要作用有______、______和选模。答案：光放大；提供正反馈。光在谐振腔内不断往返，通过受激辐射实现光放大；同时，谐振腔将一部分光反馈回工作物质，使受激辐射持续进行，提供正反馈。4.激光的纵模反映了激光的______特性，横模反映了激光的______特性。答案：频率；横向光场分布。纵模决定了激光的频率，不同的纵模对应不同的频率；横模描述了激光在垂直于传播方向上的光场分布情况。5.激光器一般由激光工作物质、______和______三部分组成。答案：光学谐振腔；激励源。激光工作物质是产生激光的基础，光学谐振腔对光进行放大和选模，激励源为工作物质提供能量，使粒子实现数反转。三、简答题（每题15分，共30分）1.简述激光产生的基本原理。答：激光产生的基本原理基于受激辐射。首先，要有一个合适的激光工作物质，它具有特定的能级结构。通过外界激励源，如光泵浦、电激励等，将工作物质中的粒子从低能级激发到高能级，实现粒子数反转分布，也就是高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数。当有一个初始光子进入工作物质时，若这个光子的能量等于工作物质中某两个能级的能量差，就会引发处于高能级的粒子发生受激辐射，发射出一个与初始光子频率、相位、传播方向和偏振方向都相同的光子。这两个光子再去激励其他高能级粒子，产生更多相同的光子，如此不断进行，光就被放大了。同时，光学谐振腔起到了重要作用，它让光在腔内多次往返，进一步增强受激辐射，并且对光进行选模，最终输出具有高亮度、高方向性、高相干性和高单色性的激光。2.说明光学谐振腔在激光产生过程中的作用。答：光学谐振腔在激光产生过程中有三个重要作用。一是光放大作用，光在谐振腔内多次往返，每次经过工作物质时，都会通过受激辐射产生更多相同的光子，使得光的强度不断增强，实现光的放大。二是提供正反馈，谐振腔将一部分光反馈回工作物质，让受激辐射能够持续进行。只有满足一定条件的光才能在腔内形成稳定的振荡，不断得到放大，而不满足条件的光则会逐渐衰减。三是选模作用，谐振腔可以选择特定频率和方向的光。对于纵模，它可以选择不同的频率，使激光具有良好的单色性；对于横模，它可以选择激光在横向的光场分布，保证激光具有特定的光斑形状和模式，提高激光的质量和稳定性，让输出的激光具有更好的方向性和相干性。四、论述题（20分）论述激光的特性及其在实际生活中的应用。答：激光具有高亮度、高方向性、高相干性和高单色性等特性。高亮度意味着激光能在很小的区域内集中大量的能量，例如在工业加工中，高亮度的激光可以用于切割金属材料。由于激光的能量高度集中，它可以快速熔化和汽化金属，实现精确的切割，比传统的切割方法更高效、更精确。高方向性使得激光的发散角很小，传播很远距离后光斑尺寸变化不大。在通信领域，激光可以作为信息的载体进行长距离传输。例如光纤通信，激光信号在光纤中几乎沿着直线传播，能够准确地将信息传递到远方，而且抗干扰能力强，传输容量大。高相干性表示激光光波的相位关系非常稳定，在全息摄影中就利用了激光的这一特性。通过将激光分成两束，一束照射物体，另一束作为参考光，两束光干涉形成的干涉条纹记录了物体的三维信息，从而可以再现出物体逼真的三维图像。高单色性是指激光的频率范围很窄，在光谱分析中，利用激光的高单色性可以精确地分析物质的成分和结构。不同物质对特定频率的激光吸收和发射情况