激光基础知识试题及答案

激光基础知识试题及答案一、激光基本原理与特性1.【单选】爱因斯坦在1917年提出受激辐射概念时，给出的受激辐射系数B21与自发辐射系数A21的关系式为A.B21=(c³/8πhν³)·A21B.B21=(8πhν³/c³)·A21C.B21=(hν³/8πc³)·A21D.B21=(8πc³/hν³)·A21答案：B解析：根据爱因斯坦辐射理论，热平衡空腔内能级2→1的跃迁速率满足B21ρ(ν)=A21·(8πhν³/c³)·ρ(ν)，因此B21=(8πhν³/c³)·A21。2.【单选】在典型的四能级激光系统中，下列哪一对能级之间的粒子数反转最容易实现A.基态与激光上能级B.激光上能级与激光下能级C.激光下能级与基态D.泵浦上能级与激光上能级答案：B解析：四能级系统激光下能级远高于基态，热平衡时几乎为空，因此激光上能级与激光下能级之间只需少量积累即可实现反转，阈值最低。3.【填空】若某激光谐振腔腔长L=0.5m，腔内折射率n=1，则纵模频率间隔Δν=______GHz。答案：0.3GHz解析：Δν=c/(2nL)=3×10⁸/(2×1×0.5)=3×10⁸Hz=0.3GHz。4.【判断】激光的相干性仅体现在时间相干性，而与空间相干性无关。答案：错误解析：激光同时具备高时间相干性与高空间相干性，后者表现为波前相位关联，是产生清晰干涉条纹的必要条件。5.【计算】某Nd:YAG激光器输出波长1064nm，线宽Δλ=0.1nm，求其相干长度Lc。答案：Lc=λ²/Δλ=(1064×10⁻⁹)²/(0.1×10⁻⁹)≈1.13cm解析：相干长度公式Lc=λ²/Δλ，代入即得。6.【多选】下列哪些因素会导致激光线宽展宽A.温度波动引起腔长变化B.自发辐射噪声C.泵浦功率升高D.腔内插入标准具答案：A、B、C解析：温度与机械振动使腔长抖动→频率漂移；自发辐射提供相位噪声；泵浦功率升高增加增益介质的折射率起伏。标准具反而压窄线宽。7.【简答】解释“增益饱和”现象并说明其对单纵模运转的作用。答案：当腔内光强增大到使受激辐射速率与泵浦速率相当时，反转粒子数下降→增益系数降低，称为增益饱和。饱和使主模增益被钳制在阈值，而边模因增益低于损耗被抑制，从而有利于单纵模运转。8.【综合】设某激光器小信号增益系数g₀=0.05cm⁻¹，损耗系数α=0.02cm⁻¹，腔长L=10cm，输出镜透过率T=2%。求稳态输出光强Iout与饱和光强Is的关系式。答案：由稳态条件g=α+T/(2L)，得g=0.02+0.02/(2×10)=0.021cm⁻¹；又g=g₀/(1+I/Is)，解得I=Is·(g₀/g–1)=Is·(0.05/0.021–1)≈1.38Is；输出镜一侧光强Iout=T·I=0.02×1.38Is=0.0276Is。二、光学谐振腔与模式9.【单选】稳定腔条件0<g₁g₂<1中，若g₁=1–L/R₁，g₂=1–L/R₂，则对称共焦腔的g₁g₂值为A.0B.0.5C.1D.–1答案：A解析：对称共焦腔R₁=R₂=L，故g₁=g₂=0，乘积为0。10.【填空】某HeNe激光器腔长L=30cm，输出镜曲率半径R=60cm，则束腰位置距输出镜______cm。答案：15cm解析：共焦参数z₀=√(L(R–L))=√(0.3×0.3)=0.3m，束腰位于腔中心，距每端15cm。11.【多选】TEM₀₀模与TEM₁₀模相比，具有A.更小的发散角B.更高的轴上光强C.更大的模体积D.更小的衍射损耗答案：A、B、D解析：基模发散角θ₀=λ/(πw₀)最小；轴上光强最大；衍射损耗随模阶次升高而增大；模体积反而小。12.【判断】在相同腔长下，平凹腔的基模光斑尺寸一定大于对称共焦腔。答案：错误解析：共焦腔束腰w₀=√(λL/(2π))，平凹腔束腰w₀=√(λL/π)·(R–L)^(1/4)，当R→∞时平凹腔退化为平行平面，束腰趋于无穷，但R略大于L时可能小于共焦腔。13.【计算】已知某激光器输出镜透射率T=1%，腔损耗α=0.5%，求光子寿命τc。答案：τc=nL/(c(α+T))=1×0.5/(3×10⁸×0.015)≈1.11×10⁻⁷s=111ns解析：总损耗率δ=α+T=1.5%，代入公式即得。14.【简答】说明“模式竞争”在激光器启动阶段的物理过程。答案：泵浦初期多个纵模同时获得小信号增益，随光强增大，增益饱和使主模优先消耗反转粒子，其增益被钳制在阈值，边模因增益低于损耗被抑制，最终主模独占反转粒子，完成模式竞争。15.【综合】设计一个腔长L=0.5m的Nd:YAG激光器，要求基模光斑半径w₀=0.3mm，求输出镜曲率半径R，并判断是否稳定。答案：由w₀=√(λL/π)·[(R–L)/L]^(1/4)，λ=1064nm，解得R≈2.13m；g₁=1–L/R≈0.765，g₂=0（平面镜），g₁g₂=0，满足0≤g₁g₂≤1，属稳定腔。三、激光器类型与泵浦方式16.【单选】下列哪种激光器最适于产生1550nm通信波段单频输出A.CO₂激光器B.氩离子激光器C.铒玻璃光纤激光器D.氮分子激光器答案：C解析：Er³⁺能级跃迁位于1530–1570nm，光纤结构易于实现单频。17.【填空】Nd:YAG晶体中Nd³⁺掺杂原子百分比通常为______%。答案：1解析：高于1%会出现浓度猝灭，低于0.5%增益不足，工业标准约1%。18.【多选】半导体激光器相比于灯泵浦固体激光器的优势包括A.电光转换效率高B.发射线宽窄C.热负荷低D.输出光束质量好答案：A、C解析：半导体泵浦量子亏损小，热负荷低，电光效率可达50%以上；但线宽与光束质量通常不如单频固体激光器。19.【判断】染料激光器使用横向泵浦时，增益区厚度越薄，可调谐范围越宽。答案：正确解析：薄增益区减少自吸收，允许短波长端更强放大，从而拓宽调谐曲线。20.【计算】某光纤激光器泵浦波长980nm，激光输出1080nm，若光光转换效率为80%，求量子亏损引起的热功率比例。答案：量子亏损ηq=1–λp/λl=1–980/1080≈9.26%；热功率比例=ηq×(1–0.8)/0.8≈2.31%解析：剩余20%损耗中，9.26%来自量子亏损，其余为散射等，故热占比≈2.31%。21.【简答】说明“克尔透镜锁模”(KLM)的物理机制。答案：高强度光脉冲在增益介质产生自聚焦，等效于瞬态透镜，使腔模尺寸缩小，与硬孔或软孔结合导致高强度脉冲损耗降低、低强度连续背景损耗增大，形成可饱和吸收效应，实现飞秒锁模。22.【综合】设计一台腔内倍频Nd:YVO₄激光器，基频1064nm，倍频晶体LBO，走离角ρ=0.4°，求在束腰w₀=50μm、晶体长l=10mm时，走离长度lr与倍频效率下降的关系，并给出允许的最大晶体长度。答案：走离长度lr=√πw₀/ρ=√π×50μm/(0.4×π/180)≈12.5mm；当l>lr时光斑分离导致效率下降，故最大晶体长度宜≤12mm。四、激光调制与Q开关23.【单选】声光Q开关衍射效率η与超声功率Pa的关系近似为A.η∝PaB.η∝√PaC.η∝sin²(√Pa)D.η∝Pa²答案：C解析：RamanNath区衍射效率η=sin²(π/λ√(M₂LPa/2H))，呈正弦平方关系。24.【填空】若电光Q开关使用KDP晶体，半波电压Vπ=λ/(2n₀³r63)，对1064nm、n₀=1.51、r63=10.6pm/V，则Vπ≈______kV。答案：9.2kV解析：Vπ=1064×10⁻⁹/(2×1.51³×10.6×10⁻¹²)≈9.2kV。25.【多选】下列措施可提高被动Q开关重复频率A.提高泵浦功率B.减小可饱和吸收体初始透过率C.缩短腔长D.选用恢复时间短的吸收体答案：A、C、D解析：提高泵浦速率缩短积累时间；短腔降低光子寿命；恢复时间短使吸收体更快回到初始态；减小初始透过率反而降低重复频率。26.【判断】在声光调制器中，布拉格角θB与光波长成正比，与声速成反比。答案：正确解析：θB=λ/(2Λ)=λf/(2v)，其中Λ为声波长，v为声速，故θB∝λ，与v成反比。27.【计算】某激光器腔内光子数密度N=5×10¹⁵m⁻³，腔长L=10cm，输出镜透射T=10%，求峰值输出功率Ppeak。答案：Ppeak=N·hν·c·T/2=5×10¹⁵×6.63×10⁻³⁴×3×10⁸×0.1/2≈49.7W解析：单位时间输出光子数为N·c·T/2，乘以单光子能量hν即得。28.【简答】说明“脉冲缩短效应”在主动锁模中的来源。答案：主动调制器周期损耗调制产生边带，与纵模拍频耦合，形成相位锁定；同时调制深度随光强增大而饱和，使脉冲两翼损耗高于中心，时域上不断削翼，导致脉冲持续缩短，直至群速度色散与非线性效应平衡。29.【综合】设计一台电光腔倒空激光器，腔长L=1m，光子寿命τc=50ns，要求输出脉冲宽度τp=5ns，求所需调制电压上升时间tr的上限。答案：腔倒空要求电压在τp内完成开关，故tr≤τp=5ns；同时tr≪τc确保倒空效率，因此tr上限取5ns。五、非线性频率变换30.【单选】满足相位匹配条件Δk=0时，倍频转换效率η与晶体长度l的关系为A.η∝lB.η∝l²C.η∝√lD.η∝sin²(l)答案：B解析：小信号近似下η=(2ω²d_eff²l²)/(πε₀c³n³)·(Pω/A)，故η∝l²。31.【填空】某BBO晶体对1064nm倍频，走离角ρ=3.2°，若允许走离长度lr=2mm，则束腰半径w₀需≤______μm。答案：w₀≤lr·ρ/√π=2×0.056≈112μm解析：lr=√πw₀/ρ→w₀=lrρ/√π。32.【多选】准相位匹配(QPM)技术的优点包括A.可利用最大非线性系数B.无走离效应C.可设计任意波长D.无需双折射晶体答案：A、C、D解析：QPM通过周期性极化补偿Δk，可利用d33等非轴向系数；理论上可设计任意波长；无需双折射，但仍存在走离，只是可被周期设计部分抵消。33.【判断】在光学参量振荡器(OPO)中，信号光与闲频光的频率之和恒等于泵浦光频率。答案：正确解析：能量守恒ωp=ωs+ωi，为OPO基本关系。34.【计算】某OPO泵浦波长532nm，信号光波长800nm，求闲频光波长。答案：1/λi=1/λp–1/λs→λi=1/(1/532–1/800)≈1596nm解析：直接代入能量守恒公式。35.【简答】解释“群速度匹配”在飞秒脉冲倍频中的重要性。答案：飞秒脉冲含宽谱分量，相位匹配仅满足中心波长，群速度匹配要求基波与谐波包络传播速度相同，否则脉冲走离导致转换效率下降与脉冲展宽；通过选择合适的晶体厚度或啁啾匹配可缓解。36.【综合】设计一个1064nm→532nm的LBO腔外倍频系统，基波平均功率10W，重复频率100kHz，脉宽10ns，束腰w₀=100μm，LBO有效非线性系数d_eff=0.85pm/V，晶体长l=15mm，求单脉冲倍频效率。答案：单脉冲能量E=10W/100kHz=0.1mJ；峰值功率Ppk=0.1mJ/10ns=10kW；峰值强度I=2Ppk/(πw₀²)=2×10×10³/(π×(100×10⁻⁶)²)≈6.37×10¹¹W/m²；小信号倍频效率η=(2ω²d_eff²l²)/(πε₀c³n³)·(I/(2A))，其中A=πw₀²/2，n≈1.6，代入得η≈65%；考虑走离长度lr=√πw₀/ρ≈9mm，l>lr需修正，实际效率≈55%。六、激光安全与标准37.【单选】依据IEC608251，连续波激光器波长532nm，输出功率1mW，其分类为A.Class1B.Class2C.Class3RD.Class4答案：C解析：400–700nm可见光，1mW连续波落在Class3R（≤5mW）。38.【填空】最大允许曝光量(MPE)对1064nm、1ns脉冲的skin值为______J/cm²。答案：0.05J/cm²解析：查表得1ns脉冲skinMPE=5×10⁻²J/cm²。39.【多选】激光实验室必须张贴的内容包括A.激光分类标识B.波长与功率C.防护眼镜OD值D.紧急停机按钮位置答案：A、B、C、D