激光技术笔试综合题目及答案

激光技术笔试综合题目及答案一、单选题（每题2分，共20分）1.在Nd:YAG激光器中，真正产生激光跃迁的离子是A.Nd³⁺B.Y³⁺C.Al³⁺D.O²⁻答案：A解析：Nd³⁺提供4F₃/₂→4I₁₁/₂受激辐射，YAG仅作为基质晶体。2.下列哪项不是激光加工中“等离子体屏蔽”现象的直接后果A.材料去除率突降B.焦点位置漂移C.工件表面氧化加剧D.激光功率计读数下降答案：C解析：等离子体屏蔽主要吸收/散射激光能量，表面氧化是热效应副产物而非屏蔽本身。3.对于高斯光束，若腰斑半径ω₀=0.5mm，波长λ=1μm，则瑞利长度zR约为A.0.785mB.1.57mC.3.14mD.0.393m答案：A解析：zR=πω₀²/λ=π×(0.5×10⁻³)²/1×10⁻⁶≈0.785m。4.在光纤激光器中，通过哪种技术可有效抑制受激拉曼散射（SRS）A.增大纤芯数值孔径B.采用渐变折射率纤芯C.级联波长锁定D.引入长周期光栅滤除1120nm分量答案：D解析：长周期光栅可共振耦合并损耗斯托克斯光，降低SRS增益。5.激光测风雷达（DopplerLIDAR）中，决定速度分辨率的物理量是A.脉冲重复频率B.本振激光线宽C.望远镜口径D.大气消光系数答案：B解析：速度分辨率Δv=λΔν/2，Δν为本振线宽。6.在飞秒激光成丝过程中，自聚焦临界功率Pcr与波长λ的关系为A.Pcr∝λ²B.Pcr∝λ⁻¹C.Pcr∝λ⁻²D.与λ无关答案：A解析：Pcr≈3.77λ²/8πn₀n₂，平方正比关系。7.激光熔覆中，稀释率通常用哪两种元素的能谱线强度比表征A.Fe/NiB.Ti/AlC.Cr/FeD.Mo/Si答案：C解析：基材Fe与覆层Cr的强度比可量化熔深。8.在激光干涉引力波探测器中，镜面损耗从10ppm降至1ppm，系统带宽将A.增加√10倍B.减少√10倍C.增加10倍D.基本不变答案：A解析：带宽∝√(1/损耗)，损耗降10倍带宽升√10倍。9.采用KTP晶体进行532nm→266nm倍频，最佳相位匹配角约为A.23.5°B.41.2°C.90°（非临界）D.68°答案：B解析：KTPⅡ类匹配θ≈41°，走离角最小。10.激光选区熔化（SLM）不锈钢316L时，表面粗糙度Sa主要受哪项参数影响最大A.激光功率B.扫描间距C.层厚D.舱氧含量答案：B解析：扫描间距直接决定相邻熔道搭接率，对Sa贡献>60%。二、多选题（每题3分，共15分，漏选得1分，错选0分）11.下列哪些技术可同时提高激光焊接小孔稳定性A.摆动光束B.背面氩气反吹C.双焦点D.外加纵向磁场E.提高离焦量答案：A、C、D解析：摆动与双焦点均时空平均小孔壁能量，磁场抑制匙孔塌陷；背面反吹仅改善焊缝成形，离焦量过大反而失稳。12.关于激光诱导击穿光谱（LIBS）定标free方法，正确的是A.需假设等离子体局部热平衡B.需已知等离子体电子密度C.需使用自吸收系数修正D.需内标元素E.无需标准样品答案：A、B、E解析：CFLIBS基于LTE与玻尔兹曼萨哈方程，无需标样；自吸收与内标是传统定标所需。13.在激光微射流加工中，水导激光的优点包括A.降低热影响区B.实时冲走熔渣C.提高耦合效率D.可加工透明材料E.降低等离子体屏蔽答案：A、B、E解析：水射流冷却+冲刷，等离子体被淬灭；透明材料因水/材料折射率差反而难耦合。14.下列哪些参数会直接影响激光相控阵（OPA）的远场主瓣宽度A.单元间距B.波长C.单元数D.波导折射率E.相位量化位数答案：A、B、C解析：主瓣宽度θ≈λ/(Ndcosθ₀)，与折射率、量化位无关。15.激光冷却原子实验中，多普勒冷却极限温度TD与A.自然线宽ΓB.激光失谐δC.原子质量mD.光强IE.真空度答案：A、B解析：TD=ℏΓ/2kB，仅由线宽与失谐决定，与质量、光强、真空度无关。三、填空题（每空1分，共15分）16.对于CO₂激光器，输出波长10.6μm对应的光子能量为______eV。（保留两位小数）答案：0.12解析：E=hc/λ=1240eV·nm/10.6×10⁶nm≈0.12eV。17.激光谐振腔g参数定义为g=1−L/R，若R=2m，L=1.5m，则g=______。答案：0.25解析：g=1−1.5/2=0.25。18.在激光冲击强化中，常用黑漆作为牺牲层，其汽化阈值约为______GW/cm²。（数量级）答案：1解析：黑漆汽化阈值~1GW/cm²，远低于金属。19.飞秒激光写入光波导时，折射率增量Δn主要源于______缺陷。答案：非桥氧空穴中心（NBOHC）20.激光雷达方程中，接收功率Pr与距离R的______次方成反比。答案：2解析：Pr∝1/R²（单程衰减）。21.采用FP标准具进行激光纵模选择，自由光谱范围FSR=c/2nd，若n=1.5，d=10mm，则FSR=______GHz。答案：10解析：FSR=3×10⁸/(2×1.5×0.01)=10GHz。22.激光熔覆层开裂敏感性常用______数评估。答案：Biot解析：Biot数表征温度梯度诱发热应力。23.在激光诱导向前转移（LIFT）中，金属薄膜临界剥离厚度h∝______。（填物理量）答案：激光脉冲能量密度F的−1/2次方解析：h∝1/√F，源于一维热扩散模型。24.激光等离子体极紫外（EUV）光源，13.5nm波长对应光子能量为______eV。答案：91.8解析：E=1240/13.5≈91.8eV。25.激光选区烧结（SLS）聚酰胺12，粉床预热温度通常控制在______℃。（±5℃）答案：170解析：低于熔点178℃，减少翘曲。四、判断改错题（每题2分，共10分；先判对错，再改正）26.激光切割不锈钢时，采用氧气辅助可提高切割速度但边缘呈亮白色。答案：错。改正：边缘呈深黑色氧化层，亮白色为氮气辅助特征。27.在激光自混合干涉测位移时，反馈光越强测量精度越高。答案：错。改正：过强反馈导致模式跳变，精度下降，需适度。28.激光诱导石墨烯（LIG）只能在聚酰亚胺表面实现。答案：错。改正：多种含碳聚合物如PES、PEI亦可。29.激光功率计使用热电堆探头时，响应时间与吸收层厚度成正比。答案：对。解析：厚层热容大，响应慢。30.激光熔覆FeCrBSi合金层，稀释率越高耐蚀性越好。答案：错。改正：稀释率过高导致Fe基体稀释，耐蚀性下降。五、简答题（每题6分，共18分）31.简述激光深熔焊接中小孔内等离子体对激光能量的吸收机制，并给出降低吸收的工程措施。答案：等离子体主要通过逆韧致辐射吸收，吸收系数α∝ne²/Te^(3/2)。措施：①侧吹氩气降低电子密度ne；②提高焊接速度减少等离子体驻留时间；③采用蓝光激光复合，短波长吸收低；④外加磁场偏转等离子体。32.说明飞秒激光成丝在远程大气探测中的两项核心优势，并指出其物理限制。答案：优势：①成丝自引导长度可达公里级，无需聚焦系统；②宽连续白光（400900nm）可同步多组分探测。限制：能量钳制效应限制单丝能量<5mJ，信噪比随距离下降。33.激光选区熔化Ti6Al4V时，为何常采用基板预热200℃？从残余应力与相变角度分析。答案：预热降低温度梯度ΔT，减少热应力；同时抑制α′马氏体相变体积膨胀，降低组织应力；综合使残余应力下降约30%，减少开裂倾向。六、计算题（共22分）34.（10分）一台端面泵浦Nd:YVO₄激光器，泵浦功率Pp=10W，波长808nm，激光波长1064nm，泵浦量子效率ηq=0.95，模式匹配效率ηm=0.9，输出耦合透射T=5%，往返损耗L=1%，受激发射截面σ=15×10⁻¹⁹cm²，上能级寿命τ=98μs，晶体体积V=1mm³，掺杂浓度N=1.5×10²⁰cm⁻³。求：（1）阈值泵浦功率Pth；（2）斜效率σs；（3）最大输出功率Pout。答案：（1）Pth=hvL/2ηqηmστN=1.88W（2）σs=ηqηmλp/λLT/(T+L)=0.42（3）Pout=σs(Pp−Pth)=3.4W解析：代入公式，注意单位换算，τN乘积即储能密度。35.（12分）激光干涉仪测引力波，臂长L=4km，激光功率P=200W，波长λ=1064nm，镜面质量m=40kg，机械品质因数Qm=10⁸，频率f=100Hz，求：（1）标准量子极限（SQL）对应的应变灵敏度hSQL；（2）若镜面涂层损耗降至5ppm，求热噪声限制下的应变噪声√Sh。答案：（1）hSQL=√(8ℏ/m(2πf)²L²)=3.7×10⁻²⁴Hz^(1/2)（2）√Sh=√(4kBT/(πfQm)·1/(ω₀²L²))=1.2×10⁻²⁴Hz^(1/2)解析：分别代入量子噪声与热噪声公式，ω₀=2πc/λ。七、综合设计题（共20分）36.题目：为某航天器设计一台激光微推力器，要求总冲量I=0.1N·s，比冲Isp=500s，激光烧蚀聚甲醛（POM）靶，烧蚀效率η=50%，耦合系数Cm=50μN/W，单脉冲能量Ep≤100mJ，重复频率f≤100kHz。请给出：（1）所需总激光能量Etotal；（2）最小脉冲数N；（3）若采用10kHz频率，单脉冲能量与平均功率；（4）选用光纤激光器还是固体激光器并陈述理由；（5）靶材质量消耗Δm。答案：（1）Etotal=I/(Cm·η)=0.1/(50×10⁻⁶×0.5)=4×10³J（2）N≥Etotal/Epmax=4×10⁴（3）f=10kHz，Ep=100mJ，Pavg=1kW（4）选光纤激光器：单模高光束质量利于聚焦，散热好，可千瓦级平均功率，体积重量小。（5）Δm=I/(Isp·g)=0.1/(500×9.81)=20.4mg解析：按冲量能量质量守恒链式推导，注意单位统一。八、英文文献翻译与理解（共10分）37.阅读以下段落并翻译：“ThebeamqualityM²factorquantifiesthedeviationofareallaserbeamfromanidealGaussianbeam.AnM²=1.2impliesthatthebeamcanbefocusedtoaspotarea1.2timeslargerthanadiffractionlimitedGaussianbeamwiththesamewaistdiameter.”答案：“光束质量M²因子量化了实际激光束与理想高斯束的偏离程度。M²=1.2意味着该光束可被聚焦到的光斑面积是相同腰斑直径的衍射极限高斯束的1.2倍。”解析：准确译出“diffractionlimited”与“spotarea”的数