激光技术试卷及答案

激光技术试卷及答案一、单项选择题（本大题共20小题，每小题2分，共40分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）1.激光英语原文LASER是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的缩写，其中文含义通常翻译为（）。A.受激辐射光放大B.自发辐射光放大C.受激吸收光放大D.光子吸收放大2.根据爱因斯坦辐射理论，在热平衡状态下，自发辐射概率与受激辐射概率ρ(νA.频率越高，自发辐射越强B.频率越低，自发辐射越强C.频率与两者比例无关D.频率越高，受激辐射越强3.世界上第一台激光器是（）。A.氦氖激光器B.红宝石激光器C.二氧化碳激光器D.掺钕钇铝石榴石激光器4.激光器的工作物质必须具备能实现粒子数反转的能级结构，红宝石激光器属于（）。A.三能级系统B.四能级系统C.二能级系统D.五能级系统5.在激光谐振腔中，光学谐振腔的主要作用之一是（）。A.提供泵浦能量B.进行光放大C.选频和提供正反馈D.冷却工作物质6.激光束的横模通常用符号TE表示，其中m和nA.纵模指数B.横向光强分布的节点数C.频率模式D.偏振方向7.对于共焦腔，两个凹面镜的曲率半径和与腔长L的关系满足（）。A.=B.=C.=D.+8.氦氖激光器（He-NeLaser）的主要工作波长是（）。A.694.3nmB.1064nmC.632.8nmD.10.6μ9.在半导体激光器中，实现粒子数反转的条件是（）。A.费米能级差小于光子能量B.准费米能级进入导带和价带，且>C.P区和N区完全重合D.注入电流小于阈值电流10.激光器的Q值（QualityFactor）反映了谐振腔的（）。A.损耗大小和储能特性B.输出功率大小C.频率稳定性D.模式数目11.调Q技术的主要目的是为了获得（）。A.单纵模输出B.连续大功率输出C.高峰值功率的巨脉冲D.超短脉冲输出12.锁模技术的理论依据是（）。A.各纵模相位独立随机变化B.各纵模相位锁定，形成固定相位关系C.增加腔长D.减小腔损耗13.高斯光束的束腰半径定义为光强下降到中心光强的（）处的半径。A.1B.1C.1D.114.掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器属于（）。A.气体激光器B.液体激光器C.固体激光器D.半导体激光器15.激光倍频（二次谐波产生）属于（）过程。A.线性光学B.非线性光学C.自发辐射D.受激吸收16.为了获得单纵模激光输出，通常采用的技术是（）。A.缩短腔长B.加长腔长C.增大泵浦功率D.使用F-P标准具进行选模17.二氧化碳（CO2）激光器属于（）激光器，其输出波长通常为10.6μmA.原子B.分子C.离子D.准分子18.在激光打孔的应用中，主要利用了激光的（）特性。A.方向性好B.单色性好C.相干性好D.高亮度（高能量密度）19.模式竞争是指（）。A.不同模式之间争夺泵浦能量B.增益曲线中心频率附近的模由于增益最高而占优势，抑制邻近模C.横模之间的衍射损耗差异D.纵模之间的频率间隔差异20.光纤激光器的增益介质通常为（）。A.掺稀土元素的光纤B.半导体材料C.气体混合物D.染料溶液二、多项选择题（本大题共10小题，每小题3分，共30分。在每小题给出的四个选项中，有多项是符合题目要求的。全部选对得3分，少选得1分，错选不得分）21.激光区别于普通光源的四个主要特性是（）。A.方向性好B.单色性好C.相干性好D.高亮度22.下列关于激光谐振腔稳定性的描述，正确的有（）。A.稳定腔满足0B.非稳腔中光线经有限次往返后会逸出腔外C.稳定腔损耗小，易于产生激光振荡D.共焦腔（==23.实现粒子数反转分布的条件包括（）。A.具有合适的能级结构（亚稳态）B.外界有足够的激励能量（泵浦）C.存在光学谐振腔D.工作物质为三能级系统24.常见的固体激光器工作物质包括（）。A.红宝石B.钕玻璃C.掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）D.氩离子25.常见的调Q方法有（）。A.转镜调QB.电光调Q（普克尔盒）C.声光调QD.可饱和吸收调Q（被动调Q）26.影响激光纵模间隔的因素有（）。A.腔长LB.介质折射率nC.谐振腔的曲率半径D.激光器的输出功率27.关于半导体激光器，下列说法正确的有（）。A.体积小、重量轻、效率高B.直接电泵浦C.单色性通常优于气体激光器D.广泛应用于光纤通信28.激光器的阈值条件包括（）。A.粒子数反转密度达到阈值B.单程增益大于单程损耗C.谐振腔的菲涅尔数足够大D.泵浦功率超过阈值功率29.下列属于非线性光学效应的有（）。A.激光倍频B.激光和频C.激光差频D.受激布里渊散射30.高斯光束通过透镜变换时，遵循的规律有（）。A.遵从几何光学的透镜成像规律B.束腰经透镜变换后像方束腰位置由透镜成像公式决定C.若入射光束束腰位于透镜前焦面，则出射光束束腰位于后焦面D.透镜只能改变光束的波前曲率半径，不能改变光束的束腰大小三、填空题（本大题共20空，每空1.5分，共30分）31.产生激光的三个基本条件是：__________、__________和__________。32.光波模式数等于__________和__________的乘积。33.在激光原理中，光与物质相互作用的三种基本过程是：__________、__________和__________。34.某激光器的中心波长为λ=600nm，其频率为ν=35.光学谐振腔的损耗主要包括：__________、__________、__________和散射损耗等。36.激光纵模频率间隔公式为Δ=，对于腔长L=30cm的氦氖激光器（n37.固体激光器通常采用__________泵浦，而气体激光器通常采用__________泵浦。38.常见的气体激光器除了He-Ne激光器外，还有__________激光器和__________激光器。39.半导体激光器的阈值电流随温度的升高而__________。40.飞秒激光属于__________激光，其脉冲宽度极窄。41.在激光加工中，根据材料吸收激光能量的机制不同，可分为__________加工和__________加工。42.基模高斯光束在远场发散角θ的公式近似为θ≈43.染料激光器具有__________可调谐的特点，其工作物质是__________。44.在双光子吸收过程中，电子同时吸收两个光子，其总能量等于__________。四、简答题（本大题共6小题，每小题10分，共60分）45.简述自发辐射和受激辐射的区别，并说明为什么激光产生主要依赖于受激辐射？46.画图并说明三能级系统与四能级系统实现粒子数反转的原理及其效率差异。47.什么是激光谐振腔的稳定性条件？写出稳定性条件的一般表达式，并指出在稳定腔、非稳腔和临界腔中的取值范围。48.简述调Q激光器的工作原理。为什么调Q技术可以压缩激光脉冲宽度并提高峰值功率？49.解释高斯光束的束腰（）、远场发散角（θ）和瑞利长度（）的物理意义，并写出它们之间的关系。50.简述光纤激光器的基本结构及其主要优点。五、计算与分析题（本大题共4小题，共40分）51.（10分）已知一个氦氖激光器的腔长L=0.5m，两反射镜的曲率半径分别为=∈f(1)计算该谐振腔的稳定性参数和，并判断该腔是否稳定。(2)计算该激光器输出的纵模频率间隔（单位：MHz）。52.（10分）一台Nd:YAG激光器，输出波长λ=1064n(1)计算该高斯光束的远场发散角全角θ（单位：mrad）。(2)计算瑞利长度（单位：m）。53.（10分）某激光介质的谱线线型函数为洛伦兹型，中心频率=3.0×H(1)写出洛伦兹线型函数的归一化表达式。(2)计算在中心频率处的线型函数值g(54.（10分）在激光倍频实验中，基频光波长为=1064(1)计算倍频光（二次谐波）的波长和频率。(2)若基频光功率为=10W，倍频转换效率为η=参考答案与解析一、单项选择题1.A解析：LASER全称为LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，即受激辐射光放大。2.A解析：根据爱因斯坦关系式，，频率越高，自发辐射相对于受激辐射的概率越大，这也是在可见光及更高频段难以实现受激辐射放大的原因之一（需要极强的泵浦）。3.B解析：1960年，梅曼制造了世界上第一台红宝石激光器。4.A解析：红宝石激光器是典型的三能级系统，基态是抽运能级，激光下能级也是基态，因此抽运效率较低。5.C解析：谐振腔的作用是提供光学正反馈，使光子在腔内往返放大，同时起到选频作用（限制频率和方向）。6.B解析：TE中，m和n7.A解析：共焦腔是指两镜面的焦点重合，即==8.C解析：He-Ne激光器最常用的工作波长是632.8nm（红光），此外还有3.39μm和1.15μ9.B解析：半导体激光器实现粒子数反转（即粒子数反转分布）的条件是准费米能级分别进入导带和价带，且准费米能级之差大于光子能量，即>h10.A解析：Q值定义为储能与每周损耗之比，反映了腔内损耗的大小和储能特性，Q值越高，损耗越小，谱线宽度越窄。11.C解析：调Q技术通过调节腔内Q值（损耗），压缩激光脉冲建立时间，从而获得高峰值功率的巨脉冲。12.B解析：锁模技术是将各纵模的相位锁定，使其满足固定的相位关系，从而实现时域上的超短脉冲输出。13.B解析：高斯光束的光强分布为I(r)14.C解析：Nd:YAG是掺钕的钇铝石榴石晶体，属于固体激光器。15.B解析：频率转换过程（如倍频、和频）涉及介质极化率与光场的高次项，属于非线性光学效应。16.D解析：缩短腔长可以增大纵模间隔，但为了精细选模，通常在腔内插入F-P标准具等色散元件。17.B解析：CO2激光器利用二氧化碳分子的振动-转动能级跃迁，属于分子激光器。18.D解析：激光打孔、切割等材料加工应用主要利用激光的高亮度（高能量密度），使材料瞬间熔化或气化。19.B解析：模式竞争中，增益饱和效应导致增益曲线中心频率处的模增益最大，最先起振并消耗反转粒子数，从而抑制邻近频率的模式振荡。20.A解析：光纤激光器的增益介质是掺杂稀土元素（如Er,Yb,Nd）的光纤。二、多项选择题21.ABCD解析：激光的四大特性：方向性好（发散角小）、单色性好（谱线宽度窄）、相干性好（时间相干性和空间相干性好）、高亮度（能量集中）。22.ABC解析：稳定腔条件0<<1，损耗小；非稳腔<0或>1，光线逸出；共焦腔=23.AB解析：实现粒子数反转需要：1.合适的能级结构（有亚稳态）；2.外界泵浦。谐振腔是维持振荡形成激光的必要条件，但不是产生粒子数反转本身的直接条件（粒子数反转在介质中产生）。24.ABC解析：红宝石、钕玻璃、Nd:YAG均为固体工作物质。氩离子是气体。25.ABCD解析：转镜、电光、声光属于主动调Q；可饱和吸收属于被动调Q。26.AB解析：纵模间隔Δν=c/227.ABD解析：半导体激光器单色性一般劣于气体激光器（线宽较宽），虽然通过外腔反馈可以改善，但本征特性不如气体激光器。28.ABD解析：阈值条件包括粒子数反转达到阈值（小信号增益系数等于损耗系数），对应泵浦功率超过阈值。菲涅尔数主要与衍射损耗有关，不是直接的阈值条件定义。29.ABCD解析：倍频、和频、差频属于二阶非线性效应；受激布里渊散射属于三阶非线性效应。30.BC解析：高斯光束经透镜变换时，其束腰位置满足几何光学成像公式（1/s+三、填空题31.工作物质（激活介质）；泵浦源（激励能量）；光学谐振腔32.光子状态（或模式在相格中的体积）；相空间体积（或光子所占的相空间体积）33.自发辐射；受激辐射；受激吸收34.5.0解析：ν=35.衍射损耗；透射损耗（输出耦合）；吸收损耗36.500解析：Δν37.光（或氙灯/半导体激光器）；电（气体放电）38.二氧化碳（CO2）；氩离子（A）39.增大40.超短脉冲（或锁模）41.热加工；冷加工42.短；大解析：θ∝43.波长；染料44.上能级与下能级的能量差（或hν）四、简答题45.答：(1)区别：自发辐射：处于高能级的粒子自发地跃迁到低能级，发射一个光子。其特点是：各粒子发射光子的相位、偏振态、传播方向随机且彼此独立，是非相干光。受激辐射：处于高能级的粒子在外来光子（频率满足hν(2)激光依赖受激辐射的原因：激光要求输出光具有极高的单色性、方向性和相干性。受激辐射产生的光子是入射光子的精确“克隆”，通过受激辐射放大（光放大），光子数在链式反应中急剧增加，且保持相同的相干状态，从而形成激光。自发辐射产生的是非相干噪声，虽然在激光起振阶段提供初始光子，但激光的放大和形成主要依赖于受激辐射。46.答：(1)三能级系统：基态、亚稳态、泵浦能级。泵浦源将粒子从抽运到，粒子快速无辐射跃迁到。由于激光下能级是基态，粒子数密度极大，必须将超过一半的基态粒子抽运到才能实现>的粒子数反转。因此，三能级系统阈值高，效率低。(2)四能级系统：基态、激光下能级、亚稳态、泵浦能级。泵浦源将粒子从抽运到，快速跃迁到。激光跃迁发生在→。由于不是基态，通常是一个激发态，热平衡下粒子数很少，很容易实现>。因此，四能级系统阈值低，效率高。(3)效率差异：四能级系统比三能级系统更容易实现粒子数反转，因此泵浦效率更高，更容易产生连续激光振荡。47.答：(1)稳定性条件：指光学谐振腔能否将光线（或高斯光束）约束在腔内往返传播而不横向逸出的条件。(2)一般表达式：定义腔参数=1L/，=(3)取值范围：稳定腔：0<非稳腔：<0或>临界腔：=0或=1。处于稳定与非稳的边界，如共焦腔（==48.答：(1)工作原理：调Q技术通过在腔内引入一个可变的损耗元件（如调Q开关）。在泵浦初期，开关处于“关闭”状态（高损耗、低Q值），腔内无法形成激光振荡，亚稳态上积累大量粒子数，形成很高的粒子数反转密度（ΔN(2)原因：由于能量是以“储存-突然释放”的形式输出的，原本在较长连续输出时间内释放的能量现在被压缩在极短的时间（纳秒级）内输出。根据≈/τ，能量不变，脉宽τ极大减小，因此峰值功率成数量级提高。49.答：(1)物理意义：束腰：高斯光束最细处的光斑半径，位于光束的焦点（或平面波前中心）。此处波前为平面。远场发散角θ：光束在无穷远处的张角，描述光束传播时的发散程度。瑞利长度：从束腰处到光斑面积扩大一倍（或半径扩大至）处的距离。它表征了高斯光束准直区域的长度（焦深）。(2)关系：它们之间满足如下关系：=θ由此可见，束腰越大，瑞利长度越长，发散角越小，光束准直性越好