激光考试试题及答案

激光考试试题及答案一、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，其中文含义是（）。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.光子共振放大2.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3.下列哪种效应不是激光产生的基本原理？（）A.受激辐射B.自发辐射C.粒子数反转D.多普勒效应4.在激光器中，为了实现粒子数反转分布，必须从外界输入能量，这一过程称为（）。A.泵浦B.调制C.谐振D.耦合5.激光器的工作物质必须具有合适的能级结构，通常三能级系统比四能级系统更难实现粒子数反转，这是因为三能级系统（）。A.泵浦效率低B.激光下能级是基态C.激光上能级寿命短D.阈值功率太高6.氦氖激光器（He-NeLaser）发出的主要激光波长是（）。A.694.3nmB.1064nmC.632.8nmD.10.6μm7.光学谐振腔的主要作用不包括（）。A.提供光学反馈B.选择激光频率C.限制激光方向D.产生受激辐射8.在激光谐振腔的稳定性条件中，设两镜面的曲率半径分别为和，腔长为L，则稳定腔的条件是（）。A.0<<B.>1或C.=D.+9.激光束的横模通常用TEA.TB.TC.TD.T10.描述高斯光束特性的参数中，光斑半径w(z)A.线性增大B.指数增大C.双曲线规律增大D.保持不变11.Q开关技术的主要目的是（）。A.压缩激光脉冲宽度，提高峰值功率B.展宽激光脉冲宽度，降低峰值功率C.改变激光输出频率D.稳定激光输出功率12.在锁模激光器中，为了获得最短的脉冲，通常采用（）。A.主动锁模B.被动锁模C.调Q锁模D.上述方法均可，视具体介质而定13.半导体激光器（LD）利用的是（）。A.受激辐射B.自发辐射C.韧致辐射D.切伦科夫辐射14.掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器属于（）。A.气体激光器B.固体激光器C.液体激光器D.半导体激光器15.激光的主要特性中，相干性好的物理含义是指（）。A.光波相位关系固定，时间空间上有序B.光波频率单一C.光波传播方向一致D.光能量高度集中16.激光介质的增益系数G通常定义为（）。A.光强随距离的相对变化率B.光功率随时间的相对变化率C.光子数随距离的绝对变化量D.能量密度随体积的变化率17.在光纤激光器中，掺杂光纤的作用是（）。A.传输光信号B.作为增益介质C.作为谐振腔反射镜D.作为泵浦源18.二氧化碳（C）激光器是一种高效的气体激光器，其输出波长通常位于（）。A.可见光波段B.紫外波段C.远红外波段(10.6μm)D.X射线波段19.激光倍频（SHG）属于非线性光学效应，其产生的倍频光波长与基频光波长的关系是（）。A.=B.=C.=D.=20.飞秒激光是指脉冲宽度在（）量级的激光。A.秒(s)B.毫秒(ms)C.纳秒(ns)D.飞秒(s)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，有两项或两项以上是符合题目要求的）1.激光与普通光源相比，具有以下显著特点（）。A.方向性好B.单色性好C.相干性好D.亮度高2.实现粒子数反转的条件包括（）。A.具有合适的能级结构的工作物质B.外界泵浦源C.光学谐振腔D.足够大的腔长3.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.氦氖混合气4.按照泵浦方式分类，激光器可分为（）。A.光泵浦激光器B.电泵浦激光器C.化学泵浦激光器D.热泵浦激光器5.关于高斯光束的描述，正确的有（）。A.基横模高斯光束的光强分布呈高斯函数分布B.束腰处光斑最小，波前为平面C.远场发散角与波长成正比，与束腰半径成反比D.在传播过程中，光斑半径保持不变6.造成激光器输出频率不单一（纵模）的原因是（）。A.谐振腔的长度决定了纵模间隔B.增益介质的荧光线宽限制了起振的纵模范围C.衍射效应D.多普勒展宽7.常见的Q开关技术包括（）。A.转镜Q开关B.电光Q开关C.声光Q开关D.被动Q开关（可饱和吸收）8.激光在医学上的应用主要包括（）。A.激光手术（切割、汽化）B.激光美容（祛斑、嫩肤）C.激光光动力疗法D.激光内窥镜治疗9.下列属于气体激光器的是（）。A.He-Ne激光器B.C激光器C.Ar离子激光器D.红宝石激光器10.非线性光学现象包括（）。A.倍频B.和频与差频C.光参量振荡D.自聚焦三、填空题（本大题共20空，每空1.5分，共30分）1.爱因斯坦在1917年提出，光与物质相互作用主要有三个基本过程：自发辐射、__________和受激吸收。2.激光器的基本结构通常由三部分组成：工作物质、激励系统和__________。3.在热平衡状态下，处于高能级的粒子数总是__________于低能级的粒子数。4.气体激光器通常采用__________放电方式进行激励。5.光学谐振腔中，光在腔内往返一次的相位差必须为2π6.谐振腔的损耗主要包括：衍射损耗、反射损耗、吸收损耗和__________损耗。7.激光器的输出频率主要由__________的纵模间隔和增益介质的线宽共同决定。8.模式锁定技术（锁模）可以将激光器的所有纵模相位锁定，从而获得__________的超短脉冲。9.高斯光束的束腰半径定义为光强下降到中心光强的1/处的半径，该位置通常位于__________。10.半导体激光器的核心结构是PN结，当注入电流超过__________时，产生受激辐射。11.钕玻璃激光器的输出波长通常为______nm。12.某激光器的波长为532nm，其光子能量约为______eV（普朗克常数h≈13.在固体激光器中，YAG代表______晶体。14.激光测距仪利用了激光的______特性。15.激光全息照相利用了激光的______特性。16.为了获得单纵模输出，可以在腔内插入______标准具。17.飞秒激光加工主要利用了激光的______效应，即热影响区极小。18.在光纤通信中，使用的激光器主要是______激光器。19.受激辐射产生的光子与入射光子具有相同的频率、相位、偏振态和______。20.激光雷达利用了激光的______和高亮度特性进行远距离探测。四、判断题（本大题共10小题，每小题1分，共10分。正确的打“√”，错误的打“×”）1.自发辐射产生的光是相干光。（）2.只有实现了粒子数反转，才可能形成激光振荡。（）3.稳定谐振腔的几何损耗一定比非稳定腔小。（）4.所有的激光器都必须有严格的谐振腔结构。（）5.调Q技术可以提高激光器的平均输出功率。（）6.气体激光器的单色性通常优于固体激光器。（）7.半导体激光器的谱线宽度一般很窄，只有几赫兹。（）8.激光在大气中传输时，其能量衰减主要受吸收和散射影响。（）9.倍频晶体必须满足相位匹配条件才能高效地产生倍频光。（）10.掺铒光纤放大器（EDFA）的工作原理与激光器完全不同，不涉及受激辐射。（）五、名词解释（本大题共5小题，每小题4分，共20分）1.粒子数反转2.模式竞争3.阈值条件4.纵模与横模5.倍频效率六、简答题（本大题共5小题，每小题8分，共40分）1.简述激光产生的四个基本条件，并说明光学谐振腔在其中的作用。2.试比较三能级系统与四能级系统激光器的优缺点。3.简述高斯光束的主要特征参数（束腰、远场发散角、瑞利长度）及其物理意义。4.什么是调Q技术？简要说明其工作原理和目的。5.简述激光在工业加工中的应用优势，并列举至少三种具体应用实例。七、计算与分析题（本大题共3小题，共40分）1.（10分）某He-Ne激光器，腔长L=0.5m，两反射镜的曲率半径分别为=(1)判断该谐振腔是否为稳定腔。(2)计算该激光器输出激光的纵模间隔Δ（设介质折射率n≈2.（15分）一台波长为λ=1064n(1)计算该高斯光束的远场发散角θ（半角）。(2)计算瑞利长度。(3)计算在距离束腰z=2m(注：公式参考：θ=，=，w3.（15分）已知某激光工作物质在中心频率处的增益系数为G()，谐振腔的单程损耗因子（包括输出耦合）为δ，腔长为L(1)写出激光起振的阈值增益条件表达式。(2)若该激光器的单程损耗δ=0.05，腔长L=(3)如果泵浦强度增加，使得小信号增益系数()=，激光器达到稳态振荡时的增益系数参考答案与解析一、单项选择题1.A2.B3.D4.A5.B6.C7.D8.A9.A10.C11.A12.B13.A14.B15.A16.A17.B18.C19.C20.D二、多项选择题1.ABCD2.AB3.ABC4.ABCD5.ABC6.AB7.ABCD8.ABCD9.ABC10.ABCD三、填空题1.受激辐射2.光学谐振腔（谐振腔）3.少4.气体放电（或辉光放电）5.相位（或驻波）6.输出（或透射）7.谐振腔8.极短宽度（或超短脉冲）9.谐振腔中心（或束腰位置）10.阈值电流11.106412.2.33（计算：E=13.钇铝石榴石14.方向性好（或高亮度、单色性好）15.相干性好16.法布里-珀罗（F-P）17.冷烧蚀（或非线性）18.半导体19.传播方向20.方向性四、判断题1.×（自发辐射是非相干光）2.√3.×（非稳定腔的几何损耗大，但某些高功率激光器为了增大模体积使用非稳腔，其几何损耗不一定比稳定腔小，通常更大，但题目说法过于绝对，主要看具体语境。此处判断为×，因为稳定腔几何损耗通常极小，非稳腔几何损耗大）4.×（如氮分子激光器等无谐振腔的超辐射激光器）5.×（调Q提高的是峰值功率，平均功率不一定提高，甚至可能因重复频率降低而下降）6.√7.×（谱线宽度通常较宽，在MHz量级甚至更宽，相比气体激光器宽）8.√9.√10.×（EDFA正是利用受激辐射原理放大光信号）五、名词解释1.粒子数反转：指在非热平衡状态下，介质中处于高能级的粒子数大于处于低能级的粒子数的状态。这是产生激光振荡的必要条件，因为只有此时受激辐射过程才能强于受激吸收过程，实现光放大。2.模式竞争：在激光谐振腔中，通常存在多个满足振荡条件的纵模和横模。由于增益饱和效应，增益最强的模式会优先起振并消耗反转粒子数，导致其他模式的增益下降被抑制，最终只有少数优势模式能够输出的现象。3.阈值条件：指激光器能够产生激光输出所需的最低条件。它包括阈值增益条件（即介质的增益必须足以补偿腔内的总损耗）和阈值泵浦条件（即泵浦功率必须足以维持阈值增益）。4.纵模与横模：纵模是指沿谐振腔轴向形成的稳定驻波分布，对应不同的频率（或波长）；横模是指在垂直于传播方向的横截面上光场的电磁场分布，常用TE5.倍频效率：在非线性光学倍频过程中，输出的倍频光功率与输入的基频光功率的比值，通常定义为η=六、简答题1.激光产生的四个基本条件是：(1)激活介质（工作物质）：具有能够实现粒子数反转的能级结构。(2)激励源（泵浦源）：提供能量，将粒子从低能级抽运到高能级，以实现粒子数反转。(3)光学谐振腔：提供正反馈，使光子在腔内往返放大，并起到选模和定向输出作用。(4)阈值条件：增益必须大于损耗。光学谐振腔的作用：提供光学正反馈，使受激辐射光子在腔内往返传播，不断通过工作物质被放大。限制激光振荡的模式，通过腔长和镜面曲率选择特定的频率（纵模）和横向分布（横模）。控制激光束的方向性，使只有沿轴向传播的光能形成振荡，从而输出高方向性的激光束。2.三能级系统与四能级系统的比较：三能级系统（如红宝石激光器）：优点：结构相对简单。缺点：激光下能级是基态。为了实现粒子数反转，至少需要将一半以上的基态粒子抽运到激光上能级，因此阈值泵浦功率非常高，效率低，通常难以在室温下连续工作。四能级系统（如Nd:YAG激光器）：优点：激光下能级是激发态，且离基态较远，热平衡下该能级几乎是空的。因此，只要在上能级积累少量粒子就能相对于下能级实现粒子数反转。阈值泵浦功率低，效率高，易于实现连续运转。缺点：能级结构相对复杂，对介质性质有特定要求。3.高斯光束的主要特征参数：束腰半径：高斯光束最细处的光斑半径，位于光束的束腰位置（通常是谐振腔的中心或特定位置）。它决定了光束聚焦的极限能力。远场发散角θ：光束在远场（距离束腰很远）传播时，光斑半径随距离扩张的速率。θ≈瑞利长度：光束从束腰处传播到光斑面积扩大一倍（即光斑半径扩大到）的距离。=π/λ4.调Q技术：定义：一种通过控制谐振腔的Q值（品质因数）来压缩激光脉冲宽度、提高峰值功率的技术。原理：在泵浦初期，通过某种开关（如转镜、电光晶体、声光晶体或可饱和吸收体）阻断谐振腔的光路或引入极大损耗，使腔处于低Q值状态。此时工作物质在强泵浦下积累大量的上能级粒子，但无法形成激光振荡。当粒子数反转积累到最大值时，突然打开开关（恢复高Q值），腔内损耗骤降。由于此时增益远大于损耗，光子数在极短时间内雪崩式增长，消耗掉所有储存的能量，输出一个极窄、峰值极高的巨脉冲。目的：获得毫秒、纳秒甚至皮秒量级的高峰值功率脉冲，用于打孔、切割、测距及非线性光学研究等。5.激光在工业加工中的应用优势：无接触加工：无机械应力，无刀具磨损，加工材料范围广（包括硬、脆、软材料）。高精度：激光束可聚焦到微米级，适合精密打孔、切割、微调。高效率：自动化程度高，加工速度快。热影响区小：特别是超短脉冲激光，可实现“冷加工”，避免材料热变形和损伤。易于控制：通过计算机控制光束路径和参数，实现复杂图形加工。应用实例：激光打孔：用于航空发动机叶片打孔、金刚石拉丝模打孔。激光切割：用于金属板材切割