激光原理与技术习题(含答案解析)

激光原理与技术习题(含答案解析)一、单项选择题（每题2分，共20分）1.关于激光产生的必要条件，下列说法错误的是A.存在提供能量转换的工作物质B.必须有光学谐振腔C.必须实现粒子数反转D.必须满足阈值条件答案B解析并非所有激光器都需要光学谐振腔，例如某些超辐射激光器或行波放大器中可以没有谐振腔，但通常激光器由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成。2.光学谐振腔的稳定条件为A.0B.0C.gD.g答案A解析谐振腔稳定性由参数gi=1−LRi确定，稳定腔的条件是0<g3.下列关于高斯光束的描述，正确的是A.高斯光束的等相位面是平面B.高斯光束的束腰处光斑半径最小且等相位面是平面C.高斯光束的远场发散角与束腰半径成正比D.高斯光束的q参数在自由空间传播中保持不变答案B解析高斯光束在束腰处光斑半径最小，且该处的等相位面为平面。远场发散角与束腰半径成反比，q参数在传播中会变化。4.激光器产生激光的阈值条件为A.小信号增益系数等于损耗系数B.单程增益等于单程损耗C.增益系数大于损耗系数D.泵浦功率达到一定值答案A解析阈值时，激光器内的小信号增益系数恰好等于总损耗系数（平均损耗），此时增益刚好补偿损耗，光强在腔内往返一次保持不变。5.调Q技术实现短脉冲输出的关键机理是A.改变谐振腔的长度B.控制增益介质的粒子数反转C.控制谐振腔的损耗在短时间内大幅变化D.改变泵浦源的强度答案C解析调Q技术在泵浦期间使谐振腔处于高损耗状态（品质因数Q值低），阻止激光振荡，待反转粒子数大量积累后突然降低损耗，在极短时间内释放能量，形成巨脉冲。6.主动锁模激光器中，调制器的作用是A.改变腔长使纵模间隔发生变化B.使各纵模的相位保持固定关系C.提高激光器的输出功率D.改变工作物质的增益线宽答案B解析主动锁模通过调制器（振幅或相位调制）对各纵模进行调制，使纵模之间获得确定的相位关系，从而产生周期性超短脉冲。7.激光器相邻纵模的频率间隔为A.ΔB.ΔC.ΔD.Δ答案D解析考虑折射率n，光在腔内的速度为c/n，相邻纵模频率间隔Δν=c8.激光器的横模用TEM​mn表示，其中TEMA.光强分布呈高斯型B.发散角最小C.频率最低D.光束质量最好答案C解析TEM​009.均匀加宽激光器中，当强光入射时，增益饱和表现为A.整个增益曲线均匀下降B.增益曲线出现烧孔C.增益曲线的中心频率移动D.增益系数与光强无关答案A解析均匀加宽介质中，每个原子具有相同的线型函数，强光使整个增益曲线均匀下降（均匀饱和）。非均匀加宽则会出现烧孔。10.对于四能级激光器，其优点主要是A.泵浦效率高B.阈值低C.输出功率大D.工作物质容易获得答案B解析四能级系统的下能级几乎为空，容易实现粒子数反转，因此阈值泵浦功率较低。三能级系统下能级为基态，需要泵浦一半以上粒子才能反转，阈值较高。---二、填空题（每空2分，共20分）1.激光的三大特点是方向性好、亮度高、单色性好（或相干性好）。答案方向性好；亮度高；单色性好（可互换顺序）2.光学谐振腔的稳定条件为0<g1答案03.高斯光束的腰斑半径ω0与远场发散角θ的乘积θ⋅ω答案λ4.均匀加宽激光器中，增益饱和使整个增益曲线均匀下降（或按同一比例下降）。答案均匀下降5.调Q激光器输出的脉冲宽度近似为**2L/c答案2L6.锁模激光器输出的脉冲时间间隔等于**2nL/答案2nL/7.激光器相邻纵模的频率间隔公式为Δν=c2n答案c8.红宝石激光器属于三能级系统。答案三能级9.激光振荡的阈值条件是小信号增益系数等于（或等于）总损耗系数。答案等于10.菲涅尔数定义为N=a2λL，其中a为镜面半径答案镜面半径（或反射镜半径）---三、简答题（每题6分，共30分）1.简述激光产生的原理。答案激光产生基于受激辐射过程。当介质处于粒子数反转状态时，外来光子诱发处于高能级的粒子向低能级跃迁，产生与入射光子同频率、同相位、同方向、同偏振的受激辐射光子，再经过光学谐振腔的选模和放大作用，形成定向、高亮度的激光输出。2.什么是谐振腔的稳定性？如何判断一个谐振腔是否稳定？答案谐振腔的稳定性是指腔内傍轴光线在多次往返后不会逸出腔外，能稳定传播。判断依据是谐振腔的g参数：g1=1−L/R1，g2=13.简述均匀加宽与非均匀加宽的区别。答案均匀加宽中，每个原子具有相同的线型函数，且对光谱线内任意频率的贡献相同，增益饱和时整个增益曲线均匀下降。非均匀加宽中，不同原子的中心频率因环境差异（如多普勒效应）而不同，增益饱和表现为频率烧孔（仅在强光频率附近出现增益下降），整体增益曲线保持形状而局部凹陷。4.什么是调Q技术？简述其原理和常用实现方法。答案调Q技术是一种通过突然改变谐振腔的损耗（Q值）来获得短而强脉冲的技术。原理：在泵浦期间使腔处于高损耗状态（低Q），阻止激光振荡，积累大量反转粒子数；然后快速降低损耗（高Q），使积累的能量在极短时间内释放，形成巨脉冲。常用方法包括：电光调Q、声光调Q、被动调Q（可饱和吸收体）等。5.什么是锁模技术？简述其基本原理。答案锁模技术是指强制激光器中各振荡纵模的相位保持固定关系，从而输出超短脉冲序列的技术。其原理：在腔内插入调制器（主动锁模）或利用非线性效应（被动锁模），使各纵模实现相位锁定，各纵模相干叠加形成周期性脉冲，脉冲宽度为增益带宽的倒数量级，脉冲间隔等于光在腔内的往返时间。---四、计算题（每题10分，共30分）1.**已知一高斯光束的腰斑半径ω0=0.5（1）远场发散角θ；（2）距离束腰z=2 m处的光斑半径答案（1）远场发散角θ=（2）由瑞利长度zR=πω02λ2.**某均匀加宽激光器，工作物质长度l=10 cm，折射率n=1，单程损耗δ=0.05，增益系数G(答案单程损耗δ=0.05，总损耗系数（平均损耗）为α=δl=0.050.1=0.5 cm−1