激光原理考试真题及详细答案

激光原理考试真题及详细答案一、选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案）1.激光产生的必要条件是？A.粒子数反转与光学谐振腔B.原子能级结构C.泵浦源与工作物质D.自发辐射答案A2.下列哪种过程能够实现粒子数反转？A.光泵浦B.电激励C.化学反应D.以上都是答案D3.在激光器中，光学谐振腔的主要作用是？A.提供能量B.选择频率和方向C.增强自发辐射D.产生泵浦光答案B4.当增益介质的增益系数等于损耗系数时，激光器处于？A.振荡状态B.阈值状态C.完全熄灭D.饱和状态答案B5.关于激光纵模，下列说法正确的是？A.纵模由谐振腔长度决定B.纵模由工作物质增益带宽决定C.纵模由泵浦功率决定D.纵模由输出镜反射率决定答案A6.均匀加宽激光器中，当频率为v0A.增益饱和使整个增益曲线下降B.空间烧孔效应C.模式竞争导致的损耗增加D.纵模间隔太小答案A7.横模TEM₀₀模的特点是？A.光强呈高斯分布，发散角最小B.光斑中心有暗点C.具有多个光斑D.频率高于基模答案A8.Q开关技术用于产生？A.连续激光B.巨脉冲激光C.单频激光D.超短脉冲激光答案B9.某He-Ne激光器谐振腔长30cm，纵模频率间隔ΔvA.5×B.5×C.5×D.5×答案A（Δv10.在激光放大器中，增益饱和的物理原因是？A.粒子数反转随光强增大而减少B.泵浦功率不足C.腔内损耗增加D.自发辐射减少答案A二、填空题（每空1分，共20分）1.激光的英文缩写LASER全称为______。答案LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation2.受激辐射的光子与入射光子具有相同的____、__和____。答案频率（能量）、相位、偏振方向（传播方向）3.实现粒子数反转需要____系统和____系统。答案泵浦（激励）、工作物质（增益介质）4.谐振腔的稳定条件为0<g1g2<1答案反射镜曲率半径、腔长5.均匀加宽的主要机制有____加宽和____加宽。答案自然、碰撞（压力）6.非均匀加宽的主要机制有____加宽和____加宽。答案多普勒、晶格缺陷（或气体中的多普勒加宽，固体中的晶格缺陷/斯塔克加宽）7.激光器的三个基本组成部分是____、__和____。答案工作物质、泵浦源、谐振腔8.增益系数G的表达式为G=1I答案损耗系数（或总损耗系数α）9.在均匀加宽激光器中，频率为v0答案增益饱和（或模式竞争导致的增益饱和）10.调Q技术通过改变谐振腔的______来压缩脉冲宽度、提高峰值功率。答案品质因数（或损耗）三、简答题（每题6分，共30分）1.简述受激辐射与自发辐射的主要区别。答案自发辐射是原子在没有外界作用下自发从高能级跃迁到低能级，发出的光子具有随机相位、方向和偏振；受激辐射是在频率与跃迁能量匹配的外界光子诱导下发生的，发出的光子与入射光子有完全相同的频率、相位、偏振和传播方向，具有相干性。受激辐射是激光放大的基础。2.什么是粒子数反转？如何实现？答案粒子数反转是指工作物质中高能级上的粒子数密度大于低能级上的粒子数密度的状态，这是激光产生的必要条件。实现方式通常采用泵浦（光泵浦、电泵浦、化学泵浦等），将低能级粒子激发到高能级，同时通过选择合适的能级结构（如三能级或四能级系统）使低能级快速排空，从而保持高能级粒子多于低能级。3.简述稳定谐振腔的条件，并举例一种不稳定谐振腔及其用途。答案稳定谐振腔条件：0<g1g2<1，其中g1=1−L/4.什么是Q开关？说明其工作原理。答案Q开关是一种获得高功率短脉冲激光的技术。它通过控制谐振腔的损耗（品质因数Q）来实现：开始时腔损耗很高（低Q值），阻止激光振荡，泵浦使上能级积累大量粒子；然后突然降低损耗（高Q值），腔内迅速建立强振荡，在极短时间内释放所有积累能量，形成巨脉冲。典型实现方式有转镜Q开关、电光Q开关、声光Q开关等。5.激光器有哪些主要类型？各举一例。答案按工作物质分类：(1)气体激光器，如He-Ne激光器；(2)固体激光器，如Nd:YAG激光器；(3)半导体激光器，如GaAs激光器；(4)染料激光器（液体），如若丹明6G激光器；(5)其他如自由电子激光器、化学激光器等。四、计算题（每题15分，共30分）1.一均匀加宽连续激光器，工作物质增益带宽ΔvH=1.5×109Hz，谐振腔长L(1)求腔内的单程损耗δ及阈值增益系数Gt(2)若激光器输出光强Iout=20(3)该激光器可能振荡的纵模数约为多少？答案(1)单程损耗δ=−ln(1−T)≈(100)=0.001054\text{cm}^{-1}$。）取近似即可。(2)对于均匀加宽激光器，腔内平均光强I与输出光强关系：Iout=TI/2（假设从输出镜输出，且腔内行波平均光强为两列行波光的和，通常取I=2Iout/T）?实际关系：若输出光强是从一个镜透射出的，腔内平均光强I=2IoutT（因为输出=T*I+，而腔内平均Iav=I++I−≈2I+，若两光强相等，则Iout=T(2)I=2I(3)纵模间隔Δvq=c/最终答案整合：(1)δ=0.1，Gt(2)腔内平均光强I=400W/cm(3)纵模数约为10。2.一四能级固体激光器，Nd:YAG，泵浦光波长808nm，激光波长1064nm。已知上能级寿命τ=230μs，激光跃迁截面σ=2.8×10−19cm(1)单程总损耗δ及阈值