激光原理与特性资格考试题目及答案

激光原理与特性资格考试题目及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.激光产生的基础是：A.自发辐射B.受激辐射C.受激吸收D.黑体辐射答案B解析激光是基于受激辐射放大原理工作的，受激辐射产生的光与入射光具有相同的频率、相位、偏振和传播方向。2.粒子数反转分布是指：A.高能级粒子数小于低能级粒子数B.高能级粒子数大于低能级粒子数C.高能级粒子数等于低能级粒子数D.所有粒子处于基态答案B解析粒子数反转是激光产生的必要条件，即高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数，使光放大成为可能。3.下列哪种激光器属于气体激光器？A.Nd:YAG激光器B.He-Ne激光器C.GaAs半导体激光器D.红宝石激光器答案B解析He-Ne激光器以氦氖混合气体为工作物质，是典型的气体激光器。Nd:YAG为固体激光器，GaAs为半导体激光器，红宝石也为固体激光器。4.光学谐振腔的稳定条件为（其中g1=1A.0B.0C.gD.g答案B解析对于共轴球面谐振腔，稳定条件是0<5.激光的线宽通常比普通光源窄得多，是因为：A.工作物质的原子能级特别窄B.谐振腔对频率的选择作用C.泵浦功率很高D.激光器工作在低温环境答案B解析谐振腔的选模作用使得只有满足驻波条件的频率才能振荡，从而压窄了输出光谱线宽。6.在调Q技术中，品质因数Q的定义是：A.QB.QC.QD.Q答案A解析品质因数Q=2πνEP，其中7.激光器输出的纵模频率间隔Δν与腔长L的关系是（介质折射率nA.ΔB.ΔC.ΔD.Δ答案A解析对于长度为L的谐振腔，纵模频率间隔Δν=c8.均匀加宽激光器输出功率随泵浦功率增大而：A.线性增大B.先线性增大然后饱和C.先减小后增大D.指数增大答案B解析均匀加宽激光器中，泵浦功率增大到阈值后，输出功率随泵浦增加而线性增大，但超过一定程度后增益饱和，输出功率趋于饱和或继续增长但斜率效率降低。9.下列哪种现象说明激光具有高相干性？A.激光能聚焦成很小的光斑B.两束激光可以产生清晰的干涉条纹C.激光的发射角很小D.激光的单色性好答案B解析相干性包括时间相干性和空间相干性，产生清晰干涉条纹是相干性的直接体现。单色性好和方向性好也关联相干性，但最直接的是干涉。10.锁模激光器输出的脉冲宽度约为：A.增益线宽的倒数B.腔长的倒数C.所有纵模相干叠加的傅里叶变换极限D.泵浦脉冲宽度答案C解析锁模使各纵模相位固定，输出超短脉冲，脉冲宽度Δτ≈1二、判断题（每题1分，共10分）1.激光是相干光，普通光是非相干光。答案正确2.在激光器中，工作物质必须具有亚稳态能级，否则无法实现粒子数反转。答案正确解析亚稳态能级寿命较长，有利于积累粒子数，形成反转。3.驻波条件要求谐振腔长度等于半波长的整数倍。答案正确解析对于两端反射镜构成的谐振腔，稳定振荡的纵模满足L=kλ4.激光器的阈值条件仅取决于增益介质的小信号增益系数。答案错误解析阈值条件由小信号增益系数等于总损耗系数决定，还与谐振腔损耗、输出镜透过率等有关。5.高斯光束通过薄透镜后仍为高斯光束。答案正确解析高斯光束通过薄透镜变换后仍然是高斯光束，只是束腰位置和大小变化。6.电光调Q是利用电光晶体的普克尔效应改变谐振腔的损耗。答案正确7.对于均匀加宽激光器，当振荡模式频率偏离增益曲线中心时，仍然可以产生光放大。答案正确解析均匀加宽激光器中，增益谱线是均匀展宽的，整个增益曲线整体饱和，偏离中心的模式也能获得增益，但增益较小。8.四能级系统比三能级系统更容易实现粒子数反转。答案正确解析四能级系统下能级是空态，容易建立反转；三能级系统下能级为基态，要求泵浦超过一半的粒子。9.氦氖激光器的输出波长是632.8nm，工作物质是He和Ne的混合物，其中He是产生激光的粒子。答案错误解析He是辅助气体，通过共振能量转移激发Ne，Ne是产生激光的粒子。10.激光的方向性越好，其空间相干性越好。答案正确解析方向性好的光束发散角小，空间相干性高。三、填空题（每空2分，共20分）1.激光的英文LASER是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的缩写，中文全称为\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\.答案受激辐射光放大2.爱因斯坦提出的三种光与物质相互作用过程是：自发辐射、受激辐射和\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\.答案受激吸收3.光学谐振腔的作用是提供\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\以及选择模式。答案光反馈4.谐振腔的损耗主要包括：反射损耗、衍射损耗、吸收损耗和\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\等。答案散射损耗5.激光的单色性通常用\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\来衡量，数值越小单色性越好。答案谱线宽度6.调Q技术分为\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\和被动调Q两类。答案主动调Q7.锁模技术实现的条件是各纵模之间具有固定的\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\.答案相位关系8.固体激光器中常用的泵浦方式是\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\.答案光泵浦（或光学泵浦）9.高斯光束的腰斑半径w0与发散角θ的关系是$\theta=\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\答案λ10.半导体激光器的核心结构是\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\，通过注入电流实现粒子数反转。答案PN结四、简答题（每题6分，共30分）1.简述实现激光振荡的三个基本条件。答案(1)工作物质具有合适的能级结构，能够实现粒子数反转；(2)具有光学谐振腔，提供光反馈并控制输出模式；(3)满足阈值条件，即增益大于总损耗。2.说明均匀加宽与非均匀加宽的物理内涵及其在激光器中的表现有何不同。答案均匀加宽是指每个原子具有相同的中心频率和相同的谱线形状，增益饱和使得整个增益曲线均匀下降；非均匀加宽则是由于原子运动速度不同（多普勒效应）等导致不同原子中心频率不同，饱和对增益曲线产生局部烧孔现象。在激光器中，均匀加宽多模振荡有增益竞争，输出模式简单；非均匀加宽可多模同时振荡，模式较复杂。解析均匀加宽包含自然加宽、碰撞加宽等；非均匀加宽典型为多普勒加宽。3.什么是激光的横模？简述基模高斯光束的主要特点。答案横模是指谐振腔内光场在垂直于传播方向上的稳定分布。基模高斯光束的强度呈高斯分布，波面为球面，具有最小的发散角和理想方向性，腰斑半径最小，聚焦性能最好。4.推导调Q激光器输出巨脉冲峰值功率的一种表达式（可写出基本原理）。答案调Q激光器通过快速改变谐振腔Q值，使腔内能量在短时间内释放。峰值功率Ppeak≈E储τp，其中5.列举三种不同类型的激光器，并说明其典型工作波长和一种主要应用。答案(1)He-Ne激光器，波长632.8nm，用于精密测量、全息术；(2)CO₂激光器，波长10.6μm，用于激光加工、医疗手术；(3)Nd:YAG激光器，波长1.06μm，用于工业切割、激光测距。五、计算题（每题10分，共20分）1.一氦氖激光器，谐振腔长L=40 cm，反射镜曲率半径R1=1 m答案计算g1=1−L/R1=1−0.4/1=$$w_0=\sqrt{\frac{632.8\times10^{-9}\times0.4}{\pi}\sqrt{\frac{0.6}{1\times(1-0.6)}}}

=\sqrt{\frac{2.5312\times10^{-7}}{\pi}\sqrt{\frac{0.6}{0.4}}}

=\sqrt{8.057\times10^{-8}\times1.225}

\approx3.14\times10^{-4}\\text{m}=0.314\\text{mm}.$$束腰位置：平面镜处。2.某Nd:YAG激光器，工作物质长度l=10 cm，折射率n=1.82，小信号增益系数g0=5 m−1，损耗系数α答案阈值条件：gth=α+1lln1R。R=1−T=0.9，ln10.9=ln(1.111)≈0.1054，$$P=\frac{1}{2}\times10^{-6}\times3\times10^{10}\ti