2025年大學《物理學》專業(yè)題庫——光學光譜與激光科學技術(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填在括號內(nèi)，每題3分，共30分）1.下列哪個現(xiàn)象直接證明了光的波動性？()A.光的直線傳播B.光的反射C.光的衍射D.光的偏振2.根據(jù)玻爾模型，氫原子中電子從n=4能級躍遷到n=2能級時，發(fā)射光子的頻率是()。A.大于從n=3能級躍遷到n=2能級時發(fā)射光子的頻率B.小于從n=3能級躍遷到n=2能級時發(fā)射光子的頻率C.等于從n=3能級躍遷到n=2能級時發(fā)射光子的頻率D.無法確定3.在理想條件下，黑體輻射的最大發(fā)射功率與溫度的四次方成正比，這個定律由誰提出？()A.愛因斯坦B.普朗克C.玻爾D.赫茲4.分子振動光譜主要與哪種躍遷相關？()A.電子能級躍遷B.原子核能級躍遷C.分子中原子核間的振動運動躍遷D.分子轉(zhuǎn)動能級躍遷5.光通過介質(zhì)時發(fā)生拉曼散射，散射光中會出現(xiàn)哪些頻率的光？()A.僅比入射光頻率高B.僅比入射光頻率低C.出射光頻率與入射光頻率相同D.出現(xiàn)比入射光頻率高和低的成分6.激光產(chǎn)生的必要條件之一是()。A.光源的亮度足夠高B.光源的色散足夠小C.獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)D.使用特殊材料7.在激光諧振腔中，決定激光頻率（模式）的是()。A.激光器的輸出端B.腔內(nèi)的損耗C.腔內(nèi)的粒子數(shù)密度D.諧振腔的長度和反射鏡的反射率8.下列哪種激光器通常工作在可見光或近紫外波段？()A.氦氖激光器B.紅外激光器C.半導體激光器D.液體激光器9.激光的哪個特性使其在精密測量中非常有用？()A.亮度B.單色性C.方向性D.相干性10.光譜儀器的色散元件通常是()。A.檢測器B.準直鏡C.光柵或棱鏡D.激光器二、填空題（請將答案填在橫線上，每空2分，共20分）1.光譜線強度遵循______定律，該定律指出吸光物質(zhì)的濃度與吸光度成正比。2.激光產(chǎn)生的核心物理機制是______，即光子誘導高能態(tài)粒子向低能態(tài)躍遷。3.能夠吸收熱輻射并重新輻射出所有波長（或接近所有波長）輻射的物體稱為______。4.衡量光譜儀器分辨能力的是______，它表示儀器區(qū)分靠近兩條光譜線的本領。5.激光具有______、方向性好、單色性高、亮度高等主要特性。6.傅里葉變換光譜技術(shù)的主要優(yōu)點之一是______，可以在一次通過光柵或棱鏡時覆蓋寬光譜范圍。7.原子發(fā)射光譜和原子吸收光譜分析的主要依據(jù)是______。8.半導體激光器的主要構(gòu)成部分包括______、有源層和限制層。9.光纖通信利用激光作為信息載體，主要得益于光纖的低損耗和高______特性。10.拉曼散射光譜中，頻率高于入射光頻率的成分稱為______拉曼散射，頻率低于入射光頻率的成分稱為______拉曼散射。三、簡答題（請簡潔明了地回答下列問題，每題5分，共20分）1.簡述受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別。2.簡述光柵光譜儀的基本工作原理。3.簡述激光相干性（時間相干性和空間相干性）的概念及其物理意義。4.簡述激光在精密測量中的應用原理（例如，為何激光干涉儀精度高）。四、計算題（請列出必要的公式和計算步驟，每題10分，共20分）1.設某原子吸收光譜中的一條譜線波長為5000?。若普朗克常數(shù)h=6.626×10?3?J·s，光速c=3.0×10?m/s，計算該譜線對應的光子能量（結(jié)果以焦耳和電子伏特表示）。2.一激光器諧振腔長度為1米，其兩端是反射率分別為99%（R?）和90%（R?）的反射鏡。計算該諧振腔的諧振頻率間隔（Δν）。（假設為縱模，不考慮色散，結(jié)果用Hz表示）五、論述題（請結(jié)合所學知識，深入闡述下列問題，共10分）結(jié)合光譜分析的原理，論述激光技術(shù)（如激光吸收光譜、激光雷達LIDAR）在環(huán)境監(jiān)測（如氣體污染物檢測、大氣成分分析）中的優(yōu)勢和應用方式。試卷答案一、選擇題（每題3分，共30分）1.C2.A3.B4.C5.D6.C7.D8.A9.D10.C二、填空題（每空2分，共20分）1.比爾-朗伯2.受激輻射3.黑體4.分辨率5.相干性6.高信噪比/高光譜范圍7.原子能級8.有源層9.調(diào)制能力/帶寬10.離散/斯托克斯；非彈性/反斯托克斯三、簡答題（每題5分，共20分）1.解析思路：受激輻射是指一個光子誘導處于高能級的粒子躍遷到低能級，同時發(fā)射一個與入射光子完全相同的光子（頻率、相位、方向、偏振態(tài)）。自發(fā)輻射是指粒子在沒有外界光子作用下，自發(fā)地從高能級躍遷到低能級并發(fā)射一個光子，發(fā)射的光子與入射光子無關。關鍵區(qū)別在于是否有外界光子誘導以及發(fā)射光子的特性。2.解析思路：光柵光譜儀利用光柵的色散原理工作。平行光束入射到具有大量等間距狹縫（或反射面）的光柵上，發(fā)生衍射。衍射光束中，除了沿原方向傳播的零級衍射光外，其他級次的衍射光將按波長不同而分散成不同的角度，波長越長，衍射角度越大。通過透鏡聚焦或成像系統(tǒng)，可以將不同波長的光分開，形成光譜。核心是光柵的色散能力。3.解析思路：時間相干性描述光波在時間上的相干性，通常用相干時間或相干長度來衡量，表示光波保持相干的最長時間或距離。激光器諧振腔內(nèi)光子來回傳播形成振蕩，腔長決定了激光的相干時間，激光的譜線寬度與相干時間成反比。空間相干性描述光波在空間上的相干性，通常用相干面積或波前彎曲程度來衡量，表示光波波前上保持相干的最大范圍。激光束的發(fā)散角與空間相干性相關。激光具有很好的時間相干性和空間相干性，這是其區(qū)別于普通光源的關鍵特性。4.解析思路：激光干涉儀（如邁克爾遜干涉儀）利用激光的相干性進行精密測量。激光具有極小的譜線寬度（高單色性）和波前彎曲度?。己每臻g相干性），使得干涉條紋清晰、穩(wěn)定、對比度高。通過精確測量干涉條紋的移動數(shù)量或位移，可以非常精確地測量長度、折射率、位移等物理量。因為激光的波動性體現(xiàn)得非常充分，其干涉條紋的精細度和穩(wěn)定性遠超普通光源，因此測量精度極高。四、計算題（每題10分，共20分）1.解析思路：光子能量E可以通過普朗克-愛因斯坦關系式E=hν計算，其中ν是頻率。頻率ν與波長λ的關系為ν=c/λ。因此，E=hc/λ。計算得到焦耳數(shù)后，可將其轉(zhuǎn)換為電子伏特（eV），轉(zhuǎn)換關系為1eV=1.602×10?1?J。解：E=hc/λ=(6.626×10?3?J·s)×(3.0×10?m/s)/(5000?×10?1?m/?)E=(6.626×10?3?×3.0×10?)/(5000×10?1?)JE=(1.9878×10?2?)/(5×10??)JE=3.9756×10?1?JE(eV)=(3.9756×10?1?J)/(1.602×10?1?J/eV)E≈2.48eV答案：光子能量約為3.976×10?1?J或2.48eV。2.解析思路：激光諧振腔的縱模頻率間隔Δν由腔長L和兩端反射鏡的反射率R決定。對于理想反射鏡（R=1），相鄰縱模頻率間隔為Δν?=c/(2L)。當反射鏡反射率不等于1時，頻率間隔為Δν=c/(2L)*[1-sqrt(1-R?)*sqrt(1-R?)]。代入數(shù)值計算即可。解：Δν=c/(2L)*[1-sqrt(1-R?)*sqrt(1-R?)]R?=0.99,R?=0.90sqrt(1-R?)=sqrt(1-0.99)=sqrt(0.01)=0.1sqrt(1-R?)=sqrt(1-0.90)=sqrt(0.10)≈0.3162sqrt(1-R?)*sqrt(1-R?)≈0.1*0.3162≈0.03162Δν=(3.0×10?m/s)/(2×1m)*[1-0.03162]Δν=(3.0×10?)/2*(0.96838)Δν=1.5×10?*0.96838Δν≈1.452×10?Hz答案：諧振頻率間隔約為1.452×10?Hz。五、論述題（共10分）解析思路：論述激光技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應用需抓