2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——激光技術(shù)及其在物理學(xué)中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（本題共5小題，每小題3分，共15分。在每小題給出的四個選項中，只有一項是符合題目要求的。）1.激光產(chǎn)生的核心條件之一是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以下哪個物理過程是實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的必要條件？A.光的吸收B.受激輻射C.熱平衡狀態(tài)D.原子的自發(fā)輻射2.對于一個光學(xué)諧振腔，以下哪種情況下激光輸出功率會顯著增加？A.減小腔長B.增加腔內(nèi)介質(zhì)的增益系數(shù)C.減小腔內(nèi)介質(zhì)的吸收系數(shù)D.使用反射率較低的全反射鏡3.在激光與物質(zhì)相互作用的基本過程分類中，以下哪一項屬于非線性光學(xué)效應(yīng)？A.瑞利散射B.拉曼散射C.布里淵散射D.和頻效應(yīng)4.激光在精密長度測量中廣泛應(yīng)用，其主要優(yōu)勢在于？A.激光束具有良好的方向性B.激光束具有良好的單色性C.激光束具有很高的功率密度D.激光干涉條紋清晰穩(wěn)定5.用于激光冷卻和陷俘原子的染料激光器，其關(guān)鍵特性通常包括？A.寬光譜輸出B.窄光譜線寬C.高重復(fù)頻率D.高平均功率二、填空題（本題共5小題，每小題3分，共15分。請將答案寫在答題紙上對應(yīng)位置。）6.受激輻射是指高能態(tài)的粒子在入射光子的作用下，躍遷到低能態(tài)并輻射出________與入射光子特性完全相同的光子。7.激光器諧振腔的縱模選擇條件與腔長L、光在介質(zhì)中的波長λ以及介質(zhì)的折射率n有關(guān)，其關(guān)系式可以表示為________。8.拉曼散射光譜中出現(xiàn)的散射光頻率相對于入射光頻率的偏移，反映了介質(zhì)中分子振動和轉(zhuǎn)動的________信息。9.在激光技術(shù)中，光纖放大器（如EDFA）的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)激光器在________波段傳輸損耗大的問題。10.激光在凝聚態(tài)物理研究中可用于實現(xiàn)原子束或分子束的________，從而獲得極低溫的原子氣體。三、計算題（本題共3小題，共35分。請寫出必要的公式、代入數(shù)據(jù)、計算過程，并將答案寫在答題紙上對應(yīng)位置。）11.（10分）一維無限深勢阱中粒子能量量子化，能級為E_n=n2π2?2/(2mL2)，其中n=1,2,3,...。設(shè)一粒子處于基態(tài)（n=1），求其德布羅意波長λ。12.（15分）考慮一個簡單的三能級激光器模型，能級分別為E3,E2,E1(E3>E2>E1)。設(shè)粒子數(shù)在E3,E2,E1能級上的初始分布分別為N3,N2,N1。已知各能級間的躍遷速率（單位時間發(fā)生躍遷的概率）分別為R32(E3→E2),R21(E2→E1),R23(E2→E3)。寫出描述該系統(tǒng)粒子數(shù)動態(tài)變化的速率方程組（需明確各方程中各項的物理意義，如正負(fù)號表示粒子數(shù)增加或減少）。13.（10分）一束波長為λ=500nm的激光通過折射率為n=1.5的介質(zhì)發(fā)生瑞利散射。求在散射角θ=30°方向上瑞利散射光的波長λ'是多少？四、簡答題（本題共2小題，共20分。請將答案寫在答題紙上對應(yīng)位置。）14.（10分）簡述激光束與普通光源發(fā)出的光束在時間相干性和空間相干性上的主要區(qū)別，并說明這些區(qū)別對激光干涉實驗和激光準(zhǔn)直應(yīng)用分別意味著什么。15.（10分）簡述激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）的基本原理及其在物質(zhì)分析中可能的應(yīng)用領(lǐng)域。五、論述題（本題共1小題，共10分。請將答案寫在答題紙上對應(yīng)位置。）16.（10分）論述激光冷卻技術(shù)的基本思想，并簡述其中一種具體實現(xiàn)方法（如多普勒冷卻）的物理原理及其局限性。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.D4.D5.B二、填空題6.相同7.2nλ=mλ_n=2nλ_n(n為整數(shù),m為縱模序數(shù),λ_n為第m縱模的波長)8.頻率（或振動模式）9.C（或通信）10.聚焦（或減速）三、計算題11.解：粒子在無限深勢阱中基態(tài)（n=1）的能量E1=π2?2/(2mL2)。根據(jù)德布羅意關(guān)系E=p2/2m，動量p=?/λ。代入E1得E1=p2/2m=(?/λ)2/(2m)。聯(lián)立兩式解得λ=π?/(p)=π?/sqrt(2mE1)=π?/sqrt(2m*(π2?2/(2mL2)))=λ=sqrt(L2/π2)*sqrt(?2/2mE1)=sqrt(L2/π2)*sqrt(?2/(π2?2/(2mL2)))=L/π。答案：λ=L/π12.解：設(shè)N3(t),N2(t),N1(t)分別為t時刻能級E3,E2,E1上的粒子數(shù)。根據(jù)粒子數(shù)守恒N3+N2+N1=常數(shù)（假設(shè)系統(tǒng)總粒子數(shù)守恒）。各能級間的粒子數(shù)變化率由躍遷速率決定：dN3/dt=-R32N3-R23N2（E3能級粒子因向下躍遷而減少）dN2/dt=R32N3-R21N2-R23N2（E2能級粒子因上躍遷增加，因向下躍遷減少）dN1/dt=R21N2（E1能級粒子因向下躍遷而增加）或者寫成：dN3/dt=-R32N3-R23N2dN2/dt=R32N3-(R21+R23)N2dN1/dt=R21N213.解：瑞利散射滿足λ'≈λ。答案直接寫出即可，解析思路是依據(jù)瑞利散射理論，其散射強(qiáng)度與1/λ?成正比，但散射光的頻率（波長）基本不發(fā)生改變，即λ'≈λ。答案：λ'≈500nm四、簡答題14.解：激光束具有極高的時間相干性，意味著其光譜線寬極窄，波列長度極長，相干時間長，能夠產(chǎn)生清晰的干涉條紋。普通光源（如燈泡）發(fā)出的光波是大量原子自發(fā)輻射產(chǎn)生的，相位隨機(jī)，時間相干性差，光譜線寬很寬，波列長度短，相干時間短，干涉條紋模糊甚至觀察不到。空間相干性方面，激光束具有高度的方向性，發(fā)散角小，波前上大部分點都是相干的，即空間相干性好。普通光源向四面八方發(fā)光，波前上不同點相位關(guān)系隨機(jī)，空間相干性差。對激光干涉實驗而言，良好的時間相干性和空間相干性是獲得清晰、穩(wěn)定干涉圖樣的前提。對激光準(zhǔn)直應(yīng)用而言，良好的空間相干性保證了光束在傳播距離上保持較好的方向性，減少擴(kuò)散。15.解：激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）的基本原理是：用高能量密度的激光脈沖照射樣品表面，當(dāng)激光能量足夠大時，會使樣品表面材料瞬間（微秒量級）熔化、汽化，并產(chǎn)生等離子體羽冠。處于激發(fā)態(tài)的等離子體粒子在返回基態(tài)或低激發(fā)態(tài)過程中，會輻射出包含樣品元素特征波長的光譜。通過收集和分析這些發(fā)射光譜，可以識別樣品的元素組成。LIBS技術(shù)可用于快速、現(xiàn)場（in-situ）、無損或微損地分析各種物質(zhì)（固體、液體、氣體）的元素成分，例如地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測、食品安全、藝術(shù)品鑒定等。五、論述題16.解：激光冷卻的基本思想是利用多普勒效應(yīng)，通過調(diào)制激光頻率使其略低于原子躍遷的共振頻率，使得在原子向著激光束運(yùn)動時，原子感受到的有效激光頻率接近共振頻率而被吸收，實現(xiàn)減速；而在原子遠(yuǎn)離激光束運(yùn)動時，感受到的有效頻率遠(yuǎn)離共振頻率，吸收概率大大降低。通過周期性調(diào)制的激光束從多個不同方向照射原子，可以持續(xù)不斷地將原子朝運(yùn)動相