激光原理及應(yīng)用試卷及答案一、單項(xiàng)選擇（每題2分，共20分）1.激光英文縮寫“LASER”中，字母S對(duì)應(yīng)的物理量是A.Stimulated?B.Spontaneous?C.Scattered?D.Saturated答案：A解析：LASER=LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，S即Stimulated，強(qiáng)調(diào)受激輻射。2.四能級(jí)系統(tǒng)相比三能級(jí)系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)是A.泵浦閾值更低?B.輸出波長(zhǎng)更短?C.能量轉(zhuǎn)換效率更低?D.增益介質(zhì)更易損壞答案：A解析：四能級(jí)系統(tǒng)的激光下能級(jí)遠(yuǎn)離基態(tài)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)易實(shí)現(xiàn)，閾值泵浦功率顯著下降。3.氦氖激光器632.8nm譜線對(duì)應(yīng)的能級(jí)躍遷發(fā)生在A.Ne原子5s→3p?B.Ne原子3s→2p?C.He原子23S→21S?D.He原子21P→11S答案：B解析：632.8nm由Ne的3s?→2p?躍遷產(chǎn)生，He僅起能量共振轉(zhuǎn)移作用。4.穩(wěn)定光學(xué)諧振腔的g參數(shù)滿足A.0<g?g?<1?B.g?g?=0?C.g?g?>1?D.g?g?<0答案：A解析：穩(wěn)定性判據(jù)0≤g?g?≤1，等號(hào)對(duì)應(yīng)臨界腔，實(shí)際設(shè)計(jì)常取0<g?g?<1。5.在均勻加寬介質(zhì)中，當(dāng)激光強(qiáng)度增大時(shí)，增益曲線將A.整體下降但線型不變?B.出現(xiàn)燒孔?C.線寬變窄?D.中心頻率移動(dòng)答案：A解析：均勻加寬下所有原子響應(yīng)相同，強(qiáng)場(chǎng)導(dǎo)致飽和，增益整體下降而線型保持洛倫茲形。6.Q開關(guān)技術(shù)中，調(diào)Q瞬間腔損耗的變化趨勢(shì)是A.由高→低突變?B.由低→高突變?C.線性增加?D.指數(shù)衰減答案：A解析：調(diào)Q先讓腔處于高損耗（低Q），積累反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，再突然降低損耗，形成巨脈沖。7.光纖激光器采用雙包層結(jié)構(gòu)的根本目的是A.降低非線性效應(yīng)?B.提高泵浦耦合效率?C.減小模式體積?D.抑制橫模競(jìng)爭(zhēng)答案：B解析：內(nèi)包層大數(shù)值孔徑可接受多模泵浦光，外包層約束泵浦，使泵浦光在纖芯反復(fù)吸收。8.激光測(cè)距中，相位式測(cè)距儀的最大無(wú)模糊距離由A.調(diào)制頻率決定?B.激光功率決定?C.探測(cè)器帶寬決定?D.光束發(fā)散角決定答案：A解析：λ_mod=c/f_mod，最大無(wú)模糊距離L_max=λ_mod/2，與調(diào)制頻率成反比。9.在激光冷卻中，多普勒冷卻極限溫度T_D與失諧Δ的關(guān)系為A.T_D∝|Δ|?B.T_D∝1/|Δ|?C.T_D與Δ無(wú)關(guān)?D.T_D∝Δ2答案：B解析：T_D=?Γ/2k_B，Γ為自然線寬，實(shí)驗(yàn)上Δ≈?Γ/2，故極限溫度與失諧大小成反比趨勢(shì)。10.激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）中，譜線強(qiáng)度與元素含量近似滿足A.指數(shù)關(guān)系?B.對(duì)數(shù)關(guān)系?C.線性關(guān)系?D.冪律關(guān)系指數(shù)≈0.5答案：C解析：在局部熱平衡（LTE）下，譜線強(qiáng)度與元素總密度成正比，常用定標(biāo)曲線法做線性擬合。二、填空（每空1分，共20分）11.激光產(chǎn)生的三大物理基礎(chǔ)是：________輻射、光學(xué)________、粒子數(shù)________。答案：受激、反饋、反轉(zhuǎn)解析：受激輻射提供相干光子，光學(xué)反饋由諧振腔實(shí)現(xiàn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)保證增益大于損耗。12.若某諧振腔腔長(zhǎng)L=0.5m，折射率n=1，縱模頻率間隔Δν=________MHz。答案：300解析：Δν=c/2L=3×10?/(2×0.5)=3×10?Hz=300MHz。13.高斯光束束腰半徑w?=0.4mm，波長(zhǎng)λ=1μm，則瑞利長(zhǎng)度z_R=________m。答案：0.503解析：z_R=πw?2/λ=π×(0.4×10?3)2/1×10??≈0.503m。14.調(diào)Q脈沖寬度τ_p近似滿足τ_p≧2L/c，其中L為腔長(zhǎng)，該式體現(xiàn)的是________時(shí)間。答案：光子往返解析：脈沖寬度不能小于光子在腔內(nèi)一次往返時(shí)間，否則無(wú)法形成穩(wěn)定脈沖。15.在Nd:YAG中，Nd3?離子取代Y3?的位置，屬于________摻雜，其最佳泵浦帶位于________nm附近。答案：替位、808解析：Nd3?半徑與Y3?接近，可形成替位固溶體；?F?/?吸收帶中心約808nm。16.激光加工中，燒蝕閾值F_th與脈沖寬度τ的關(guān)系常用F_th∝τ^x描述，對(duì)于皮秒激光，x≈________。答案：0.5解析：皮秒?yún)^(qū)熱擴(kuò)散長(zhǎng)度∝√τ，能量密度閾值∝√τ，故x≈0.5。17.飛秒激光成絲現(xiàn)象中，自聚焦與________效應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡使光束在長(zhǎng)距離內(nèi)保持________直徑。答案：等離子體散焦、微米級(jí)解析：克爾自聚焦與電子等離子體散焦形成動(dòng)態(tài)波導(dǎo)，成絲直徑約100μm以下。18.激光雷達(dá)方程中，接收功率P_r∝P_t·ρ·A_r·η/R2，其中ρ表示目標(biāo)________系數(shù)。答案：后向散射解析：ρ為單位面積、單位立體角的后向散射率，決定回波強(qiáng)度。19.在激光干涉引力波探測(cè)器中，采用________鏡構(gòu)成法布里珀羅腔，使等效光程達(dá)到________km量級(jí)。答案：高反射、數(shù)百解析：LIGO臂長(zhǎng)4km，法布里珀羅腔精細(xì)度≈450，等效光程≈4×450=1800km。20.激光生物效應(yīng)中，________效應(yīng)是視網(wǎng)膜最敏感機(jī)制，其損傷閾值在可見光波段約為________μJ/cm2（納秒脈沖）。答案：光機(jī)械、1解析：納秒脈沖峰值功率高，產(chǎn)生氣泡導(dǎo)致光機(jī)械損傷，視網(wǎng)膜閾值約1μJ/cm2。三、判斷并改錯(cuò)（每題2分，共10分；先判對(duì)錯(cuò)，再寫出正確表述）21.激光腔鏡曲率半徑越小，高斯光束腰斑一定越大。答案：錯(cuò)。正確：腔鏡曲率半徑減小，束腰可能減小或增大，需綜合腔型g參數(shù)判斷。22.非穩(wěn)腔的輸出耦合率一定高于穩(wěn)定腔。答案：對(duì)。非穩(wěn)腔幾何損耗大，等效輸出耦合率高，適用于高增益介質(zhì)。23.在半導(dǎo)體激光器中，帶隙越寬，激射波長(zhǎng)越長(zhǎng)。答案：錯(cuò)。正確：帶隙越寬，光子能量越高，激射波長(zhǎng)越短。24.拉曼光纖激光器的波長(zhǎng)由泵浦光決定，與光纖長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。答案：錯(cuò)。正確：拉曼波長(zhǎng)由斯托克斯頻移決定，與泵浦波長(zhǎng)及光纖振動(dòng)模有關(guān)，長(zhǎng)度影響閾值和效率。25.激光切割金屬時(shí)，輔助氣體壓力越高，熱影響區(qū)越大。答案：錯(cuò)。正確：高壓氣體快速帶走熔融物，減少熱傳導(dǎo)，熱影響區(qū)反而減小。四、簡(jiǎn)答（每題6分，共30分）26.說(shuō)明均勻加寬與非均勻加寬的區(qū)別，并給出兩種典型介質(zhì)。答案：均勻加寬指所有原子對(duì)同一頻率響應(yīng)相同，線型為洛倫茲，如Nd:YAG；非均勻加寬不同原子響應(yīng)不同頻率，線型為高斯，如HeNe中多普勒展寬。27.畫出四能級(jí)系統(tǒng)能級(jí)簡(jiǎn)圖，標(biāo)出泵浦、激光躍遷及快速弛豫過(guò)程，并解釋為何閾值低。答案：基態(tài)→泵浦帶（快）→上激光能級(jí)（壽命長(zhǎng)）→下激光能級(jí)（快）→基態(tài)。下能級(jí)非基態(tài)且壽命短，易抽空，反轉(zhuǎn)易實(shí)現(xiàn)，閾值低。28.說(shuō)明克爾透鏡鎖模（KLM）原理，并給出實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)的兩種方法。答案：利用克爾效應(yīng)產(chǎn)生自聚焦，高強(qiáng)度脈沖自聚焦強(qiáng)，等效aperture損耗小，低強(qiáng)度連續(xù)損耗大，形成可飽和吸收。自啟動(dòng)：①輕微撞擊鏡架引入瞬時(shí)尖峰；②插入半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）輔助啟動(dòng)。29.列舉激光雷達(dá)三種測(cè)距體制，并比較其精度與適用距離。答案：①脈沖飛行時(shí)間：精度cm級(jí)，km級(jí)距離；②相位式：精度mm級(jí)，<100m；③調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）：精度μm級(jí)，<10m，適合無(wú)人駕駛近距離。30.說(shuō)明激光冷卻中“光學(xué)黏團(tuán)”形成條件，并給出典型原子與冷卻極限溫度。答案：六束對(duì)射偏振正交激光，負(fù)失諧Δ=?Γ/2，形成空間周期性勢(shì)阱，原子被束縛。典型：??Rb，極限溫度≈140μK。五、計(jì)算與推導(dǎo)（共30分）31.（10分）某Nd:YAG激光器，λ=1064nm，腔長(zhǎng)L=10cm，輸出鏡透過(guò)率T=5%，往返損耗δ=0.01，受激發(fā)射截面σ=2.8×10?1?cm2，上能級(jí)壽命τ=230μs，折射率n=1.82。求閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度ΔN_t。答案：閾值增益g_t=(δ+T)/2L=(0.01+0.05)/(2×10)=0.003cm?1ΔN_t=g_t/σ=0.003/(2.8×10?1?)=1.07×101?cm?3解析：增益系數(shù)g=σΔN，達(dá)到閾值時(shí)增益等于總損耗，注意單位換算。32.（10分）高斯光束腰斑w?=0.5mm，λ=632.8nm，求距束腰z=5m處光斑半徑w(z)及波前曲率半徑R(z)。答案：z_R=πw?2/λ=π×(0.5×10?3)2/632.8×10??≈1.24mw(z)=w?√[1+(z/z_R)2]=0.5√[1+(5/1.24)2]≈2.06mmR(z)=z[1+(z_R/z)2]=5[1+(1.24/5)2]≈5.31m解析：直接代入高斯光束傳播公式。33.（10分）用調(diào)QNd:YAG激光打鋁靶，單脈沖能量E=100mJ，脈寬τ=10ns，聚焦光斑直徑d=50μm，鋁的燒蝕焓H=3×10?J/cm3，忽略熱擴(kuò)散，求單脈沖燒蝕深度。答案：峰值功率P=E/τ=10MW光斑面積A=π(d/2)2=π(25×10??)2=1.96×10??cm2體積燒蝕V=E/H=100×10?3/(3×10?)=3.33×10??cm3深度h=V/A=3.33×10??/1.96×10??≈0.17mm解析：能量全部用于燒蝕，按體積焓換算。六、綜合設(shè)計(jì)（20分）34.設(shè)計(jì)一套全光纖結(jié)構(gòu)、中心波長(zhǎng)1550nm、重復(fù)頻率100MHz、脈寬100fs、平均功率1W的被動(dòng)鎖模光纖激光器。要求：（1）畫出系統(tǒng)框圖，標(biāo)出器件名稱及光纖類型；（2）計(jì)算所需摻鉺光纖長(zhǎng)度（假設(shè)泵浦源980nm，功率500mW，吸收系數(shù)4dB/m，斜率效率30%）；（3）說(shuō)明色散補(bǔ)償方案并估算所需色散量；（4）給出腔內(nèi)非線性相移控制措施；（5）提出一種功率放大至10W且不顯著展寬脈寬的技術(shù)路線。答案：（1）框圖：980nmLD→WDM→摻鉺光纖(EDF)→偏振無(wú)關(guān)隔離器→色散補(bǔ)償光纖(DCF)→輸出耦合器(90:10)→非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)鎖模器→PC→循環(huán)。（2）小信號(hào)增益G=exp(αL)，α=4dB/m=0.92m?1，設(shè)吸收泵浦P_abs=500mW×0.8=400mW，激光功率P_out=1W，需放大級(jí)增益G=10，取EDF長(zhǎng)度L≈12m，剩余泵浦回收。（3）1550nm處標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMF28)色散D=17ps/(nm·km)，100fs譜寬Δλ≈15nm，總腔長(zhǎng)≈2m，需負(fù)色散≈?0.51ps2，采用?80ps/(nm·km