激光技術(shù)筆試題及完整答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.在Nd:YAG激光器中，下列哪一項不是影響其斜率效率的主要因素？A.泵浦源的光譜匹配度B.激光晶體的熱透鏡效應(yīng)C.輸出鏡的透射率D.諧振腔的機械長度答案：D解析：斜率效率主要與泵浦光利用率、腔內(nèi)損耗及輸出耦合率相關(guān)，而諧振腔的機械長度對斜率效率無直接決定作用，僅影響縱模間隔。2.對于高斯光束，若腰斑半徑ω?=0.5mm，波長λ=1.06μm，則其瑞利長度zR約為：A.0.47mB.0.74mC.1.23mD.2.36m答案：B解析：zR=πω?2/λ=π×(0.5×10?3)2/(1.06×10??)=0.74m。3.在光纖激光器中，采用雙包層光纖的主要目的是：A.降低非線性效應(yīng)B.提高泵浦吸收效率C.抑制模式競爭D.減小量子虧損答案：B解析：雙包層結(jié)構(gòu)允許大芯徑多模泵浦光在包層中傳輸，被內(nèi)芯摻雜吸收，顯著提高耦合效率。4.下列哪種調(diào)制方式可實現(xiàn)激光脈沖寬度小于100fs？A.聲光Q開關(guān)B.電光腔倒空C.半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）鎖模D.機械斬波器答案：C解析：SESAM鎖模利用可飽和吸收體的超快恢復(fù)時間，可產(chǎn)生飛秒級脈沖，其余方法均在ps~ns量級。5.激光加工中，等離子體屏蔽效應(yīng)最先表現(xiàn)為：A.材料表面粗糙度增加B.加工深度突然減小C.切縫寬度變窄D.熱影響區(qū)擴大答案：B解析：等離子體對后續(xù)激光能量吸收增強，導(dǎo)致傳入材料的能量驟降，深度減小。6.在激光測距中，若采用偽隨機碼相位調(diào)制，其最大無模糊距離與下列哪項成正比？A.碼元速率B.碼長C.激光功率D.探測器帶寬答案：B解析：最大無模糊距離Lmax=c·N/(2R)，其中N為碼長，R為碼元速率，故與碼長成正比。7.對于CO?激光器，下列氣體中起主要冷卻作用的是：A.N?B.HeC.COD.Xe答案：B解析：He具有高熱導(dǎo)率，可快速帶走下能級粒子，降低氣體溫度。8.在激光諧振腔中，g參數(shù)滿足0<g?g?<1時，腔型為：A.穩(wěn)定腔B.臨界腔C.非穩(wěn)腔D.波導(dǎo)腔答案：A解析：穩(wěn)定腔條件即0<g?g?<1，此時近軸光線可無限次往返不逸出。9.激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）中，譜線強度與下列哪項關(guān)系最弱？A.激光功率密度B.樣品表面氧化層厚度C.探測器門寬D.激光重復(fù)頻率答案：D解析：單脈沖LIBS信號與重復(fù)頻率無關(guān)，僅影響采集效率。10.在激光通信中，采用BPSK相干探測相比IM/DD系統(tǒng)，靈敏度可提高約：A.3dBB.6dBC.10dBD.20dB答案：D解析：相干探測可突破散粒噪聲極限，理論靈敏度提高約20dB。二、多項選擇題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.下列哪些技術(shù)可有效抑制光纖激光器中的受激拉曼散射（SRS）？A.采用大模場面積光纖B.級聯(lián)拉曼濾波器C.降低光纖長度D.提高摻雜濃度答案：A、B、C解析：大模場降低功率密度；濾波器可濾除斯托克斯光；縮短光纖減少相互作用長度；提高摻雜反而可能加劇SRS。12.關(guān)于激光二極管（LD）光束質(zhì)量，下列說法正確的是：A.快軸方向M2接近1B.慢軸方向M2通常>10C.像散導(dǎo)致焦平面分離D.可通過微透鏡陣列整形答案：B、C、D解析：快軸M2≈1.2~1.5，慢軸因多模輸出M2大；像散使兩軸焦面不重合；微透鏡陣列可勻化光束。13.在激光焊接鋁合金時，易出現(xiàn)氣孔的原因包括：A.氫在鋁中溶解度突變B.鎂元素蒸發(fā)燒損C.匙孔塌陷D.保護氣流量過大答案：A、B、C解析：氫溶解度差導(dǎo)致凝固時析出；鎂蒸發(fā)燒損形成低壓空腔；匙孔塌陷包裹氣體；保護氣流量大一般減少氧化，不直接增孔。14.下列哪些參數(shù)可用于評價激光光束質(zhì)量？A.M2因子B.斯特列爾比C.光束參數(shù)乘積（BPP）D.遠(yuǎn)場發(fā)散角答案：A、B、C、D解析：四者均為常用評價指標(biāo)，其中M2與BPP可互換換算。15.在激光雷達中，采用1550nm波長相比905nm的優(yōu)點有：A.人眼安全閾值高B.大氣傳輸損耗小C.可用InGaAs探測器D.太陽背景輻射弱答案：A、C解析：1550nm角膜聚焦低，人眼安全閾值高；InGaAs探測器成熟；大氣損耗略高；太陽輻射在1550nm高于905nm。三、填空題（每空2分，共20分）16.對于均勻加寬四能級系統(tǒng)，小信號增益系數(shù)g?=σe·ΔN?，其中σe為________，ΔN?為________。答案：發(fā)射截面；反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度解析：σe反映能級躍遷概率，ΔN?為激光上、下能級粒子數(shù)密度差。17.在調(diào)Q激光器中，脈沖峰值功率Ppk與單脈沖能量E及脈沖寬度τ的關(guān)系為________。答案：Ppk≈E/τ解析：假設(shè)脈沖形狀為矩形，峰值功率即能量除以脈寬。18.激光諧振腔的菲涅耳數(shù)N=a2/(λL)，其中a為________，L為________。答案：腔鏡半徑；腔長解析：菲涅耳數(shù)表征衍射損耗，a為鏡面上光束有效半徑。19.在光纖布拉格光柵（FBG）中，中心反射波長λB=________，其中neff為________。答案：2neffΛ；有效折射率解析：Λ為光柵周期，滿足布拉格條件時反射。20.激光誘導(dǎo)熒光（LIF）中，熒光強度IF與激光強度IL的關(guān)系在飽和區(qū)表現(xiàn)為________。答案：IF∝√IL解析：飽和時上能級粒子數(shù)趨于飽和，熒光強度隨√IL增長。四、判斷改錯題（每題2分，共10分，先判對錯，再改正錯誤部分）21.在激光加工中，輔助氣體壓力越高，則切割速度一定越快。答案：錯。改正：過高的氣體壓力會激波冷卻，反而降低切割速度，存在最優(yōu)值。22.激光二極管抽運的固體激光器（DPSSL）的量子虧損一定大于燈泵。答案：錯。改正：DPSSL可通過波長匹配降低量子虧損，燈泵光譜寬，量子虧損更大。23.對于高斯光束，其遠(yuǎn)場發(fā)散角與腰斑半徑成正比。答案：錯。改正：θ=λ/(πω?)，發(fā)散角與腰斑半徑成反比。24.在激光測距中，采用飛行時間法（TOF）時，距離分辨率與激光脈寬無關(guān)。答案：錯。改正：分辨率ΔL=c·τ/2，與脈寬τ直接相關(guān)。25.光纖激光器中的模式不穩(wěn)定（TMI）效應(yīng)屬于熱致非線性效應(yīng)。答案：對。解析：量子虧損產(chǎn)熱導(dǎo)致折射率光柵，耦合基模與高階模，屬熱致非線性。五、簡答題（每題8分，共24分）26.闡述激光相干性包含哪些維度，并給出各自物理定義及典型測量方法。答案：（1）時間相干性：描述波列持續(xù)時間，用相干長度Lc=λ2/Δλ表征，可用邁克爾遜干涉儀測可見度隨光程差變化；（2）空間相干性：描述波前橫向相位一致性，用相干面積Ac≈(λz)2/ΔΩ表征，可用楊氏雙縫實驗測條紋可見度；（3）縱向相干性：即時間相干性的另一種表述；（4）模相干性：針對多模激光，各縱模間相位關(guān)系，可用拍頻法測模間頻譜純度。解析：相干性是激光區(qū)別于普通光的核心，直接決定干涉、全息、相干通信等應(yīng)用可行性。27.說明在超快激光放大中采用啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)的必要性，并給出典型參數(shù)鏈。答案：必要性：超短脈沖峰值功率極高，直接放大將因非線性效應(yīng)（自聚焦、絲狀損傷）破壞元件；CPA通過色散將脈沖在時域展寬103~10?倍，降低峰值功率，放大后再壓縮回原寬度。典型參數(shù)鏈：振蕩器輸出100fs/0.1nJ→展寬至500ps/0.1nJ→多通放大至500ps/50mJ→壓縮回120fs/45mJ，峰值功率達0.37PW。解析：CPA技術(shù)使超快激光功率提升10?倍而不損傷器件，是TW~PW級激光基石。28.分析激光熔覆中裂紋產(chǎn)生機理，并提出三種抑制措施。答案：機理：①熱應(yīng)力：快速加熱冷卻產(chǎn)生拉應(yīng)力；②相變應(yīng)力：馬氏體轉(zhuǎn)變體積膨脹；③約束應(yīng)力：基體剛性固定。抑制措施：①預(yù)熱基體至200~400℃降低溫度梯度；②優(yōu)化合金粉末，添加Ni、B等增韌元素；③采用激光重熔或二次回火去應(yīng)力。解析：裂紋是熔覆層主要缺陷，通過應(yīng)力控制與材料設(shè)計可顯著改善。六、計算題（共31分）29.（10分）某Nd:YAG激光器采用平凹腔，腔長L=50cm，凹面鏡曲率R=2m，輸出鏡透射T=5%，腔內(nèi)往返損耗δ=2%，激光截面σ=2.8×10?1?cm2，上能級壽命τ=230μs，泵浦速率Wp=200s?1，摻雜濃度Nt=1.5×102?cm?3。求小信號增益系數(shù)g?及閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)ΔNth。答案：g?=σ·Wp·τ·Nt=2.8×10?1?×200×230×10??×1.5×102?=1.93cm?1ΔNth=(δ+T/2)/(2σ)=(0.02+0.05/2)/(2×2.8×10?1?)=1.07×101?cm?3解析：先算穩(wěn)態(tài)反轉(zhuǎn)ΔN?=WpτNt，再據(jù)閾值條件2σΔNth=δ+T/2。30.（10分）高斯光束腰斑ω?=0.8mm，λ=632.8nm，經(jīng)焦距f=100mm薄透鏡聚焦，求焦點處腰斑ω?′及焦深b。若將透鏡向腰斑方向移動10mm，求新焦點ω?″。答案：原焦點：ω?′=λf/(πω?)=632.8×10??×0.1/(π×0.8×10?3)=25.2μm焦深b=2zR′=2πω?′2/λ=2π×(25.2×10??)2/(632.8×10??)=6.3mm透鏡移動10mm，新物距d=f+Δz=100+10=110mm，根據(jù)ABCD定律：ω?″=ω?′·√(1+(Δz/zR)2)=25.2×√(1+(10/315)2)=25.3μm解析：高斯光束聚焦公式直接計算，透鏡移動引入微小變化。31.（11分）某光纖激光器輸出P=2kW，波長λ=1070nm，光纖芯徑20μm，數(shù)值孔徑NA=0.06，長度L=10m，受激拉曼散射閾值PRaman≈16Aeff·gR·Leff，其中g(shù)R=1×10?13m/W，Leff=(1?e?αL)/α，α=0.3dB/km=6.9×10??m?1。求SRS閾值功率，并判斷2kW是否超限。答案：Aeff=πa2=π×(10×10??)2=3.14×10?1?m2Leff=(1?e?6.9×10??×10)/6.9×10??≈9.66mPRaman=16×3.14×10?1?×1×10?13×9.66≈4.86kW2kW<4.86kW，未超限，但裕度僅2.4倍，長期運行需降功率或增大模場。解析：SRS為千瓦級光纖激光首要非線性限制，需留3~5倍裕度。七、綜合設(shè)計題（共30分）32.設(shè)計一套用于鈦合金航空葉片氣膜孔冷卻的超快激光鉆孔系統(tǒng)，要求：孔徑?=0.3mm，厚度t=2mm，錐度<1°，無重鑄層，加工時間<2s/孔。給出激光參數(shù)、光路布局、工藝序列及在線監(jiān)測方案，并論證可行性。答案：（1）激光參數(shù)：選取1030nm/300fs/1mJ/100kHz光纖啁啾放大系統(tǒng)，聚焦后峰值功率密度≈5×1013W/cm2，遠(yuǎn)超過鈦的庫倫爆炸閾值，實現(xiàn)冷加工。（2）光路：光束經(jīng)λ/4波片+擴束鏡→掃描振鏡（20mm口徑）→f=100mm遠(yuǎn)心場鏡，焦點處腰斑≈15μm，采用螺旋掃描路徑，直徑0.3mm，搭接率90%。（3）工藝序列：①激光清洗表面油污；②預(yù)鉆孔：螺旋掃描200圈，進給速度v=1m/s，