激光技術(shù)考試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.在Nd:YAG激光器中，下列哪一項不是實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的必要條件？A.泵浦源功率密度高于激光閾值B.激光上能級壽命長于下能級壽命C.諧振腔鏡對泵浦光高透、對激光波長高反D.激光晶體摻雜濃度高于1at.%答案：C解析：實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的核心是泵浦速率大于自發(fā)輻射速率，與諧振腔鏡對泵浦光的透射率無關(guān)。腔鏡只需對激光波長提供足夠反饋即可，對泵浦光透射或反射均可，因此C項不是必要條件。2.一束波長為1064nm、功率1kW的連續(xù)Nd:YAG激光，經(jīng)焦距100mm透鏡聚焦后，焦點處光斑直徑約50μm。若材料為304不銹鋼（吸收率35%），則峰值功率密度最接近：A.5.1×10?W/cm2B.1.0×10?W/cm2C.5.1×10?W/cm2D.1.0×10?W/cm2答案：C解析：光斑面積A=π(25×10??cm)2≈1.96×10??cm2；吸收功率P_abs=1kW×0.35=350W；峰值功率密度I=P_abs/A≈350/1.96×10??≈1.78×10?W/cm2，最接近5.1×10?W/cm2（考慮高斯光束中心強度為平均值的≈2倍）。3.在飛秒激光燒蝕硅片實驗中，觀察到燒蝕閾值隨脈沖寬度τ從30fs增至300fs而升高，其主要原因是：A.熱擴散長度增加，能量被更多晶格吸收B.多光子電離效率下降C.等離子體屏蔽效應(yīng)增強D.臨界電子密度降低答案：B解析：飛秒?yún)^(qū)間主導(dǎo)機制為多光子電離，閾值功率密度F_th∝τ^(x)，x≈0.3–0.5，脈沖越寬，所需單脈沖能量越高，故閾值升高。4.下列哪種技術(shù)最能有效抑制高功率激光系統(tǒng)中“熱致雙折射”引起的退偏損耗？A.采用環(huán)形腔設(shè)計B.使用非對稱泵浦結(jié)構(gòu)C.引入90°石英旋光片補償D.增加種子注入功率答案：C解析：熱致雙折射產(chǎn)生正交偏振分量，90°旋光片可交換p、s分量，往返一次后實現(xiàn)自補償，已被證實可將退偏率從15%降至<1%。5.在光纖激光相干合成中，若N路完全相同的1kW激光器，理想鎖相后遠(yuǎn)場中心主瓣功率為：A.NkWB.N2kWC.NkW（主瓣）+旁瓣D.1kW答案：B解析：相干合成電場疊加，振幅∝N，強度∝N2，故中心主瓣功率N2kW，旁瓣能量占比隨N增大而下降。6.對于波長10.6μm的CO?激光，在ZnSe透鏡（n=2.403）表面鍍雙層增透膜，若中心波長反射率要求<0.2%，則最合理的膜層光學(xué)厚度組合為：A.λ/4–λ/4B.λ/4–λ/2C.λ/2–λ/4D.λ/2–λ/2答案：A解析：經(jīng)典雙層V型增透膜采用低高折射率組合，每層光學(xué)厚度λ/4，可在中心波長實現(xiàn)零反射，帶寬約1μm，滿足<0.2%要求。7.在激光沖擊強化（LSP）中，采用鋁箔作燒蝕層、水作約束層，若激光功率密度5GW/cm2、脈寬20ns，則沖擊波峰值壓力估算最接近：A.1.5GPaB.3.5GPaC.5.5GPaD.7.5GPa答案：C解析：Fabbro模型P(GPa)=0.01√(αI√τ)，α≈0.1cm2/GW2·ns，代入I=5GW/cm2，τ=20ns，得P≈5.5GPa。8.激光選區(qū)熔化（SLM）316L不銹鋼時，層厚30μm，激光光斑80μm，最佳掃描間距通常選擇：A.30μmB.50μmC.70μmD.120μm答案：B解析：經(jīng)驗準(zhǔn)則hatchspacing≈0.6–0.7×光斑直徑，以保證搭接率≥30%，抑制球化，50μm為最佳折中。9.在激光干涉光刻中，若兩束相干光夾角2θ=60°，波長λ=325nm，則曝光所得光柵周期為：A.325nmB.375nmC.650nmD.750nm答案：B解析：周期Λ=λ/(2sinθ)=325nm/(2×sin30°)=325nm。10.對于摻鉺光纖放大器（EDFA），在1550nm小信號增益25dB，若輸入信號30dBm，則輸出信號功率為：A.5dBmB.3dBmC.0dBmD.3dBm答案：A解析：增益G=25dB，P_out=P_in+G=30dBm+25dB=5dBm。二、填空題（每空2分，共20分）11.在Nd:YVO?微片激光器中，若晶體厚度1mm，泵浦波長808nm，吸收系數(shù)α=30cm?1，則單程吸收率為________%。答案：95.0解析：吸收率=1exp(αL)=1exp(30×0.1)=0.950。12.飛秒激光成絲現(xiàn)象中，臨界功率P_cr（GW）在空氣中可近似為________，其中λ以μm為單位。答案：3.72/λ2解析：Kerr自聚焦臨界功率P_cr=3.72λ2/(8πn?n?)，空氣n?≈3×10?1?cm2/W，代入得P_cr≈3.72/λ2GW。13.激光雷達(dá)測距方程中，接收功率P_r與目標(biāo)反射率ρ、發(fā)射功率P_t、系統(tǒng)光學(xué)效率η、望遠(yuǎn)鏡口徑D、目標(biāo)距離R的關(guān)系為P_r∝________。答案：ρP_tηD2/R2解析：經(jīng)典激光雷達(dá)方程P_r=P_tη(ρ/π)(A_t/R2)(πD2/4λ2)，合并得P_r∝ρP_tηD2/R2。14.在激光切割低碳鋼時，若輔助氣體氧氣純度從99.5%降至99%，切割速度下降約________%。答案：12解析：實驗數(shù)據(jù)表明，氧純度每下降0.1%，切割速度下降≈2.4%，0.5%對應(yīng)≈12%。15.對于高斯光束，瑞利長度z_R=πw?2/λ，若w?=50μm，λ=1μm，則z_R=________mm。答案：7.85解析：z_R=π(50×10?3)2/1×10?3=7.85mm。16.在激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）中，采用雙脈沖技術(shù)，兩脈沖間隔1.5μs，可提升信噪比約________倍。答案：5–7解析：第一脈沖產(chǎn)生預(yù)等離子體，第二脈沖加熱，實驗普遍報道SNR提升5–7倍。17.激光焊接鋁合金時，若采用擺動光束（wobble）頻率2kHz、振幅0.6mm，可抑制氣孔率至________%以下。答案：1解析：擺動促進(jìn)氣泡逸出，文獻(xiàn)報道2024T3鋁合金氣孔率<1%。18.在激光熔覆中，粉末輸送采用氬氣載氣，若載氣流量增加50%，粉末焦點處濃度下降約________%。答案：20解析：流量增大導(dǎo)致擴散增強，數(shù)值模擬與實驗均顯示濃度下降≈20%。19.對于波長515nm的綠光皮秒激光，在石英（n=1.46）中自聚焦臨界功率約為________MW。答案：4.2解析：P_cr=3.72λ2/(8πn?n?)，石英n?=3×10?1?cm2/W，λ=0.515μm，得P_cr≈4.2MW。20.在激光微射流（LaserMicroJet）加工中，水射流直徑50μm，流速80m/s，則雷諾數(shù)Re≈________。答案：4000解析：Re=ρvD/μ，水ρ=1000kg/m3，μ=1×10?3Pa·s，D=50×10??m，v=80m/s，Re=4000。三、計算題（共30分）21.（10分）一臺端面泵浦Nd:YAG激光器，晶體尺寸?4mm×10mm，摻雜濃度0.8at.%，泵浦波長808nm，吸收截面σ_abs=4.2×10?2?cm2，發(fā)射截面σ_em=2.8×10?1?cm2，上能級壽命τ_f=230μs，腔長80mm，輸出耦合鏡透過率T=8%，腔損耗δ_i=0.5%，泵浦光束腰半徑200μm，泵浦功率10W。求：（1）泵浦吸收效率η_abs；（2）閾值泵浦功率P_th；（3）斜率效率η_s；（4）輸出激光功率P_out。答案與解析：（1）吸收系數(shù)α=σ_absN_t，N_t=0.008×4.56×1022cm?3=3.65×102?cm?3，α=4.2×10?2?×3.65×102?=15.3cm?1，單程吸收η_abs=1exp(αL)=1exp(15.3×1)=1.00（>99%），取100%。（2）閾值功率密度I_th=(δ+T)/(2σ_emτ_fη_p)，η_p=泵浦量子效率≈0.9，δ=δ_i+T/2=0.005+0.04=0.045，I_th=0.045/(2×2.8×10?1?×230×10??×0.9)=3.9×1021photon/(cm2·s)，對應(yīng)功率P_th=I_th×hν_p×A_p，A_p=π(200×10??)2=1.26×10?3cm2，hν_p=2.45×10?1?J，P_th=3.9×1021×2.45×10?1?×1.26×10?3≈1.2W。（3）斜率效率η_s=(hν_l/hν_p)×(T/(δ+T))×η_abs×η_c，η_c≈1，hν_l/hν_p=1064/808=1.32，η_s=1.32×(0.08/0.045)×1×1≈0.47（47%）。（4）P_out=η_s(P_pumpP_th)=0.47×(101.2)=4.1W。22.（10分）采用波長1030nm、脈寬500fs、單脈沖能量100μJ的飛秒激光在Corning7980石英玻璃內(nèi)部寫入波導(dǎo)，寫入深度200μm，物鏡NA=0.55，掃描速度10mm/s，重復(fù)頻率100kHz。求：（1）峰值功率密度；（2）非線性吸收系數(shù)β估算（假設(shè)兩光子吸收主導(dǎo)，帶隙E_g=8.3eV）；（3）單脈沖作用區(qū)內(nèi)折射率變化Δn（經(jīng)驗公式Δn=1.5×10?1?×I^0.8，I單位W/cm2）；（4）波導(dǎo)縱向重疊率η_overlap。答案與解析：（1）焦點光斑直徑d≈1.22λ/NA=1.22×1.03/0.55≈2.3μm，面積A=π(1.15×10??)2≈4.2×10??cm2，峰值功率P_peak=100×10??J/500×10?13s=2×10?W，I_peak=2×10?/4.2×10??≈4.8×101?W/cm2。（2）兩光子吸收系數(shù)β≈(2?ωE_g)2×C，C為材料常數(shù)，實驗測得β≈5×10?11cm/W。（3）Δn=1.5×10?1?×(4.8×101?)^0.8≈1.5×10?1?×1.3×1013≈0.00020。（4）脈沖間隔Δx=v/f=10×10?3/10?=0.1μm，作用區(qū)長度L≈瑞利長度z_R=πw?2n/λ=π(1.15×10?3)2×1.46/1.03≈6μm，重疊率η_overlap=1Δx/L=10.1/6≈98%。23.（10分）一臺CO?激光器輸出波長10.6μm、功率2kW、光束質(zhì)量M2=1.2，經(jīng)焦距127mm拋物鏡聚焦，計算：（1）焦點光斑直徑d_f；（2）焦點處峰值強度I_0；（3）不銹鋼（ε=0.35）表面達(dá)到熔點1500°C所需時間t_m（忽略熱損失，初始溫度20°C，密度ρ=7.9g/cm3，比熱c=0.5J/g·K，吸收深度δ=5μm）。答案與解析：（1）d_f=4λfM2/(πD)，假設(shè)原始光束直徑D=20mm，d_f=4×10.6×10?3×127×1.2/(π×20)≈0.103mm。（2）A=π(51.5×10??)2≈8.3×10??cm2，I_0=2000/8.3×10??≈2.4×10?W/cm2。（3）體積熱容C_v=ρc=3.95J/cm3·K，溫升ΔT=1480K，能量密度E=C_vΔT=3.95×1480≈5.8×103J/cm3，吸收功率密度I_abs=I_0ε=8.4×10?W/cm2，t_m=Eδ/I_abs=5.8×103×5×10??/8.4×10?≈0.35ms。四、綜合設(shè)計題（共30分）24.（15分）需設(shè)計一臺用于鈦合金（TC4）航空葉片氣膜孔冷卻孔加工的五軸飛秒激光微孔加工系統(tǒng)，孔徑?0.3mm，深度2mm，入口錐角≤10°，無重鑄層，加工效率≥50孔/min。請給出：（1）激光參數(shù)（波長、脈寬、能量、重復(fù)頻率、光束掃描策略）；（2）光束傳輸與聚焦方案（物鏡NA、工作距、景深）；（3）運動平臺要求（定位精度、動態(tài)響應(yīng)）；（4）在線監(jiān)測手段；（5）工藝驗證指標(biāo)及測量方法。參考答案與解析：（1）激光參數(shù)：波長1030nm（鈦吸收適中，避免等離子體屏蔽），脈寬400fs，單孔能量<2mJ（防熱積累），重復(fù)頻率200kHz，burst模式5脈沖/burst，能量遞減70%/30%/15%/8%/4%，螺旋掃描+同心圓填充，搭接率50%，掃描速度2m/s。（2）聚焦：NA=0.4，工作距5mm，景深±40μm，采用空氣間隔雙t物鏡，色差校正1030±10nm，焦點可Z軸高速伺服（響應(yīng)>5g）。（3）平臺：直線電機五軸，X/Y行程300mm，定位精度±0.5μm，重復(fù)定位±0.2μm，加速度1g，輪廓誤差<1μm（孔位圓度）。（4）監(jiān)測：同軸等離子體成像（帶寬500kHz），檢測穿透時刻；背反射光電二極管監(jiān)控孔深；加工后共焦白光干涉儀在線測孔徑、錐角。（5）驗證：金相切片測重鑄層=0μm；SEM測入口圓度>0.95；