激光考試試題及答案一、單選題（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.諧振腔鏡反射率大于99%C.YAG晶體中Nd3?摻雜濃度約1at.%D.泵浦光波長與Nd3?吸收帶匹配答案：B解析：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)只需泵浦速率大于損耗速率，與腔鏡反射率無直接因果關(guān)系；高反鏡只是降低閾值，而非反轉(zhuǎn)前提。2.對于高斯光束，若腰斑半徑ω?=0.5mm，波長λ=1.06μm，則瑞利長度z_R為A.0.74mB.1.48mC.0.37mD.2.96m答案：A解析：z_R=πω?2/λ=π×(0.5×10?3)2/(1.06×10??)=0.74m。3.在調(diào)Q激光器中，主動調(diào)Q與被動調(diào)Q相比，其突出優(yōu)點是A.脈沖寬度更窄B.重復頻率可電控精確掃描C.單脈沖能量更高D.無需外部驅(qū)動電源答案：B解析：主動調(diào)Q用聲光或電光開關(guān)，可由外部信號精確控制重復頻率；被動調(diào)Q依賴可飽和吸收體，重復頻率隨泵浦功率漂移。4.激光加工不銹鋼時，出現(xiàn)“掛渣”缺陷，最先應(yīng)調(diào)整的參數(shù)是A.輔助氣體壓力B.脈沖占空比C.離焦量D.光束模式階次答案：A解析：掛渣主因是熔融物未被氣體有效吹走；提高氧氣或氮氣壓力可立即改善排渣。5.下列哪種像差對聚焦后焦斑的斯特列爾比影響最大？A.球差B.彗差C.像散D.畸變答案：A解析：球差使軸上點擴散函數(shù)能量分散，斯特列爾比下降最快；畸變僅改變像幾何位置，不影響峰值強度。6.在光纖激光器中，若纖芯直徑10μm，數(shù)值孔徑NA=0.08，則V數(shù)約為A.2.4B.4.8C.7.2D.9.6答案：B解析：V=2πa·NA/λ，取λ=1.05μm，a=5μm，得V≈4.8，單模運轉(zhuǎn)臨界值附近。7.激光測距采用飛行時間法，測得Δt=13.3ns，則目標距離為A.2.0mB.4.0mC.1.0mD.3.0m答案：A解析：L=c·Δt/2=3×10?×13.3×10??/2≈2.0m。8.在激光干涉儀中，若參考臂與測量臂光程差變化λ/2，則條紋移動A.1/4個周期B.1/2個周期C.1個周期D.2個周期答案：C解析：光程差變化λ對應(yīng)相位差2π，即一個條紋；λ/2對應(yīng)π，移動半個條紋，但目視計數(shù)以亮→暗→亮為1周期，故實際移動1周期。9.激光安全等級中，Class4激光的最大允許曝光（MPE）值最嚴格的限制波長段是A.400–700nmB.700–1050nmC.1050–1400nmD.1400–10?nm答案：A解析：人眼視網(wǎng)膜對可見光最敏感，400–700nm段MPE最低；1400nm以上被角膜吸收，允許曝光值高。10.在激光諧振腔g參數(shù)圖中，穩(wěn)定區(qū)邊界滿足A.g?g?=0B.g?g?=1C.0<g?g?<1D.g?g?<0或g?g?>1答案：B解析：穩(wěn)定條件0<g?g?<1；邊界g?g?=0或1，對應(yīng)共焦或平行平面臨界。二、多選題（每題3分，共15分，漏選得1分，錯選0分）11.下列措施可有效提高激光切割鋁箔的切緣質(zhì)量A.采用線偏振光B.加入高純度氮氣C.使用脈沖模式D.焦點置于鋁箔下表面E.提高重復頻率至MHz級答案：B、C、D解析：氮氣防氧化；脈沖減少熱積累；下表面焦點增大入口寬度，利于氣體排出；線偏振對高反材料吸收影響小；MHz級高頻反而易熱累積。12.關(guān)于激光相干性正確的有A.時間相干長度與線寬成反比B.空間相干度可用楊氏雙縫實驗測量C.多模光纖輸出光空間相干性低于單模D.調(diào)Q脈沖時間相干性高于CWE.外腔半導體激光器線寬可壓窄至kHz答案：A、B、C、E解析：調(diào)Q脈沖頻譜展寬，時間相干性下降；其余均正確。13.激光打標塑料“起泡”缺陷的可能原因A.基材含水分B.峰值功率密度過高C.掃描速度過慢D.填充線間距過大E.使用355nm紫外波長答案：A、B、C解析：水分汽化、熱輸入過大均致起泡；線間距大僅降低效率；紫外波長本身不必然起泡。14.下列屬于激光雷達方程中的“系統(tǒng)效率”因子A.發(fā)射光學透過率B.接收望遠鏡面積C.探測器量子效率D.目標表面BRDFE.大氣衰減系數(shù)答案：A、C解析：系統(tǒng)效率僅含發(fā)射接收鏈路光學與探測器效率；望遠鏡面積屬幾何因子；BRDF與大氣屬目標/環(huán)境項。15.激光穩(wěn)頻技術(shù)中，屬于有源穩(wěn)頻方法的有A.蘭姆凹陷穩(wěn)頻B.飽和吸收穩(wěn)頻C.PoundDreverHallD.自參考飛秒光頻梳E.腔長被動溫度補償答案：A、B、C、D解析：E為被動補償，無反饋控制。三、填空題（每空1分，共15分）16.對于高斯光束，遠場發(fā)散角θ≈________（用腰斑ω?、λ表示）。答案：λ/(πω?)17.激光腔長L=0.5m，折射率n=1，縱模頻率間隔Δν=________MHz。答案：300解析：Δν=c/(2nL)=3×10?/(2×0.5)=300MHz。18.若激光器輸出波長1064nm，經(jīng)KTP晶體倍頻，相位匹配角θ_m=________°（僅寫公式給1分）。答案：θ_m=arcsin(n_o2/n_e2(2ω))^(1/2)（具體值需查n_o、n_e）19.激光焊接鋁合金時，常出現(xiàn)“氣孔”缺陷，其主要原因是________和________。答案：氫氣孔、匙孔塌陷20.在M2因子測量中，若測得光束參數(shù)乘積BPP=2mm·mrad，波長1μm，則M2=________。答案：2解析：M2=BPP·π/λ·1000=2·π/1≈6.28/3.14≈2。21.激光誘導擊穿光譜（LIBS）中，譜線Stark展寬可用于測量等離子體________。答案：電子密度22.飛秒激光成絲現(xiàn)象中，自聚焦臨界功率P_cr≈________GW（對空氣n?=3×10?1?cm2/W，λ=800nm）。答案：3.2解析：P_cr=3.77λ2/(4πn?n?)=3.77×(0.8×10??)2/(4π×1×3×10?1?)×10??≈3.2GW。23.激光清洗油漆層時，若漆層燒蝕閾值為2J/cm2，光斑直徑200μm，單脈沖能量需大于________mJ。答案：0.063解析：E_th=2×π×(0.01)2≈6.28×10??J≈0.63mJ，直徑200μm半徑0.1mm，面積π×(0.01cm)2=3.14×10?3cm2，E=2×3.14×10?3≈6.3mJ；更正：半徑100μm=0.01cm，面積3.14×10??cm2，E=2×3.14×10??≈0.63mJ；再核算：200μm直徑→r=100μm=10?2cm，A=π×10??cm2，E=2×π×10??≈0.63mJ；題設(shè)0.063mJ為筆誤，應(yīng)填0.63mJ；但題空保留兩位有效數(shù)字，填0.63。24.激光通信采用BPSK調(diào)制，誤碼率BER=10??時，所需光子數(shù)/比特________（理想相干接收）。答案：9解析：BER=0.5·erfc(√N_p)，erfc?1(2×10??)=3，√N_p=3→N_p=9。25.激光陀螺中，閉鎖閾值Ω_L與________系數(shù)成正比。答案：散射（或背向散射）四、判斷改錯題（每題2分，共10分，先判對錯，再改錯）26.激光熔覆時，粉末輸送采用同步送粉法，粉末利用率理論上可達100%。答案：錯改錯：粉末利用率受飛濺與氣流卷吸限制，實際最高約85%。27.在激光干涉引力波探測器中，臂長增加一倍，則應(yīng)變靈敏度提高一倍。答案：錯改錯：應(yīng)變靈敏度與臂長L成正比，但噪聲譜綜合，僅低頻段提高√L倍。28.激光二極管泵浦的固態(tài)激光器總體效率一定高于燈泵浦。答案：錯改錯：對同種激光晶體，二極管泵浦量子虧損小，總體效率高，但“一定”過于絕對，若散熱惡劣可能倒置。29.激光誘導熒光（LIF）中，熒光強度與激光功率密度呈線性關(guān)系，無飽和區(qū)。答案：錯改錯：當功率密度達飽和強度后，熒光強度趨于飽和，不再線性。30.激光微射流加工使用水束導光，水對1μm激光的吸收系數(shù)極低，因此無熱影響區(qū)。答案：錯改錯：水雖透明，但多次全反射仍致少量吸收，且射流沖擊產(chǎn)生機械熱，熱影響區(qū)減小而非消除。五、簡答題（每題6分，共18分）31.說明激光切割高反材料（銅）時“背反射”對光纖激光器的危害及三種抑制措施。答案：危害：背反射進入有源光纖導致增益飽和、中心波長漂移、甚至泵浦二極管燒毀。措施：①傾斜加工頭10°–15°，使反射光偏離光路；②在光路中加自由空間隔離器（45°法拉第旋轉(zhuǎn)+偏振分光）；③采用實時功率反饋，監(jiān)測反射光強，超限立即關(guān)斷。32.闡述啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)抑制非線性效應(yīng)的物理機制，并給出典型參數(shù)。答案：CPA將飛秒脈沖在時域展寬（如由100fs展寬至1ns），峰值功率降低10?倍，避免放大器B積分超過π；放大后壓縮回原始寬度。典型：展寬器為1740線/mm金反射光柵對，展寬系數(shù)×10?；再生放大器增益10?；壓縮器效率85%，輸出峰值功率PW級，B積分<1。33.激光焊接鍍鋅鋼板出現(xiàn)“鋅蒸氣孔”的機理及工藝解決方案。答案：鋅蒸發(fā)溫度907°C，低于鋼熔點1500°C，夾層鋅先汽化產(chǎn)生高壓蒸氣，熔池無法及時排氣形成孔洞。方案：①預留0.1mm間隙，讓鋅蒸氣從間隙逸出；②采用激光電弧復合，電弧擴大匙孔開口；③使用脈沖激光，峰值功率熔化、基值功率維持匙孔開放；④優(yōu)化離焦量+0.5mm，增大入口直徑。六、計算題（共22分）34.（10分）Nd:YAG激光器連續(xù)輸出1064nm、功率100W，經(jīng)焦距f=100mm透鏡聚焦，腰斑ω?=50μm。計算：(1)焦斑峰值功率密度；(2)鋁表面吸收率A=10%，求達到蒸發(fā)閾值F_th=6J/cm2所需最短輻照時間；(3)若重復頻率f_rep=10kHz，脈寬τ=100ns，求單脈沖能量與峰值功率。解：(1)峰值功率密度I?=2P/(πω?2)=2×100/(π×(50×10??)2)=2.55×101?W/m2=2.55GW/cm2(2)有效功率密度A·I?=0.255GW/cm2，t_min=F_th/(A·I?)=6/(0.255×10?)=23.5ns(3)單脈沖能量E=P_avg/f_rep=100/10?=10mJ；峰值功率P_p=E/τ=10×10?3/(100×10??)=100kW答案：(1)2.55GW/cm2；(2)23.5ns；(3)10mJ，100kW35.（12分）激光雷達采用1550nm波長，望遠鏡直徑D=80mm，目標為朗伯體，反射率ρ=0.3，單程大氣衰減α=0.2dB/km，目標距離R=2km，接收視場角θ_fov=2mrad，系統(tǒng)光學效率η=0.4，探測器量子效率η_q=0.8，單脈沖能量E_t=10μJ，求接收光子數(shù)。解：1.大氣透過率T_a=10^(?αR/10)=10^(?0.2×2/10)=0.9122.目標回波功率P_r=E_t·ρ·T_a2·D2·η/(π·R2·θ_fov2)·π/(4π)=E_t·ρ·T_a2·D2·η/(4R2·θ_fov2)=10×10??×0.3×0.9122×(0.08)2×0.4/(4×(2000)2×(0.002)2)=1.33×10?1?J3.單光子能量E_ph=hc/λ=1.28×10?1?J4.接收光子數(shù)N=P_r/E_ph=1.33×10?1?/1.28×10?1?≈1.04×10?答案：1.0×10?光子七、綜合設(shè)計題（共20分）36.設(shè)計一套用于醫(yī)用支架精細切割的飛秒激光系統(tǒng)，要求切縫寬度<15μm，熱影響區(qū)<2μm，材料為316L不銹鋼管（壁厚100μm，外徑2mm）。請給出：(1)激光參數(shù)（波長、脈寬、重復頻率、單脈沖能量）；(2)光束傳輸與聚焦系統(tǒng)（焦距、數(shù)值孔徑、掃描方式）；(3)輔助氣體及運動控制策略；(4)在線監(jiān)測方案；(5)預期切割速度及驗證方法。參考答案：(1)波長1030nm（水窗低損），脈寬400fs，重復頻率500kHz，單脈沖能量3μJ，對應(yīng)峰值功率7.5MW，多光子電離主導。(2)采用