激光原理考試題及答案

一、選擇題（每題5分，共25分）1.下列哪種物質(zhì)可以作為激光工作物質(zhì)？（）A.普通玻璃B.紅寶石C.水D.空氣答案：B。紅寶石是常見的激光工作物質(zhì)，它能在特定條件下實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激光。普通玻璃、水和空氣一般不具備產(chǎn)生激光所需的能級結(jié)構(gòu)和特性。2.激光產(chǎn)生的必要條件不包括以下哪一項？（）A.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布B.光學(xué)諧振腔C.外界激勵源D.高溫度環(huán)境答案：D。激光產(chǎn)生需要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，讓高能級粒子數(shù)多于低能級粒子數(shù)；光學(xué)諧振腔可以對光進行放大和選模；外界激勵源用于將粒子從低能級激發(fā)到高能級。而高溫度環(huán)境不是激光產(chǎn)生的必要條件，有時高溫反而不利于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)。3.以下關(guān)于光學(xué)諧振腔的說法，錯誤的是（）A.可以增加光在工作物質(zhì)中的傳播路程B.能提高激光的方向性C.會降低激光的單色性D.使受激輻射不斷增強答案：C。光學(xué)諧振腔可以讓光在腔內(nèi)多次往返，增加光在工作物質(zhì)中的傳播路程，使得受激輻射不斷增強。同時，它能對光的傳播方向進行選擇，提高激光的方向性。并且，諧振腔還能起到選頻的作用，提高激光的單色性，而不是降低。4.激光的特性不包括（）A.高亮度B.高能量C.高相干性D.高發(fā)散性答案：D。激光具有高亮度，能在很小的區(qū)域內(nèi)集中大量的能量；具有高相干性，其光波的相位關(guān)系非常穩(wěn)定；同時，激光的發(fā)散角很小，具有很好的方向性，而不是高發(fā)散性。5.下列哪種效應(yīng)與激光產(chǎn)生過程密切相關(guān)？（）A.光電效應(yīng)B.康普頓效應(yīng)C.受激輻射D.黑體輻射答案：C。受激輻射是激光產(chǎn)生的核心過程，處于高能級的粒子在外界光子的激勵下，會發(fā)射出與激勵光子完全相同的光子，從而實現(xiàn)光的放大。光電效應(yīng)主要是指光照射到金屬表面時，金屬中的電子吸收光子能量而逸出的現(xiàn)象；康普頓效應(yīng)是指X射線等與物質(zhì)相互作用時發(fā)生散射，散射光波長變長的現(xiàn)象；黑體輻射是研究熱輻射的一種理想模型，與激光產(chǎn)生過程沒有直接關(guān)系。二、填空題（每題5分，共25分）1.激光工作物質(zhì)按其物理狀態(tài)可分為固體、液體、______和______。答案：氣體；半導(dǎo)體。常見的固體激光工作物質(zhì)如紅寶石、釹玻璃等；液體激光工作物質(zhì)有某些有機染料溶液；氣體激光工作物質(zhì)如二氧化碳、氦-氖等；半導(dǎo)體激光工作物質(zhì)如砷化鎵等。2.實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布需要滿足的條件是______和______。答案：有合適的能級結(jié)構(gòu)；有外界激勵源。合適的能級結(jié)構(gòu)能保證粒子可以在不同能級間躍遷，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；外界激勵源則為粒子從低能級躍遷到高能級提供能量。3.光學(xué)諧振腔的主要作用有______、______和選模。答案：光放大；提供正反饋。光在諧振腔內(nèi)不斷往返，通過受激輻射實現(xiàn)光放大；同時，諧振腔將一部分光反饋回工作物質(zhì)，使受激輻射持續(xù)進行，提供正反饋。4.激光的縱模反映了激光的______特性，橫模反映了激光的______特性。答案：頻率；橫向光場分布?？v模決定了激光的頻率，不同的縱模對應(yīng)不同的頻率；橫模描述了激光在垂直于傳播方向上的光場分布情況。5.激光器一般由激光工作物質(zhì)、______和______三部分組成。答案：光學(xué)諧振腔；激勵源。激光工作物質(zhì)是產(chǎn)生激光的基礎(chǔ)，光學(xué)諧振腔對光進行放大和選模，激勵源為工作物質(zhì)提供能量，使粒子實現(xiàn)數(shù)反轉(zhuǎn)。三、簡答題（每題15分，共30分）1.簡述激光產(chǎn)生的基本原理。答：激光產(chǎn)生的基本原理基于受激輻射。首先，要有一個合適的激光工作物質(zhì)，它具有特定的能級結(jié)構(gòu)。通過外界激勵源，如光泵浦、電激勵等，將工作物質(zhì)中的粒子從低能級激發(fā)到高能級，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，也就是高能級上的粒子數(shù)多于低能級上的粒子數(shù)。當(dāng)有一個初始光子進入工作物質(zhì)時，若這個光子的能量等于工作物質(zhì)中某兩個能級的能量差，就會引發(fā)處于高能級的粒子發(fā)生受激輻射，發(fā)射出一個與初始光子頻率、相位、傳播方向和偏振方向都相同的光子。這兩個光子再去激勵其他高能級粒子，產(chǎn)生更多相同的光子，如此不斷進行，光就被放大了。同時，光學(xué)諧振腔起到了重要作用，它讓光在腔內(nèi)多次往返，進一步增強受激輻射，并且對光進行選模，最終輸出具有高亮度、高方向性、高相干性和高單色性的激光。2.說明光學(xué)諧振腔在激光產(chǎn)生過程中的作用。答：光學(xué)諧振腔在激光產(chǎn)生過程中有三個重要作用。一是光放大作用，光在諧振腔內(nèi)多次往返，每次經(jīng)過工作物質(zhì)時，都會通過受激輻射產(chǎn)生更多相同的光子，使得光的強度不斷增強，實現(xiàn)光的放大。二是提供正反饋，諧振腔將一部分光反饋回工作物質(zhì)，讓受激輻射能夠持續(xù)進行。只有滿足一定條件的光才能在腔內(nèi)形成穩(wěn)定的振蕩，不斷得到放大，而不滿足條件的光則會逐漸衰減。三是選模作用，諧振腔可以選擇特定頻率和方向的光。對于縱模，它可以選擇不同的頻率，使激光具有良好的單色性；對于橫模，它可以選擇激光在橫向的光場分布，保證激光具有特定的光斑形狀和模式，提高激光的質(zhì)量和穩(wěn)定性，讓輸出的激光具有更好的方向性和相干性。四、論述題（20分）論述激光的特性及其在實際生活中的應(yīng)用。答：激光具有高亮度、高方向性、高相干性和高單色性等特性。高亮度意味著激光能在很小的區(qū)域內(nèi)集中大量的能量，例如在工業(yè)加工中，高亮度的激光可以用于切割金屬材料。由于激光的能量高度集中，它可以快速熔化和汽化金屬，實現(xiàn)精確的切割，比傳統(tǒng)的切割方法更高效、更精確。高方向性使得激光的發(fā)散角很小，傳播很遠距離后光斑尺寸變化不大。在通信領(lǐng)域，激光可以作為信息的載體進行長距離傳輸。例如光纖通信，激光信號在光纖中幾乎沿著直線傳播，能夠準(zhǔn)確地將信息傳遞到遠方，而且抗干擾能力強，傳輸容量大。高相干性表示激光光波的相位關(guān)系非常穩(wěn)定，在全息攝影中就利用了激光的這一特性。通過將激光分成兩束，一束照射物體，另一束作為參考光，兩束光干涉形成的干涉條紋記錄了物體的三維信息，從而可以再現(xiàn)出物體逼真的三維圖像。高單色性是指激光的頻率范圍很窄，在光譜分析中，利用激光的高單色性可以精確地分析物質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)。不同物質(zhì)對特定頻率的激光吸收和發(fā)射情況