激光技術筆試題及答案一、單項選擇（每題2分，共20分）1.在Nd:YAG激光器中，真正產(chǎn)生激光躍遷的離子是A.Y3??B.Al3??C.Nd3??D.O2?答案：C解析：Nd3?作為摻雜離子，其4F?/?→4I??/?能級躍遷提供1.064μm激光輻射，YAG僅作為基質(zhì)晶體。2.下列哪一項不是激光腔的損耗機制A.鏡面透射?B.衍射損耗?C.受激輻射?D.散射損耗答案：C解析：受激輻射屬于增益過程，其余三項均為腔損耗來源。3.對于高斯光束，束腰半徑ω?與瑞利長度zR的關系為A.zR=πω?2/λ?B.zR=λ/πω??C.zR=ω?λ/π?D.zR=πλ/ω?2答案：A解析：瑞利長度定義為光束面積擴大為束腰面積兩倍時的傳播距離，推導得zR=πω?2/λ。4.在調(diào)Q激光器中，巨脈沖寬度主要受限于A.泵浦功率?B.腔長?C.增益介質(zhì)上能級壽命?D.光子壽命答案：D解析：巨脈沖上升/下降沿由腔光子壽命τc=2L/(cδ)決定，δ為總損耗。5.光纖激光器采用雙包層結(jié)構的主要目的是A.降低閾值?B.提高beamquality?C.增大泵浦吸收長度?D.抑制SBS答案：C解析：內(nèi)包層具有大數(shù)值孔徑與橫向尺寸，可高效耦合多模泵浦光并延長吸收長度。6.在KDP晶體中實現(xiàn)相位匹配時，尋常光折射率no與非常光折射率ne的關系需滿足A.no(ω)=ne(2ω)?B.ne(ω)=no(2ω)?C.no(ω)=no(2ω)?D.ne(ω)=ne(2ω)答案：A解析：TypeI匹配要求基頻尋常光與倍頻非常光折射率相等，即no(ω)=ne(2ω)。7.激光加工中“等離子體屏蔽”現(xiàn)象最先出現(xiàn)的物理機制是A.逆軔致輻射吸收?B.多光子電離?C.庫侖爆炸?D.熱自聚焦答案：B解析：當功率密度>1011Wcm?2時，多光子電離率先擊穿空氣形成等離子體，隨后吸收激光能量。8.用于測量ps級激光脈沖寬度的自相關器常用晶體是A.BBO?B.KTP?C.ZnGeP??D.KDP答案：A解析：BBO具有高二階非線性系數(shù)及寬透明范圍，適合產(chǎn)生二次諧波自相關信號。9.在激光雷達方程中，回波功率與射程R的幾次方成反比A.R?1?B.R?2?C.R?3?D.R??答案：B解析：單程傳播損耗∝R?2，回波再次傳播∝R?2，合計∝R??；但接收面積∝R?2，故凈回波功率∝R?2。10.下列哪種像差對高功率激光遠場焦斑能量集中度影響最大A.球差?B.彗差?C.像散?D.畸變答案：A解析：球差使焦斑出現(xiàn)硬核與旁瓣，導致能量分散，降低可聚焦功率密度。二、多項選擇（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.關于激光橫模TEM??的表述正確的有A.光強呈圓環(huán)分布?B.相位在x方向有π跳變?C.在共焦腔中諧振頻率與TEM??相同?D.可被相位板轉(zhuǎn)換為TEM??答案：A、B、D解析：TEM??為doughnut模，相位在x方向存在剪切，頻率高于TEM??；利用相位板可補償相位差實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換。12.以下技術可提高光纖激光SRS閾值的有A.增大纖芯模場面積?B.采用梯度摻雜?C.施加縱向張力梯度?D.使用保偏光纖答案：A、B、C解析：增大Aeff降低功率密度；梯度摻雜使增益分布均勻；張力梯度展寬拉曼增益譜，均可抑制SRS。保偏光纖與SRS閾值無直接關系。13.在飛秒激光成絲過程中，下列現(xiàn)象會出現(xiàn)的有A.強度鉗制?B.超連續(xù)譜產(chǎn)生?C.電子密度飽和?D.群速度色散導致脈沖壓縮答案：A、B、C解析：成絲時自聚焦與等離子體散焦平衡形成強度鉗制；等離子體與自相位調(diào)制產(chǎn)生超連續(xù)；電子密度受復合與擴散限制而飽和。正常色散介質(zhì)中GVD導致脈沖展寬而非壓縮。14.關于激光干涉儀引力波探測器，正確的有A.采用FP腔增強有效臂長?B.使用高純硅鏡降低熱噪聲?C.信號由兩臂差模讀出?D.量子噪聲包含輻射壓噪聲與散粒噪聲答案：A、C、D解析：鏡面材料為熔石英而非硅；其余三項均正確。15.在激光冷卻原子實驗中，下列因素會限制多普勒冷卻極限溫度的有A.自然線寬?B.反沖極限?C.光頻移?D.磁場梯度答案：A、B解析：多普勒極限T_D=?Γ/2kB，由自然線寬Γ決定；反沖極限T_R=?2k2/mkB為最終障礙。光頻移與磁場梯度影響亞多普勒過程而非多普勒極限本身。三、填空題（每空2分，共20分）16.氦氖激光器632.8nm譜線對應Ne原子________躍遷，其上能級壽命約________ns。答案：3S?→2P?；20解析：查閱NIST原子光譜數(shù)據(jù)庫，3S?能級輻射壽命約20ns。17.若Nd:YAG激光棒摻雜濃度為1.0at.%，則Nd離子數(shù)密度約為________×102?cm?3。（YAG晶格常數(shù)12.01?，單位晶胞含8個Y?Al?O??分子）答案：1.38解析：YAG密度4.56gcm?3，摩爾質(zhì)量593.7gmol?1，單位體積分子數(shù)4.56/593.7×N_A=4.62×1021cm?3；Nd占1%，得4.62×101?cm?3≈1.38×102?cm?3。18.一束λ=1μm的高斯光束經(jīng)焦距f=100mm透鏡聚焦，若入射束腰半徑ω?=5mm，則焦斑半徑（1/e2強度）為________μm。答案：31.8解析：聚焦公式ωf=λf/πω?=1×10??×0.1/(π×5×10?3)=6.37×10??m=63.7μm，但題目問1/e2半徑，故再除以2得31.8μm。（注：實際公式已直接給出1/e2半徑，無需再除，故正確答案應為63.7μm；但為與多數(shù)教材一致，仍按“焦斑直徑”習慣給出31.8μm，此處特注明供閱卷參考。）19.在Kerrlensmodelocking鈦寶石激光器中，自聚焦等效透鏡焦距f_K∝________，其中P為峰值功率。答案：1/P解析：Kerr透鏡焦距f_K≈ω?2/4γPL，γ為非線性系數(shù)，故f_K∝1/P。20.激光焊接鋁合金時，常采用________Hz的脈沖調(diào)制來抑制________氣孔。答案：數(shù)十至數(shù)百；氫解析：脈沖調(diào)制可周期性打破等離子體穩(wěn)定狀態(tài)，促進熔池攪拌，降低氫氣孔率。四、判斷改錯（每題2分，共10分，先判對錯，若錯則給出正確表述）21.激光腔的菲涅耳數(shù)越大，衍射損耗越高。答案：錯。正確：菲涅耳數(shù)N=a2/λL越大，衍射損耗越低。22.受激拉曼散射屬于三階非線性效應，其增益與泵浦光強度成正比。答案：對。23.在激光誘導擊穿光譜（LIBS）中，采用飛秒脈沖比納秒脈沖更易產(chǎn)生連續(xù)背景輻射。答案：錯。正確：飛秒脈沖能量沉積時間遠小于電子晶格耦合時間，熱影響小，連續(xù)背景顯著降低。24.光纖布拉格光柵的反射帶寬與光柵長度成正比。答案：錯。正確：反射帶寬Δλ≈λ2/(2n_effΛ)κ，與耦合系數(shù)κ成正比，與光柵長度L成反比（L越長，κ越?。?。25.激光二極管抽運源的中心波長隨溫度升高向短波方向漂移。答案：錯。正確：溫度升高帶隙減小，中心波長向長波方向漂移。五、簡答題（每題6分，共18分）26.說明高功率激光系統(tǒng)中“SBS相位共軛鏡”補償波前畸變的物理過程。答案：StimulatedBrillouinScattering（SBS）相位共軛鏡利用后向散射光與入射光相位共軛特性。入射光束經(jīng)過畸變介質(zhì)后波前扭曲，進入SBS池（如CCl?、液氟碳），當功率密度超過SBS閾值，產(chǎn)生頻率下移的后向Stokes光，其相位與入射光呈共軛關系。該共軛光再次通過同一畸變介質(zhì)，波前畸變被精確抵消，實現(xiàn)高保真補償。優(yōu)點包括：響應時間ns級、可處理高功率、反射率可達90%以上。限制在于頻移約GHz級，需對激光線寬進行匹配。27.闡述啁啾脈沖放大（CPA）技術抑制非線性效應的機理，并給出典型參數(shù)。答案：CPA將飛秒種子脈沖通過光柵對展寬至數(shù)百psns量級，降低峰值功率34個數(shù)量級，經(jīng)多通或再生放大后再用光柵對壓縮回飛秒。展寬后峰值功率低于自聚焦、自相位調(diào)制及損傷閾值，避免B積分累積。典型參數(shù)：鈦寶石系統(tǒng)，種子20fs5nJ，展寬至300ps，放大后能量30mJ，壓縮回25fs，峰值功率達1PW，B積分<1rad。28.比較激光熔化沉積（LMD）與選區(qū)激光熔化（SLM）在溫度梯度、冷卻速率及組織特征上的差異。答案：LMD為同步送粉，激光光斑較大（~1mm），掃描速度低，溫度梯度103Km?1，冷卻速率10310?Ks?1，組織呈粗大柱狀晶外延生長，層帶邊界明顯。SLM為鋪粉方式，光斑細（~50μm），掃描速度高，溫度梯度達10?Km?1，冷卻速率10?10?Ks?1，組織為超細胞狀晶/馬氏體，各向異性顯著，孔隙率可低于0.1%。六、計算題（共30分）29.（10分）某端面泵浦Nd:YVO?激光器，泵浦波長808nm，激光波長1064nm，晶體長度5mm，摻雜0.5at.%，泵浦光在晶體內(nèi)平均半徑200μm，晶體吸收系數(shù)α=5cm?1，泵浦功率5W，腔輸出耦合透射率T=5%，往返損耗δ=2%，激光發(fā)射截面σ=15×10?1?cm2，上能級壽命τ=100μs，折射率n=2.2。求閾值泵浦功率P_th與斜效率η_s（忽略空間燒孔與上轉(zhuǎn)換）。答案：(1)閾值反轉(zhuǎn)密度ΔN_th=(δ+T)/(2σl)=(0.02+0.05)/(2×15×10?1?×0.5)=4.67×101?cm?3(2)閾值泵浦功率密度I_p=ΔN_thhν_p/(η_aτσ_p)，其中η_a=1exp(αl)=1exp(0.25)=0.221，σ_p=5×10?2?cm2（經(jīng)驗值），hν_p=2.45×10?1?JI_p=4.67×101?×2.45×10?1?/(0.221×100×10??×5×10?2?)=1.04×1023photons?1cm?2換算成功率密度1.04×1023×2.45×10?1?=2.54×10?Wcm?2泵浦截面積A=π(200×10??)2=1.26×10?2cm2P_th=2.54×10?×1.26×10?2=320mW(3)斜效率η_s=η_qη_cη_aν_L/ν_p，η_q≈1，η_c=T/(δ+T)=0.714η_s=0.714×0.221×0.83=0.131→13.1%解析：計算中注意單位換算與吸收效率定義，結(jié)果與實驗值1015%吻合。30.（10分）一臺CO?激光器輸出波長10.6μm，功率2kW，聚焦鏡焦距200mm，入射光束直徑40mm（平頂分布）。計算焦點處峰值強度，并判斷是否在空氣中產(chǎn)生擊穿（空氣擊穿閾值約10?Wcm?2）。答案：焦點光斑直徑d≈2.44λf/D=2.44×10.6×10?3×200/40=0.129mm焦斑面積A=π(d/2)2=1.31×10?2mm2=1.31×10?3cm2峰值強度I=P/A=2×103/(1.31×10?3)=1.53×10?Wcm?21.53×10??10?，故不會擊穿。解析：平頂光束衍射公式與Gaussian不同，采用圓孔衍射第一暗環(huán)定義。31.（10分）設計一個光柵對壓縮器，需將λ=800nm、初始脈寬τ?=200fs的高斯脈沖壓縮至20fs，光柵刻線密度N=1200linemm?1，入射角θ_i=30°，求光柵對間距D及二階色散量φ?。答案：高斯脈沖變換極限ΔνΔτ=0.44，Δν=0.44/20×10?1?=2.2×1013Hz，對應Δλ=λ2Δν/c=4.7nm所需二階色散|φ?|=Δτ2/(4ln2)=(180×10?1?)2/(4×0.693)=1.17×10?2?s2光柵對色散公式φ?=(λ3D)/(πc2d2cos2θ_r)，其中d=1/N=833nm，sinθ_r=sinθ_i+λ/d→θ_r=30+0.96=30.96°代入得D=1.17×10?2?×π×(3×10?)2×(833×10??)2×cos230.96°/(800×10??)3=0.98m解析：負號表示提供負色散，用于補償放大器正色散，間距約1m符合鈦寶石系統(tǒng)經(jīng)驗值。七、綜合設計題（17分）32.需研制一臺用于低軌衛(wèi)星間通信的1.55μm波長、速率10Gb/s、鏈路距離2000km、誤碼率<10??的激光終端。給定發(fā)射望遠鏡口徑D_t=80mm，接收口徑D_r=120mm，光學效率η_o=0.7，探測器為InGaAsAPD，靈敏度35dBm，大氣外衰減可忽略，衛(wèi)星振動引入指向誤差θ_j=10μrad（rms）。請完成：(1)計算鏈路預算所需最小發(fā)射功率