激光技術(shù)試題及答案詳解一、單項(xiàng)選擇題（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：Nd:YAG的激光活性中心是摻雜的Nd3?離子，其4F?/?→4I??/?躍遷產(chǎn)生1.064μm激光。2.下列哪種技術(shù)最能有效抑制高功率激光系統(tǒng)中的熱致雙折射？A.端面泵浦?B.低溫冷卻?C.旋光玻璃?D.退火處理答案：C解析：旋光玻璃（如FR5）通過(guò)旋光效應(yīng)抵消熱致雙折射，保持線偏振，是高平均功率系統(tǒng)常用手段。3.激光測(cè)距中，若采用偽隨機(jī)碼相位調(diào)制，其最大無(wú)模糊距離由什么決定？A.碼元速率?B.碼長(zhǎng)?C.激光脈寬?D.APD帶寬答案：B解析：最大無(wú)模糊距離Lmax=c·N·T/2，其中N為碼長(zhǎng)，T為碼元寬度，故碼長(zhǎng)直接決定距離上限。4.在飛秒激光成絲過(guò)程中，等離子體通道的臨界功率Pc與波長(zhǎng)λ的關(guān)系近似為A.λ?1?B.λ?2?C.λ2?D.與λ無(wú)關(guān)答案：B解析：Pc≈3.77λ2/(8πn?n?)，故Pc∝λ2，但成絲閾值功率隨λ升高而升高，與直覺(jué)相反，需牢記公式。5.激光切割不銹鋼時(shí)，輔助氣體選擇氮?dú)舛茄鯕獾闹饕康氖茿.降低成本?B.避免氧化掛渣?C.提高速度?D.減小切縫錐度答案：B解析：氮?dú)鉃槎栊詺怏w，可防止切口高溫區(qū)氧化，減少掛渣，提升邊緣質(zhì)量。6.下列哪種腔鏡結(jié)構(gòu)可最大限度增大TEM??模體積同時(shí)保持高斯分布？A.平凹穩(wěn)定腔?B.凹凸非穩(wěn)腔?C.共焦腔?D.半共心腔答案：B解析：凹凸非穩(wěn)腔（positivebranchunstableresonator）通過(guò)幾何放大比擴(kuò)大模體積，輸出耦合鏡中心刮刀提取環(huán)狀光束，保持近高斯分布。7.激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）中，譜線Stark展寬Δλ主要用于測(cè)定A.元素種類?B.電子密度?C.等離子體溫度?D.自吸收系數(shù)答案：B解析：Stark展寬與電子密度ne成正比，Δλ=2w·ne/101?，其中w為Stark展寬系數(shù)。8.在1.5μm人眼安全激光雷達(dá)中，常用探測(cè)器材料為A.SiAPD?B.InGaAsAPD?C.GaNPMT?D.CdZnTe答案：B解析：InGaAs帶隙≈0.75eV，對(duì)應(yīng)截止波長(zhǎng)1.65μm，量子效率高，是1.5μm波段首選。9.激光選區(qū)熔化（SLM）成型鈦合金時(shí)，層厚降低會(huì)導(dǎo)致A.表面粗糙度升高?B.殘余應(yīng)力降低?C.致密度下降?D.熱影響區(qū)增大答案：B解析：層厚降低，單道能量輸入減少，溫度梯度減小，熱應(yīng)力下降，但打印時(shí)間延長(zhǎng)。10.采用啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)時(shí)，壓縮光柵對(duì)的角色散會(huì)導(dǎo)致A.脈沖前沿傾斜?B.光譜窄化?C.光束漂移?D.增益窄化答案：A解析：光柵對(duì)引入角色散，使不同頻率分量在空間分離，造成脈沖前沿傾斜，需用平行光柵對(duì)補(bǔ)償。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.下列哪些因素會(huì)同時(shí)影響激光焊接小孔穩(wěn)定性？A.羽流噴發(fā)?B.反沖壓力?C.表面張力?D.等離子體屏蔽答案：ABCD解析：四者均動(dòng)態(tài)耦合，羽流改變反沖壓力分布，表面張力驅(qū)動(dòng)熔池振蕩，等離子體屏蔽降低入射功率。12.關(guān)于受激拉曼散射（SRS）的表述正確的是A.增益系數(shù)與泵浦強(qiáng)度成正比?B.頻移量由分子振動(dòng)決定?C.可產(chǎn)生級(jí)聯(lián)斯托克斯線?D.只在固體中發(fā)生答案：ABC解析：SRS存在于氣體、液體、固體，D錯(cuò)誤；增益g∝Ipump，頻移固定，級(jí)聯(lián)斯托克斯線常見(jiàn)。13.激光微納加工中，雙光子聚合（TPP）的分辨率可突破衍射極限，其機(jī)制包括A.非線性吸收局域化?B.閾值效應(yīng)?C.光引發(fā)劑飽和?D.近場(chǎng)增強(qiáng)答案：ABC解析：TPP依賴雙光子吸收概率∝I2，局域化+閾值+引發(fā)劑飽和共同實(shí)現(xiàn)亞100nm線寬，D為近場(chǎng)光刻機(jī)制。14.下列哪些技術(shù)可用于測(cè)量超短脈沖寬度？A.FROG?B.SPIDER?C.自相關(guān)儀?D.條紋相機(jī)答案：ABC解析：條紋相機(jī)時(shí)間分辨≥200fs，無(wú)法測(cè)10fs級(jí)脈沖，F(xiàn)ROG、SPIDER、自相關(guān)儀均可。15.激光核聚變（ICF）中，為了降低瑞利泰勒不穩(wěn)定性，可采用A.高熵設(shè)計(jì)?B.梯度摻雜?C.空間整形脈沖?D.泡沫緩沖層答案：ABCD解析：四者均通過(guò)降低密度梯度或平滑燒蝕面來(lái)抑制RT增長(zhǎng)。三、填空題（每空2分，共20分）16.若某光纖激光器采用976nm泵浦，Er3?摻雜濃度為2×102?m?3，吸收截面σabs=2.5×10?2?m2，則小信號(hào)吸收系數(shù)α=______m?1。答案：50解析：α=σabs·N=2.5×10?2?×2×102?=50m?1。17.在激光外差探測(cè)中，若信號(hào)光頻率fs=2.02×101?Hz，本振光頻率fLO=2.00×101?Hz，則中頻fIF=______GHz。答案：20解析：fIF=|fs–fLO|=0.02×101?Hz=20GHz。18.某CO?激光器輸出波長(zhǎng)10.6μm，腔內(nèi)插入GaAs電光調(diào)Q晶體，其半波電壓Vπ=8kV，若需關(guān)斷腔Q，需施加電壓______kV。答案：8解析：半波電壓即π相位差所需電壓，關(guān)斷Q需使偏振旋轉(zhuǎn)90°，故直接施加Vπ。19.激光打標(biāo)中，若振鏡系統(tǒng)最大掃描角θmax=0.4rad，fθ透鏡焦距f=160mm，則最大線性掃描范圍______mm。答案：128解析：y=f·θ=160×0.4=64mm，雙向范圍128mm。20.采用皮秒激光去除200nm厚SiO?薄膜，閾值通量Fth=0.8J/cm2，若光斑直徑10μm，單脈沖能量______nJ。答案：6.3解析：A=π(5×10??cm)2≈7.85×10??cm2，E=Fth·A≈0.8×7.85×10??×10?≈6.3nJ。四、簡(jiǎn)答題（每題8分，共24分）21.說(shuō)明激光增材制造中“球化”缺陷的形成機(jī)理及抑制措施。答案：形成機(jī)理：熔池表面張力遠(yuǎn)大于重力，液態(tài)金屬在凝固前收縮成球，降低表面能；當(dāng)線能量密度不足、掃描速度過(guò)快或保護(hù)氣氛氧含量高時(shí)，潤(rùn)濕性差，球化顯著。抑制措施：（1）提高線能量密度，保證充分熔化；（2）降低氧含量至<100ppm，提高潤(rùn)濕；（3）采用橢圓形光斑或光束擺動(dòng)，增大熔池寬深比；（4）添加合金元素如Si、Mn，降低表面張力；（5）優(yōu)化粉體球形度與粒徑分布，提高堆積密度。22.闡述啁啾光纖布拉格光柵（CFBG）在飛秒脈沖展寬與壓縮中的作用原理，并給出設(shè)計(jì)公式。答案：作用原理：CFBG的布拉格波長(zhǎng)沿光柵長(zhǎng)度z線性變化λB(z)=λ?+C·z，當(dāng)超短脈沖入射時(shí)，不同頻率分量在不同位置反射，引入群延遲τ(λ)=2nefL(λ)/c，實(shí)現(xiàn)色散管理。展寬：若短脈沖從短波長(zhǎng)端入射，長(zhǎng)波長(zhǎng)分量先反射，產(chǎn)生正色散，脈沖被展寬；壓縮：展寬后的放大脈沖從長(zhǎng)波長(zhǎng)端入射，反射后負(fù)色散補(bǔ)償，恢復(fù)飛秒寬度。設(shè)計(jì)公式：（1）色散量D=2neff·Δλ/(c·Δz)，單位ps/nm；（2）所需光柵長(zhǎng)度L=c·Δt/(2neff·Δλ)，Δt為期望展寬量；（3）啁啾率C=Δλ/L，單位nm/cm；（4）反射帶寬Δλ≥脈沖光譜寬度Δλpulse，避免截?cái)唷?3.比較激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移（LIFT）與激光誘導(dǎo)反向轉(zhuǎn)移（LIBT）在微打印金屬線路中的優(yōu)缺點(diǎn)。答案：LIFT：優(yōu)點(diǎn)：接收基板可非透明，適用于柔性襯底；金屬薄膜預(yù)鍍?cè)谕该鬏d片上，利用率高；可打印高熔點(diǎn)金屬。缺點(diǎn)：需精確控制激光閾值，易產(chǎn)生微滴飛濺；線路邊緣有衛(wèi)星顆粒；載片需平整光學(xué)表面。LIBT：優(yōu)點(diǎn)：利用目標(biāo)基板背面燒蝕產(chǎn)生的反沖沖量，無(wú)需載片，工藝簡(jiǎn)單；可打印多材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)；衛(wèi)星顆粒少。缺點(diǎn)：基板必須為透明材料（如玻璃）；金屬源膜在接收基板正面，材料利用率低；高功率易損傷基板。五、計(jì)算題（每題12分，共36分）24.某Nd:YVO?激光器采用880nm直接泵浦，激光波長(zhǎng)1064nm，泵浦功率10W，模式匹配效率ηabs=85%，量子效率ηq=95%，斯托克斯因子ηS=880/1064，耦合輸出透過(guò)率T=8%，往返損耗L=2%，激光上能級(jí)壽命τ=98μs，發(fā)射截面σ=2.5×10?1?cm2，晶體長(zhǎng)度l=5mm，摻雜濃度N=1.5×102?cm?3，求連續(xù)輸出功率。答案：（1）泵浦吸收功率Pabs=10W×0.85=8.5W；（2）斯托克斯熱損耗Pheat=Pabs(1–ηS)=8.5×(1–0.827)=1.47W；（3）腔內(nèi)增益系數(shù)g?=ηq·ηS·Pabs·στ/(hνp·A·l)，取模式面積A=π(200μm)2=1.26×10??cm2，hνp=2.25×10?1?J，得g?=0.95×0.827×8.5×2.5×10?1?×9.8×10??/(2.25×10?1?×1.26×10??×0.5)≈0.115cm?1；（4）閾值增益gth=(L+T)/2l=0.1/0.5=0.2cm?1；（5）因g?<gth，未達(dá)閾值，輸出功率Pout=0W。解析：計(jì)算表明直接泵浦880nm雖量子缺陷小，但受限于模式面積小、摻雜濃度不足，需提高泵浦亮度或降低損耗。25.一臺(tái)飛秒激光器輸出脈寬35fs，中心波長(zhǎng)800nm，光譜近似高斯形，帶寬Δλ=28nm?，F(xiàn)用一對(duì)平行光柵對(duì)（1200line/mm）進(jìn)行壓縮，入射角θi=30°，求所需光柵間距d使二階色散完全補(bǔ)償，并計(jì)算三階色散引入的脈寬展寬因子。答案：（1）二階色散需補(bǔ)償β?=–Δτ2/(4ln2)·(2πc/λ2)2=–(35×10?1?)2/(4ln2)·(2π×3×10?/(0.8×10??)2)≈–4.3×10?2?s2；（2）光柵對(duì)提供β?=–λ3/(πc2Λ2cos2θi)·d，Λ=1/1200mm，解得d=0.61m；（3）三階色散β?=3λ2/(2πc3Λ2cos2θi)·d≈1.1×10???s3；（4）展寬因子=√[1+(β?Δω3/Δτ?)2]，Δω=2πcΔλ/λ2≈2.75×101?rad/s，得展寬因子≈1.07，即脈寬增大約7%。26.激光清洗飛機(jī)蒙漆，漆層吸收系數(shù)α=5×10?m?1，熱擴(kuò)散率κ=8×10??m2/s，汽化閾值Fv=4J/cm2，若采用200ns脈沖，光斑直徑0.4mm，求單脈沖能量并判斷是否為熱應(yīng)力主導(dǎo)去除。答案：（1）熱擴(kuò)散長(zhǎng)度Ld=√(2κτ)=√(2×8×10??×200×10??)≈0.18μm?漆厚，屬表面汽化；（2）汽化能量E=Fv·A=4×π(0.02cm)2≈5mJ；（3）峰值功率P=E/τ=25kW，功率密度≈2×10?W/cm2，遠(yuǎn)高于等離子體閾值，將產(chǎn)生沖擊波；（4）因Ld遠(yuǎn)小于漆層厚度，熱量局域，熱應(yīng)力不足以整體剝離，判斷為汽化+等離子體沖擊聯(lián)合去除，非純熱應(yīng)力主導(dǎo)。六、綜合設(shè)計(jì)題（25分）27.設(shè)計(jì)一套基于激光散斑對(duì)比成像（LSCI）的腦皮層血流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，要求：（1）給出光源參數(shù)（波長(zhǎng)、功率、相干長(zhǎng)度）及選型理由；（2）設(shè)計(jì)照明與成像光路，計(jì)算物鏡NA與景深；（3）散斑對(duì)比度K與血流速度v的標(biāo)定模型；（4）系統(tǒng)幀率與曝光時(shí)間匹配關(guān)系；（5）列舉兩項(xiàng)潛在誤差源及補(bǔ)償算法。答案：（1）光源：785nm單縱模DFB激光器，功率15mW，相干長(zhǎng)度>5m。理由：血紅蛋白等吸收低谷，組織穿透深；單模保證高對(duì)比散斑；功率低于皮膚最大允許曝光（MPE）限值。（2）光路：激光經(jīng)多模光纖環(huán)形擴(kuò)散板形成均勻漫射面光源，照射腦皮層30°傾斜，減少鏡面反射；成像采用f=50mm、NA=0.05微距鏡頭，像元尺寸5.5μm，放大倍率M=0.5，景深DOF=