激光基礎(chǔ)知識試題及答案一、激光基本原理與特性1.【單選】愛因斯坦在1917年提出受激輻射概念時，給出的受激輻射系數(shù)B21與自發(fā)輻射系數(shù)A21的關(guān)系式為A.B21=(c3/8πhν3)·A21B.B21=(8πhν3/c3)·A21C.B21=(hν3/8πc3)·A21D.B21=(8πc3/hν3)·A21答案：B解析：根據(jù)愛因斯坦輻射理論，熱平衡空腔內(nèi)能級2→1的躍遷速率滿足B21ρ(ν)=A21·(8πhν3/c3)·ρ(ν)，因此B21=(8πhν3/c3)·A21。2.【單選】在典型的四能級激光系統(tǒng)中，下列哪一對能級之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)最容易實現(xiàn)A.基態(tài)與激光上能級B.激光上能級與激光下能級C.激光下能級與基態(tài)D.泵浦上能級與激光上能級答案：B解析：四能級系統(tǒng)激光下能級遠(yuǎn)高于基態(tài)，熱平衡時幾乎為空，因此激光上能級與激光下能級之間只需少量積累即可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，閾值最低。3.【填空】若某激光諧振腔腔長L=0.5m，腔內(nèi)折射率n=1，則縱模頻率間隔Δν=______GHz。答案：0.3GHz解析：Δν=c/(2nL)=3×10?/(2×1×0.5)=3×10?Hz=0.3GHz。4.【判斷】激光的相干性僅體現(xiàn)在時間相干性，而與空間相干性無關(guān)。答案：錯誤解析：激光同時具備高時間相干性與高空間相干性，后者表現(xiàn)為波前相位關(guān)聯(lián)，是產(chǎn)生清晰干涉條紋的必要條件。5.【計算】某Nd:YAG激光器輸出波長1064nm，線寬Δλ=0.1nm，求其相干長度Lc。答案：Lc=λ2/Δλ=(1064×10??)2/(0.1×10??)≈1.13cm解析：相干長度公式Lc=λ2/Δλ，代入即得。6.【多選】下列哪些因素會導(dǎo)致激光線寬展寬A.溫度波動引起腔長變化B.自發(fā)輻射噪聲C.泵浦功率升高D.腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具答案：A、B、C解析：溫度與機(jī)械振動使腔長抖動→頻率漂移；自發(fā)輻射提供相位噪聲；泵浦功率升高增加增益介質(zhì)的折射率起伏。標(biāo)準(zhǔn)具反而壓窄線寬。7.【簡答】解釋“增益飽和”現(xiàn)象并說明其對單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的作用。答案：當(dāng)腔內(nèi)光強(qiáng)增大到使受激輻射速率與泵浦速率相當(dāng)時，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)下降→增益系數(shù)降低，稱為增益飽和。飽和使主模增益被鉗制在閾值，而邊模因增益低于損耗被抑制，從而有利于單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。8.【綜合】設(shè)某激光器小信號增益系數(shù)g?=0.05cm?1，損耗系數(shù)α=0.02cm?1，腔長L=10cm，輸出鏡透過率T=2%。求穩(wěn)態(tài)輸出光強(qiáng)Iout與飽和光強(qiáng)Is的關(guān)系式。答案：由穩(wěn)態(tài)條件g=α+T/(2L)，得g=0.02+0.02/(2×10)=0.021cm?1；又g=g?/(1+I/Is)，解得I=Is·(g?/g–1)=Is·(0.05/0.021–1)≈1.38Is；輸出鏡一側(cè)光強(qiáng)Iout=T·I=0.02×1.38Is=0.0276Is。二、光學(xué)諧振腔與模式9.【單選】穩(wěn)定腔條件0<g?g?<1中，若g?=1–L/R?，g?=1–L/R?，則對稱共焦腔的g?g?值為A.0B.0.5C.1D.–1答案：A解析：對稱共焦腔R?=R?=L，故g?=g?=0，乘積為0。10.【填空】某HeNe激光器腔長L=30cm，輸出鏡曲率半徑R=60cm，則束腰位置距輸出鏡______cm。答案：15cm解析：共焦參數(shù)z?=√(L(R–L))=√(0.3×0.3)=0.3m，束腰位于腔中心，距每端15cm。11.【多選】TEM??模與TEM??模相比，具有A.更小的發(fā)散角B.更高的軸上光強(qiáng)C.更大的模體積D.更小的衍射損耗答案：A、B、D解析：基模發(fā)散角θ?=λ/(πw?)最小；軸上光強(qiáng)最大；衍射損耗隨模階次升高而增大；模體積反而小。12.【判斷】在相同腔長下，平凹腔的基模光斑尺寸一定大于對稱共焦腔。答案：錯誤解析：共焦腔束腰w?=√(λL/(2π))，平凹腔束腰w?=√(λL/π)·(R–L)^(1/4)，當(dāng)R→∞時平凹腔退化為平行平面，束腰趨于無窮，但R略大于L時可能小于共焦腔。13.【計算】已知某激光器輸出鏡透射率T=1%，腔損耗α=0.5%，求光子壽命τc。答案：τc=nL/(c(α+T))=1×0.5/(3×10?×0.015)≈1.11×10??s=111ns解析：總損耗率δ=α+T=1.5%，代入公式即得。14.【簡答】說明“模式競爭”在激光器啟動階段的物理過程。答案：泵浦初期多個縱模同時獲得小信號增益，隨光強(qiáng)增大，增益飽和使主模優(yōu)先消耗反轉(zhuǎn)粒子，其增益被鉗制在閾值，邊模因增益低于損耗被抑制，最終主模獨占反轉(zhuǎn)粒子，完成模式競爭。15.【綜合】設(shè)計一個腔長L=0.5m的Nd:YAG激光器，要求基模光斑半徑w?=0.3mm，求輸出鏡曲率半徑R，并判斷是否穩(wěn)定。答案：由w?=√(λL/π)·[(R–L)/L]^(1/4)，λ=1064nm，解得R≈2.13m；g?=1–L/R≈0.765，g?=0（平面鏡），g?g?=0，滿足0≤g?g?≤1，屬穩(wěn)定腔。三、激光器類型與泵浦方式16.【單選】下列哪種激光器最適于產(chǎn)生1550nm通信波段單頻輸出A.CO?激光器B.氬離子激光器C.鉺玻璃光纖激光器D.氮分子激光器答案：C解析：Er3?能級躍遷位于1530–1570nm，光纖結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)單頻。17.【填空】Nd:YAG晶體中Nd3?摻雜原子百分比通常為______%。答案：1解析：高于1%會出現(xiàn)濃度猝滅，低于0.5%增益不足，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)約1%。18.【多選】半導(dǎo)體激光器相比于燈泵浦固體激光器的優(yōu)勢包括A.電光轉(zhuǎn)換效率高B.發(fā)射線寬窄C.熱負(fù)荷低D.輸出光束質(zhì)量好答案：A、C解析：半導(dǎo)體泵浦量子虧損小，熱負(fù)荷低，電光效率可達(dá)50%以上；但線寬與光束質(zhì)量通常不如單頻固體激光器。19.【判斷】染料激光器使用橫向泵浦時，增益區(qū)厚度越薄，可調(diào)諧范圍越寬。答案：正確解析：薄增益區(qū)減少自吸收，允許短波長端更強(qiáng)放大，從而拓寬調(diào)諧曲線。20.【計算】某光纖激光器泵浦波長980nm，激光輸出1080nm，若光光轉(zhuǎn)換效率為80%，求量子虧損引起的熱功率比例。答案：量子虧損ηq=1–λp/λl=1–980/1080≈9.26%；熱功率比例=ηq×(1–0.8)/0.8≈2.31%解析：剩余20%損耗中，9.26%來自量子虧損，其余為散射等，故熱占比≈2.31%。21.【簡答】說明“克爾透鏡鎖模”(KLM)的物理機(jī)制。答案：高強(qiáng)度光脈沖在增益介質(zhì)產(chǎn)生自聚焦，等效于瞬態(tài)透鏡，使腔模尺寸縮小，與硬孔或軟孔結(jié)合導(dǎo)致高強(qiáng)度脈沖損耗降低、低強(qiáng)度連續(xù)背景損耗增大，形成可飽和吸收效應(yīng)，實現(xiàn)飛秒鎖模。22.【綜合】設(shè)計一臺腔內(nèi)倍頻Nd:YVO?激光器，基頻1064nm，倍頻晶體LBO，走離角ρ=0.4°，求在束腰w?=50μm、晶體長l=10mm時，走離長度lr與倍頻效率下降的關(guān)系，并給出允許的最大晶體長度。答案：走離長度lr=√πw?/ρ=√π×50μm/(0.4×π/180)≈12.5mm；當(dāng)l>lr時光斑分離導(dǎo)致效率下降，故最大晶體長度宜≤12mm。四、激光調(diào)制與Q開關(guān)23.【單選】聲光Q開關(guān)衍射效率η與超聲功率Pa的關(guān)系近似為A.η∝PaB.η∝√PaC.η∝sin2(√Pa)D.η∝Pa2答案：C解析：RamanNath區(qū)衍射效率η=sin2(π/λ√(M?LPa/2H))，呈正弦平方關(guān)系。24.【填空】若電光Q開關(guān)使用KDP晶體，半波電壓Vπ=λ/(2n?3r63)，對1064nm、n?=1.51、r63=10.6pm/V，則Vπ≈______kV。答案：9.2kV解析：Vπ=1064×10??/(2×1.513×10.6×10?12)≈9.2kV。25.【多選】下列措施可提高被動Q開關(guān)重復(fù)頻率A.提高泵浦功率B.減小可飽和吸收體初始透過率C.縮短腔長D.選用恢復(fù)時間短的吸收體答案：A、C、D解析：提高泵浦速率縮短積累時間；短腔降低光子壽命；恢復(fù)時間短使吸收體更快回到初始態(tài)；減小初始透過率反而降低重復(fù)頻率。26.【判斷】在聲光調(diào)制器中，布拉格角θB與光波長成正比，與聲速成反比。答案：正確解析：θB=λ/(2Λ)=λf/(2v)，其中Λ為聲波長，v為聲速，故θB∝λ，與v成反比。27.【計算】某激光器腔內(nèi)光子數(shù)密度N=5×101?m?3，腔長L=10cm，輸出鏡透射T=10%，求峰值輸出功率Ppeak。答案：Ppeak=N·hν·c·T/2=5×101?×6.63×10?3?×3×10?×0.1/2≈49.7W解析：單位時間輸出光子數(shù)為N·c·T/2，乘以單光子能量hν即得。28.【簡答】說明“脈沖縮短效應(yīng)”在主動鎖模中的來源。答案：主動調(diào)制器周期損耗調(diào)制產(chǎn)生邊帶，與縱模拍頻耦合，形成相位鎖定；同時調(diào)制深度隨光強(qiáng)增大而飽和，使脈沖兩翼損耗高于中心，時域上不斷削翼，導(dǎo)致脈沖持續(xù)縮短，直至群速度色散與非線性效應(yīng)平衡。29.【綜合】設(shè)計一臺電光腔倒空激光器，腔長L=1m，光子壽命τc=50ns，要求輸出脈沖寬度τp=5ns，求所需調(diào)制電壓上升時間tr的上限。答案：腔倒空要求電壓在τp內(nèi)完成開關(guān)，故tr≤τp=5ns；同時tr?τc確保倒空效率，因此tr上限取5ns。五、非線性頻率變換30.【單選】滿足相位匹配條件Δk=0時，倍頻轉(zhuǎn)換效率η與晶體長度l的關(guān)系為A.η∝lB.η∝l2C.η∝√lD.η∝sin2(l)答案：B解析：小信號近似下η=(2ω2d_eff2l2)/(πε?c3n3)·(Pω/A)，故η∝l2。31.【填空】某BBO晶體對1064nm倍頻，走離角ρ=3.2°，若允許走離長度lr=2mm，則束腰半徑w?需≤______μm。答案：w?≤lr·ρ/√π=2×0.056≈112μm解析：lr=√πw?/ρ→w?=lrρ/√π。32.【多選】準(zhǔn)相位匹配(QPM)技術(shù)的優(yōu)點包括A.可利用最大非線性系數(shù)B.無走離效應(yīng)C.可設(shè)計任意波長D.無需雙折射晶體答案：A、C、D解析：QPM通過周期性極化補(bǔ)償Δk，可利用d33等非軸向系數(shù)；理論上可設(shè)計任意波長；無需雙折射，但仍存在走離，只是可被周期設(shè)計部分抵消。33.【判斷】在光學(xué)參量振蕩器(OPO)中，信號光與閑頻光的頻率之和恒等于泵浦光頻率。答案：正確解析：能量守恒ωp=ωs+ωi，為OPO基本關(guān)系。34.【計算】某OPO泵浦波長532nm，信號光波長800nm，求閑頻光波長。答案：1/λi=1/λp–1/λs→λi=1/(1/532–1/800)≈1596nm解析：直接代入能量守恒公式。35.【簡答】解釋“群速度匹配”在飛秒脈沖倍頻中的重要性。答案：飛秒脈沖含寬譜分量，相位匹配僅滿足中心波長，群速度匹配要求基波與諧波包絡(luò)傳播速度相同，否則脈沖走離導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率下降與脈沖展寬；通過選擇合適的晶體厚度或啁啾匹配可緩解。36.【綜合】設(shè)計一個1064nm→532nm的LBO腔外倍頻系統(tǒng)，基波平均功率10W，重復(fù)頻率100kHz，脈寬10ns，束腰w?=100μm，LBO有效非線性系數(shù)d_eff=0.85pm/V，晶體長l=15mm，求單脈沖倍頻效率。答案：單脈沖能量E=10W/100kHz=0.1mJ；峰值功率Ppk=0.1mJ/10ns=10kW；峰值強(qiáng)度I=2Ppk/(πw?2)=2×10×103/(π×(100×10??)2)≈6.37×1011W/m2；小信號倍頻效率η=(2ω2d_eff2l2)/(πε?c3n3)·(I/(2A))，其中A=πw?2/2，n≈1.6，代入得η≈65%；考慮走離長度lr=√πw?/ρ≈9mm，l>lr需修正，實際效率≈55%。六、激光安全與標(biāo)準(zhǔn)37.【單選】依據(jù)IEC608251，連續(xù)波激光器波長532nm，輸出功率1mW，其分類為A.Class1B.Class2C.Class3RD.Class4答案：C解析：400–700nm可見光，1mW連續(xù)波落在Class3R（≤5mW）。38.【填空】最大允許曝光量(MPE)對1064nm、1ns脈沖的skin值為______J/cm2。答案：0.05J/cm2解析：查表得1ns脈沖skinMPE=5×10?2J/cm2。39.【多選】激光實驗室必須張貼的內(nèi)容包括A.激光分類標(biāo)識B.波長與功率C.防護(hù)眼鏡OD值D.緊急停機(jī)按鈕位置答案：A、B、C、D