激光技術(shù)筆試綜合題目及答案一、單選題（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.Nd3?B.Y3?C.Al3?D.O2?答案：A解析：Nd3?提供4F?/?→4I??/?受激輻射，YAG僅作為基質(zhì)晶體。2.下列哪項不是激光加工中“等離子體屏蔽”現(xiàn)象的直接后果A.材料去除率突降B.焦點位置漂移C.工件表面氧化加劇D.激光功率計讀數(shù)下降答案：C解析：等離子體屏蔽主要吸收/散射激光能量，表面氧化是熱效應副產(chǎn)物而非屏蔽本身。3.對于高斯光束，若腰斑半徑ω?=0.5mm，波長λ=1μm，則瑞利長度zR約為A.0.785mB.1.57mC.3.14mD.0.393m答案：A解析：zR=πω?2/λ=π×(0.5×10?3)2/1×10??≈0.785m。4.在光纖激光器中，通過哪種技術(shù)可有效抑制受激拉曼散射（SRS）A.增大纖芯數(shù)值孔徑B.采用漸變折射率纖芯C.級聯(lián)波長鎖定D.引入長周期光柵濾除1120nm分量答案：D解析：長周期光柵可共振耦合并損耗斯托克斯光，降低SRS增益。5.激光測風雷達（DopplerLIDAR）中，決定速度分辨率的物理量是A.脈沖重復頻率B.本振激光線寬C.望遠鏡口徑D.大氣消光系數(shù)答案：B解析：速度分辨率Δv=λΔν/2，Δν為本振線寬。6.在飛秒激光成絲過程中，自聚焦臨界功率Pcr與波長λ的關(guān)系為A.Pcr∝λ2B.Pcr∝λ?1C.Pcr∝λ?2D.與λ無關(guān)答案：A解析：Pcr≈3.77λ2/8πn?n?，平方正比關(guān)系。7.激光熔覆中，稀釋率通常用哪兩種元素的能譜線強度比表征A.Fe/NiB.Ti/AlC.Cr/FeD.Mo/Si答案：C解析：基材Fe與覆層Cr的強度比可量化熔深。8.在激光干涉引力波探測器中，鏡面損耗從10ppm降至1ppm，系統(tǒng)帶寬將A.增加√10倍B.減少√10倍C.增加10倍D.基本不變答案：A解析：帶寬∝√(1/損耗)，損耗降10倍帶寬升√10倍。9.采用KTP晶體進行532nm→266nm倍頻，最佳相位匹配角約為A.23.5°B.41.2°C.90°（非臨界）D.68°答案：B解析：KTPⅡ類匹配θ≈41°，走離角最小。10.激光選區(qū)熔化（SLM）不銹鋼316L時，表面粗糙度Sa主要受哪項參數(shù)影響最大A.激光功率B.掃描間距C.層厚D.艙氧含量答案：B解析：掃描間距直接決定相鄰熔道搭接率，對Sa貢獻>60%。二、多選題（每題3分，共15分，漏選得1分，錯選0分）11.下列哪些技術(shù)可同時提高激光焊接小孔穩(wěn)定性A.擺動光束B.背面氬氣反吹C.雙焦點D.外加縱向磁場E.提高離焦量答案：A、C、D解析：擺動與雙焦點均時空平均小孔壁能量，磁場抑制匙孔塌陷；背面反吹僅改善焊縫成形，離焦量過大反而失穩(wěn)。12.關(guān)于激光誘導擊穿光譜（LIBS）定標free方法，正確的是A.需假設等離子體局部熱平衡B.需已知等離子體電子密度C.需使用自吸收系數(shù)修正D.需內(nèi)標元素E.無需標準樣品答案：A、B、E解析：CFLIBS基于LTE與玻爾茲曼薩哈方程，無需標樣；自吸收與內(nèi)標是傳統(tǒng)定標所需。13.在激光微射流加工中，水導激光的優(yōu)點包括A.降低熱影響區(qū)B.實時沖走熔渣C.提高耦合效率D.可加工透明材料E.降低等離子體屏蔽答案：A、B、E解析：水射流冷卻+沖刷，等離子體被淬滅；透明材料因水/材料折射率差反而難耦合。14.下列哪些參數(shù)會直接影響激光相控陣（OPA）的遠場主瓣寬度A.單元間距B.波長C.單元數(shù)D.波導折射率E.相位量化位數(shù)答案：A、B、C解析：主瓣寬度θ≈λ/(Ndcosθ?)，與折射率、量化位無關(guān)。15.激光冷卻原子實驗中，多普勒冷卻極限溫度TD與A.自然線寬ΓB.激光失諧δC.原子質(zhì)量mD.光強IE.真空度答案：A、B解析：TD=?Γ/2kB，僅由線寬與失諧決定，與質(zhì)量、光強、真空度無關(guān)。三、填空題（每空1分，共15分）16.對于CO?激光器，輸出波長10.6μm對應的光子能量為______eV。（保留兩位小數(shù)）答案：0.12解析：E=hc/λ=1240eV·nm/10.6×10?nm≈0.12eV。17.激光諧振腔g參數(shù)定義為g=1?L/R，若R=2m，L=1.5m，則g=______。答案：0.25解析：g=1?1.5/2=0.25。18.在激光沖擊強化中，常用黑漆作為犧牲層，其汽化閾值約為______GW/cm2。（數(shù)量級）答案：1解析：黑漆汽化閾值~1GW/cm2，遠低于金屬。19.飛秒激光寫入光波導時，折射率增量Δn主要源于______缺陷。答案：非橋氧空穴中心（NBOHC）20.激光雷達方程中，接收功率Pr與距離R的______次方成反比。答案：2解析：Pr∝1/R2（單程衰減）。21.采用FP標準具進行激光縱模選擇，自由光譜范圍FSR=c/2nd，若n=1.5，d=10mm，則FSR=______GHz。答案：10解析：FSR=3×10?/(2×1.5×0.01)=10GHz。22.激光熔覆層開裂敏感性常用______數(shù)評估。答案：Biot解析：Biot數(shù)表征溫度梯度誘發(fā)熱應力。23.在激光誘導向前轉(zhuǎn)移（LIFT）中，金屬薄膜臨界剝離厚度h∝______。（填物理量）答案：激光脈沖能量密度F的?1/2次方解析：h∝1/√F，源于一維熱擴散模型。24.激光等離子體極紫外（EUV）光源，13.5nm波長對應光子能量為______eV。答案：91.8解析：E=1240/13.5≈91.8eV。25.激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）聚酰胺12，粉床預熱溫度通?？刂圃赺_____℃。（±5℃）答案：170解析：低于熔點178℃，減少翹曲。四、判斷改錯題（每題2分，共10分；先判對錯，再改正）26.激光切割不銹鋼時，采用氧氣輔助可提高切割速度但邊緣呈亮白色。答案：錯。改正：邊緣呈深黑色氧化層，亮白色為氮氣輔助特征。27.在激光自混合干涉測位移時，反饋光越強測量精度越高。答案：錯。改正：過強反饋導致模式跳變，精度下降，需適度。28.激光誘導石墨烯（LIG）只能在聚酰亞胺表面實現(xiàn)。答案：錯。改正：多種含碳聚合物如PES、PEI亦可。29.激光功率計使用熱電堆探頭時，響應時間與吸收層厚度成正比。答案：對。解析：厚層熱容大，響應慢。30.激光熔覆FeCrBSi合金層，稀釋率越高耐蝕性越好。答案：錯。改正：稀釋率過高導致Fe基體稀釋，耐蝕性下降。五、簡答題（每題6分，共18分）31.簡述激光深熔焊接中小孔內(nèi)等離子體對激光能量的吸收機制，并給出降低吸收的工程措施。答案：等離子體主要通過逆韌致輻射吸收，吸收系數(shù)α∝ne2/Te^(3/2)。措施：①側(cè)吹氬氣降低電子密度ne；②提高焊接速度減少等離子體駐留時間；③采用藍光激光復合，短波長吸收低；④外加磁場偏轉(zhuǎn)等離子體。32.說明飛秒激光成絲在遠程大氣探測中的兩項核心優(yōu)勢，并指出其物理限制。答案：優(yōu)勢：①成絲自引導長度可達公里級，無需聚焦系統(tǒng)；②寬連續(xù)白光（400900nm）可同步多組分探測。限制：能量鉗制效應限制單絲能量<5mJ，信噪比隨距離下降。33.激光選區(qū)熔化Ti6Al4V時，為何常采用基板預熱200℃？從殘余應力與相變角度分析。答案：預熱降低溫度梯度ΔT，減少熱應力；同時抑制α′馬氏體相變體積膨脹，降低組織應力；綜合使殘余應力下降約30%，減少開裂傾向。六、計算題（共22分）34.（10分）一臺端面泵浦Nd:YVO?激光器，泵浦功率Pp=10W，波長808nm，激光波長1064nm，泵浦量子效率ηq=0.95，模式匹配效率ηm=0.9，輸出耦合透射T=5%，往返損耗L=1%，受激發(fā)射截面σ=15×10?1?cm2，上能級壽命τ=98μs，晶體體積V=1mm3，摻雜濃度N=1.5×102?cm?3。求：（1）閾值泵浦功率Pth；（2）斜效率σs；（3）最大輸出功率Pout。答案：（1）Pth=hvL/2ηqηmστN=1.88W（2）σs=ηqηmλp/λLT/(T+L)=0.42（3）Pout=σs(Pp?Pth)=3.4W解析：代入公式，注意單位換算，τN乘積即儲能密度。35.（12分）激光干涉儀測引力波，臂長L=4km，激光功率P=200W，波長λ=1064nm，鏡面質(zhì)量m=40kg，機械品質(zhì)因數(shù)Qm=10?，頻率f=100Hz，求：（1）標準量子極限（SQL）對應的應變靈敏度hSQL；（2）若鏡面涂層損耗降至5ppm，求熱噪聲限制下的應變噪聲√Sh。答案：（1）hSQL=√(8?/m(2πf)2L2)=3.7×10?2?Hz^(1/2)（2）√Sh=√(4kBT/(πfQm)·1/(ω?2L2))=1.2×10?2?Hz^(1/2)解析：分別代入量子噪聲與熱噪聲公式，ω?=2πc/λ。七、綜合設計題（共20分）36.題目：為某航天器設計一臺激光微推力器，要求總沖量I=0.1N·s，比沖Isp=500s，激光燒蝕聚甲醛（POM）靶，燒蝕效率η=50%，耦合系數(shù)Cm=50μN/W，單脈沖能量Ep≤100mJ，重復頻率f≤100kHz。請給出：（1）所需總激光能量Etotal；（2）最小脈沖數(shù)N；（3）若采用10kHz頻率，單脈沖能量與平均功率；（4）選用光纖激光器還是固體激光器并陳述理由；（5）靶材質(zhì)量消耗Δm。答案：（1）Etotal=I/(Cm·η)=0.1/(50×10??×0.5)=4×103J（2）N≥Etotal/Epmax=4×10?（3）f=10kHz，Ep=100mJ，Pavg=1kW（4）選光纖激光器：單模高光束質(zhì)量利于聚焦，散熱好，可千瓦級平均功率，體積重量小。（5）Δm=I/(Isp·g)=0.1/(500×9.81)=20.4mg解析：按沖量能量質(zhì)量守恒鏈式推導，注意單位統(tǒng)一。八、英文文獻翻譯與理解（共10分）37.閱讀以下段落并翻譯：“ThebeamqualityM2factorquantifiesthedeviationofareallaserbeamfromanidealGaussianbeam.AnM2=1.2impliesthatthebeamcanbefocusedtoaspotarea1.2timeslargerthanadiffractionlimitedGaussianbeamwiththesamewaistdiameter.”答案：“光束質(zhì)量M2因子量化了實際激光束與理想高斯束的偏離程度。M2=1.2意味著該光束可被聚焦到的光斑面積是相同腰斑直徑的衍射極限高斯束的1.2倍。”解析：準確譯出“diffractionlimited”與“spotarea”的數(shù)