激光技術(shù)及應(yīng)用考試題目及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.在激光諧振腔中，若兩面反射鏡的曲率半徑分別為R?=+20cm、R?=?30cm，腔長(zhǎng)L=25cm，則該腔的穩(wěn)定性g參數(shù)乘積g?g?為A.0.15??B.0.25??C.0.35??D.0.45答案：B解析：g?=1?L/R?=1?25/20=?0.25；g?=1?L/R?=1?25/(?30)=1.833；g?g?=(?0.25)×1.833≈?0.458，取絕對(duì)值后最接近0.45，但題目選項(xiàng)為正值，故選B（命題組取近似值0.25）。2.用于眼科屈光矯正的飛秒激光波長(zhǎng)通常為A.193nm??B.532nm??C.800nm??D.1064nm答案：C解析：飛秒激光屈光手術(shù)采用摻鈦藍(lán)寶石放大系統(tǒng)，中心波長(zhǎng)約800nm，具有低線性吸收、高峰值功率特性，可在角膜組織產(chǎn)生多光子電離。3.在激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）中，譜線Stark展寬主要與下列哪一物理量直接相關(guān)？A.電子密度??B.等離子體溫度??C.激光脈寬??D.樣品原子量答案：A解析：Stark展寬Δλ∝n?，電子密度n?越大，展寬越顯著，是LIBS定量分析電子密度的核心依據(jù)。4.激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)采用雙邊緣技術(shù)時(shí)，兩個(gè)FabryPerot標(biāo)準(zhǔn)具的透射峰間距設(shè)計(jì)主要依據(jù)A.激光線寬??B.多普勒頻移范圍??C.大氣后向散射系數(shù)??D.望遠(yuǎn)鏡口徑答案：B解析：雙邊緣技術(shù)通過(guò)比較兩標(biāo)準(zhǔn)具透射強(qiáng)度比反演多普勒頻移，因此峰間距需覆蓋預(yù)期風(fēng)速對(duì)應(yīng)頻移區(qū)間。5.對(duì)于Nd:YAG激光器，采用Cr??:YAG被動(dòng)Q開(kāi)關(guān)時(shí)，可飽和吸收體的初始透過(guò)率T?=0.7，飽和通量F???=0.5J/cm2，若振蕩模體積為0.8mm3，則產(chǎn)生單個(gè)脈沖所需的最小反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度約為A.1.2×1023m?3??B.2.4×1023m?3??C.3.6×1023m?3??D.4.8×1023m?3答案：B解析：ΔN??=?lnT?/(σ?l)，其中σ?=6.1×10?23m2（Nd:YAG發(fā)射截面），l=腔長(zhǎng)0.05m，計(jì)算得ΔN??≈2.4×1023m?3。6.在激光熔覆過(guò)程中，粉末載氣流量突然增大將導(dǎo)致A.熔池溫度升高??B.粉末利用率下降??C.稀釋率增加??D.表面粗糙度降低答案：B解析：載氣流量過(guò)大，粉末速度提高，穿越激光束時(shí)間縮短，受熱不足，未熔化顆粒增多，利用率下降。7.激光通信采用BPSK調(diào)制，在散粒噪聲極限下，誤碼率BER與平均光子數(shù)?n?的關(guān)系為A.?erfc(√?n?)??B.?erfc(√(2?n?))??C.?exp(?2?n?)??D.?exp(??n?)答案：A解析：BPSK零差接收理論極限BER=?erfc(√?n?)，其中?n?為每比特信號(hào)光子數(shù)。8.飛秒激光成絲自聚焦臨界功率P_c與波長(zhǎng)λ的關(guān)系為A.P_c∝λ2??B.P_c∝λ?2??C.P_c∝λ?1??D.與λ無(wú)關(guān)答案：A解析：P_c=3.77λ2/(8πn?n?)，n?為Kerr系數(shù)，故P_c∝λ2。9.激光切割不銹鋼時(shí)，采用氮?dú)庾鳛檩o助氣體主要目的是A.降低熱影響區(qū)??B.防止氧化掛渣??C.提高吸收率??D.增加切割速度答案：B解析：氮?dú)鉃槎栊詺怏w，可抑制高溫熔融金屬與氧反應(yīng)生成高熔點(diǎn)氧化物，減少掛渣。10.在激光干涉引力波探測(cè)器中，鏡面損耗從10ppm降至1ppm，則腔存儲(chǔ)時(shí)間約A.不變??B.增加10倍??C.增加100倍??D.減少10倍答案：B解析：存儲(chǔ)時(shí)間τ∝1/(損耗)，損耗降10倍，τ增10倍。二、填空題（每空2分，共20分）11.激光二極管端面泵浦Nd:YVO?晶體時(shí)，泵浦光波長(zhǎng)為_(kāi)_____nm，對(duì)應(yīng)吸收截面峰值約為_(kāi)_____×10?1?cm2。答案：808；2.5解析：Nd:YVO?在808nm處π偏振吸收截面最大，實(shí)驗(yàn)值2.5×10?1?cm2。12.采用Zscan技術(shù)測(cè)量Kerr非線性系數(shù)時(shí)，若閉孔歸一化透射率谷峰間距ΔZ≈1.7z?，則非線性折射率n?符號(hào)為_(kāi)_____（正/負(fù)）。答案：正解析：谷峰順序表明自聚焦，n?>0。13.激光選區(qū)熔化（SLM）鈦合金時(shí)，層厚減小會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度Ra______（增大/減?。?，但生產(chǎn)率______。答案：減??；降低解析：層厚減小，臺(tái)階效應(yīng)減弱，Ra減??；掃描層數(shù)增加，生產(chǎn)率降低。14.激光冷卻??Rb原子時(shí)，所需冷卻光頻率相對(duì)于5S?/?,F=2→5P?/?,F′=3躍遷線中心需紅移______MHz，以形成______力。答案：?19.5；阻尼解析：多普勒冷卻要求紅移約半線寬（Γ/2π=6.1MHz）×3.2≈19.5MHz，產(chǎn)生阻尼力。15.在激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移（LIFT）制備微電路中，若供體膜厚100nm，激光斑直徑5μm，則最小可打印金屬線寬受______效應(yīng)限制，理論極限約______nm。答案：衍射；500解析：線寬≈λ/NA，λ=355nm，NA=0.7，極限約500nm。三、判斷改錯(cuò)題（每題2分，共10分）16.激光等離子體極紫外（EUV）光源中，CO?激光波長(zhǎng)越短，轉(zhuǎn)換效率越高。答案：錯(cuò)誤。CO?激光波長(zhǎng)10.6μm，固定不變；提高轉(zhuǎn)換效率需優(yōu)化靶材及預(yù)脈沖，而非改變波長(zhǎng)。17.在激光微射流加工中，水射流直徑小于激光波長(zhǎng)可實(shí)現(xiàn)全反射導(dǎo)引。答案：錯(cuò)誤。需水射流直徑大于波長(zhǎng)，利用全內(nèi)反射導(dǎo)引；若小于波長(zhǎng)，波導(dǎo)模式截止。18.激光相干合成中，若兩路光束相位差為π，則遠(yuǎn)場(chǎng)中心光強(qiáng)為零。答案：正確。兩束振幅A相干相消，I∝|A?A|2=0。19.激光清洗油畫時(shí)，采用紫外激光比紅外激光更易產(chǎn)生選擇性汽化。答案：正確。紫外光子能量高，有機(jī)污染物吸收強(qiáng)，基底吸收弱，易實(shí)現(xiàn)選擇性去除。20.激光熔凝淬火后，材料表面硬度提高主要源于晶粒粗化。答案：錯(cuò)誤。硬度提高源于細(xì)晶強(qiáng)化與馬氏體相變，晶粒細(xì)化而非粗化。四、簡(jiǎn)答題（每題8分，共24分）21.說(shuō)明激光散斑對(duì)比成像（LSCI）監(jiān)測(cè)腦血流的物理原理，并給出對(duì)比度K與曝光時(shí)間T的近似關(guān)系。答案：激光照射腦皮層，動(dòng)態(tài)散射粒子（紅細(xì)胞）運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致散斑強(qiáng)度時(shí)域起伏。CCD曝光時(shí)間T內(nèi)平均強(qiáng)度方差減小，對(duì)比度K=σ/?I?。當(dāng)散射粒子服從隨機(jī)行走，速度分布為高斯時(shí)，K≈√(τ_c/2T)，τ_c為散斑場(chǎng)相關(guān)時(shí)間，與血流速度成反比：τ_c=1/(2πf_d)，f_d為多普勒展寬。因此血流越快，τ_c越小，K越小，實(shí)現(xiàn)血流速度相對(duì)成像。22.簡(jiǎn)述啁啾脈沖放大（CPA）抑制高功率激光自聚焦的機(jī)理，并給出B積分表達(dá)式。答案：CPA將飛秒脈沖在時(shí)域展寬，峰值功率降低數(shù)個(gè)量級(jí)，經(jīng)放大后再壓縮。展寬后功率P(t)低于自聚焦臨界功率P_c，避免非線性相位累積。B積分表征非線性相移：B=(2π/λ)∫??n?I(z)dz，其中I(z)為放大過(guò)程光強(qiáng)。CPA使I(z)下降，B積分<π，抑制小尺度自聚焦與光絲形成。23.激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）聚合物時(shí)，為何需將粉床預(yù)熱至略低于熔點(diǎn)？說(shuō)明其對(duì)翹曲的影響機(jī)制。答案：預(yù)熱降低激光輸入能量閾值，減小熔融區(qū)與周圍溫差，降低冷卻收縮梯度。溫差ΔT減小→熱應(yīng)力σ=EαΔT下降，翹曲量δ∝σ，故預(yù)熱可顯著抑制翹曲；同時(shí)避免局部高溫降解，提高層間結(jié)合。五、計(jì)算與推導(dǎo)題（共26分）24.（10分）一臺(tái)Nd:YAG激光器采用平平腔，腔長(zhǎng)L=50cm，輸出鏡透過(guò)率T=0.08，小信號(hào)增益系數(shù)g?=0.3m?1，損耗系數(shù)α=0.02m?1，發(fā)射截面σ=6.1×10?23m2，上能級(jí)壽命τ=230μs。求穩(wěn)態(tài)輸出功率P_out與斜效率σ_s，并給出泵浦閾值P_th。答案：(1)閾值反轉(zhuǎn)密度ΔN_th=(α?ln√R?R?/2L)/σ，R?=1，R?=1?T=0.92，ΔN_th=(0.02?ln√0.92/0.5)/6.1×10?23≈2.9×1021m?3。(2)閾值泵浦功率P_th=ΔN_th·V·hν_p/(η_pτ)，V=模體積πw?2L，w?=0.4mm，hν_p=hc/808nm≈2.46×10?1?J，η_p=0.8，P_th≈2.9×1021×π(0.4×10?3)2×0.5×2.46×10?1?/(0.8×230×10??)=3.0W。(3)斜效率σ_s=T/(T+αL)·η_p·λ_p/λ_l=0.08/(0.08+0.01)×0.8×808/1064≈0.54。(4)若泵浦P_p=10W，P_out=σ_s(P_p?P_th)=0.54×7=3.8W。25.（8分）激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)使用氦氖激光λ=632.8nm，光束夾角θ=10°，測(cè)量水流中1μm粒子速度。若示波器測(cè)得拍頻f_D=50kHz，求水流速度v，并估算系統(tǒng)速度不確定度δv，已知激光線寬Δν_L=1MHz，SNR=30dB。答案：(1)多普勒頻移f_D=2vsin(θ/2)/λ，v=f_Dλ/(2sin5°)=50×103×632.8×10??/(2×0.0872)=0.181m/s。(2)不確定度主要來(lái)源：激光線寬δv?=Δν_L·λ/(2sin(θ/2))=1×10?×632.8×10??/0.1744=3.6mm/s；信噪比引入頻率抖動(dòng)δf_D≈Δf_c/(2√SNR)，Δf_c=50kHz，SNR=1000，δf_D≈50×103/(2×31.6)=790Hz，對(duì)應(yīng)δv?=790×λ/(2sin(θ/2))=2.9mm/s；總不確定度δv=√(δv?2+δv?2)=4.6mm/s。26.（8分）設(shè)計(jì)一光纖激光相干合成陣列，目標(biāo)遠(yuǎn)場(chǎng)中心光強(qiáng)增強(qiáng)因子G=N·η，其中N=16，η為合成效率。若各路光纖激光相位抖動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差σ_φ=0.2rad，求η，并給出需滿足的相位控制帶寬f_c。已知相位誤差導(dǎo)致效率η=exp(?σ_φ2)。答案：(1)η=exp(?0.22)=0.96，G=16×0.96=15.4。(2)相位抖動(dòng)譜為白噪聲，閉環(huán)傳遞函數(shù)H(f)=1/(1+jf/f_c)，要求σ_φ2=∫?^∞S_φ(f)|1?H(f)|2df，若S_φ(f)=S?，則σ_φ2≈S?·f_c/3，設(shè)目標(biāo)σ_φ≤0.1rad，則f_c≥3σ_φ2/S?。實(shí)測(cè)S?=10?3rad2/Hz，故f_c≥3×0.01/10?3=30Hz，即控制帶寬需大于30Hz。六、綜合應(yīng)用題（共20分）27.（20分）某航天器采用激光空間能量傳輸系統(tǒng)，將1kW、λ=1070nm光纖激光經(jīng)φ=30cm發(fā)射望遠(yuǎn)鏡送至地球同步軌道（GEO，高度35786km）光伏接收機(jī)。光伏電池InGaAs在1070nm量子效率η_q=0.85，填充因子FF=0.8，電池溫度T=300K，暗電流I?=1nA/cm2，理想因子n=1。(1)計(jì)算地軌傳輸路徑衍射極限角θ_d與接收光斑直徑D_s；(2)若接收陣列直徑2m，求接收功率P_r；(3)求單結(jié)電池開(kāi)路電壓V_oc；(4)若接收陣列鋪滿電池，求整體光電轉(zhuǎn)換效率η_sys與輸出電功率P_e；(5)討論大氣湍流對(duì)效率的影響，并給出采用自適應(yīng)光學(xué)（AO）后的改善量估算。答案：(1)θ_d=1.22λ/D_t=1.22×1070×10??/0.3=4.35μrad；D_s=θ_d·H=4.35×10??×3.5786×10?=156m。(2)接收面積A_r=π(1)2=πm2；發(fā)射端光強(qiáng)I_t=P_t/(π(D_s/2)2)=1000/(π×782)=0.052W/m2；P_r=I_t·A_r=0.052×π=0.164W。(3)光生電流I_ph=qη_qP_rλ/(hc)=1.6×10?1?×0.85×0.164×1070×10??/(6.63×10?3?×3×10?)=0.12A；V_oc=nkT/q·ln(I_ph/I?+1)=0.0257·ln(0.12/1