激光技術(shù)考試題目及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.在Nd:YAG激光器中，下列哪一項(xiàng)不是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的必要條件？A.泵浦源功率密度大于激光閾值B.激光腔鏡反射率大于99%C.上能級(jí)壽命大于下能級(jí)壽命D.四能級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)答案：B解析：激光閾值由增益與損耗平衡決定，腔鏡反射率只需滿足閾值條件即可，不必大于99%。其余三項(xiàng)均為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的經(jīng)典要求。2.一束波長(zhǎng)為532nm的連續(xù)激光在空氣中傳播10m，其光子數(shù)密度衰減的主要原因是：A.瑞利散射B.受激拉曼散射C.多光子電離D.空氣吸收線共振答案：A解析：可見(jiàn)光在清潔空氣中衰減以瑞利散射為主，散射截面∝λ??，532nm處衰減系數(shù)約0.13km?1，10m衰減可忽略但機(jī)制唯一。3.關(guān)于光纖激光器中的包層泵浦技術(shù)，下列說(shuō)法正確的是：A.泵浦光必須在纖芯內(nèi)傳播才能被摻雜離子吸收B.雙包層光纖的內(nèi)包層數(shù)值孔徑通常小于纖芯C.外包層折射率高于內(nèi)包層以實(shí)現(xiàn)全反射D.泵浦吸收效率與內(nèi)包層形狀無(wú)關(guān)答案：B解析：雙包層光纖設(shè)計(jì)使內(nèi)包層NA>纖芯NA，保證泵浦光在內(nèi)包層多次穿越纖芯被摻雜離子吸收。A錯(cuò)誤，泵浦在內(nèi)包層；C錯(cuò)誤，外包層折射率需低于內(nèi)包層；D錯(cuò)誤，D形、八角形內(nèi)包層可顯著提高吸收。4.在激光測(cè)距中，若采用飛行時(shí)間法，測(cè)距精度主要受限于：A.激光束發(fā)散角B.時(shí)鐘抖動(dòng)與脈沖上升時(shí)間C.目標(biāo)表面反射率D.大氣折射率晝夜變化答案：B解析：時(shí)間測(cè)量誤差直接轉(zhuǎn)化為距離誤差，1ns時(shí)鐘抖動(dòng)≈15cm誤差，為高精度測(cè)距首要限制。5.下列哪種非線性晶體最適合用于將1064nm激光倍頻至532nm？A.BBOB.KDPC.LiNbO?D.KTP答案：D解析：KTP在1064nm處有效非線性系數(shù)d_eff≈3.2pm/V，走離角小，抗光傷閾值高，商用綠光激光器首選。6.激光加工不銹鋼時(shí)，出現(xiàn)等離子體屏蔽現(xiàn)象將導(dǎo)致：A.材料去除率增加B.切縫寬度變窄C.加工深度下降D.表面粗糙度降低答案：C解析：等離子體吸收、散射入射激光，能量耦合效率驟降，加工深度受限。7.在激光冷卻原子實(shí)驗(yàn)中，多普勒冷卻極限溫度T_D與下列哪項(xiàng)成正比？A.激光線寬ΓB.激光失諧ΔC.原子質(zhì)量mD.自然線寬Γ答案：D解析：T_D=?Γ/2k_B，僅與自然線寬Γ成正比，與失諧、質(zhì)量無(wú)關(guān)。8.激光雷達(dá)采用1550nm波長(zhǎng)相較于905nm的主要優(yōu)勢(shì)是：A.瑞利散射更小B.人眼安全閾值更高C.探測(cè)器量子效率更高D.大氣窗口透射率更高答案：B解析：1550nm角膜吸收強(qiáng)，視網(wǎng)膜安全閾值約為905nm的40倍，適合高功率車(chē)載雷達(dá)。9.在激光諧振腔中，g參數(shù)穩(wěn)定條件為：A.0<g?g?<1B.g?g?<0C.g?+g?<1D.g?=g?=0答案：A解析：腔穩(wěn)定性要求0<g?g?<1，其中g(shù)_i=1?L/R_i。10.關(guān)于激光模式鎖定，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是：A.主動(dòng)鎖模通過(guò)腔內(nèi)調(diào)制器實(shí)現(xiàn)B.被動(dòng)鎖模利用可飽和吸收體C.鎖模后脈沖寬度與增益帶寬成反比D.鎖模脈沖重復(fù)頻率等于腔長(zhǎng)倒數(shù)答案：D解析：重復(fù)頻率f=c/2L，為腔光學(xué)長(zhǎng)度倒數(shù)，而非幾何長(zhǎng)度倒數(shù)。二、填空題（每空2分，共20分）11.一束高斯激光束腰半徑w?=0.5mm，波長(zhǎng)λ=1μm，其瑞利長(zhǎng)度z_R=________m。答案：0.785解析：z_R=πw?2/λ=π×(0.5×10?3)2/1×10??=0.785m。12.在激光干涉儀中，若參考臂與測(cè)量臂光程差變化λ/2，干涉條紋移動(dòng)________個(gè)周期。答案：1解析：光程差變化λ對(duì)應(yīng)相位變化2π，λ/2對(duì)應(yīng)π，即移動(dòng)0.5周期，但條紋強(qiáng)度完成一次明暗變化，故計(jì)1周期。13.激光放大器的小信號(hào)增益系數(shù)g?=0.5m?1，晶體長(zhǎng)度L=10cm，則小信號(hào)單程增益G=________dB。答案：2.17解析：G=exp(g?L)=exp(0.05)=1.051，10log??(1.051)=2.17dB。14.飛秒激光脈沖寬度100fs，中心波長(zhǎng)800nm，其光譜寬度Δλ≈________nm（取變換極限雙曲正割脈沖）。答案：9.4解析：ΔνΔτ=0.315，Δλ=λ2Δν/c=0.315×(800×10??)2/(100×10?1?×3×10?)=9.4nm。15.激光切割低碳鋼時(shí)，輔助氣體氧氣的主要作用是________與________。答案：氧化放熱、吹除熔渣解析：氧與鐵反應(yīng)放熱提高能量利用率，同時(shí)高壓氧氣流排出熔融物。16.在激光二極管端面鍍膜中，為了降低閾值電流，前端面反射率R?通常設(shè)計(jì)為_(kāi)_______%，后端面R?設(shè)計(jì)為_(kāi)_______%。答案：10，95解析：低前端反射率利于輸出，高后端反射率減少損耗，典型值10%/95%。17.激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）中，等離子體溫度可通過(guò)________線強(qiáng)度比法測(cè)定。答案：玻爾茲曼plot解析：利用同一元素多條譜線強(qiáng)度與上能級(jí)關(guān)系，擬合斜率得溫度。18.激光諧振腔的菲涅耳數(shù)N=a2/λL，其中a為_(kāi)_______半徑。答案：腔鏡通光孔徑解析：菲涅耳數(shù)定義為N=a2/λL，a為鏡面孔徑半徑。19.在激光醫(yī)療中，選擇性光熱作用要求激光脈沖寬度τ________靶組織熱弛豫時(shí)間T_R。答案：小于解析：τ<T_R可限制熱擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)破壞靶組織而不傷周邊。20.激光陀螺儀中，薩格納克相移Δφ與角速度Ω成________關(guān)系。答案：正比解析：Δφ=8πAΩ/λc，A為光路包圍面積。三、計(jì)算題（每題10分，共30分）21.一臺(tái)Nd:YAG激光器采用平凹腔，腔長(zhǎng)L=50cm，輸出鏡曲率半徑R=2m，波長(zhǎng)1064nm。求基模高斯光束在腔內(nèi)的束腰半徑w?及距離輸出鏡1m處的光斑半徑w。答案：g參數(shù)：g?=1?L/R=1?0.5/2=0.75，g?=1（平面鏡）束腰在平面鏡處，w?2=λL/π·√[g?g?/(1?g?g?)]=1064×10??×0.5/π·√[0.75/(1?0.75)]=2.04×10??m2w?=0.453mm距輸出鏡1m處，z=1m，w(z)=w?√[1+(z/z_R)2]，z_R=πw?2/λ=0.607mw=0.453√[1+(1/0.607)2]=0.453×1.92=0.87mm解析：利用高斯光束ABCD定律，先求腔束腰，再傳播。22.一束脈沖能量1mJ、脈寬10ns、波長(zhǎng)532nm的激光聚焦到直徑20μm光斑照射鋁表面，鋁吸收率A=0.1，密度ρ=2700kg/m3，比熱容c=900J/(kg·K)，熔點(diǎn)T_m=933K，初始溫度300K，熔化潛熱L_f=3.9×10?J/kg。求：(1)峰值功率密度；(2)是否能達(dá)到熔點(diǎn)；(3)若達(dá)到，熔化深度。答案：(1)峰值功率P=1mJ/10ns=100kW，光斑面積A_spot=π(10×10??)2=3.14×10?1?m2功率密度I=100×103/3.14×10?1?=3.18×101?W/m2=3.18×101?W/cm2(2)吸收能量密度E_abs=A·I·τ=0.1×3.18×101?×10×10??=3.18×10?J/m2溫升ΔT=E_abs/(ρc·d)，假設(shè)加熱深度d=1μm（趨膚深度量級(jí)）ΔT=3.18×10?/(2700×900×1×10??)=1.3×10?K?933K，故可熔(3)熔化需能量E_m=ρ[c(T_m?300)+L_f]·d_m=2700[900×633+3.9×10?]d_m=2.7×10?d_mJ/m3令E_abs=E_m·d_m，得d_m=E_abs/(2.7×10?)=3.18×10?/2.7×10?=0.118μm解析：高功率密度下表面瞬間熔化，深度由能量平衡決定。23.一臺(tái)摻鉺光纖放大器（EDFA）小信號(hào)增益20dB，飽和輸出功率10dBm，輸入信號(hào)?20dBm。求：(1)輸出信號(hào)功率；(2)增益壓縮量；(3)若輸入增至?10dBm，求新輸出功率。答案：(1)?20dBm+20dB=0dBm<10dBm，未飽和，輸出0dBm(2)增益壓縮=0dB（未壓縮）(3)輸入?10dBm，若仍按20dB增益得+10dBm，恰為飽和點(diǎn)，實(shí)際增益略降，按經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ虶=G?/(1+P_out/P_sat)，設(shè)P_out=10dBm，則G=10dB，故輸出10dBm解析：飽和后增益隨輸入增加而下降，保持輸出功率恒定。四、綜合設(shè)計(jì)題（每題15分，共30分）24.需設(shè)計(jì)一臺(tái)車(chē)載激光雷達(dá)，要求探測(cè)距離200m，距離分辨率5cm，角分辨率0.1°，掃描頻率10Hz，視場(chǎng)角30°×10°。請(qǐng)給出：(1)激光波長(zhǎng)與峰值功率估算；(2)探測(cè)器類(lèi)型與接收孔徑；(3)掃描機(jī)構(gòu)方案；(4)數(shù)據(jù)率與處理瓶頸分析。答案：(1)選1550nm，人眼安全。距離分辨率ΔR=5cm，需脈沖寬度τ<2ΔR/c=333ps，取250ps。信噪比SNR=10，目標(biāo)反射率ρ=0.1，接收孔徑D_r=25mm，光學(xué)效率η=0.3，探測(cè)器噪聲等效功率NEP=1pW/√Hz，帶寬B=1/τ=4GHz，噪聲功率P_n=NEP√B=2μW。接收信號(hào)P_r=P_t·ρ·D_r2/(4πR2)·η·η_t，設(shè)發(fā)射光學(xué)效率η_t=0.8，R=200m，令P_r=P_n·SNR=20μW，解得P_t≈45W。因脈沖占空比低，平均功率<1mW，滿足人眼安全。(2)采用InGaAsAPD陣列，增益M=100，帶寬4GHz，接收孔徑25mm，焦距50mm，濾光片帶寬1nm。(3)采用旋轉(zhuǎn)多面鏡+MEMS振鏡混合掃描：水平30°用多面鏡10面，轉(zhuǎn)速6000rpm實(shí)現(xiàn)10Hz幀頻；垂直10°用MEMS振鏡1kHz線頻，逐行掃描。(4)每幀點(diǎn)數(shù)N=(30/0.1)×(10/0.1)=300×100=30k點(diǎn)，幀頻10Hz，數(shù)據(jù)率300k點(diǎn)/s。每點(diǎn)返回250ps波形采樣，ADC8bit16GS/s，原始數(shù)據(jù)率30k×16G×8=3.84Tbit/s。采用片上TDC直方圖壓縮，提取峰值時(shí)間，輸出每點(diǎn)2byte，壓縮后數(shù)據(jù)率300k×16=4.8Mbit/s，F(xiàn)PGA實(shí)時(shí)處理可行。瓶頸在于高帶寬TDC功耗，需采用65nmCMOSTDC陣列，功耗約2W。解析：系統(tǒng)權(quán)衡人眼安全、信噪比、數(shù)據(jù)率，1550nm配合高功率窄脈沖APD陣列是當(dāng)前主流。25.擬采用飛秒激光在熔融石英內(nèi)部寫(xiě)入波導(dǎo)，要求模場(chǎng)直徑5μm，工作波長(zhǎng)1030nm，折射率增量Δn=1×10?3。請(qǐng)給出：(1)寫(xiě)入激光參數(shù)（脈寬、能量、重復(fù)頻率）；(2)寫(xiě)入掃描速度；(3)波導(dǎo)損耗估算；(4)彎曲損耗限制的最小彎曲半徑。答案：(1)選用脈寬500fs，單脈沖能量200nJ，重復(fù)頻率100kHz，NA0.55物鏡聚焦，焦點(diǎn)峰值功率密度≈2×1013W/cm2，低于損傷閾值>1×101?W/cm2，誘導(dǎo)平滑折射率變化。(2)波導(dǎo)直徑2μm，需重疊率90%，光斑間隔Δx=0.2μm，重復(fù)頻率f=100kHz，掃描速度v=f·Δx=20mm/s。(3)散射損耗：Δn小，體散射系數(shù)α_s≈(4π/λ)2·Δn2·L_c，相關(guān)長(zhǎng)度L_c≈50nm，得α_s≈0.05dB/cm。吸收損耗：近紅外本征吸收<0.001dB/cm。總損耗≈0.06dB/cm。(4)彎曲損耗公式α_b=C·exp(?R/R_c)，其中R_c=w?/(Δn/n)=2.5μm/(1×10?3)=2.5mm，取α_b<0.1dB/cm，需R>5mm。解析：飛秒寫(xiě)入低損耗波導(dǎo)需精確控制能量與掃描參數(shù)，彎曲半徑受Δn限制，需權(quán)衡器件尺寸與損耗。五、論述題（每題20分，共20分）26.論述激光核聚變“快點(diǎn)火”方案中，超短超強(qiáng)激光脈沖產(chǎn)生快電子束的物理機(jī)制、傳輸挑戰(zhàn)及最新實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，并對(duì)比傳統(tǒng)中心點(diǎn)火在能量增益、激光器需求、對(duì)稱(chēng)性控制方面的優(yōu)劣。答案：機(jī)制：>101?W/cm2，p偏振斜入射，真空臨界密度界面共振吸收或J×B加熱，產(chǎn)生MeV級(jí)超熱電子，電流>GA，密度>1021cm?3，形成快電子束。傳輸：①電阻場(chǎng)，冷等離子體回流抵消，Weibel不穩(wěn)定產(chǎn)生磁場(chǎng)~MG，電子束發(fā)散角~30°；②能量沉積，需穿透100200mg/cm2高密度燃料，射程短，需“錐引導(dǎo)”結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)：2020年OMEGAEP實(shí)驗(yàn)，錐殼靶1.2kJ/10ps，測(cè)得快電子能量轉(zhuǎn)換效率~30%，沉積密度~300g/c