激光考試題及答案一、單選題（每題2分，共20分）1.在Nd:YAG激光器中，下列哪一項(xiàng)不是導(dǎo)致熱透鏡效應(yīng)的直接原因？A.泵浦光能量被晶體吸收轉(zhuǎn)化為熱B.晶體端面鍍膜反射率過高C.晶體徑向溫度梯度引起折射率變化D.晶體內(nèi)部量子缺陷產(chǎn)熱答案：B解析：熱透鏡效應(yīng)源于晶體內(nèi)部徑向溫度梯度造成折射率梯度，A、C、D均為產(chǎn)熱或溫度梯度來源；端面鍍膜反射率與熱透鏡無直接因果關(guān)系，故選B。2.對(duì)于高斯光束，其束腰半徑ω?與瑞利長(zhǎng)度zR的關(guān)系為：A.zR=πω?2/λB.zR=λ/(πω?2)C.zR=ω?λ/πD.zR=πλ/ω?答案：A解析：瑞利長(zhǎng)度定義為zR=πω?2/λ，表示束腰到光斑面積擴(kuò)大為2倍處的距離，A正確。3.在調(diào)Q激光器中，若初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)ΔN?=2×101?cm?3，閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)ΔN??=0.5×101?cm?3，則巨脈沖峰值功率P????與ΔN?/ΔN??的關(guān)系近似為：A.P????∝ln(ΔN?/ΔN??)B.P????∝(ΔN??ΔN??)2C.P????∝ΔN?/ΔN??D.P????∝(ΔN?/ΔN??)3答案：B解析：速率方程推導(dǎo)表明，峰值功率正比于超出閾值部分的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)平方，即(ΔN??ΔN??)2，B正確。4.下列哪種技術(shù)可有效抑制光纖激光器中的受激布里淵散射（SBS）？A.增加光纖纖芯摻雜濃度B.采用階躍折射率大模場(chǎng)面積光纖C.縮短光纖長(zhǎng)度至1cmD.降低信號(hào)光功率至1mW答案：B解析：大模場(chǎng)面積光纖降低光強(qiáng)，SBS閾值與有效模場(chǎng)面積成正比，B有效；A反而增加增益，C不切實(shí)際，D雖抑制但犧牲功率，非“有效”手段。5.在激光測(cè)距中，若采用1550nm波長(zhǎng)，目標(biāo)距離3km，則飛行時(shí)間（TOF）測(cè)距的理論精度極限（光子散粒噪聲極限）與接收光子數(shù)N的關(guān)系為：A.δR∝1/NB.δR∝1/√N(yùn)C.δR∝√N(yùn)D.δR與N無關(guān)答案：B解析：散粒噪聲導(dǎo)致時(shí)間抖動(dòng)δt=1/(√N(yùn)·Δf)，距離誤差δR=c·δt/2，故δR∝1/√N(yùn)，B正確。6.對(duì)于外腔半導(dǎo)體激光器，采用Littrow結(jié)構(gòu)，若光柵刻線密度為1200lines/mm，一級(jí)衍射回耦效率最大時(shí)的波長(zhǎng)為980nm，則光柵傾斜角θ應(yīng)約為：A.35.5°B.41.2°C.47.8°D.53.6°答案：A解析：Littrow條件2dsinθ=mλ，d=1/1200mm，m=1，λ=980nm，解得θ=arcsin(λ/2d)=35.5°。7.在激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）中，若激光脈寬從10ns壓縮至100fs，保持單脈沖能量不變，則等離子體溫度T的變化趨勢(shì)為：A.顯著升高B.顯著降低C.幾乎不變D.先升后降答案：A解析：飛秒脈沖峰值功率提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，初始電子密度與溫度由多光子電離主導(dǎo)，導(dǎo)致等離子體溫度顯著升高，A正確。8.對(duì)于摻鉺光纖放大器（EDFA），在1480nm泵浦下，若信號(hào)光為1565nm，則量子轉(zhuǎn)換效率η的上限為：A.94.7%B.88.2%C.100%D.76.5%答案：A解析：η=λsignal/λpump=1565/1480≈1.057，但物理上限為1，故實(shí)際最大量子效率為100%，然而題目問“上限”通常指光子能量比，即λpump/λsignal=1480/1565≈94.7%，A正確。9.在激光干涉引力波探測(cè)器中，為降低散粒噪聲，常采用“squeezedlight”技術(shù)，其噪聲抑制因子與壓縮參數(shù)r的關(guān)系為：A.e??B.e?C.r2D.√r答案：A解析：壓縮光使相位噪聲方差降低e?2?，幅度噪聲增加e2?，測(cè)量靈敏度改善因子為e??，A正確。10.對(duì)于激光二極管陣列，若單個(gè)發(fā)光單元條寬100μm，中心間距200μm，填充因子為：A.25%B.33%C.50%D.100%答案：C解析：填充因子=條寬/間距=100/200=50%，C正確。二、多選題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.下列哪些因素會(huì)導(dǎo)致激光器縱模跳變？A.腔長(zhǎng)熱膨脹B.增益譜中心波長(zhǎng)漂移C.腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)D.泵浦電流低頻紋波答案：A、B、C解析：腔長(zhǎng)變化與增益譜漂移均可能使縱模增益競(jìng)爭(zhēng)失衡；標(biāo)準(zhǔn)具引入額外選模結(jié)構(gòu)；低頻紋波主要影響強(qiáng)度噪聲，不直接致跳模。12.關(guān)于克爾透鏡鎖模（KLM）鈦寶石激光器，正確的是：A.需正色散腔內(nèi)玻璃片提供自相位調(diào)制B.軟孔光闌利用克爾效應(yīng)產(chǎn)生自振幅調(diào)制C.棱鏡對(duì)用于補(bǔ)償群速度色散D.鎖模啟動(dòng)需外界擾動(dòng)如輕敲平臺(tái)答案：B、C、D解析：KLM依賴克爾效應(yīng)產(chǎn)生自聚焦與虛擬光闌，B正確；棱鏡對(duì)提供負(fù)色散補(bǔ)償，C正確；鈦寶石無飽和吸收體，需擾動(dòng)啟動(dòng)，D正確；A應(yīng)為負(fù)色散補(bǔ)償，非正色散。13.在激光加工中，采用環(huán)形光束切割高反材料的優(yōu)勢(shì)包括：A.降低前端等離子體屏蔽B.提高切縫平行度C.減少熱影響區(qū)D.提高材料對(duì)激光吸收率答案：A、C、D解析：環(huán)形光斑中心低強(qiáng)度減少等離子體，A正確；能量分布均勻減少側(cè)壁再鑄層，C正確；環(huán)形光束可耦合入多次反射提高吸收，D正確；切縫平行度主要依賴光束質(zhì)量與焦點(diǎn)位置，B非主要優(yōu)勢(shì)。14.下列哪些技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)激光頻率梳？A.自參考f2f干涉儀B.聲光調(diào)制器移頻C.非線性光纖展譜D.電光調(diào)制器產(chǎn)生邊帶答案：A、C解析：f2f干涉儀用于鎖定載波包絡(luò)偏移頻率，A必須；超連續(xù)譜展寬提供倍頻程光譜，C必須；B、D用于外差移頻或產(chǎn)生射頻邊帶，非梳齒形成核心。15.在激光雷達(dá)中，采用1550nm波長(zhǎng)相比905nm的優(yōu)勢(shì)有：A.人眼安全閾值高B.大氣傳輸窗口更優(yōu)C.InGaAs探測(cè)器量子效率高D.硅基APD可低成本大規(guī)模集成答案：A、B解析：1550nm角膜吸收高，人眼安全閾值約為905nm的50倍，A正確；1550nm位于大氣弱吸收窗，B正確；InGaAs量子效率約70%，低于硅的80%，C錯(cuò)誤；硅不響應(yīng)1550nm，D錯(cuò)誤。三、填空題（每空2分，共20分）16.對(duì)于穩(wěn)定球面腔，g參數(shù)滿足__________條件時(shí)，腔為穩(wěn)定腔；若g?g?=1，則腔處于__________邊界。答案：0<g?g?<1；穩(wěn)定性解析：穩(wěn)定腔g參數(shù)乘積介于0與1之間；g?g?=1為穩(wěn)定性邊界，光束在腔內(nèi)往返不發(fā)散但處于臨界。17.在Nd:YVO?晶體中，?F?/?→?I??/?躍遷對(duì)應(yīng)的激光波長(zhǎng)為__________nm，其受激發(fā)射截面約為__________×10?1?cm2。答案：1064；15解析：Nd:YVO?主激光線1064nm，σ??≈15×10?1?cm2，高于YAG的4×10?1?cm2。18.若光纖激光器采用20m長(zhǎng)雙包層光纖，纖芯直徑30μm，數(shù)值孔徑0.06，則V參數(shù)約為__________，對(duì)應(yīng)模式數(shù)量近似為__________。答案：7.2；28解析：V=2πaNA/λ，a=15μm，λ=1080nm，得V≈7.2；模式數(shù)≈V2/2≈28。19.在激光冷卻中，銣87原子D?線飽和強(qiáng)度I?≈__________mW/cm2，若失諧為?Γ/2，則散射率R≈__________×Γ/2。答案：1.67；0.5解析：I?=πhcΓ/(3λ3)，Γ=2π×6.1MHz，λ=780nm，得I?≈1.67mW/cm2；失諧δ=?Γ/2，R=(Γ/2)·(I/I?)/[1+(I/I?)+(2δ/Γ)2]，當(dāng)I=I?時(shí)R≈0.5×Γ/2。20.對(duì)于光參量振蕩器（OPO），信號(hào)光λ?=1.5μm，閑頻光λ?=3.0μm，則泵浦光波長(zhǎng)λ?=__________μm，若非線性晶體為PPLN，極化周期Λ需滿足__________μm（準(zhǔn)相位匹配一級(jí)）。答案：1.0；30解析：能量守恒1/λ?=1/λ?+1/λ?，得λ?=1.0μm；準(zhǔn)相位匹配2π/Λ=2π(1/λ??1/λ??1/λ?)，解得Λ=1/(1/1.0?1/1.5?1/3.0)=30μm。四、計(jì)算題（共25分）21.（10分）一臺(tái)端面泵浦Nd:YAG激光器，泵浦波長(zhǎng)808nm，激光波長(zhǎng)1064nm，晶體尺寸?4mm×5mm，摻雜濃度1at.%，吸收系數(shù)α=4cm?1，泵浦功率10W，聚焦半徑200μm，晶體表面鍍808nm增透、1064nm高反（前端），輸出鏡透過率T=5%。忽略腔內(nèi)損耗，求：（1）泵浦光吸收效率η?；（2）閾值泵浦功率P??；（3）斜效率η?????；（4）輸出激光功率P???。已知：σ??=4×10?1?cm2，τ=230μs，hν?=2.46×10?1?J，hν?=1.87×10?1?J，n?=1.82×102?cm?3（1at.%）。答案與解析：（1）η?=1?e^(?αl)=1?e^(?4×0.5)=0.865（2）閾值反轉(zhuǎn)密度ΔN??=(T+L)/(2σ??l_c)=0.05/(2×4×10?1?×0.5)=1.25×101?cm?3閾值泵浦功率P??=(ΔN??·V·hν?)/(η?·τ·ηQ)，V=π×(0.02cm)2×0.5cm=6.28×10??cm3，ηQ=λ?/λ?=0.76P??=(1.25×101?×6.28×10??×2.46×10?1?)/(0.865×230×10??×0.76)=1.25W（3）η?????=η?·ηQ·T/(T+L)=0.865×0.76×0.05/0.05=0.658（4）P???=η?????·(P?P??)=0.658×(10?1.25)=5.76W22.（8分）一臺(tái)鈦寶石飛秒激光器，中心波長(zhǎng)800nm，脈寬30fs，重復(fù)頻率80MHz，平均功率1W。經(jīng)啁啾脈沖放大（CPA）系統(tǒng)，展寬至200ps，放大后脈沖能量1mJ，再壓縮至25fs。假設(shè)展寬器與壓縮器均為衍射光柵對(duì)，光柵刻線密度1200lines/mm，入射角Littrow角，求：（1）峰值功率放大前后比值；（2）所需光柵對(duì)間距d以提供二階色散??=?1×10?fs2；（3）三階色散??與??的比值（光柵對(duì)）。答案與解析：（1）放大前峰值功率P?=1W/80MHz=12.5nJ，12.5nJ/30fs=0.42MW放大后P?=1mJ/25fs=40GW，比值=40GW/0.42MW≈9.5×10?（2）光柵對(duì)??=?(λ3/2πc2)·(2tanθ)2·d，θ=arcsin(λ/2a)=23.6°，a=1/1200mm代入得d=???·2πc2/[λ3·(2tanθ)2]=1×10?×2π×(3×10?×101?)2/[(800)3×(2×0.437)2]=1.2m（3）??/??=3/(2ω?)=3λ/(4πc)=3×800×10??/(4π×3×10?)=0.64×10?1?s=0.64fs23.（7分）一臺(tái)單頻Nd:YVO?激光器，腔長(zhǎng)50mm，采用PZT調(diào)諧，PZT系數(shù)為2μm/V，頻率響應(yīng)需覆蓋±5GHz，求：（1）所需PZT掃描電壓V；（2）若PZT電容C=1μF，驅(qū)動(dòng)放大器輸出阻抗50Ω，求3dB帶寬f?dB；（3）為擴(kuò)展帶寬至10kHz，需采用何種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)并給出元件值。答案與解析：（1）腔長(zhǎng)變化ΔL=λΔν/ν，Δν=5GHz，λ=1064nm，得ΔL=5×10?×1.064×10??/(3×10?)=17.7μmV=ΔL/(2μm/V)=8.85V，雙向掃描取±9V（2）f?dB=1/(2πRC)=1/(2π×50×1×10??)=3.18kHz（3）采用并聯(lián)電感補(bǔ)償，設(shè)目標(biāo)f?=10kHz，取Q=1，則L=1/(ω?2C)=1/[(2π×10?)2×1×10??]=25mH，串聯(lián)電阻R=ω?L=1.57kΩ，實(shí)際需改為電壓驅(qū)動(dòng)型并聯(lián)諧振，改用串聯(lián)RC補(bǔ)償，取R?=50Ω，C?=1/(2πf?R?)=3.2μF，與PZT電容分壓，需功率放大器輸出電流≥C·dV/dt=1μF×18V/100μs=0.18A。五、綜合設(shè)計(jì)題（共20分）24.設(shè)計(jì)一套用于無人機(jī)載地形測(cè)繪的激光雷達(dá)系統(tǒng)，要求：（1）測(cè)距精度≤5cm（3σ），最大測(cè)距500m，掃描視場(chǎng)60°×30°，點(diǎn)頻≥200kHz；（2）工作波長(zhǎng)需滿足人眼安全，選擇1550nm；（3）給出激光器類型、脈沖能量、重復(fù)頻率、接收望遠(yuǎn)鏡口徑、探測(cè)器類型、掃描方式、系統(tǒng)功耗估算；（4）分析影響測(cè)距精度的主要誤差源并給出誤差預(yù)算表；（5）給出飛行平臺(tái)參數(shù)：飛行高度100m，速度15m/s，計(jì)算條帶寬度、點(diǎn)密度（點(diǎn)/m2），并評(píng)估是否滿足1:500測(cè)圖規(guī)范（規(guī)范要求點(diǎn)密度≥16點(diǎn)/m2）。答案與解析：（1）激光器：采用1550nm主振蕩功率放大（MOPA）光纖激光器，脈寬5ns，單脈沖能量10μJ，重復(fù)頻率250kHz，峰值功率2kW，人眼安全Class1。（2）接收系統(tǒng)：采用InGaAsAPD陣列（像素?cái)?shù)256×1），探測(cè)器直徑200μm，接收望遠(yuǎn)鏡口徑D?=80mm，焦距400mm，視場(chǎng)角0.5mrad，光學(xué)效率η?=0.7，量子效率ηq=0.7。（