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李凤昌1，王 鹏1,2,3，王小林1,2,3，奚小明1,2,3，吴函烁1,2,3，
张汉伟1,2,3，习锋杰1,2,3，陈金宝1,2,3
（1. 国防科技大学 前沿交叉学科学院，长沙 410073；2. 国防科技大学 南湖之光实验室，长沙 410073；3. 国防科技大学 高能激光技术湖南省重点实验室，长沙 410073）
（通信作者：李凤昌，phenixlfc@163.com；王小林, chinaphotonics@163.com）
高功率光纤激光器具有高效率、小体积、低成本、可柔性传输等优点，在工业应用中具有广泛的应用。然而，当前光纤激光器一般只能运行在室温附近较窄的温度范围。随着应用领域的扩展，在激光焊接、激光清障等野外作业中，激光器单次工作时间不长，但是需要能够工作在较宽的温度范围内。针对相关应用需求，课题组开展了宽温运行光纤激光器研究。2022年，课题组实现了-30~20 ℃范围内的1 kW激光器输出。
近期，课题组通过进一步优化设计，在-50~50 ℃超宽温范围内实现了1 kW量级的全光纤激光输出。实验中的超宽温光纤激光器为全光纤振荡器结构，如图1所示。光纤耦合半导体激光器（LD）输出的泵浦光经前向合束器（FPSC）后进入谐振腔中。谐振腔由高反射光纤光栅（HR-FBG）、双包层掺镱光纤（DCYDF）和低反射光纤光栅（OC-FBG）依次熔接构成。后向泵浦LD经过后向合束器（BPSC）注入到DCYDF中。谐振腔输出的激光经过包层光滤除器（CLS）后由光纤端帽（QBH）扩束输出。实验中，LD在室温下（25℃）中心波长为940 nm，中心波长的温度漂移系数为0.35 nm/℃，实验过程中LD中心波长漂移约42 nm；DCYDF纤芯直径为25 μm，包层直径为400 μm，纤芯数值孔径为0.06，长约40 m，以保证LD中心波长变化时泵浦光的充分吸收；光纤光栅的中心波长为1080 nm，其中HR-FBG反射率为99.5%，OC-FBG反射率约为10%。FPSC为（6+1）×1合束器，BPSC为（18+1）×1合束器，二者的泵浦臂纤芯直径都为135 μm，两个合束器将常温下总泵浦功率为1620 W的泵浦光注入谐振腔中。实验中，通过特殊的强制风冷设计，确保激光器在超宽温环境范围内都可以短时稳定工作。
图1超宽温运行光纤激光振荡器实验结构
实验首先测试了常温（20℃）时激光器输出功率、效率和光束质量特性。在常温时，激光器输出功率为1230 W，光光转换效率为75.9%，如图2（a）所示；光束质量M2约为1.42，如图2（b）所示。然后，在高低温气候箱中开展超宽温运行实验，在线实时测试了环境温度在-50~50 ℃温度范围内激光器的输出功率，结果如图2（c）所示。在-50 ℃时，激光器输出功率在805~1176 W之间；在最高温度50 ℃时，输出功率在1029~1102 W之间。当环境温度在40~50 ℃时，激光器输出功率均大于1000 W。实验初步验证了在100 ℃温度范围内实现1 kW激光器的可行性，后续将继续开展功率提升和工程化研制。
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图2超宽温运行光纤激光振荡器实验结果
致谢：感谢徐小勇、宋涛、钟鹏飞、张坤、孟祥明在实验中的帮助。
该课题获国湖南省杰出青年基金项目(2023JJ10057)、长沙市杰出创新青年培养计划项目(kq2206006、kq2206002)支持。
