2025年激光器行业趋势分析：宽温区性能成激光器应用关键突破口

  随着科技的不断进步，激光器在众多领域的应用愈发广泛，从工业加工到国防事业，从医疗领域到通信行业，都离不开激光器的身影。在复杂多变的应用场景中，对激光器性能的要求也日益严苛，尤其是在极端温度环境下的稳定运行能力，成为衡量激光器性能的关键指标之一。宽温区运行稳定性不仅关系到激光器在特殊环境下的适用性，还直接影响其在不同场景中的工作效率和可靠性。在此背景下，深入研究不同波长泵浦的激光器在超宽温区内的输出特性，对推动激光器行业的发展具有重要意义。

  一、激光器在超宽温区测试的实验结构搭建

  温度是影响激光器性能的关键因素，半导体泵浦源、增益光纤、光纤光栅等激光器组件都对温度敏感。温度变化时，这些组件的参数改变，进而影响激光器的输出效率、中心波长、光束质量等性能指标。

  为探究不同波长半导体激光器(LD)的温度特性及其对光纤激光振荡器输出特性的影响，搭建了宽温区测试系统。该系统由光纤激光振荡器和温度控制平台两部分组成。

  光纤激光振荡器采用后向泵浦谐振腔结构。泵浦光源选用两款额定输出功率均为 30W 的光纤耦合半导体激光器，其中心波长分别为 940±3nm 和 976±3nm。泵浦光经 (2 + 1)×1 后向泵浦合束器注入谐振腔。谐振腔由双包层掺镱光纤和一对中心波长为 1064nm 的光纤光栅构成，其中高反射率光纤光栅反射率达 99%，3dB 带宽为 2nm;低反射率光纤光栅反射率为 10%，3dB 带宽为 1nm 。增益光纤采用特定型号的大模场双包层掺镱光纤，因该光纤对 976nm 和 940nm 泵浦光吸收系数不同，所以对应不同长度。同时，使用自制包层光剥除器去除残余泵浦光和高阶模式信号光，并将光栅尾纤端面切 8° 角，减少反馈光影响。

  温度控制平台由热电制冷器、数字温控模块、液冷机组和铜板热沉组成。通过将液冷机组与受数字温控模块控制的热电制冷器结合，能在 - 40~55℃的宽温度范围内，对有源光纤、光纤光栅、小功率 LD 等器件进行温度控制。实验时，仅依靠温度控制平台模拟环境温度，不添加额外主动热管理措施，且用保温隔热材料包裹温控器件，降低热交换。实验过程中，设定好温度，待器件温度稳定后开启激光器电源，2 秒后在输出端用功率计和光谱仪记录输出功率和光谱。

  二、不同波长 LD 的温度特性对激光器输出的影响

  (一)LD 温度特性测试结果

  对两种波长的 LD 进行温度特性测试，结果显示，在 40~55℃温度范围内，940nm 和 976nm 泵源的性能变化趋势相似。随着温度升高，泵源输出功率下降，输出光谱中心波长向长波方向漂移。940nm LD 的中心波长漂移范围为 916.2nm~948.3nm，平均温漂系数为 0.338nm/℃，输出功率变化范围为 28.82W~33.74W，平均温漂系数为 0.05W/℃;976nm LD 中心波长漂移范围为 952.5nm~984.3nm，平均温漂系数为 0.324nm/℃，输出功率变化范围为 28.15~33.06W，平均温漂系数为 0.05W/℃。

  (二)对光纤激光振荡器输出功率的影响

  《2025-2030年全球及中国激光器行业市场现状调研及发展前景分析报告》指出，将两种 LD 分别接入对应的激光振荡器，单独控制 LD 温度，考察其对激光器输出特性的影响。在 - 40~55℃温度区间内，940nm LD 泵浦的激光器输出功率随温度升高明显下降;976nm LD 泵浦的光纤激光器则先上升后下降，在 30℃左右达到峰值。在 - 40℃时，976nm LD 泵浦的激光器输出功率回升，这是因为该温度下其中心波长对应的泵浦光吸收截面与 - 30℃时相近，但输出功率更高。

  这种差异源于掺镱光纤(YDF)的吸收光谱特性。YDF 吸收光谱有两个吸收峰，分别在 915nm 和 976nm 附近，其吸收谱起伏大，对泵浦光波长敏感。LD 中心波长随温度漂移，会与 YDF 吸收峰失配，降低泵浦光转换效率，减少输出功率。976nm 附近吸收截面起伏大于 940nm，温度变化时，976nm LD 泵浦光转换效率变化快，导致激光器输出稳定性低;而 940nm 附近吸收截面变化平缓，泵浦光转换效率波动小，激光器宽温运行稳定性高。且温度降低时，940nm LD 中心波长靠近 915nm 吸收峰，吸收截面增大，提升了激光器的低温工作性能。此外，LD 的电光效率随温度升高而降低，也影响了激光器输出功率。

  三、YDF 与 FBG 对激光器输出特性的影响

  除 LD 外，光纤激光器中的光纤光栅(FBG)和 YDF 也有温度依赖特性。温度变化时，FBG 中心波长漂移，YDF 的吸收、发射截面也改变。有研究表明，温度升高时，YDF 吸收截面与发射截面谱线形态趋于矮胖化，976nm 附近吸收截面降低，940nm 附近吸收截面变化不明显;发射截面在部分波段随温度升高而减小，但不同测试方法下，1050nm - 1100nm 波段的变化程度存在差异。

  为考察 YDF 和 FBG 的温度特性对激光器系统的影响，分别对 YDF、FBG 进行单独控温测试。结果显示，单独对 YDF 或 FBG 施加温度变化，对激光器输出功率的影响远小于对 LD 施加温度变化时的影响。

  四、光纤激光振荡器系统整体的温度特性

  对激光器中的 YDF、FBG、LD 施加相同温度变化，再次进行宽温测试，考察激光器系统整体的温度特性。在 - 40~55℃温度区间内，输出光谱中心波长随温度升高向长波方向漂移，平均温漂系数约为 0.009nm/℃，在该温度范围内，FBG 仅漂移约 0.9nm，对激光器输出功率影响可忽略不计。

  两台激光器的光 - 光效率变化趋势表明，对激光器整体控温与仅对 LD 控温的变化趋势几乎相同。综合之前单独对器件控温的实验结果可知，激光器系统的温度特性主要取决于系统中 LD 的温度特性，FBG 和 YDF 的温度特性对激光器性能虽有影响，但远低于 LD。例如，976nm LD 泵浦的激光振荡器在 30℃时光 - 光效率最高可达 82.52%，明显高于 940nm LD 泵浦的振荡器(此时效率仅为 63.52%) ，但 976nm LD 泵浦的振荡器效率随温度波动大，而 940nm LD 泵浦的振荡器虽效率偏低，但宽温范围内输出更稳定。

  五、综合对比：940nm 与 976nm 泵浦激光器的性能差异

  在不同温度区间，两种泵浦激光器的性能差异显著。在 - 40~20℃低温区内，940nm LD 泵浦的振荡器输出功率波动仅 8%，光 - 光效率波动仅 0.89%;976nm LD 泵浦的振荡器输出功率波动达到 22.51%，光 - 光效率波动达到 29.03%。在 30~55℃高温区内，940nm LD 泵浦的振荡器输出功率波动为 13.4%，光 - 光效率波动为 6.40%;976nm LD 泵浦的振荡器输出功率波动达到 28.58%，光 - 光效率波动达到 21.39%。在 - 40~55℃整个实验温度范围内，940nm LD 泵浦的振荡器输出功率波动为 25.67%，光 - 光效率波动为 11.26%;976nm LD 泵浦的振荡器输出功率波动达到 29.77%，光 - 光效率波动达到 31.20%。

  由此可见，976nm LD 泵浦的振荡器常温下性能优异，但因掺镱光纤在 976nm 附近吸收峰较窄，温度变化时，泵浦光波长漂移与增益光纤吸收峰失配，导致泵浦光转换效率和输出功率急剧下降。而 940nm LD 在宽温范围内中心波长漂移对应的吸收谱线变化趋势相对平缓，且温度降低时中心波长向 915nm 吸收峰靠近，使得 940nm LD 泵浦的光纤激光振荡器具有更高的输出稳定性和良好的低温工作性能。

  综上所述，在激光器的发展进程中，尤其是在对宽温区运行稳定性要求不断提高的当下，不同波长泵浦的激光器展现出了各异的性能特点。通过对 940nm 和 976nm LD 及其泵浦的光纤激光器在 - 40~55℃超宽温区内的测试与分析可知，LD 的温度特性对激光器系统的温度特性起着主导作用，而光纤光栅和增益光纤的影响相对较小。940nm LD 泵浦的光纤激光振荡器凭借其在宽温区的高稳定性和良好低温性能，在特殊环境应用中具有明显优势。

  随着激光器应用领域的持续拓展，对其在极端环境下的性能要求将愈发严格。未来，研究更多波长LD泵浦及混合泵浦实验，探究其温度特性，将为宽温运行光纤激光器的工程化设计提供更全面、更精准的参考，推动激光器行业朝着更高效、更稳定的方向发展。

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