隨著科技的不斷進步，雷射器在眾多領域的應用愈發廣泛，從工業加工到國防事業，從醫療領域到通信行業，都離不開雷射器的身影。在複雜多變的應用場景中，對雷射器性能的要求也日益嚴苛，尤其是在極端溫度環境下的穩定運行能力，成為衡量雷射器性能的關鍵指標之一。寬溫區運行穩定性不僅關係到雷射器在特殊環境下的適用性，還直接影響其在不同場景中的工作效率和可靠性。在此背景下，深入研究不同波長泵浦的雷射器在超寬溫區內的輸出特性，對推動雷射器行業的發展具有重要意義。
溫度是影響雷射器性能的關鍵因素，半導體泵浦源、增益光纖、光纖光柵等雷射器組件都對溫度敏感。溫度變化時，這些組件的參數改變，進而影響雷射器的輸出效率、中心波長、光束質量等性能指標。
為探究不同波長半導體雷射器(LD)的溫度特性及其對光纖雷射振盪器輸出特性的影響，搭建了寬溫區測試系統。該系統由光纖雷射振盪器和溫度控制平台兩部分組成。
光纖雷射振盪器採用後向泵浦諧振腔結構。泵浦光源選用兩款額定輸出功率均為 30W 的光纖耦合半導體雷射器，其中心波長分別為 940±3nm 和 976±3nm。泵浦光經 (2 + 1)×1 後向泵浦合束器注入諧振腔。諧振腔由雙包層摻鐿光纖和一對中心波長為 1064nm 的光纖光柵構成，其中高反射率光纖光柵反射率達 99%，3dB 帶寬為 2nm;低反射率光纖光柵反射率為 10%，3dB 帶寬為 1nm 。增益光纖採用特定型號的大模場雙包層摻鐿光纖，因該光纖對 976nm 和 940nm 泵浦光吸收係數不同，所以對應不同長度。同時，使用自製包層光剝除器去除殘餘泵浦光和高階模式信號光，並將光柵尾纖端面切 8° 角，減少反饋光影響。
溫度控制平台由熱電製冷器、數字溫控模塊、液冷機組和銅板熱沉組成。通過將液冷機組與受數字溫控模塊控制的熱電製冷器結合，能在 - 40~55℃的寬溫度範圍內，對有源光纖、光纖光柵、小功率 LD 等器件進行溫度控制。實驗時，僅依靠溫度控制平台模擬環境溫度，不添加額外主動熱管理措施，且用保溫隔熱材料包裹溫控器件，降低熱交換。實驗過程中，設定好溫度，待器件溫度穩定後開啟雷射器電源，2 秒後在輸出端用功率計和光譜儀記錄輸出功率和光譜。
對兩種波長的 LD 進行溫度特性測試，結果顯示，在 40~55℃溫度範圍內，940nm 和 976nm 泵源的性能變化趨勢相似。隨著溫度升高，泵源輸出功率下降，輸出光譜中心波長向長波方向漂移。940nm LD 的中心波長漂移範圍為 916.2nm~948.3nm，平均溫漂係數為 0.338nm/℃，輸出功率變化範圍為 28.82W~33.74W，平均溫漂係數為 0.05W/℃;976nm LD 中心波長漂移範圍為 952.5nm~984.3nm，平均溫漂係數為 0.324nm/℃，輸出功率變化範圍為 28.15~33.06W，平均溫漂係數為 0.05W/℃。
《2025-2030年全球及中國雷射器行業市場現狀調研及發展前景分析報告》指出，將兩種 LD 分別接入對應的雷射振盪器，單獨控制 LD 溫度，考察其對雷射器輸出特性的影響。在 - 40~55℃溫度區間內，940nm LD 泵浦的雷射器輸出功率隨溫度升高明顯下降;976nm LD 泵浦的光纖雷射器則先上升後下降，在 30℃左右達到峰值。在 - 40℃時，976nm LD 泵浦的雷射器輸出功率回升，這是因為該溫度下其中心波長對應的泵浦光吸收截面與 - 30℃時相近，但輸出功率更高。
這種差異源於摻鐿光纖(YDF)的吸收光譜特性。YDF 吸收光譜有兩個吸收峰，分別在 915nm 和 976nm 附近，其吸收譜起伏大，對泵浦光波長敏感。LD 中心波長隨溫度漂移，會與 YDF 吸收峰失配，降低泵浦光轉換效率，減少輸出功率。976nm 附近吸收截面起伏大於 940nm，溫度變化時，976nm LD 泵浦光轉換效率變化快，導致雷射器輸出穩定性低;而 940nm 附近吸收截面變化平緩，泵浦光轉換效率波動小，雷射器寬溫運行穩定性高。且溫度降低時，940nm LD 中心波長靠近 915nm 吸收峰，吸收截面增大，提升了雷射器的低溫工作性能。此外，LD 的電光效率隨溫度升高而降低，也影響了雷射器輸出功率。
除 LD 外，光纖雷射器中的光纖光柵(FBG)和 YDF 也有溫度依賴特性。溫度變化時，FBG 中心波長漂移，YDF 的吸收、發射截面也改變。有研究表明，溫度升高時，YDF 吸收截面與發射截面譜線形態趨於矮胖化，976nm 附近吸收截面降低，940nm 附近吸收截面變化不明顯;發射截面在部分波段隨溫度升高而減小，但不同測試方法下，1050nm - 1100nm 波段的變化程度存在差異。
為考察 YDF 和 FBG 的溫度特性對雷射器系統的影響，分別對 YDF、FBG 進行單獨控溫測試。結果顯示，單獨對 YDF 或 FBG 施加溫度變化，對雷射器輸出功率的影響遠小於對 LD 施加溫度變化時的影響。
對雷射器中的 YDF、FBG、LD 施加相同溫度變化，再次進行寬溫測試，考察雷射器系統整體的溫度特性。在 - 40~55℃溫度區間內，輸出光譜中心波長隨溫度升高向長波方向漂移，平均溫漂係數約為 0.009nm/℃，在該溫度範圍內，FBG 僅漂移約 0.9nm，對雷射器輸出功率影響可忽略不計。
兩台雷射器的光 - 光效率變化趨勢表明，對雷射器整體控溫與僅對 LD 控溫的變化趨勢幾乎相同。綜合之前單獨對器件控溫的實驗結果可知，雷射器系統的溫度特性主要取決於系統中 LD 的溫度特性，FBG 和 YDF 的溫度特性對雷射器性能雖有影響，但遠低於 LD。例如，976nm LD 泵浦的雷射振盪器在 30℃時光 - 光效率最高可達 82.52%，明顯高於 940nm LD 泵浦的振盪器(此時效率僅為 63.52%) ，但 976nm LD 泵浦的振盪器效率隨溫度波動大，而 940nm LD 泵浦的振盪器雖效率偏低，但寬溫範圍內輸出更穩定。
在不同溫度區間，兩種泵浦雷射器的性能差異顯著。在 - 40~20℃低溫區內，940nm LD 泵浦的振盪器輸出功率波動僅 8%，光 - 光效率波動僅 0.89%;976nm LD 泵浦的振盪器輸出功率波動達到 22.51%，光 - 光效率波動達到 29.03%。在 30~55℃高溫區內，940nm LD 泵浦的振盪器輸出功率波動為 13.4%，光 - 光效率波動為 6.40%;976nm LD 泵浦的振盪器輸出功率波動達到 28.58%，光 - 光效率波動達到 21.39%。在 - 40~55℃整個實驗溫度範圍內，940nm LD 泵浦的振盪器輸出功率波動為 25.67%，光 - 光效率波動為 11.26%;976nm LD 泵浦的振盪器輸出功率波動達到 29.77%，光 - 光效率波動達到 31.20%。
由此可見，976nm LD 泵浦的振盪器常溫下性能優異，但因摻鐿光纖在 976nm 附近吸收峰較窄，溫度變化時，泵浦光波長漂移與增益光纖吸收峰失配，導致泵浦光轉換效率和輸出功率急劇下降。而 940nm LD 在寬溫範圍內中心波長漂移對應的吸收譜線變化趨勢相對平緩，且溫度降低時中心波長向 915nm 吸收峰靠近，使得 940nm LD 泵浦的光纖雷射振盪器具有更高的輸出穩定性和良好的低溫工作性能。
綜上所述，在雷射器的發展進程中，尤其是在對寬溫區運行穩定性要求不斷提高的當下，不同波長泵浦的雷射器展現出了各異的性能特點。通過對 940nm 和 976nm LD 及其泵浦的光纖雷射器在 - 40~55℃超寬溫區內的測試與分析可知，LD 的溫度特性對雷射器系統的溫度特性起著主導作用，而光纖光柵和增益光纖的影響相對較小。940nm LD 泵浦的光纖雷射振盪器憑藉其在寬溫區的高穩定性和良好低溫性能，在特殊環境應用中具有明顯優勢。
隨著雷射器應用領域的持續拓展，對其在極端環境下的性能要求將愈發嚴格。未來，研究更多波長LD泵浦及混合泵浦實驗，探究其溫度特性，將為寬溫運行光纖雷射器的工程化設計提供更全面、更精準的參考，推動雷射器行業朝著更高效、更穩定的方向發展。
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