由于单路光纤激光器受非线性效应、热效应、模式不稳定等多种因素的影响,进一步提升其输出功率存在较大技术挑战。光纤功率合束器可将多个中等功率的光纤激光器进行功率合成,以获得更高功率的光纤激光输出。国防科技大学于2015年基于自研的、输出光纤为100 μm和50 μm的7×1光纤功率合束器分别实现了大于6 kW的光纤激光合成输出,又于2016年基于自研的、输出光纤为100 μm 的7×1光纤功率合束器实现了12 kW的光纤激光合成输出,并实现了长时间的稳定出光,为国产工业化大功率多模光纤激光的产业化迈出了重要的一步。

为了进一步提高合成光纤激光的光束质量,在实现了输出光纤为100 μm 的12 kW光纤激光合成输出的基础上,进一步改进了光纤功率合束器的关键技术,包括多根光纤紧密组束、组束光纤的低损耗熔融拉锥、熔锥光纤束的切割及与输出光纤的低损耗熔接等技术,最终实现了输入光纤为20/400 μm(数值孔径NA=0.06)、输出光纤为50/70/360 μm(纤芯NA=0.2)的7×1光纤合束器的研制。基于实验室自研的7台2 kW的光纤激光器模块(单元模块的光束质量M²在1.2~1.4之间),在总输入功率为14.3 kW的情况下,经光纤功率合束器后的输

出功率为14.1 kW,整体传输效率大于98.5%,实验结果如图1所示。将光纤合束器放置于带水冷的热沉上进行制冷。光纤激光器连续运行10 min,输出功率稳定,稳定时光纤合束器的温升仅为40 ℃,即温升系数小于3 ℃/kW。在输出功率逐渐增加的过程中,测量的光束质量保持稳定,当输出功率为14 kW时测得M²=5.37。实验中所采用的光纤输出头均由课题组自行研制,输出功率为14 kW时光纤输出头的温升为35 ℃,温升系数小于2.5 ℃/kW。

图 1. 输出功率为14 kW时的光束质量

Fig. 1. Beam quality when output power is 14 kW

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致谢 感谢孙杨梅、谢忆娥、刘鹏、陈俊侣、谷炎然、何加威、陈景春、刘金伟在实验中的帮助。