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近红外全固态被动调Q激光器能够输出高峰值功率、高重复频率和短脉冲的激光，具有结构紧凑、稳定性好、效率高等优点，广泛应用于激光医学、光谱分析、材料加工、光通信等领域[1-3]。被动调Q是目前获得调Q激光的技术之一，其利用可饱和吸收体的可饱和吸收效应实现脉冲的输出，具有结构简单、可自启动等优点，得到了广泛的使用。Cr∶YAG/V∶YAG[4-6]、半导体可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Absorption Mirror，SESAM)[7-10]、石墨烯[11-13]、二硫化钨[14]、碳纳米管[15]等材料作为可饱和吸收体已经应用于近红外被动调Q全固态激光器，并实现了调Q激光的输出。其中，SESAM具有低阈值、可自启动、集成度高等优点[16]，备受研究者关注。
能够实现1 μm激光输出的增益介质主要有Nd3+、Yb3+离子掺杂激光材料。Nd3+离子掺杂激光材料具有量子效率高、吸收光谱宽、辐射寿命长等优点，但Nd3+离子是典型的四能级结构，能级结构较Yb3+离子复杂[17]。另一种常用的掺杂激光材料Yb3+离子具有寿命长，发射光谱宽等激光性能，而且Yb3+离子只有2F7/2和2F5/2 2个量子态能级，能级结构简单，更适合当今的新型高能激光应用[18]。Yb∶YCa4O(BO3)3 (Yb∶YCOB)晶体是一类具有较宽发射光谱和优良激光性能的新型激光增益介质，已成为国内外科研工作者的研究热点[19]。Zhang等[20]采用提拉法生长了Yb∶YCOB晶体，并测量了该晶体的吸收光谱和荧光光谱，发现该晶体的发射波长范围为930~1 130 nm，而且在波长为976.4 nm处具有很强的吸收峰，因此二极管激光器是Yb∶YCOB晶体的理想泵浦源。Yoshida等[21-22]与Gao等[23]先后基于SESAM被动锁模Yb∶YCOB激光器实现了飞秒激光脉冲的输出。Gao等[24]在Yb∶YCOB中实现了克尔透镜锁模，获得了73 fs激光脉冲的输出。在此基础上，基于克尔透镜锁模Yb∶YCOB激光器实现了波长可调谐范围为1 039~1 049 nm的飞秒激光[25]。Chen等[26]采用GaAs作为可饱和吸收体在Yb∶YCOB晶体中实现了工作波长为1 032 nm附近的被动调Q激光。Yang等[27]采用了Bi2Te3拓扑绝缘体作为可饱和吸收体，在Yb∶YCOB中实现了双波长(1 030.3 nm和1 033.3 nm)的被动调Q激光输出。Tian等[28]基于WS2可饱和吸收体实现了双波长(1 033.5 nm和1 036.4 nm)被动调Q Yb∶YCOB激光器。
上述调Q激光器都工作在固定波长，然而波长可调谐被动调Q Yb∶YCOB激光器还未见报道。基于此，本文提出了一种基于SESAM波长可调谐被动调Q Yb∶YCOB激光器的实验方案，并详细分析不同透射率输出镜下调Q激光的输出特性。
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被动调Q Yb∶YCOB激光器的光路如图 1所示。泵浦源是一个商用的976 nm的二极管激光器，其具有105 μm的纤芯直径和0.22的数值孔径，泵浦激光通过1∶1聚焦耦合系统耦合到Yb∶YCOB晶体中。激光增益介质采用尺寸为3×3×2 mm3、Yb3+离子掺杂浓度为10 at.%、沿x向切割的Yb∶YCOB晶体。为了有效地散热，将Yb∶YCOB晶体用铟箔包裹，并置于水冷铜块上，在整个实验过程中将水温控制在12 ℃。M1是平面双色镜，朝谐振腔外的一面在976±10 nm处镀有增透膜，另一面在1 000~1 100 nm处镀有高反膜，用于透过泵浦激光并反射增益激光。M2和M3是曲率半径均为200 mm的凹面镜，在940~1 100 nm范围内镀有高反膜。M4是具有300 mm曲率半径、镀有900~1 100 nm高反膜的凹面镜，用于将增益激光聚焦到SESAM上提供高激光功率密度并且反射增益激光。SESAM(BATOP GmbH)是半导体可饱和吸收镜，工作中心波长为1 064 nm，饱和通量为120 μJ/cm2，饱和吸收率为0.7%，弛豫时间为1 ps。HR是高反镜，在970~1 120 nm范围内镀有高反膜。OC是不同透射率的输出镜，透射率(Transmission)T分别为1.6%@1 040±50 nm、2.5%@1 000~1 100 nm和5.0%@680~1 100 nm，用于反射增益激光并且输出部分增益激光。P是材料为SF6的三棱镜，将其作为激光波长调谐元件。实验中采用功率计(Thorlabs-PM100D Thorlabs-CAL)测量激光的输出功率，相机式光束质量分析仪(CCD)测量光斑强度分布，光谱分析仪(YOKOGAWA AQ6374)测量激光的光谱，示波器(Agilent Technologies DSO9254A)测量激光的脉冲序列。
首先，谐振腔中未插入三棱镜时，采用SESAM作为可饱和吸收体，如图 1中A所示，实现了稳定的调Q激光输出。图 2为调Q激光的平均输出功率随泵浦功率大小变化的曲线。对于T=1.6%、2.5%和5.0%的输出镜，调Q激光的泵浦阈值功率分别为1.6 W、1.2 W、1.6 W，最高输出功率、斜率效率、光光转换效率分别为146 mW、2.73%、2.43%，148 mW、2.91%、2.47%，237 mW、4.81%、3.95%。在泵浦功率为3 W、T=2.5%时，激光光斑强度分布如图 2中插图所示，表明调Q激光运转在基模。
图 3显示了泵浦功率为3 W，T=1.6%、2.5%和5.0%时，调Q激光的时间序列和光谱。图 3a、3d、3g表明在不同透射率下调Q激光脉冲均较为稳定。如图 3b、3e、3h所示，当泵浦功率为3 W，T=1.6%、2.5%和5.0%时，调Q激光的脉冲宽度分别为12.84 μs、12.08 μs和11.25 μs。由于谐振腔长度较长，所以输出的调Q激光的脉冲宽度在μs量级[29]。同时可以看出随着输出镜透射率的增大，脉冲宽度变窄，原因是输出镜透射率越大，谐振腔内的能量放出的速度越快，导致脉冲的宽度变窄[30]。如图 3c、3f和3i所示，在不同透射率下调Q激光的中心波长均位于1 032 nm左右，表明谐振腔内没有波长调谐元件时，输出镜的透射率未影响输出激光的波长。
被动调Q激光器的性能受到多个参数的影响，其中重复频率和脉冲宽度是至关重要的指标。从理论上分析，随着泵浦功率的进一步增大，被动调Q脉冲的重复频率会随之增大，在阈值附近的低泵浦功率下，脉冲宽度急剧减小，在高泵浦功率下缓慢减小[1]。因此，本文记录了在不同泵浦功率和不同透射率输出镜下调Q激光的重复频率和脉冲宽度，如图 4所示。为了防止泵浦功率过大而损坏激光晶体，在实验调节过程中将泵浦功率控制在6 W以内。从图 4可以看出，对于不同透射率的输出镜，调Q激光的重复频率皆呈现起伏增加的趋势，这一现象与理论预测基本吻合。对于T=1.6%、2.5%和5.0%的输出镜，调Q激光重复频率的变化范围分别为13.25~27.14 kHz、18.53~37.66 kHz和14.66~37.77 kHz，脉冲宽度变化范围分别为8.41~23.61 μs、6.06~17.06 μs和7.03~22.65 μs。对于这3个输出镜，在较低泵浦功率下，调Q激光的脉冲宽度均急剧减小，而在较高泵浦功率下，下降趋势均相对缓慢，结果表明脉冲宽度的变化趋势与理论上基本相同。调Q激光的脉冲能量是平均输出功率与重复频率的比值，而峰值功率是调Q激光的脉冲能量与脉冲宽度的比值，通过计算得到了脉冲能量和峰值功率基于泵浦功率不断增大的变化关系，如图 5所示。对于这3个输出镜，随着泵浦功率的增加，脉冲能量和峰值功率均波动增加。
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为了研究激光器波长调谐性能，在输出镜一臂插入三棱镜，光路图如图 1中B所示。通过调整端镜的倾角，实现了波长可调谐激光的输出，实验结果如图 6所示。在泵浦功率为5 W，T=1.6%、2.5%和5.0%时，调Q激光的波长调谐范围分别为1 016~1 038 nm、1 019~1 036 nm和1 019~1 035 nm，对应的波长调谐宽度分别为22 nm、17 nm和16 nm。为了比较调Q激光和连续激光的波长调谐宽度，将SESAM换成HR，研究了连续Yb∶YCOB激光器的波长调谐特性。相同泵浦功率和输出镜下，连续激光的波长调谐范围分别为1 006~1 050 nm、1 005~1 047 nm和1 013~1 041 nm，对应的波长调谐宽度分别为44 nm、42 nm和28 nm。结果表明：随着输出镜透射率的增大，调Q激光和连续激光的波长调谐范围均变窄，原因可能是随着输出镜透射率增大，腔内的功率密度减小，无法形成调Q激光或连续激光。此外，由图 6可知，波长位于1 032 nm附近的激光强度较高，波长偏离1 032 nm的激光强度较低，这是由于Yb3+掺杂浓度为10 at.%的Yb∶YCOB晶体的最强发射峰位于1 032 nm附近[26]。表 1总结了输出激光在连续光状态和调Q状态下的波长调谐范围与调谐宽度。
本文研究了激光波长对调Q激光的重复频率、脉冲宽度等关键参数的影响，如图 7所示。当泵浦功率固定为5 W，T=1.6%、2.5%和5.0%时，调Q激光的重复频率随着激光波长的变化曲线与图 6中调Q激光波长调谐曲线的变化趋势基本一致，而脉冲宽度的变化趋势与图 6中调Q激光波长调谐曲线的变化趋势基本相反，即波长位于1 032 nm附近时，重复频率达到最大值，脉冲宽度达到最小值；偏离1 032 nm时，重复频率下降，脉冲宽度上升。图 7中当输出镜透射率为1.6%和2.5%时，脉冲宽度在输出中心波长附近出现了急剧变化的趋势，原因是输出激光位于中心波长附近时，腔内净增益增强，输出功率增大，且较小透射率的输出镜腔内功率密度更大。图 8显示了调Q激光的脉冲能量和峰值功率与激光波长的关系，从整体上看，调Q激光的脉冲能量和峰值功率的变化趋势几乎与图 6中调Q激光波长调谐曲线的变化趋势一致，说明脉冲能量和峰值功率随着激光强度的增大而增大，但也存在个别下降的点，原因可能是激光器正常运行过程中冷却系统和泵浦系统的振动使得激光器的输出功率不稳定，会产生一定的上下幅值的变化。
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本文实验研究了二极管泵浦的波长可调谐被动调Q Yb∶YCOB激光器的性能。将SESAM应用到二极管泵浦的Yb∶YCOB激光器中，谐振腔中无波长调谐元件时，实现了稳定的1 032 nm工作波长被动调Q激光的输出。在谐振腔中插入三棱镜时，实现了波长可调谐被动调Q激光的输出。输出镜的透射率分别为1.6%、2.5%和5.0%时，调Q激光的波长调谐范围分别为1 016~1 038 nm、1 019~1 036 nm和1 019~1 035 nm，波长调谐宽度分别为22 nm、17 nm和16 nm。未采用SESAM时，实现了波长可调谐连续激光的输出。输出镜的透射率分别为1.6%、2.5%和5%时，连续激光波长调谐范围分别为1 006~1 050 nm、1 005~1 047 nm和1 013~1 041 nm，波长调谐宽度分别为44 nm、42 nm和28 nm。本文系统搭建了波长可调谐被动调Q Yb∶YCOB激光器，拓展了近红外可调谐激光光源的技术路径，所获得的调谐范围与稳定的调Q特性，为其后续在光谱检测、激光雷达与精细加工等领域的应用提供了可靠的实验基础。
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