CN102365795A - 使用回收的中级谐波的腔内谐波产生 - Google Patents

Abstract

一种配置以用于第二级(342)及更高级(352、552、652、782)谐波激光束能量的腔内谐波产生的激光(300、500、600、700、800、900)包含像是曲面映镜的模式-匹配光学组件(360、670、910)以用于回收一中级谐波激光束能量的未经使用部分，藉此改善更高级谐波激光束能量产生效率性(即如第三级或更高级谐波激光束能量产生效率性)，而无须牺牲该更高级谐波激光束能量的光束质量。该曲面映镜可经设置于该激光的一共振激光腔(306)之外。该曲面映镜的曲率半径和位置是经选定，因而该所回收之第二级谐波激光束能量的光束半径及光束发散性在沿一入方第二级谐波激光束之光束路径上各处基本上是与该入方第二级谐波激光束能量的光束半径及光束发散性相同。

Description

使用回收的中级谐波的腔内谐波产生

技术领域

本揭示是关于谐波激光，并且尤其有关于具有效率性的腔内谐波产生。

背景技术

激光系统运用于各种应用项目，包含通讯、医药及微加工。这些应用项目运用各式激光波长及输出功率。尤其，具备一紫外(UV)波长的高功率激光束经广泛地运用。目前并没有能够直接地产生UV激光束的商业可获用增益介质。因此，UV激光束一般说来是经由像是谐波产生的非线性程序所产生。

现有两款这种谐波产生组态，包含一腔外谐波产生组态及一腔内谐波产生组态。腔外组态是在一共振激光腔之外产生谐波。换言之，是在一共振激光腔内产生一激光束并将其导引至一置于该腔体外部处的晶体。而腔内组态则是在一共振激光腔内产生谐波，此方式通常比起腔外组态较有效率。

产生一基本频率的第三级或更高级谐波的激光束，首先必须要产生该基本频率的第二级谐波的激光束。该等腔外及腔内组态通常并不会将所有的第二级谐波光束都转换成第三级或更高级谐波光束。故而该第二级谐波光束的未经使用部份会降低该激光系统的整体效率性，同时减少该所获第三级或更高级谐波光束的功率。

图1为一用以产生一第三级谐波激光束的已知腔内组态的示意图。一激光100运用沿激光腔106的光学路径104所设置的激光介质102，而此激光腔是由末端映镜108和110、光学泵激输入耦合器112和114以及一输出耦合器116所构成。该激光100系以两个激光二极管泵浦118和120所泵激。一光纤122导引由该激光二极管泵浦118所产生的激光辐射，经由该光学泵激输入耦合器114进入该激光腔106。同样地，一光纤124导引由该激光二极管泵浦120所产生的激光辐射，经由该光学泵激输入耦合器112进入该激光腔106。一Q-切换器126，像是一声光Q-切换器(AO-QS)，沿该光学路径104所设置，并依一适当的脉冲重复速率(PRR)所驱动，藉以从激光100获得微短能量脉冲。当一具有基本波长的激光束130，其在末端映镜108与110之间于腔体106里共振时，激光介质102放大激光束130。

一第二级谐波产生(SHG)晶体140沿该光学路径104所设置。当激光束130通过SHG晶体140时，SHG晶体140产生一具有激光束130的一半波长的第二级谐波激光束142。当激光束130及第二级谐波激光束142通过一亦沿该光学路径104所设置的第三级谐波产生(THG)晶体150时，THG晶体150产生一具有激光束130的三分之一波长的第三级谐波激光束152。第二级谐波激光束142虽反射离开该末端映镜110，然一部份并未用于产生该第三级谐波激光束152的第二级谐波激光束142会经由该输出耦合器116以未经使用、遭弃置的第二级谐波激光束144的方式离开该腔体106。浪费未经使用的第二级谐波激光束144会降低自基本谐波至第三级谐波的转换效率，同时减少可另获得的第三级谐波激光束152总功率。第三级谐波激光束152具有期望波长(即如一355nm的UV波长)，并且经由输出耦合器116作为一输出激光束154离开腔体106。因此，输出耦合器116对于该激光束130具有高度反射性，而对于第二级谐波激光束142及第三级谐波激光束152则是抗反射性。为便于说明的目的，激光束130、142及152显示为彼此轴向位移。

Zhou等人的美国专利案第5,943,351号说明一种改善自第二级谐波光束产生第三级或更高级谐波光束的效率的尝试。如图2所示，激光200包含一腔体，其具有第一映镜210、激光发光棒220、声光Q-切换器222、第二映镜250、SHG晶体230、第三映镜252、THG晶体232及第四映镜254。主腔体是由映镜210及254所构成，其利用一棒形Nd:YAG 220导致一基本光束212的震荡于1064nm。映镜250及254构成该腔内第二级谐波产生(亦即532nm)的第一子腔体，藉以于其内产生第二级谐波光束214，并且映镜252及254构成该第三级谐波产生(亦即355nm)的第二子腔体，藉以于其内产生第三级谐波光束216。

利用映镜250导致显著劣化的第三级或更高级谐波光束质量，原因是每次第二级谐波光束214通过THG晶体232时，该第二级谐波光束214的光束模式都会不同。例如，在SHG晶体230产生第二级谐波光束214之后，当自SHG晶体230朝向映镜254传播时(假设该第四映镜254符合于一光束腰宽)该第二级谐波光束214会收敛。当第二级谐波光束214通过该THG晶体232时，一部份的第二级谐波光束214会被用于产生第三级谐波光束216，而一部份的第二级谐波光束214则将剩余未经使用的。在第二级谐波光束214的未经使用部分反射出映镜254之后，当自该映镜254朝向映镜250传播时，第二级谐波光束214的未经使用部份会发散。而在第二级谐波光束214的未经使用部分反射出该映镜250之后，第二级谐波光束214的未经使用局部会在朝向该映镜254的方向上维持发散，并且当其后续地在映镜250与254之间传播时会继续发散(假设该映镜250为一平面映镜)。因此，每次第二级谐波光束214的未经使用部分通过该THG晶体232时，该第二级谐波光束214未经使用部分的光束模式(即如光束半径及光束发散性)将有所不同，而这会造成显著劣化的第三级或更高级谐波光束质量以及转换效率。从而，即如Zhou案文里第6-9列第9行里所提到，该第三级或更高级谐波光束的质量因子(亦即M²因子)为1.6，此值可能会大于无回收该第二级谐波光束214的未经使用部分所能够获得者。作为一参考点，一经绕射限制的高斯光束具有一1.0的M²因子。

因此，本发明既已认知到需要一种用以回收中级谐波光束(即如第二级谐波光束)的未经使用部分以改善更高级谐波光束产生效率(即如第三级或更高级谐波光束产生效率)，而无须牺牲更高级谐波光束质量的系统及方法。

附图说明

图1为一先前技术激光的示意图，其产生第三级谐波激光束而无回收第二级谐波激光束的未经使用部分。

图2为一先前技术激光的示意图，其在产生第三级谐波激光束时回收第二级谐波激光束的未经使用部分，然导致明显地劣化的第三级谐波光束品质。

图3为一激光的示意图，而根据一实施例，其藉由回收第二级谐波激光束的未经使用部分以有效率地产生第三级谐波激光束，并同时维持第三级谐波光束质量。

图4A为一先前技术最低级高斯光束自其腰部发散的图示。

图4B为一说明各种先前技术光学组件及相关转换矩阵的示意图。

图4C为一图形说明在一脉冲重复速率的范围上第三级谐波光束功率的变化。

图5、6、7及8为激光的示意图，而根据各种实施例，其藉由回收第二级谐波激光束的未经使用部分以有效率地产生第四级谐波激光束，并同时维持第四级谐波光束质量。

图9为一激光的示意图，而根据一实施例，其藉由回收第二级谐波激光束的未经使用部分和第三级谐波激光束的未经使用部分以有效率地产生第四级谐波激光束，并同时维持第四级谐波光束质量。

具体实施方式

参照于随附图式，本节说明多项特定实施例以及该些的详细建构与运作方式。描述于此的实施例仅以说明方式被提出。按照于此的教示，熟习本项技术者将认知可以有明显地或是固有地教示于此的均等内容存在。例如，可对本文所揭示的实施例加以变化，同时其它实施例亦为可行。

为清晰与简明的目的，部份实施例的构件或步骤的部份态样经提出而无过度的细节，其中按照教示于此的细节对于熟习本项技术者为明显的，且/或该细节将混淆对于该等具体实施例的较适切态样的了解。

图3为一激光300的示意图，而根据一实施例，其可藉由回收第二级谐波激光束的未经使用部分有效率地产生第三级谐波激光束372，并同时维持第三级谐波光束质量。激光300运用一激光介质302，其是沿由末端映镜308及310、光学输入耦合器312及光学能量耦合器314所构成的驻波共振激光腔302的光学路径304所设置。较佳地，激光介质302是经介置于该光学输入耦合器312与该光学能量耦合器314之间，然激光介质302可被置于沿光学路径304上的其它位置处。激光介质302较佳地包含一常见的固态激光激射物(lasant)或增益介质，像是YAG、YLF、YVO₄、YALO、蓝宝石、翠绿宝石或者CrLiSAF合成物，其以Nd、Yb、Er、Cr或Tm掺杂。激光介质302较佳地产生具有红外线(IR)基本波长的激光辐射或激光束能量，像是750-800nm、1064nm、1047nm或1320nm，然亦可产生其它像是可见光波长的各种波长。此外，其它可被运用的激光介质或其它类面的激光，包含气体、CO₂、准分子或铜蒸汽激光。其它在所属技术领域中所众知的组件，像是用以固持构件的结构框架，被包含于激光300内，然为说明清楚，未显示于图3中。

该激光300是由一激光二极管泵浦318所光学泵激。光纤320导引由激光二极管泵浦318所产生的激光辐射，穿过含有一对平-凸透镜323及324的透镜组件322，该组件经由光学泵激输入耦合器312将激光辐射聚焦于激光介质302上。另一激光二极管泵浦可连同一相关光纤及透镜组件被提供，藉以经由该光学能量耦合器314泵激激光300。如此，激光300可被泵激经由输入耦合器312、光学能量耦合器314，或是两者。根据一较佳实施例，由激光二极管泵浦318所产生的激光辐射具有约880至900nm的波长。较佳地，光学泵激输入耦合器312经介置于该末端映镜308与该光学能量耦合器314之间，然光学泵激输入耦合器312可置于沿光学路径304上的各处。当一具有一基本波长的激光束330(即如激光束能量)在该等末端映镜308及310之间的共振激光腔306内共振或震荡时，该激光介质302将激光束330放大至一选定光学功率。提供一单一共振激光腔306以建构激光束330有助于确保在该共振激光腔306内的基本激光束能量为自我锁相。若该基本激光束能量是由另一共振激光腔产生并且被射入至该腔体306内，则可能需要一回馈回路以将该进来的基本激光束能量的相位锁定于该腔体306内的基本激光束能量。激光介质302虽较佳地由二极管激光或二极管激光数组泵激的连续波(CW)，然任何常见的激光泵激装置或激光泵激机制皆可被运用。例如，该激光介质302可被末端泵激或侧边泵激。此外，激光300可为脉冲泵激激光。

一Q-切换器332沿光学路径304上置于共振激光腔306内。较佳地，Q-切换器332是经介置于该末端映镜308与该光学泵激输入耦合器312之间，然Q-切换器332可置于沿该光学路径304上的其它位置处。Q-切换器332以一适当脉冲重复速率(PRR)所驱动，藉以自激光300获得微短能量脉冲。如此，Q-切换器332有助于产生高强度脉冲，其有助于改善更高级谐波产生效率。根据一些实施例，Q-切换器332可被省略。Q-切换器332较佳地包含一声光Q-切换器(AO-QS)，然可包含其它能够在低耗损与高耗损状态之间进行快速切换的装置，像是电光Q-切换器、机械Q-切换器或被动Q-切换器。

一非线性介质340是于该共振激光腔306之内沿该光学路径304所设置。较佳地，非线性介质340是经介置于该光学能量耦合器314与该末端映镜310之间，然非线性介质340可置于沿光学路径304上的任何位置处。非线性介质340的指向较佳地让激光束330能够以法向入射的方式撞击非线性介质340的光学表面。当激光束330通过非线性介质340时，非线性介质340产生一激光束342，其具有的波长为基本波长的分数。换言之，该非线性介质340与沿光学路径304以基本波长行进的激光束能量的至少一部份交互作用，并将其转换为具有波长为基本波长的谐波分数的激光束能量。较佳地，非线性介质340包含非线性晶体，其调适以自该基本波长产生第二级谐波波长，像是AgGaS₂(硫镓银)、AgGaSe₂、BBO、BIBO(三硼酸铋)、KTA(砷酸钛氧钾，KTiOAsO₄)、KTP、KDP(磷酸二氢钾，KH₂PO₄)、KD*P/KDP、LiNbO₃(铌酸锂)、LiIO3(碘酸锂)、LBO以及其等的衍生物。较佳地，非线性晶体经组态设定为第II类相位匹配，然若运用像是一或更多波板的额外组件，则非线性晶体亦可经组态设定为第I类相态匹配。此外，非线性晶体可包含一布鲁斯特角(Brewster)切面晶体。因此，非线性介质340较佳地产生具有激光束330的一半波长(亦即该激光束330基本频率两倍的频率)的激光束342。

可选择地将一抗反射(AR)镀膜应用于该非线性介质非线性介质340。例如，单一或多层介电质镀膜在基本及第二级谐波波长处具有AR特征，其可之应用于非线性介质340的光学表面上。

一更高级谐波非线性介质350亦在该共振激光腔306内沿该光学路径304所设置。因此，更高级谐波非线性介质350光学相关于共振激光腔306。较佳地，更高级谐波非线性介质350经介置于该非线性介质340与该末端映镜310之间，然该更高级谐波非线性介质350亦可被设置在沿该光学路径304上的其它位置处。更高级谐波非线性介质350的指向较佳地让激光束330、激光束342或两者能够以法线方向入射的方式撞击更高级谐波非线性介质350的光学表面。更高级谐波非线性介质350将具有谐波波长的激光辐射或能量，像是第一级谐波、第二级谐波、第三级谐波或是一或更多的第一、第二或第三级谐波的组合，转换成具有一或更多选定谐波波长的激光辐射，像是第二级谐波、第三级谐波、第四级谐波或第五级谐波。在一较佳实施例里，更高级谐波非线性介质350将具有基本波长的激光辐射以及具有第二级谐波波长的激光辐射转换为具有第三级谐波波长的激光辐射。如此，当该激光束330及该激光束342通过该更高级谐波非线性介质350时，该更高级谐波非线性介质350产生一具有激光束330的三分之一波长(亦即频率为激光束330的基本频率的三倍)的激光束352。更高级谐波非线性介质350可包含任一参照该非线性介质340所述的非线性晶体，且可含有与该非线性介质340相同或不同的非线性晶体。非线性晶体可经组态设定为第I类或第II类相位匹配。

激光束330、342及352虽沿光学路径304至少一部分重迭传播(即如激光束330及342是于该光学能量耦合器314与该末端映镜310之间重迭，并且激光束330、342及352是于该末端映镜310与一腔内输出耦合器370之间重迭)，然该等激光束330、342及352显示为彼此轴向位移以便于说明。

可选择地将一AR镀膜应用于更高级谐波非线性介质350。例如，单一或多层介电质镀膜在基本波长、第二级谐波波长及第三级谐波波长处具有AR特征，可应用于更高级谐波非线性介质350的光学表面上。

光学能量耦合器314沿光学路径304而置于该共振激光腔306内。因此，与激光介质302及非线性介质340光学相关地设置光学能量耦合器314。较佳地，光学能量耦合器314经介置于激光介质302与非线性介质340之间，然光学能量耦合器314亦可经设置于沿该光学路径304上的其它位置处。根据一较佳实施例，光学能量耦合器314为一平面映镜，其经调适以对激光束330为反射性并且对激光束342为抗反射性。因此，光学能量耦合器314实质上可分离激光束330及激光束342。例如单一或多层介电质镀膜在基本波长处具有高度反射性(HR)特征，像是超过约99.5％反射率，并且在第二级谐波波长处具有AR特征，像是低于约5％反射率，将其应用于该光学能量耦合器314。根据一较佳实施例，一镀膜经应用于该光学能量耦合器314的两个相对光学表面。第一镀膜应用于光学能量耦合器314中面向激光介质302及非线性介质340的光学表面，在基本波长处(即如1064nm)、入射角约45°，其具有HR特征，像是超过约99.5％的反射率，并且在第二级谐波波长处(即如532nm)、入射角约45°，其具有AR特征，像是低于约5％反射率。第二镀膜应用于该光学能量耦合器314中面向一曲面映镜360的光学表面，在第二级谐波波长处(即如532nm)、入射角约45°，其具有AR特征，像是低于约1％反射率。因此，光学能量耦合器314导引几乎所有入射的基本激光束于激光介质302与非线性介质340之间。此外，光学能量耦合器314导引几乎所有入射的第二级谐波激光束能量离开共振激光腔306。因此，由该光学能量耦合器314反射的第二级谐波激光束能量，其未作为残余第二级谐波激光束能量(即如激光束342在光学能量耦合器314与曲面映镜360之间的部份)离开该共振激光腔306。在光学能量耦合器314处，第二级谐波激光束能量与基本激光束能量的分离可有助于避免损伤到激光介质302及其它光学组件。

残余第二级谐波激光束能量藉由模式-匹配光学组件360反射回共振激光腔306，其是与光学能量耦合器314光学相关地设定。根据一较佳实施例，该些模式-匹配光学组件360包含一曲面映镜。反射的残余第二级谐波激光束能量会传播通过更高级谐波非线性介质350，因此更高级谐波非线性介质350可将至少一部份的反射残余第二级谐波激光束能量转换成激光束352。故而，残余第二级谐波激光束能量是能够回收的(而非浪费)，并且用以产生额外的更高级激光束能量(即如第三级谐波激光束能量)。

即如后文所将进一步详述者，曲面映镜360的曲率半径及位置经选定，因而反射的残余第二级谐波激光束能量的光束模式(即如光束半径及光束发散性)会大致匹配于该残余第二级谐波激光束能量的光束模式。换言之，曲面映镜360的曲率半径及位置(即如相关于光学能量耦合器314)是经选定，因而反射的残余第二级谐波激光束能量的光束半径和光束发散性，其基本上与沿进来的第二级谐波激光束的光束路径的各个位置处(即如在该末端映镜310与该曲面映镜360之间)的进来的第二级谐波激光束能量的光束半径和光束发散性相同。维持大致均匀的激光束342光束半径和光束发散性有助于改善更高级激光束能量(即如第三级谐波激光束能量)产生效率，而不致影响更高级激光束能量的光束模式，同时亦不明显地劣化更高级激光束能量的光束质量。

例如，激光300可经设计使得末端映镜310被置于与基本激光束能量的光束腰宽符合处。因此，当基本激光束能量自光学能量耦合器314传播至末端映镜310时，基本激光束能量会收敛。此外，当由非线性介质340自基本激光束能量的至少一部份所产生的第二级谐波激光束能量从非线性介质340传播至末端映镜310时，第二级谐波激光束能量会收敛。一部份的第二级谐波激光束能量并未被更高级谐波非线性介质350用来产生第三级谐波激光束能量。因此，第二级谐波激光束能量中未经使用部分会被末端映镜310反射，并且传播往返于该等映镜310及360之间。

被末端映镜310反射之后，基本激光束能量开始发散，同时第二级谐波激光束能量的未经使用部分开始发散。因此，当基本激光束能量自末端映镜310朝向光学能量耦合器314传播时发散。当发散基本激光束能量朝向光学能量耦合器314的方向通过该非线性介质340时，非线性介质340产生额外的第二级谐波激光束能量。因此，该残余第二级谐波激光束能量可含有额外的第二级谐波激光束能量(即如当该基本激光束能量在朝向光学能量耦合器314的方向上通过非线性介质340时所产生的第二级谐波激光束能量)以及该第二级谐波激光束能量的未经使用部分。当该第二级谐波激光束能量的未经使用部分自末端映镜310朝向该光学能量耦合器314传播时亦会发散。假使映镜360为平面，则该第二级谐波激光束能量在被映镜360反射之后会继续发散。因此，每次当该第二级谐波激光束能量通过更高级谐波非线性介质350时，该第二级谐波激光束能量的光束模式(即如光束半径及光束发散性)会不同，并且会导致明显地劣化的第三级谐波激光束能量光束品质。因此，曲面映镜360的曲率半径及位置是经选定，故而由曲面映镜360反射的第二级谐波激光束能量的光束模式可大致匹配于该进来的第二级谐波激光束能量的光束模式(即如由非线性介质340自该基本激光束能量所产生的第二级谐波激光束能量的光束模式)。换言之，曲面映镜360的曲率半径及位置是经选定，使得该第二级谐波激光束能量在被该曲面映镜360反射后会开始收敛(即如与由该非线性介质340所产生的第二级谐波激光束能量相类似或等同的方式)。

曲面映镜360的曲率半径及位置可依据该激光300的设计而变。例如，若非线性介质340产生高斯第二级谐波光束，则曲面映镜360的曲率半径是经选定以在曲面映镜360的位置处大致匹配于该第二级谐波光束的高斯光束波前的曲率半径。换言之，首先以曲面映镜360的给定位置计算高斯光束波前的曲率半径。然后，选定曲面映镜360的曲率半径以大致匹配于所算得的高斯光束波前曲率半径(在曲面映镜360的位置处)，因而保留反射光束的第二级谐波模式。在一特定位置处，高斯光束波前的曲率半径可由该光束的波长、在该光束腰宽处的光束半径、光束质量因子(M²)以及与该光束腰部的距离所决定。

例如，图4A为一最低级高斯光束(亦即M²＝1)的图示，其自其腰宽处散离。高斯光束在另一平面z处的正规化的场形以等式1及等式2表示，其中w₀为腰宽半径，并且依据等式3中的定义，复数曲率半径q(z)与在任何平面z处该波前的光点大小w(z)和曲率半径R(z)有关。

$\tilde{u}(x,y,z)={\left(\frac{2}{\mathrm{\π}}\right)}^{1/2}\frac{{\tilde{q}}_0}{w_0{\tilde{q}}_0\left(z\right)}\exp [-\mathrm{jkz}-\mathrm{jk}\frac{x^2+y^2}{2\tilde{q}\left(z\right)}]---\left(1\right)$

$\tilde{u}(x,y,z)={\left(\frac{2}{\mathrm{\π}}\right)}^{1/2}\frac{\exp [-\mathrm{jkz}+j\mathrm{\ψ}\left(z\right)]}{w\left(z\right)}\exp [-\frac{x^2+y^2}{w^2\left(z\right)}-\mathrm{jk}\frac{x^2+y^2}{2R\left(z\right)}]---\left(2\right)$

$\frac{1}{\tilde{q}\left(z\right)}\≡[\frac{1}{R\left(z\right)}-j\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{w}^2\left(z\right)}]---\left(3\right)$

等式(4)里显示该复数曲率半径q(z)的初始值(即如在该光束腰部处)，其中λ为光束传播中辐射的波长。

${\tilde{q}}_0=j\frac{\mathrm{\π}{w_0}^2}{\mathrm{\λ}}=\mathrm{jzR}---\left(4\right)$

因此，若在一位置z处的复数曲率半径q(z)为已知，则可由q(z)计算出波前的曲率半径R。

一光束的复数曲率半径q(z)会随着光束传播通过各种光学组件而改变，像是自由空间或一透镜。因此，在传播通过一或更多光学组件后的复数曲率半径q(z)可由位于一已知位置处的复数曲率半径q(z)所算得。光束腰部大小、光束腰部位置及光束质量因子(M²)可经由测量获得。因此，能够利用等式4来算出位于光束腰宽处的复数曲率半径q(z)。

可藉由一转换矩阵，像是等式5所示的转换矩阵，以数学方式来表示一光学组件。图4B说明各种光学组件以及相关的转换矩阵。对于其它光学组件的转换矩阵为属众知。光学组件410代表自由空间，光学组件420代表一平面介电接口，光学组件430代表一具有一厚度L的平面介电厚片，以及光学组件440代表一球面映镜。可运用矩阵乘法规则以推导出一多构件系统的单一转换矩阵。

$\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right)---\left(5\right)$

可由已知的复数曲率半径q1(像是位于光束腰宽处)和光学组件转换矩阵计算出光束经传播通过该光学构件之后的复数曲率半径q2，即如等式6所示。

$q2=\left(\frac{\mathrm{Aq}1+B}{\mathrm{Cq}1+D}\right)---\left(6\right)$

若该光束品质因子(M²)大于一，则波前曲率半径会与具有如等式7所示的腰宽半径的最低级高斯光束相同，其中w₀为光束腰宽半径。

$\frac{w_0}{\sqrt{M^2}}---\left(7\right)$

范例

藉由范例，图3的末端映镜310被置于与光束腰宽符合处，并且曲面映镜360是经置于距离末端映镜310为282mm处。(第二级谐波光束的)高斯光束波前的曲率半径在距离该末端映镜310为282mm处经计算为400mm。因此，曲面映镜360可被选择为凹面形状，且曲面映镜360的曲率半径经选定为400mm。因此，当第二级谐波光束在一由末端映镜310和曲面映镜360所定义的腔体之内于该末端映镜310与该曲面映镜360间往返传播时，第二级谐波光束的光束半径与光束发散性沿光束路径上各处被维持。

操作上，具有如图3所示的组态的激光产生具有1.2光束质量因子(M²)及平均功率2.73瓦特的第三级谐波光束。曲面映镜360具有400mm曲率半径并且被置于距离末端映镜310为282mm处。其基本光束波长为1064mm，第二级谐波波长为532mm以及第三级谐波波长为355mm。激光介质302是以30瓦特激光二极管318所泵激，并且Q-切换器332是以100kHz的脉冲重复速率(PRR)所驱动。藉由回收第二级谐波激光束，第三级谐波光束功率可提高约35％。如图4C所示，改变脉冲重复速率造成第三级谐波光束功率(平均功率)略微变化。第三级谐波光束功率的范围自70kHz PRR之下的约3.14瓦特至在100kHz PRR之下的约2.73瓦特。

若曲面映镜360的位置是经调整(即如移动靠近末端映镜310)，则可计算出该高斯光束波前在所调整位置处的曲率半径，因此能够针对该曲面映镜360选定一相对应的曲率半径。同理，可调整曲面映镜360的位置以补偿在该曲面映镜360的曲率半径上的变化。此外，若末端映镜310从一平面映镜改变成一曲面映镜，则可据以调整曲面映镜360的位置、曲面映镜360的曲率半径，或是两者，因而保留在映镜310及360间所反射的光束的第二级谐波模式。虽被提出的范例中曲面映镜360经选定以具有凹面形状，然曲面映镜360亦可能被选定为具有凸面形状(即如当反射时可令反射的光束发散)或是一平面形状(即如曲率半径可经选定为无限大)。

此外，包含一或更多透镜的模式-匹配光学组件及曲面映镜360可被用于将反射的残余第二级谐波激光束能量的光束模式匹配于残余第二级谐波激光束能量的光束模式。例如，一透镜(或一个以上的透镜)可被介置于光学能量耦合器314和曲面映镜360之间。因此，曲面映镜360可具有设定为无限大的曲率半径，以及透镜可具有选定的曲率半径(即如以令光束收敛或发散)、位置(即如相关于曲面映镜360)，或是两者，故而反射的第二级谐波激光束能量(即如由曲面映镜360所反射的第二级谐波激光束能量)的光束半径及光束发散性，沿进入的第二级谐波激光束能量的光束路径上各个位置处(即如在该末端映镜310与该曲面映镜360之间)，实质上与进入的第二级谐波激光束能量的光束半径及光束发散性相同。该透镜亦可连同于该曲面映镜360的曲率半径以协助保留第二级谐波光束模式(即如若曲面映镜360的曲率半径并未被设定为无限大)。例如，由曲面映镜360的曲率半径、曲面映镜360的位置、透镜的曲率半径及该透镜的位置的组合是经选定，故而反射的第二级谐波激光束能量的光束半径及光束发散性，沿进入的第二级谐波激光束能量的光束路径上各个位置处，实质上与进入的第二级谐波激光束能量的光束半径及光束发散性相同。当透镜被介置于曲面映镜360与光学能量耦合器314之间时，透镜(或一个以上透镜)可被置于沿第二级谐波激光束能量的路径上的任何位置处，以保留第二级谐波光束模式。此外，根据一实施例，该些模式-匹配光学组件包含一或更多透镜，其被用以将反射的残余第二级谐波激光束能量的光束模式匹配于残余第二级谐波激光束能量的光束模式。

曲面映镜360较佳地置于共振激光腔306的外部，然可置于共振激光腔306之内。将曲面映镜360置于共振激光腔306的外部可简化将曲面映镜360校准于末端映镜310的程序。例如，可调整曲面映镜360的位置而不影响到激光束330。此外，将曲面映镜360置于共振激光腔306的外部可简化曲面映镜360的设计。例如，可依据第二级谐波激光束来选定曲面映镜360的曲率半径而无须考虑基本激光束。进一步地，曲面映镜360第二级谐波激光束能量可被设计以具有HR特征，而无须设计曲面映镜360对于其它波长，以具有HR特征或AR特征，像是基本激光束能量或一第三级谐波激光束能量的波长。例如，在第二级谐波波长处(即如532nm)具有HR特征的镀膜，像是超过约99.8％反射率，应用于曲面映镜360朝向光学能量耦合器314的光学表面上。因此，具有有较高反射率、较低复杂度并且可能较为低廉的单一或多层介电镀膜可被应用于曲面映镜360。此外，将额外的组件置于共振激光腔306内增加腔体损失，其导致输出功率减少。进一步地，将额外的组件置于共振激光腔306内可能会导致可靠性的问题。因此，将曲面映镜360置于共振激光腔306之外有助于产生较有效率且较可靠的激光，其具有较高输出功率。

根据一实施例，一腔内输出耦合器370是沿光学路径304置于共振激光腔306之内。因此，输出耦合器370与非线性介质340及更高级谐波非线性介质350光学相关地设置。较佳地，输出耦合器370置于非线性介质340与更高级谐波非线性介质350之间，然输出耦合器370可置于沿该光学路径304上的任何位置处。根据一较佳实施例，输出耦合器370为一平面映镜，经调适为对于激光束352为反射性并且对于激光束330及342为抗反射性。因此，输出耦合器370实质上可将激光束352与激光束330及342分离。例如，单一或多层介电质镀膜在第三级谐波波长处具有HR特征，像是超过约95％反射率，并且在基本波长及第二级谐波波长处具有AR特征，像是低于约1％反射率，可应用于输出耦合器370。根据一较佳实施例，镀膜为经用于输出耦合器370的两个相对光学表面。第一镀膜应用于输出耦合器370面向非线性介质350的光学表面，在第三级谐波波长处(即如355nm)、入射角10°时，其具有HR特征，像是超过约95％的反射率，并且在入射角10°时，具有AR特征，像是在基本波长处(即如1064nm)低于约1％的反射率，以及在第二级谐波波长处(即如532nm)低于约3％的反射率。第二镀膜应用于输出耦合器370面向非线性介质350的光学表面，入射角10°时，在基本波长处(即如1064nm)和第二级谐波波长处(即如532nm)具有AR特征，像是低于约0.5％的反射率。因此，输出耦合器370几乎导引所有入射的第三级谐波激光束能量离开共振激光腔306。此外，输出耦合器370允许几乎所有入射的基本激光束能量和第二级谐波激光束能量传播通过输出耦合器370。因此，反射的第三级谐波激光束能量经由输出耦合器370离开共振激光腔306而作为输出第三级谐波激光束372。在输出耦合器370处，第三级谐波激光束能量与基本激光束能量和第二级谐波激光束能量的分离可有助于避免非线性介质340、激光介质302及其它光学构件受到该第三级谐波激光束能量的损害。第三级谐波激光束能量可藉由其它方式离开共振激光腔306。例如末端映镜310可包含在第三级谐波波长处(即如355nm)具有AR特征的镀膜，藉以让第三级谐波激光束能量经由末端映镜310离开共振激光腔306。此外，一反射的、色散的或透光的输出耦合器可与更高级谐波非线性介质350光学相关地设置，藉以让第三级谐波激光束能量能够离开共振激光腔306。

根据一较佳实施例，末端映镜308为一平面映镜经调适以对于激光束330具有反射性。例如，单一或多层介电质镀膜在基本波长处(即如1064nm)以法线方向入射具有HR特征，像是超过约99.8％的反射率，其可被应用于末端映镜308。末端映镜310较佳地为一平面映镜经调适以对于激光束330、342及352具有反射性。例如，单一或多层介电质镀膜具有HR特征，像是在基本波长处(即如1064nm)以法线方向入射，超过约99.5％反射率，并且在第二级谐波波长处(即如532nm)和在该第三级谐波波长处(即如355nm)以法线方向入射，超过约99％反射率，其可被应用于末端映镜310。光学输入耦合器312较佳地为一平面映镜经调适以对于激光束330具有反射性，并且对于由激光二极管泵浦318所产生的激光辐射具有透光性。例如，单一或多层介电镀层在基本波长处具有高度反射性(HR)特征，像是超过约99.5％的反射率，并且在由激光二极管泵浦318所产生的波长处具有AR特征，像是低于约2％的反射率，其可应用于光学输入耦合器312。根据一较佳实施例，一镀膜被应用于光学输入耦合器312的两者相对光学表面。第一镀膜应用于光学输入耦合器312朝向激光介质302的一光学表面，在该基本波长处(即如1064nm)、入射角约45°时，具有HR特征，像是超过约99.5％的反射率，并且在由激光二极管泵浦318所产生的波长处(即如约880至900nm)、入射角约45°时，具有AR特征，像是低于约2％的反射率。第二镀膜应用于光学输入耦合器312朝向透镜组件322的一光学表面，在由该激光二极管泵浦318所产生的波长处(即如约880至900nm)、入射角约45°时，具有AR特征，像是低于约0.8％的反射率。

图5为一激光500的示意图，根据一实施例，其藉由回收第二级谐波激光束的未经使用部分以有效率地产生第四级谐波激光束572并同时维持第四级谐波光束质量。激光500类似于参照图3的激光300，然经调适以产生第四级谐波激光束572。

激光500并入一更高级谐波非线性介质550而取代更高级谐波非线性介质350。更高级谐波非线性介质550经调适以将具有该第二级谐波波长的激光辐射或能量转换成具有第四级谐波波长的激光辐射。更高级谐波非线性介质550是由末端映镜308及末端映镜510所构成的共振激光腔306内沿该光学路径304所设置。因此，更高级谐波非线性介质550为光学相关于共振激光腔306。较佳地，更高级谐波非线性介质550是经介置于非线性介质340与末端映镜510之间，然更高级谐波非线性介质550可置于沿光学路径304上的其它位置处。更高级谐波非线性介质550指向较佳地让激光束330、激光束342或两者能够以法线方向入射撞击到更高级谐波非线性介质550的光学表面。当激光束342通过更高级谐波非线性介质550时，更高级谐波非线性介质550产生具有激光束330的四分之一波长(亦即频率为激光束330的基本频率的四倍)的激光束552。更高级谐波非线性介质550可含有参照于非线性介质340及350的任何非线性晶体，并且可含有与非线性介质340及350相同或不同的非线性晶体。根据一较佳实施例，更高级谐波非线性介质550包含经组态设定与类型I相位匹配的双倍晶体，然该晶体亦可经组态设定与类型II相位匹配。

激光束330、342及552虽沿至少一部份的光学路径304重迭传播(即如激光束330及342在光学能量耦合器314与末端映镜510间重迭，并且激光束330、342及552在末端映镜510与腔内输出耦合器570间重迭)，然激光束330、342及552显示为彼此轴向位移以便于说明。

一AR镀膜可选择性地应用于更高级谐波非线性介质550。例如，单一或多层介电质镀膜在基本波长、第二级谐波波长、第三级谐波波长及第四级谐波波长处具有AR特征，其可被应用于更高级谐波非线性介质550的光学表面上。

末端映镜510类似于末端映镜310，然经调适以对于激光束330、342及552具有反射性。例如，单一或多层介电质镀膜在基本波长、第二级谐波波长及第四级谐波波长处具有HR特征，像是超过约99％的反射率，其可应用于末端映镜510。

根据一实施例，腔内输出耦合器570是沿光学路径304置于共振激光腔306内。腔内输出耦合器570类似于输出耦合器370，然经调适以对于激光束552具有反射性，并且对于激光束330及342具有抗反射性。因此，输出耦合器570实质上可将激光束552与激光束330及342分离。例如，单一或多层介电质镀摩在第四级谐波波长处具有HR特征，像是超过约95％的反射率，并且在基本波长及第二级谐波波长处具有AR特征，像是低于约1％的反射率，其可应用于该输出耦合器570。因此，输出耦合器570导引几乎所有入射的第四级谐波激光束能量离开共振激光腔306。此外，输出耦合器570允许几乎所有入射的基本激光束能量及第二级谐波激光束能量传播通过该输出耦合器570。因此，反射的第四级谐波激光束能量经由输出耦合器570离开共振激光腔306而作为输出第四级谐波激光束能量572。在输出耦合器570处，第四级谐波激光束能量与基本激光束能量和第二级谐波激光束能量的分离可有助于防止第四级谐波激光束能量对非线性介质340、激光介质302和其它的光学组件造成损伤。第四级谐波激光束能量可以其它方式离开共振激光腔306。例如，末端映镜510可含有在第四级谐波波长处具有AR特征的镀膜，以允许第四级谐波激光束能量经由末端映镜510离开共振激光腔306。此外，反射性或透光性输出耦合器与更高级谐波非线性介质550光学相关地设置一，以允许第四级谐波激光束能量离开共振激光腔306。

曲面映镜360的曲率半径及位置(即如相关于光学能量耦合器314)如参照图3所述而选定。因此，曲面映镜360的曲率半径及位置是经选定，故而反射的第二级谐波激光束能量的光束半径和光束发散性，沿进入的第二级谐波激光束能量的光学路径上的各个位置处(即如在末端映镜510与曲面映镜360之间)，实质上与进入的第二级谐波激光束能量的光束半径和光束发散性相同。此外，类似或等同于参照图3所述的模式-匹配光学组件被利用，使反射的第二级谐波激光束能量的光束模式与进入的第二级谐波激光束能量的光束模式匹配。维持大致均匀的激光束342光束半径和光束发散性有助于改善第四级谐波激光束能量产生效率性，而不影响第四级谐波激光束能量的光束模式，且不明显地劣化第四级谐波激光束能量的光束品质。

图6为一激光600的示意图，根据另一实施例，其藉由回收第二级谐波激光束的未经使用部分以有效率地产生第四级谐波激光束672，同时维持第四级谐波光束质量。激光600类似于参照图3所述的激光300，然经调适藉由置于共振激光腔306外部的更高级谐波非线性介质650产生第四级谐波激光束672。

激光600并入更高级谐波非线性介质650而取代更高级谐波非线性介质350。更高级谐波非线性介质650经调适以将具有第二级谐波波长的激光辐射或能量转换成具有第四级谐波波长的激光辐射。更高级谐波非线性介质650是置于由末端映镜308和末端映镜610所构成的共振激光腔306的外部，因此更高级谐波非线性介质650是光学相关于共振激光腔306。较佳地，更高级谐波非线性介质650置于末端映镜610相对于非线性介质340的一侧上。更高级谐波非线性介质650指向较佳地让激光束341能够以法线方向入射撞击更高级谐波非线性介质650的光学表面。当激光束342通过更高级谐波非线性介质650时，更高级谐波非线性介质650产生具有激光束330的四分之一波长(亦即频率为激光束330的基本频率的四倍)的激光束652。更高级谐波非线性介质650可包含任一参照于非线性介质340及350所述的非线性晶体，并且可包含与非线性介质340及350相同或不同的非线性晶体。根据一较佳实施例，更高级谐波非线性介质650包含一经组态设定与类型I相位匹配的双倍晶体，然晶体亦可经组态设定与类面II相态匹配。

激光束330及342虽沿至少一部份的光学路径304重迭传播(即如激光束330及342在光学能量耦合器314与末端映镜610间重迭)，然激光束330及342显示为彼此轴向位移以便于说明。此外，激光束342及652虽在末端映镜610与曲面腔外输出耦合器670间重迭传播，然激光束342及652显示为彼此轴向位移以便于说明。

一AR镀膜可选择性地应用于更高级谐波非线性介质650。例如，单一或多层介电质镀摩在基本波长、第二级谐波波长及第四级谐波波长处具有AR特征可被应用于更高级谐波非线性介质650的光学表面上。

末端映镜610类似于末端映镜310，然经调适以对于激光束330及652具有反射性并对于激光束342具有抗反射性。例如单一或多层介电质镀摩在基本波长及第四级谐波波长处具有HR特征，像是超过约95％的反射率，并且在第二级谐波波长处具有AR特征，像是低于约1％的反射率，其被应用于该末端映镜610。此外，镀膜可被应用于末端映镜610的两相对光学表面上。因此，末端映镜610反射回几乎所有入射的基本激光束能量而朝向非线性介质340，并且反射几乎所有入射的第四级谐波激光束能量而朝向一曲面输出耦合器670。此外，末端映镜610允许几乎所有入射的第二级谐波激光束能量通过末端映镜610。

一曲面腔外输出耦合器670置于共振激光腔306的外部，因此输出耦合器670是光学相关于更高级谐波非线性介质650。根据一较佳实施例，输出耦合器670系经设置而使得更高级谐波非线性介质650介置于末端映镜610与输出耦合器670之间。输出耦合器670经调适以对于激光束342具有反射性并且对于激光束652具有抗反射性。因此，输出耦合器670基本上分离激光束652与激光束342。例如，单一或多层介电质镀膜在第二级谐波波长处具有HR特征，像是超过约95％的反射率，并且在第四级谐波波长处具有AR特征，像是低于约1％的反射率，其被应用于输出耦合器670。因此，该输出耦合器670反射回几乎所有入射的第二级谐波激光束能量而朝向更高级谐波非线性介质650及曲面映镜360。此外，输出耦合器670让几乎所有入射的第四级谐波激光束能量传播通过输出耦合器670，并因而离开由末端映镜610及输出耦合器670所构成的腔体680。因此穿透的第四级谐波激光束能量经由输出耦合器670离开腔体680作为一输出第四级谐波激光束672。第四级谐波激光束能量可以其它方式离开腔体680。例如，反射性或透光性输出耦合器可与更高级谐波非线性介质650光学相关地设置，以允许第四级谐波激光束能量离开腔体680。

输出耦合器670的曲率半径及位置(即如相关于末端映镜610)如参照于图3的曲面映镜360的类似种类所选定。因此，输出耦合器670的曲率半径及位置经选定，故而反射的第二级谐波激光束能量的光束模式(即如光束半径和光束发散性)大致匹配于进入的第二级谐波激光束能量(即如第二级谐波激光束能量中未用以产生第四级谐波激光束能量的部份)的光束模式。换言之，输出耦合器670的曲率半径及位置经选定，因而反射的第二级谐波激光束能量的光束半径和光束发散性，沿进入的第二级谐波激光束能量的光束路径上所有位置处(即如在输出耦合器670与曲面映镜360之间)，实质上与进入的第二级谐波激光束能量的光束半径和光束发散性相同。维持大致均匀的激光束342光束半径和光束发散性可有助于改善更高级谐波激光束能量(即如第四级谐波激光束能量)产生效率性，而不致影响到更高级谐波激光束能量的光束模式，且不致明显地劣化更高级谐波激光束能量的光束质量。

例如，激光600可设计使得末端映镜610被置于与基本激光束能量的光束腰宽符合处。因此，当基本激光束能量自光学能量耦合器314传播至末端映镜610时，基本激光束能量会收敛。此外，当由非线性介质340自基本激光束能量的至少一部份产生的第二级谐波激光束能量从非线性介质340传播至末端映镜610时，该第二级谐波激光束能量会收敛。

在被末端映镜610反射之后，当基本激光束能量在自末端映镜610朝向光学能量耦合器314传播时开始发散。当通过末端映镜610后，第二级谐波激光束能量开始发散，并且在朝向更高级谐波非线性介质650传播时会继续发散。一部份的第二级谐波激光束能量未被更高级谐波非线性介质650用以产生第四级谐波激光束能量。因此，该第二级谐波激光束能量的未经使用部分被输出耦合器670反射，并且在输出耦合器670与曲面映镜360之间往返传播。

若输出耦合器670为平面，则第二级谐波激光束能量的未经使用部分在被输出耦合器670反射之后继续发散。因此，每次第二级谐波激光束能量的未经使用部分通过更高级谐波非线性介质650时，第二级谐波激光束能量的未经使用部分的光束模式(即如光束半径和光束发散性)会不同，并且导致明显地劣化的第四级谐波激光束能量光束品质。从而，输出耦合器670的曲率半径及位置是经选定，因此由输出耦合器670所反射的第二级谐波激光束能量未经使用部分的光束模式大致匹配于进入的第二级谐波激光束能量的光束模式(即如由非线性介质650自第二级谐波激光束能量产生的第二级谐波激光束能量的光束模式)。换言之，输出耦合器670的位置和凹面形状经选定，使得第二级谐波激光束能量的未经使用部分在被输出耦合器670反射后开始收敛(即如一类似或等同的方式如同当基本激光束能量自末端映镜610朝向光学能量耦合器314传播时由非线性介质340所产生的第二级谐波激光束能量)。

输出耦合器670的曲率半径及位置可依据激光600的设计而变。例如，若非线性介质340产生一高斯第二级谐波光束，则输出耦合器670的曲率半径经选定以在输出耦合器670的位置处大致匹配于第二级谐波光束的高斯光束波前的曲率半径。换言之，首先以输出耦合器670的给定位置计算出高斯光束波前的曲率半径。然后，选定输出耦合器670的曲率半径以大致匹配于所算得的高斯光束波前曲率半径(在输出耦合器670的位置处)，因而保留反射光束的第二级谐波模式。在一特定位置处，高斯光束波前曲率半径可由光束的波长、在光束腰宽处的光束半径、光束质量因子(M²)以及距光束腰部的距离所决定，即如前文参照图3所述者。

若输出耦合器670的位置经调整(即如移动靠近末端映镜610)，则可计算出高斯光束波前在该调整后位置处的曲率半径，因而能够对输出耦合器670选定一相对应的曲率半径。同理，可调整输出耦合器670的位置以补偿输出耦合器670曲率半径上的变化。虽被提出的范例中输出耦合器670是经选定为具有一凹面形状，然输出耦合器670经选定为具有一凸面形状(即如当反射时令所反射光束发散)或平面形状(即如曲率半径可经选定为无限大)是可能的。此外，类似于或等同于参照图3所述的模式-匹配光学组件可被用于使反射第二级谐波激光束能量(即如由该输出耦合器670所反射)的光束模式匹配于进入的第二级谐波激光束能量的光束模式。

曲面映镜360的曲率半径及位置(即如相关于光学能量耦合器314及输出耦合器670)如参照图3所述者而选定。例如，在第二级谐波激光束能量的未经使用部分被输出耦合器670反射之后，第二级谐波激光束能量的未经使用部分在朝向非线性介质650传播时即开始收敛。当第二级谐波激光束能量的未经使用部分再度地通过非线性介质650时，非线性介质650产生额外的第四级谐波激光束能量(其由末端映镜610反射并且经由输出耦合器670离开该腔体680)。第二级谐波激光束能量未经使用部分中的一部份并未被使用，而且朝末端映镜610传播。第二级谐波激光束能量的二度未经使用部分在当自非线性介质650传播至末端映镜610时将会收敛。在第二级谐波激光束能量的二度未经使用部分传播通过末端映镜610之后，第二级谐波激光束能量的二度未经使用部分即开始发散。第二级谐波激光束能量的二度未经使用部分在当其从末端映镜610传播至曲面映镜360时会继续发散。此外，基本激光束能量在当自末端映镜610朝光学能量耦合器314传播时会发散。当发散的基本激光束能量在朝光学能量耦合器314的方向上通过非线性介质340时，非线性介质340产生额外的第二级谐波激光束能量。未被光学能量耦合器314反射的第二级谐波激光束能量离开共振激光腔306作为残余第二级谐波激光束能量。因此，残余第二级谐波激光束能量可含有额外的第二级谐波激光束能量(即如当基本激光束能量在朝光学能量耦合器314的方向上通过该非线性介质340时所产生的第二级谐波激光束能量)以及第二级谐波激光束能量的二度未经使用部分。

若映镜360为平面，则残余第二级谐波激光束能量在反射离开映镜360之后会继续发散。因此，当残余第二级谐波激光束能量通过非线性介质650时，残余第二级谐波激光束能量的光束模式(即如光束半径及光束发散性)会不同于由非线性介质340所产生的第二级谐波激光束能量的光束模式，以及导致明显地劣化的第四级谐波激光束能量光束品质。因此，曲面映镜360的曲率半径及位置经选定，故而由曲面映镜360所反射的残余第二级谐波激光束能量的光束模式大致匹配于进入的第二级谐波激光束能量(其中可含有朝光学能量耦合器314方向上由非线性介质340自基本激光束能量所产生的第二级谐波激光束能量)的光束模式。换句话说，曲面映镜360的位置及凹面形状经选定，使得残余第二级谐波激光束能量在被该曲面映镜360反射之后开始收敛(即如类似或等同的方式，在一朝向610的方向上由非线性介质340所产生的第二级谐波激光束能量)。

曲面映镜360的曲率半径及位置可依据激光600的设计而变。例如，若非线性介质340产生一高斯第二级谐波光束，则曲面映镜360的曲率半径经选定以在曲面映镜360的位置处大致匹配于第二级谐波光束的高斯光束波前的曲率半径。换言之，首先以曲面映镜360的给定位置计算高斯光束波前的曲率半径。然后，选定曲面映镜360的曲率半径以大致匹配于高斯光束波前所算得的曲率半径(在曲面映镜360的位置处)，因而保留反射光束的第二级谐波模式。在一特定位置处高斯光束波前的曲率半径可由光束的波长、在光束腰宽处的光束半径、光束质量因子(M²)以及对光束腰宽的距离所决定，即如前文参照图3所述者。

若曲面映镜360的位置经调整(即如移动靠近光学能量耦合器314)，则可计算出高斯光束波前在调整后位置处的曲率半径，因而能够对曲面映镜360选定一相对应的曲率半径。同理，可调整曲面映镜360的位置以补偿曲面映镜360曲率半径上的变化。虽被提出的范例中，曲面映镜360经选定为具有一凹面形状，然曲面映镜360经选定为具有一凸出形状(即如当反射时令所反射光束发散)或平面形状(即如曲率半径可经选定为无限大)是可能的。此外，类似于或等同于参照图3所述的模式-匹配光学组件可被利用于使反射第二级谐波激光束能量(即如由该曲面映镜360所反射)的光束模式匹配于进入的第二级谐波激光束能量的光束模式。

图7为激光700的示意图，根据又另一实施例，其藉由回收第二级谐波激光束的未经使用部分以有效率地产生第四级谐波激光束772，而同时维持第四级谐波光束质量。激光700类似于参照图3所述的激光300，然经调适以产生第四级谐波激光束772。

除更高级谐波非线性介质350之外，激光700并入一混合非线性介质780。即如参照图3所述，更高级谐波非线性介质350在共振激光腔306内沿光学路径304所设置。较佳地，更高级谐波非线性介质350是经介置于混合非线性介质780与末端映镜710之间。更高级谐波非线性介质350指向较佳地让激光束330、激光束342或两者能够以法线方向入射撞击更高级谐波非线性介质350的光学表面。在一较佳实施例里，更高级谐波非线性介质350将具有基本波长的激光辐射或能量和具有第二级谐波波长的激光辐射或能量转换成具有第三级谐波波长的激光辐射或能量。因此，激光束330及激光束342通过更高级谐波非线性介质350，更高级谐波非线性介质350产生具有激光束330的三分之一波长(即频率为激光束330的基本频率的三倍)的激光束352。更高级谐波非线性介质350可包含任一参照非线性介质340所述的非线性晶体，并且可含有与非线性介质340相同或不同的非线性晶体。非线性晶体可经组态设定为第I类或第II类相位匹配。

根据一实施例，混合非线性介质780经调适以将具有基本波长的激光辐射以及具有第三级谐波波长的激光辐射转换或混合成具有第四级谐波波长的激光辐射。或者，混合非线性介质780可被调适以将具有第二级谐波波长的激光辐射以及具有该第三级谐波波长的激光辐射转换或混合成具有第五级谐波波长的激光辐射(即以产生第五级谐波激光束772)。混合非线性介质780在共振激光腔306内沿光学路径304所设置，而此腔体是由末端映镜308及末端映镜710所构成。较佳地，混合非线性介质780是经介置于腔内输出耦合器770与更高级谐波非线性介质350之间。混合非线性介质780指向较佳地让激光束330、激光束342、激光束352或其等的任意组合，能够以法线方向入射撞击到该混合非线性介质780的光学表面。当激光束330及激光束352通过混合非线性介质780时，混合非线性介质780产生具有激光束330的四分之一波长(即频率为激光束330的基本频率的四倍)的激光束782。混合非线性介质780可包含任丨参照非线性介质340及350所述的非线性晶体，同时可含有与非线性介质340及350相同或不同的非线性晶体。根据一较佳实施例，混合非线性介质780含有经组态设定与第I类相位匹配的混合晶体，然晶体亦可经组态设定与第II类相位匹配。如图7所示，非线性介质340、混合非线性介质780及非线性介质350互为光学串联。

激光束330、342、352及782虽沿至少一部份的光学路径304重迭传播(即如激光束330及342在光学能量耦合器314与该末端映镜710之间重迭，激光束330、342及352在末端映镜710与腔内输出耦合器770之间重迭，以及激光束330、342、352及782在混合非线性介质780与腔内输出耦合器770之间重迭)，然激光束330、342、352及782显示为彼此轴向位移以便于说明。

一AR镀膜可选择性地应用于更高级谐波非线性介质350、混合非线性介质780或两者。例如，单一或多层介电镀模在基本波长、第二级谐波波长、第三级谐波波长及第四级谐波波长处具有AR特征，其可应用于更高级谐波非线性介质350、混合非线性介质780或两者的光学表面。

末端映镜710类似于末端映镜310，然可经调适以，除对于激光束330、342及352外，对于激光束782亦具有反射性。例如，单一或多层介电镀膜在基本波长、第二级谐波波长、第三级谐波波长及第四级谐波波长处具有HR特征，像是超过约99％的反射率，其可应用于末端映镜710。

根据一实施例，腔内输出耦合器770沿光学路径304置于共振激光腔306内。输出耦合器770类似于输出耦合器370，然经调适以对于激光束782为反射性并且对于激光束330及342为抗反射性。输出耦合器770对于激光束352可为反射性或抗反射性。因此，输出耦合器770实质上可将激光束782与激光束330和342分离。例如，单一或多层介电质镀膜在第四级谐波波长处具有HR特征，像是超过约95％的反射率，并且在基本波长及第二级谐波波长处具有AR特征，像是低于约1％的反射率，其可被应用于输出耦合器770。因此，输出耦合器770导引几乎所有入射的第四级谐波激光束能量离开共振激光腔306。此外，输出耦合器770允许几乎所有入射的基本激光束能量和第二级谐波激光束能量传播通过输出耦合器770。因此，反射的第四级谐波激光束能量经由输出耦合器770离开共振激光腔306作为输出第四级谐波激光束772。在输出耦合器770处，第四级谐波激光束能量与基本激光束能量和第二级谐波激光束能量的分离可有助于避免损伤到该等非线性介质340、激光介质302及其它光学构件。第四级谐波激光束能量可依其它方法离开共振激光腔306。例如，末端映镜710可包含在第四级谐波波长处具有AR特征的镀膜，以允许第四级谐波激光束能量经由末端映镜710离开共振激光腔306(即如若混合非线性介质780及非线性介质350的位置互换)。此外，混合非线性介质780与反射性或透光性输出耦合器是光学相关的设置，以允许第四级谐波激光束能量离开共振激光腔306。

曲面映镜360的曲率半径及位置(即如相关于光学能量耦合器314)如参照图3所述而选定。因此，曲面映镜360的曲率半径及位置是经选定，故而反射的第二级谐波激光束能量的光束半径和光束发散性，沿进入的第二级谐波激光束能量的光学路径上的各个位置处(即如在末端映镜710与曲面映镜360之间)，实质上与进入的第二级谐波激光束能量的光束半径和光束发散性相同。此外，类似于或等同于参照图3所述的模式-匹配光学组件可被用以使反射第二级谐波激光束能量(即如由该曲面映镜360所反射)的光束模式匹配于进入的第二级谐波激光束能量的光束模式。维持大致均匀的激光束342的光束半径和光束发散性有助于改善第四级谐波激光束能量产生效率，而不致影响到第四级谐波激光束能量的光束模式，且不致明显地劣化第四级谐波激光束能量的光束品质。

图8为一激光800的示意图，根据又另一实施例，其藉由回收第二级谐波激光束的未经使用部分以有效率地产生第四级谐波激光束872，并同时维持第四级谐波光束质量。激光800类似于参照图7所述的激光700，然非线性介质350、混合非线性介质780及输出耦合器是以不同的光学排置方式所设置。在图7里，该些构件是以光学数组方式排置，开始于末端映镜710，后随为非线性介质350，接着是混合非线性介质780，之后为输出耦合器770并结束于非线性构件340。在图8中，构件则是以不同的光学数组方式排置，即开始于末端映镜810，后随为混合非线性介质780，接着是输出耦合器870，之后是非线性介质350并结束于非线性构件340。

如参照图7所述，更高级谐波非线性介质350将具有基本波长的激光辐射或能量和具有第二级谐波波长的激光辐射或能量转换成具有第二级谐波波长的激光辐射或能量。因此，当激光束330及激光束342通过更高级谐波非线性介质350时，更高级谐波非线性介质350产生具有激光束330的三分之一波长(亦即频率为激光束330的基本频率的三倍)的激光束352。此外，如参照图7所述，根据一实施例，混合非线性介质780经调适以将具有基本波长的激光辐射以及具有第三级谐波波长的激光辐射转换或混合成具有第四级谐波波长的激光辐射。因此，当激光束330及激光束352通过混合非线性介质780时，该混合非线性介质780产生具有激光束330的四分之一波长(亦即频率为激光束330的基本频率的四倍)的激光束782。或者，混合非线性介质780可经调适以将具有第二级谐波波长的激光辐射以及具有第三级谐波波长的激光辐射转换或混合成具有第五级谐波波长的激光辐射(亦即产生第五级谐波激光束872)。

激光束330、342、352及782虽沿光学路径304至少一部分上重迭传播(即如激光束330及342于光学能量耦合器314与末端映镜810之间重迭，激光束330、342及352于非线性介质350与末端映镜810之间重迭，并且激光束330、342、352及782于末端映镜810与腔内输出耦合器870之间重迭)，然激光束330、342、352及782显示为彼此轴向位移以便于说明。

末端映镜810类似于末端映镜310，然经调适以，除对于激光束330、342及352以外，对于激光束782具有反射性。例如，单一或多层介电质镀膜在基本波长、第二级谐波波长、第三级谐波波长及第四级谐波波长处具有HR特征，像是超过约99％的反射率，其可被应用于末端映镜810。

根据一实施例，腔内输出耦合器870沿光学路径304置于共振激光腔306内。输出耦合器870类似于输出耦合器770，然经调适以对于激光束782具有反射性并且对于激光束330、342及352具有抗反射性。因此，输出耦合器870实质上将激光束782与激光束330、342以及可能地与352分离。输出耦合器870可在一方向上(即如当激光束352自非线性介质350朝向末端映镜810传播时)对于激光束352为抗反射性，并且在另一方向上(即如当激光束352自末端映镜810朝向非线性介质350传播时)对于激光束352为反射性，因而未被混合非线性介质780使用的第三级谐波激光束能量会离开腔体306。或者，输出耦合器870对于激光束352在双向上(即如当该激光束352自非线性介质350朝向末端映镜810传播时以及当激光束352自末端映镜810朝向该非线性介质350传播时)皆为抗反射性。单一或多层介电镀层在第四级谐波波长处具有HR特征，像是超过约95％的反射率，并且在基本波长、第二级谐波波长及第三级谐波波长处具有AR特征，像是低于约1％的反射率，其可被应用于输出耦合器870。因此，输出耦合器870导引几乎所有入射的第四级谐波激光束能量离开共振激光腔306。此外，输出耦合器870允许几乎所有入射的基本激光束能量、第二级谐波激光束能量及第三级谐波激光束能量传播通过输出耦合器870。因此，反射的第四级谐波激光束能量经由输出耦合器870离开共振激光腔306而作为输出第四级谐波激光束能量872。在输出耦合器870处，第四级谐波激光束能量与基本激光束能量、第二级谐波激光束能量和可能的第三级谐波激光束能量的分离有助于防止第四级谐波激光束能量对非线性介质340、激光介质302和其它的光学构件造成损伤。第四级谐波激光束能量可依其它方式离开共振激光腔306。例如，末端映镜810可含有在第四级谐波波长处具有AR特征的镀膜，以允许第四级谐波激光束能量经由末端映镜810离开共振激光腔306。此外，更高级谐波非线性介质780与反射性或透光性输出耦合器可被光学相观地设置，以允许第四级谐波激光束能量离开共振激光腔306。

曲面映镜360的曲率半径及位置(即如相对于该光学能量耦合器314)如参照图3所述而选定。因此，曲面映镜360的曲率半径及位置系经选定，故而反射的第二级谐波激光束能量的光束半径和光束发散性，沿进入的第二级谐波激光束能量的光学路径上的各个位置处(即如在末端映镜810与曲面映镜360间)，实质上与进入的第二级谐波激光束能量的光束半径和光束发散性相同。此外，类似于或等同于参照图3所述的模式-匹配光学组件可被用以使反射第二级谐波激光束能量(即如由曲面映镜360反射)的光束模式匹配于进入的第二级谐波激光束能量的光束模式。维持大致均匀的激光束342光束半径和光束发散性有助于改善第四级谐波激光束能量产生效率，而不致影响到第四级谐波激光束能量的光束模式，且不致明显地劣化第四级谐波激光束能量的光束品质。

图9为一激光900的示意图，根据一实施例，其藉由回收第二级谐波激光束及第三级谐波激光束的未经使用部分以有效率地产生第四级谐波激光束972，并同时维持第四级谐波光束质量。激光900类似于参照图8所述的激光700，然含有一曲面映镜910以回收未被混合非线性介质780使用以产生第四级谐波激光束能量的第三级谐波激光束能量。在一选择性的实施例里，混合非线性介质780经调适以将具有第二级谐波波长的激光辐射以及具有第三级谐波波长的激光辐射转换或混合成具有第五级谐波波长的激光辐射(即产生第五级谐波激光束972)。

激光束330、342、352及782虽沿光学路径304上至少一部分重迭传播(即如激光束330及342是于光学能量耦合器314与末端映镜810之间重迭，激光束330、342及352是于曲面映镜910与末端映镜810之间重迭，并且激光束330、342、352及782是于末端映镜810与腔内输出耦合器970之间重迭)，然激光束330、342、352及782显示为彼此轴向位移以便于说明。

根据一实施例，腔内输出耦合器970是沿光学路径304置于共振激光腔306内。输出耦合器970类似于参照图8所述的输出耦合器870，然经调适以对于激光束782具有反射性并且对于激光束330、342及352具有抗反射性。尤其，输出耦合器970在双向上(即如当激光束352自非线性介质350朝混合非线性介质780传播时以及当激光束352自末端映镜810朝曲面映镜910传播时)对于激光束352皆具有抗反射性。因此，输出耦合器970实质上将激光束782与激光束330、342及352分离。单一或多层介电质镀膜在第四级谐波波长处具有HR特征，像是超过约95％的反射率，并且在基本波长、第二级谐波波长及第三级谐波波长处具有AR特征，像是低于约1％的反射率，其被应用于输出耦合器970。因此，输出耦合器970导引几乎所有入射的第四级谐波激光束能量离开共振激光腔306。此外，输出耦合器970允许几乎所有入射的基本激光束能量、第二级谐波激光束能量及第三级谐波激光束能量传播通过输出耦合器970。因此，反射的第四级谐波激光束能量经由输出耦合器970离开共振激光腔306而作为输出第四级谐波激光束能量972。在输出耦合器970处，第四级谐波激光束能量与基本激光束能量、第二级谐波激光束能量和第三级谐波激光束能量的分离可有助于防止第四级谐波激光束能量对非线性介质340、激光介质302和其它的光学构件造成损伤。第四级谐波激光束能量可依其它方式离开共振激光腔306。例如，末端映镜810可含有在第四级谐波波长处具有AR特征的镀膜，以允许第四级谐波激光束能量经由末端映镜810离开共振激光腔306。此外，更高级谐波非线性介质780与反射性或透光性输出耦合器光学相关地设置，以允许第四级谐波激光束能量离开共振激光腔306。

曲面映镜910于共振激光腔306内沿光学路径304所设置。曲面映镜910较佳地调适以对于激光束352(亦即第三级谐波激光束能量)具有反射性，并且对于等激光束330和342具有抗反射性。因此，曲面映镜910实质上将激光束352与激光束330和342分离。单一或多层介电质镀膜在第三级谐波波长处具有HR特征，像是超过约95％的反射率，并且在基本波长及第二级谐波波长处具有AR特征，像是低于约1％的反射率，其被应用于曲面映镜910。因此，曲面映镜910可反射回几乎所有入射的第三级谐波激光束能量而朝混合非线性介质780，因而混合非线性介质780可由反射的第三级谐波激光束能量产生额外的第四级谐波激光束能量。同时，曲面映镜910允许几乎所有入射的基本激光束能量及第二级谐波激光束能量传播通过曲面映镜910。在曲面映镜910处，第三级谐波激光束能量与基本激光束能量及第二级谐波激光束能量的分离使第三级谐波激光束能量被回收，并可有助于防止第三级谐波激光束能量对非线性介质340、激光介质302和其它的光学构件造成损伤。

如后文中将更详细的描述，可选定曲面映镜910的曲率半径及位置，因而反射的第三级谐波激光束能量(亦即反射未经使用的第三级谐波激光束能量以及由非线性介质350产生朝向曲面映镜910的方向上反射的第三级谐波激光束能量)的光束模式(即如光束半径和光束发散性)大致匹配于进入的第三级谐波激光束能量的光束模式。换言之，曲面映镜910的曲率半径及位置(即如相关于末端映镜810)是经选定，因而反射第三级谐波激光束能量的光束半径和光束发散性，沿进入的第三级谐波激光束能量的光学路径上的各个位置处(即如在末端映镜810与曲面映镜910之间)，实质上与进入的第三级谐波激光束能量的光束半径和光束发散性相同。维持大致均匀的激光束352光束半径和光束发散性有助于改善更高级激光束能量(即如第四级谐波激光束能量)产生效率，而不致影响更高级激光束能量的光束模式，同时亦不致明显地劣化更高级激光束能量的光束质量。

例如，激光900可经设计使末端映镜810被置于与基本激光束能量的光束腰宽符合处。因此，当基本激光束能量自光学能量耦合器314传播至末端映镜810时，基本激光束能量会收敛。此外，当由非线性介质340自基本激光束能量的至少一部份所产生的第二级谐波激光束能量从非线性介质340传播至末端映镜810时，第二级谐波激光束能量会收敛。更一步的，当由非线性介质350自基本激光束能量的至少一部份以及第二级谐波激光束能量的至少一部份所产生的第三级谐波激光束能量从非线性介质350传播至末端映镜810时，第三级谐波激光束能量会收敛。一部份的第三级谐波激光束能量将不被混合非线性介质780用来产生第四级谐波激光束能量。因此第三级谐波激光束能量中未经使用部分会被末端映镜810反射，并且往返于映镜810及910之间传播。

在被末端映镜810反射后，基本激光束能量开始发散，第二级谐波激光束能量开始发散，并且第三级谐波激光束能量的未经使用部分开始发散。因此，基本激光束能量和第二级谐波激光束能量在当基本和第二级谐波能量自末端映镜810朝向曲型映镜910传播时发散。同样地，当第三级谐波激光束能量的未经使用部分自末端映镜810朝向曲面映镜910传播时发散。当发散基本激光束能量和发散第二级谐波激光束能量通过非线性介质350时，发散基本激光束能量和发散第二级谐波激光束能量产生额外的第三级谐波激光束能量。若映镜910为平面，则第三级谐波激光束能量的未经使用部分以及新产生的第三级谐波激光束能量在被曲面映镜910反射之后会继续发散。所以每次当第三级谐波激光束能量通过混合非线性介质780时，第三级谐波激光束能量的光束模式(即如光束半径及光束发散性)会不同，并且会导致明显地劣化的第四级谐波激光束能量光束品质。因此，曲面映镜910的曲率半径及位置是经选定，故而由曲面映镜910反射的第三级谐波激光束能量的光束模式大致匹配于进入的第三级谐波激光束能量的光束模式(即如第三级谐波激光束能量的未经使用部分的光束模式以及由非线性介质350所产生的第三级谐波激光束能量的光束模式)。换言之，曲面映镜910的位置及凹面形状是经选定，使得第三级谐波激光束能量被曲面映镜910反射后开始收敛(即如与当基本激光束能量和第二级谐波激光束能量自非线性介质340朝向混合非线性介质780传播时，由非线性介质350产生的第二级谐波激光束能量相类似或等同的方式)。

曲面映镜910的曲率半径及位置可依激光900的设计而变。例如，若非线性介质350产生高斯第三级谐波光束，则曲面映镜910的曲率半径是经选定以在曲面映镜910的位置处大致匹配于第三级谐波光束的高斯光束波前的曲率半径。换言之，首先以曲面映镜910的给定位置计算高斯光束波前的曲率半径。然后，选定曲面映镜910的曲率半径以大致匹配于高斯光束波前所算得的曲率半径(在曲面映镜910的位置处)，因而保留反射光束的第三级谐波模式。在特定位置处高斯光束波前的曲率半径可由光束的波长、在光束腰宽处的光束半径、光束质量因子(M²)以及距光束腰宽的距离决定，即如参照图3所述者。

若曲面映镜910的位置经调整(即如移动靠近该末端映镜810)，则可计算出高斯光束波前在调整后位置处的曲率半径，因而能够对曲面映镜910选定相对应的曲率半径。同理，可调整曲面映镜910的位置以补偿曲面映镜910曲率半径上的变化。此外，若末端映镜810从一平面映镜改变成一曲面映镜，则可据以调整曲面映镜910的位置、曲面映镜910的曲率半径，或两者，因而保留在映镜810与910间反射光束的第三级谐波模式。虽被提出的范例中，曲面映镜910是经选定为凹面形状，然曲面映镜910经选定为具有凸出形状(即如当反射时令所反射光束发散)或是平面形状(即如曲率半径可经选定为无限大)是可能的。此外，类似于或等同于参照图3所述的模式-匹配光学组件可被用以使反射第三级谐波激光束能量(即如由该曲面映镜910所反射)的光束模式匹配于进入的第三级谐波激光束能量的光束模式。

曲面映镜360的曲率半径及位置(即如相关于光学能量耦合器314)是如参照图3所述而选定。因此，该曲面映镜360的曲率半径及位置是经选定，故而反射第二级谐波激光束能量的光束半径和光束发散性，沿进入的第二级谐波激光束能量光束路径上的任何位置处(即如在该末端映镜810与该曲面映镜360之间)，实质上与进入的第二级谐波激光束能量的光束模式相同。同时，类似于或等同于参照图3所述的模式-匹配光学组件可被用以使反射第二级谐波激光束能量(即如由曲面映镜360所反射)的光束模式匹配于进入的第二级谐波激光束能量的光束模式。维持大致均匀的激光束342光束半径和光束发散性有助于改善第四级谐波激光束能量产生效率性，而不致影响到第四级谐波激光束能量的光束模式，且不致明显地劣化第四级谐波激光束能量的光束品质。

藉由回收中级谐波激光束的部分以效率地产生更高级谐波激光束，同时维持更高级谐波光束质量的系统及方法的各种具体实施例已被描述。应了解的是，任何更高级的谐波激光束(即如第二级或更高级谐波激光束)可藉由描述于此的中级谐波回收技术的任何组合被产生。

对于熟习该项技术者为明显的，在不违背本发明的基础原理之下，可对前述实施例的细节做各种变化。故而本发明的范畴应仅由后载的申请专利范围决定。

Claims (29)

1.一种第二级或更高级谐波激光束腔内产生的方法，其藉由回收第二级谐波激光束实施用于提高效率性，并同时维持该更高级谐波激光束的光束质量，其包含：

提供一共振激光腔，其由第一及第二末端映镜所定义并含有一增益介质；

光学泵激该增益介质以在该共振激光腔内产生一基本激光束，该基本激光束在第一与第二末端映镜之间震荡；

在该共振激光腔内设置一第二级谐波非线性介质以与该基本激光束交互作用，并藉此产生第二级谐波激光束；

与该共振激光腔光学相关地设置一更高级谐波非线性介质以与第二级谐波激光束交互作用，并藉此产生较该第二级激光束更高级的激光束；

与增益介质及第二级谐波非线性介质光学相关地设置一光学能量耦合器，其对于基本激光束为反射性且对于第二级谐波激光束为抗反射性，而未经反射的第二级谐波激光束经由该光学能量耦合器离开该共振激光腔作为具有一光束模式的残余第二级谐波激光束；及

与光学能量耦合器光学相关地设定模式-匹配光学组件，以将残余第二级谐波激光束反射回该共振腔体内，以供腔内产生更高级激光束，该些模式-匹配光学组件是相关于光学能量耦合器被指定且定位以供反射的残余第二级谐波激光束建立一实质上与该残余第二级谐波激光束的光束模式相匹配的光束模式，藉此提升更高级谐波激光束产生效率，同时维持该更高级谐波激光束的光束质量。

2.如权利要求1所述的方法，其中该些模式-匹配光学组件包含一曲面映镜，其具有相对于该光学能量耦合器所设定的曲率半径及位置，藉以对于反射的残余第二级谐波激光束建立一光束模式，其实质上匹配于该残余第二级谐波激光束的光束模式。

3.如权利要求1所述的方法，其中该些模式-匹配光学组件包含一组透镜及一曲面映镜，并且该曲面映镜的曲率半径、该曲面映镜的位置、该组透镜的曲率半径以及该组透镜的位置是经选定，藉以对于反射的残余第二级谐波激光束建立一光束模式，其实质上匹配于该残余第二级谐波激光束的光束模式。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包含：

与更高级谐波非线性介质光学相关地设置一装置，藉以将该更高级谐波非线性介质耦合离出于共振激光腔。

5.如权利要求1所述的方法，进一步包含：

与第二级谐波非线性介质及更高级谐波非线性介质光学相关地设置一腔内输出耦合器，其对于更高级谐波激光束具有反射性并且对于基本激光束及第二级谐波激光束具有抗反射性，反射的更高级谐波激光束经由腔内输出耦合器离开共振激光腔。

6.如权利要求5所述的方法，其中该更高级谐波非线性介质包含一非线性晶体，其经调适以由至少一部份的第二级谐波激光束和一部份的基本激光束产生第三级谐波激光束，且其中所反射的第三级谐波激光束离开该共振激光腔。

7.如权利要求5所述的方法，其中该更高级谐波非线性介质包含一非线性晶体，其经调适以由至少一部份的第二级谐波激光束产生第四级谐波激光束，且其中所反射的第四级谐波激光束离开该共振激光腔。

8.如权利要求1所述的方法，其中该些模式-匹配光学组件包含第一曲面映镜，其中残余第二级谐波激光束组成第一残余第二级谐波激光束，其中该更高级谐波非线性介质包含一非线性晶体，其经调适以由至少一部份的第二级谐波激光束产生第四级谐波激光束，且其中第二末端映镜对于基本激光束具有反射性并且对于第二级谐波激光束具有抗反射性，该第二级谐波激光束离开共振激光腔而作为具有一光束模式的第二残余第二级谐波激光束，且进一步包含：

在该共振激光腔之外设置更高级谐波非线性介质；

与该更高级谐波非线性介质光学相关地设置第二曲面映镜，其对于第二级谐波激光束具有反射性并且对于第四级谐波激光束具有抗反射性，当被第二曲面映镜反射时，所反射的第二级谐波激光束朝向第一曲面映镜传播，而穿透的第四级谐波激光束离开由第二曲面映镜及第二末端映镜所构成的腔体；及

将第二曲面映镜的曲率半径及第二曲面映镜相对于第二末端映镜的位置选定，以对于所反射第二级谐波激光束建立一光束模式，其实质上与第二残余第二级谐波激光束的光束模式相匹配，藉此提升该第四级谐波激光束产生效率，同时维持该第四级谐波激光束的光束品质。

9.如权利要求1所述的方法，其中该更高级谐波非线性介质包含一非线性晶体，其经调适以由至少一部份的第二级谐波激光束和至少一部份的基本激光束产生第三级谐波激光束，并且进一步包含：

在该共振激光腔内设置一混合非线性介质，其经调适以由至少一部份的基本激光束和至少一部份的第三级谐波激光束产生第四级谐波激光束；及

在该共振激光腔内设置一腔内输出耦合器，其对于第四级谐波激光束具有反射性并且对于至少基本激光束和第二级谐波激光束具有抗反射性，所反射的第四级谐波激光束经由腔内输出耦合器离开共振激光腔。

10.如权利要求9所述的方法，其中该腔内输出耦合器是经介置于第二级谐波非线性介质与混合非线性介质之间，其中该混合非线性介质是经介置于腔内输出耦合器与更高级谐波非线性介质之间，且其中所反射的第四级谐波激光束离开共振激光腔。

11.如权利要求9所述的方法，其中该腔内输出耦合器对于第三级谐波激光束具有反射性，其中腔内输出耦合器是经介置于更高级谐波非线性介质与混合非线性介质之间，其中混合非线性介质经介置于腔内输出耦合器与第二末端映镜之间，且其中所反射的第四级谐波激光束离开共振激光腔。

12.如权利要求11所述的方法，其中所产生的第三级谐波激光束的特征在于一光束模式，且其中该些模式-匹配光学组件包含一第一曲面映镜，并且进一步包含：

与第二级谐波非线性介质及更高级谐波非线性介质光学相关地设置一第二曲面映镜，其对于第三级谐波激光束具有反射性并且对于基本激光束和第二级谐波激光束具有抗反射性，而当被该第二曲面映镜反射时，所反射的第三级谐波激光束朝向该第二末端映镜传播；以及

选定该第二曲面映镜的曲率半径及该第二曲面映镜相对于第二末端映镜的位置，以对于所反射的第三级谐波激光束建立一光束模式，其实质上与所产生的第三级谐波激光束的光束模式相匹配，藉此提升该第四级谐波激光束产生效率，同时维持该第四级谐波激光束的光束品质。

13.如权利要求1至12中任一项所述的方法，进一步包含：

在该共振激光腔内设置一Q-切换器。

14.如权利要求1至12中任一项所述的方法，其中模式-匹配光学组件经设置于共振激光腔之外。

15.如权利要求1至12中任一项所述的方法，其中光学地泵激该增益介质的步骤包含：

在第一和第二末端映镜与该增益介质之间设置一光学泵激输入耦合器；

以激光二极管泵浦产生一光束；

与激光二极管泵浦光学相关地设置一光纤，该光纤经组态设定以将光束对准于一透镜组件；及

与光纤及增益介质光学相关联地设置透镜组件，该透镜组件经组态设定以经由光学泵激输入耦合器将光束聚焦于增益介质上。

16.如权利要求1至12中任一项所述的方法，其中该更高级激光束的特征为一约1.2的光束质量因子M²。

17.一种谐波激光，其包含：

一共振激光腔，其由第一及第二末端映镜所定义；

一增益介质，其经设置于共振激光腔内并经调适以在该共振激光腔内产生一基本激光束，该基本激光束在第一与第二末端映镜之间震荡；

一第二级谐波非线性介质，其经设置于共振激光腔内，该第二级谐波非线性介质是经调适以与基本激光束交互作用，并藉此产生第二级谐波激光束；

一更高级谐波非线性介质，其与共振激光腔光学相关地设置，该更高级谐波非线性介质经调适以与第二级谐波激光束交互作用，并藉此产生较第二级激光束更高级的激光束；

一光学能量耦合器，其与增益介质及第二级谐波非线性介质光学相关地设置，该光学能量耦合器对于基本激光束为反射性且对于第二级谐波激光束为抗反射性，因而未经反射的第二级谐波激光束则是作为具有一光束模式的残余第二级谐波激光束经由光学能量耦合器离开共振激光腔；及

模式-匹配光学组件，其与光学能量耦合器光学相关地设置，以将残余第二级谐波激光束反射回共振腔体内以供腔内产生更高级激光束，模式-匹配光学组件相对于光学能量耦合器被指定且定位以对所反射的残余第二级谐波激光束建立一光束模式，其实质上与残余第二级谐波激光束的光束模式相匹配，藉此提升更高级谐波激光束产生效率，同时维持该更高级谐波激光束的光束质量。

18.如权利要求17所述的激光，其中模式-匹配光学组件包含一曲面映镜，其具有相对于光学能量耦合器所设定的曲率半径及位置，藉以对于所反射的残余第二级谐波激光束建立一光束模式，其实质上匹配于该残余第二级谐波激光束的光束模式。

19.如权利要求17所述的激光，其中模式-匹配光学组件包含一组透镜及一曲面映镜，并且该曲面映镜的曲率半径、该曲面映镜的位置、该组透镜的曲率半径以及该组透镜的位置是经选定，藉以对于所反射的残余第二级谐波激光束建立一光束模式，其实质上匹配于该残余第二级谐波激光束的光束模式。

20.如权利要求17所述的激光，进一步包含：

一腔内输出耦合器，其与第二级谐波非线性介质及更高级谐波非线性介质光学相关地设置，该腔内输出耦合器经调适以对于更高级谐波激光束具有反射性并且对于基本激光束及第二级谐波激光束具有抗反射性，因此所反射的更高级谐波激光束经由腔内输出耦合器离开共振激光腔。

21.如权利要求20所述的激光，其中更高级谐波非线性介质包含一非线性晶体，其经调适以由至少一部份的第二级谐波激光束和一部份的基本激光束产生第三级谐波激光束，且其中所反射的第三级谐波激光束离开该共振激光腔。

22.如权利要求20所述的激光，其中更高级谐波非线性介质包含一非线性晶体，其经调适以由至少一部份的第二级谐波激光束产生第四级谐波激光束，并且其中所反射的第四级谐波激光束离开共振激光腔。

23.如权利要求17所述的激光，其中模式-匹配光学组件包含一第一曲面映镜，其中残余第二级谐波激光束组成第一残余第二级谐波激光束，其中更高级谐波非线性介质包含一非线性晶体，其经调适以由至少一部份的第二级谐波激光束产生第四级谐波激光束，其中更高级谐波非线性介质经设置于共振激光腔之外，且其中第二末端映镜对于基本激光束具有反射性并且对于第二级谐波激光束具有抗反射性，第二级谐波激光束离开共振激光腔而作为具有一光束模式的第二残余第二级谐波激光束，同时进一步包含：

一第二曲面映镜，其与更高级谐波非线性介质光学相关地设置，该第二曲面映镜是经调适以对于第二级谐波激光束具有反射性并且对于第四级谐波激光束具有抗反射性，因此当被第二曲面映镜反射时，所反射的第二级谐波激光束朝向第一曲面映镜传播，且穿透的第四级谐波激光束离开由第二曲面映镜及第二末端映镜所构成的腔体，该第二曲面映镜具有相对于第二末端映镜的曲率半径及位置，并经选定以对于所反射第二级谐波激光束建立一光束模式，其实质上与第二残余第二级谐波激光束的光束模式相匹配，藉此提升第四级谐波激光束产生效率，同时维持第四级谐波激光束的光束质量。

24.如权利要求17所述的激光，其中该更高级谐波非线性介质包含一非线性晶体，其经调适以由至少一部份的第二级谐波激光束和至少一部份的基本激光束产生第三级谐波激光束，并且进一步包含：

一混合非线性介质，其经设置于共振激光腔内，该混合非线性介质经调适以由至少一部份的基本激光束和至少一部份的第三级谐波激光束产生第四级谐波激光束；及

一腔内输出耦合器其经设置于共振激光腔内，该腔内输出耦合器经调适以对于第四级谐波激光束具有反射性并且对于至少基本激光束和第二级谐波激光束具有抗反射性，因此所反射的第四级谐波激光束经由该腔内输出耦合器离开共振激光腔。

25.如权利要求24所述的激光，其中腔内输出耦合器是经介置于第二级谐波非线性介质与混合非线性介质之间，其中该混合非线性介质是经介置于该腔内输出耦合器与该更高级谐波非线性介质之间，且其中所反射的第四级谐波激光束离开共振激光腔。

26.如权利要求24所述的激光，其中腔内输出耦合器对于第三级谐波激光束具有反射性，其中腔内输出耦合器是经介置于更高级谐波非线性介质与混合非线性介质之间，其中混合非线性介质是经介置于腔内输出耦合器与第二末端映镜之间，且其中所反射的第四级谐波激光束离开共振激光腔。

27.如权利要求26所述的激光，其中所产生的第三级谐波激光束的特征在于一光束模式，并且其中模式-匹配光学组件包含一第一曲面映镜，同时进一步包含：

一第二曲面映镜，其与第二级谐波非线性介质及更高级谐波非线性介质光学相关地设置，该第二曲面映镜是经调适以对于第三级谐波激光束具有反射性并且对于基本激光束和第二级谐波激光束具有抗反射性，因此当被第二曲面映镜反射时，所反射的第三级谐波激光束朝向第二末端映镜传播，该第二曲面映镜具有相对于该第二末端映镜的曲率半径及位置，并经选定以对于所反射的第三级谐波激光束建立一光束模式，其实质上与所产生的第三级谐波激光束的光束模式相匹配，藉此提升该第四级谐波激光束产生效率，同时维持该第四级谐波激光束的光束品质。

28.如权利要求17至27中任一项所述的激光，进一步包含：

一Q-切换器，其是经设置于该共振激光腔内。

29.如权利要求17至27中任一项所述的激光，其中模式-匹配光学组件是经设置于该共振激光腔之外。

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