二次谐波产生的制作方法

本发明涉及二次谐波产生，且更具体地涉及用于使用环路构造进行二次谐波产生的方法。

背景技术：

光谐波产生可以用于将激光从一个波长转换为较短波长(即更高频率)。例如，倍频或二次谐波产生(secondharmonicgeneration：shg)可以用于从近红外光获得可见光。倍频光随后可以用于产生三倍频光、用于光谱学、用于材料处理、用于光泵浦(opticalpumping)和/或诸如此类。

通常，激光的光频使用非线性光学晶体而加倍，其使用单个输入光束以提供用于转换为二次谐波所需的一对光子。图1是显示了现有技术的二次谐波产生器10的示意图。如图1所示，现有技术二次谐波产生器10包括二次谐波晶体14。在工作中，光频ω的基本的光束11入射到二次谐波晶体14上。因为二次谐波晶体14的非线性转换效率小于100％，所以仅一部分基本光束11在二次谐波晶体14中发生倍频，使得二次谐波频率2ω的二次谐波光束12与基本光束11的光频ω的未转换部分11a一起离开二次谐波晶体14。由此，两种光束离开二次谐波晶体14：基本光束11的未转换部分11a和二次谐波光束12。在一些应用中，二次谐波光束12和未转换部分11a可以入射到三次谐波晶体(未示出)，其将这些光束的一部分转换为三次谐波频率的三次谐波光束。替换地，在一些情况下，出于另一目的，二次谐波光束12可以被传播。例如，现有技术的二次谐波产生器10可以包括二向色镜(或滤光器)，其重新引导未转换部分11a并传递二次谐波光束12作为输出。

技术实现要素：

根据一些可行的实施方式，一种二次谐波产生器可以包括组合器，以将基本光束与残余基本光束组合；和二次谐波晶体，耦合到组合器，以从基本光束和残余基本光束产生二次谐波光束，其中，在产生二次谐波光束时，残余基本光束离开二次谐波晶体。

根据一些可行的实施方式，方法可以包括：通过二次谐波产生器将基本光束传播通过二次谐波晶体，以从基本光束和残余基本光束产生二次谐波光束，其中在产生二次谐波光束时，残余基本光束可以离开二次谐波晶体；和通过二次谐波产生器传播残余基本光束，使得残余基本光束随基本光束进入二次谐波晶体，以产生二次谐波光束。

根据一些可行的实施方式，激光器可以包括：组合器，以将基本光束与残余基本光束组合；二次谐波晶体，从基本光束和残余基本光束产生二次谐波光束，其中，在产生二次谐波光束时，残余基本光束可以离开二次谐波晶体；和一个或多个光学部件，将残余基本光束引导到组合器。

附图说明

图1示出了现有技术二次谐波产生器的示意性方块图；

图2a-2d是显示了具有用于二次谐波产生的环路构造的二次谐波产生器的示例性实施方式的示意图；

图3是显示了具有用于二次谐波产生的环路构造的二次谐波产生器的另一示例性实施方式的示意图

图4是通过用于二次谐波产生的环路构造实现的非共线相位匹配例子有关的示例性图解展示。

图5是用于使用环路构造进行二次谐波光学产生的示例性过程的流程图，如在本文所述的。

具体实施方式

尽管针对各种实施例和例子描述了本发明，但是目的不是将本发明限制为这种实施例。相反，本发明涵盖各种改变和等效形式，这是本领域技术人员所应理解的。

典型的现有技术二次谐波产生方案(例如图1的现有技术二次谐波产生器10所示的)使用i型共线二次谐波产生。这里，要被组合基本光子是在单个入射光束(例如基本光束11)中的相同光子。在ii型二次谐波产生中，每一个二次谐波光子用彼此正交的线性偏振(linearpolarization)状态的一对基本光子形成。由此，输入光束例如可以是单个圆偏振光束或单个线性偏振光束，其相对于二次谐波产生器中要被组合的两个线性状态成45°(在任一情况下在每一个正交偏振中提供相等数量的光子)。

除了是i型(type-i)相位匹配或ii(type-ii)型相位匹配，相位匹配可以是关键或非关键的。非关键相位匹配(non-criticalphasematching)具有与走离(walk-off)和角敏感度有关的公知优点。然而，非关键相位匹配会难以在现有技术的二次谐波产生构造(例如图1所示的)中实现，因为非关键相位匹配依赖于与非线性晶体材料关联的精确的折射率重合(coincidencesofrefractiveindices)，通常需通过温度调整来辅助。进一步地，在现有技术二次谐波产生构造中，非共线相位匹配是不可能的(例如因为量入射光子是在同一基本光束中的)。由于这些限制条件，对于给定的非线性晶体，几乎没有机会通过选择晶体取向、偏振取向(polarizationorientation)或相位匹配类型来改善和/或优化非线性强度转换率，或通过使用非关键相位匹配来改善和/或优化输出光束质量、容许带宽(acceptancebandwidth)、角谱宽度(angularacceptance)和/或诸如此类。

现有技术二次谐波产生器的另一缺陷是，通常需要进入二次谐波晶体的基本光束的深聚焦来获得合理的转换效率。这种深聚焦造成基本光束的小光斑直径，这会有损光束质量(例如由于光束走离效应)。进一步地，基本光束的深聚焦会造成二次谐波晶体14的表面的恶化(例如在数十或数百小时的曝光之后)。

本文所述的一些实施方式提供将环路构造(loopedconfiguration)用于二次谐波产生的二次谐波产生器。在一些实施方式中，环路构造提供了通过选择晶体取向、偏振取向、相位匹配类型和/或诸如此类来改善和/或优化非线性强度转换率的机会。进一步地，环路构造提供了用于通过使用非关键相位匹配改善和/或优化输出光束质量、容许带宽、角谱宽度和/或诸如此类的机会(例如与现有技术二次谐波产生器比较)。进一步地，用于二次谐波产生的环路构造改善二次谐波产生器的转换效率(例如与现有技术二次谐波产生器比较)。

图2a-2d是显示了具有用于二次谐波产生的环路构造的二次谐波产生器20的示例性实施方式的示意图。

如图2a所示，二次谐波产生器20可以包括二次谐波晶体24、偏振滤光器25a、偏振滤光器25b、频率过滤器26、反射镜27和偏振旋转器28。二次谐波产生器20的部件下文所述，随后描述二次谐波产生器20的示例性操作。

二次谐波晶体24包括用于产生二次谐波光束的部件。例如，二次谐波晶体可以包括晶体，晶体包括铌酸锂或另一类型的非线性晶体。应注意，在二次谐波产生器20中，二次谐波晶体24可以执行ii型转换，由此二次谐波晶体24在正交偏振中使用光子以用于执行向二次谐波的转换。然而，在一些实施方式中，如下针对图3所述，环路(looped)的二次谐波产生器可以包括执行i型转换的二次谐波晶体(例如由此二次谐波晶体在同一偏振中使用光子以用于执行向二次谐波的转换)。在一些实施方式中，二次谐波晶体24可以包括不同材料，取决于波长、功率水平和/或一个或多个其他参数。

偏振滤光器25(例如偏振滤光器25a、偏振滤光器25b)包括用于在第一偏振(例如平行于图2a的页面平面的偏振，表示为||偏振)中以基本光频ω传递(t)光束和在第二偏振(例如与图2a页面平面正交的偏振，表示为⊥偏振)中以基本光频ω反射(r)光束的部件。由此如图2a所示，偏振滤光器25可以称为和/或表示为⊥r||t滤光器。通过在||偏振中传递基本光束和在⊥偏振中反射基本光束，偏振滤光器25a可以用作偏振组合器(例如将不同偏振中的光束组合的组合器)。应注意，||偏振和⊥偏振作为与执行ii型转换关联的正交偏振的例子提供，且在一些实施方式中可以使用其他正交偏振(例如不平行或垂直于图2的平面)。

频率过滤器26包括用于以基本(1)光频ω反射(r)光束和以倍频(2)光频2ω传递(t)光束的部件。由此，如图2a所示，频率过滤器26可以称为和/或表示为1r2t滤光器。

反射镜27包括用于在任何偏振中(例如在⊥偏振中，在||偏振中，和/或诸如此类)以基本光频ω反射(r)光束的部件。由此，如图2a所示，反射镜27可以称为和/或表示为1r反射镜。

偏振旋转器28包括用于让光束的偏振旋转的部件(例如旋转90°)。例如，偏振旋转器28可以让基本光束从||偏振旋转到⊥偏振，且可以让基本光束从⊥偏振旋转到||偏振，在下文进一步详细描述。

在二次谐波产生器20的操作中，基本光束21(例如具有基本光频ω且处于||偏振)朝向偏振滤光器25a发出。如所示的，偏振滤光器25a将基本光束21与残余基本光束21a(例如具有基本光频ω且处于⊥偏振)组合，且基本光束21和残余基本光束21a传播到二次谐波晶体24。二次谐波晶体24可以耦合到偏振滤光器25a用于从基本光束21和残余基本光束21a以倍频光频2ω产生二次谐波光束22。二次谐波光束22在二次谐波晶体24中产生(例如使用基本光束21和残余基本光束21a)，且被引导到二次谐波产生器20的输出部。

在产生二次谐波光束22时，残余基本光束21a(例如具有基本光频ω且处于||偏振的基本光束21的未转换部分)可以离开二次谐波晶体24，且被频率过滤器26和反射镜27引导通过偏振旋转器28，使得残余基本光束21a旋转到⊥偏振。如所示的，经偏振旋转的残余基本光束21a可以被偏振滤光器25b引导到偏振滤光器25a，用于与基本光束21组合。

进一步地，在产生二次谐波光束22时，残余基本光束21b(例如具有基本光频ω且处于⊥偏振的残余基本光束21a的未转换部分)可以离开二次谐波晶体24，且被频率过滤器26和反射镜27引导通过偏振旋转器28，使得残余基本光束21b旋转到||偏振。如所示的，经偏振旋转的残余基本光束21b被引导通过偏振滤光器25b，其中经偏振旋转的残余基本光束21b可以被可选的光束捕集器(opticalbeamdump)(未示出)吸收。

基本光束21、残余基本光束21a、残余基本光束21b和二次谐波光束22的光路进一步通过图2b-2d所示。如图2b所示，基本光束21(例如具有基本光频ω且处于||偏振)顺序传播通过二次谐波晶体24，随后作为残余基本光束21a通过偏振旋转器28，且随后被引导到偏振滤光器25a(例如具有基本光频ω且处于⊥偏振)。

如图2c所示，残余基本光束21a随后传播通过二次谐波晶体24，随后作为残余基本光束21b通过偏振旋转器28，且随后被引导离开二次谐波产生器20(例如具有基本光频ω且处于||偏振)，例如达到可选光束捕集器。

如图2d所示，二次谐波光束22在二次谐波晶体24中产生(例如使用基本光束21和残余基本光束21a)，且被引导到二次谐波产生器20的输出部。

图2a-2d所示的部件的数量和布置方式作为例子提供。实践中，与图2a-2d所示的相比，可以存在额外部件、更少部件、不同部件、或不同地布置的部件。例如，尽管图2a所示的二次谐波产生方案使用共线相位匹配技术，但是在一些实施方式中，一个或多个额外和/或不同相位匹配技术可以在二次谐波产生器20中实施，例如关键相位匹配，非关键相位匹配，非共线相位匹配，准相位匹配(例如使用周期极化材料)，和/或诸如此类。在一些实施方式中，由于二次谐波产生器20的环路构造实现这种技术(例如因为给定光子对中的光子(从其产生二次谐波光束22)是来自不同光束的)，如上所述。

进一步地，在一些实施方式中，一个或多个类型的部件(例如反射镜、滤光器和/或诸如此类)可以被使用(例如除了或代替图2a所示的那些)，以让二次谐波产生器20中的光束分离或结合，例如二向色或三向色薄膜滤光器、偏振滤光器、吸收性滤光器、棱镜、光栅和/或其他类型滤光器和/或反射镜。另外或替换地，部件的各种顺序和/或组合(例如滤光器、晶体、反射镜和/或诸如此类)可以用在二次谐波产生器20中。

另外，尽管在图2a-2d中未示出，但是在一些实施方式中，一个或多个部件(例如除了或代替图2a所示的那些)，例如一个或多个波板、非平面光束路径、透镜和/或诸如此类，可以被包括在二次谐波产生器20中的适当位置处，以便提供期望偏振状态或期望光束尺寸和/或轮廓，这取决于转换配置的细节。

进而，图2a-2d所示的两个或更多部件可以在单个部件中实施，或图2a-2d所示的单个部件可以实施为多个分布式部件。另外或替换地，二次谐波产生器20的一组部件(例如一个或多个部件)可以执行被描述为由另一组二次谐波产生器20执行的一个或多个功能。

图3是显示了具有用于二次谐波产生的环路构造的二次谐波产生器30的另一示例性实施方式的示意图。

如图3所示，二次谐波产生器30可以包括二次谐波晶体34和一组反射镜37a到37d。二次谐波产生器30的部件下文所述，随后描述二次谐波产生器30的示例性操作。

二次谐波晶体34包括用于在同一偏振中或在垂直偏振中使用光子产生二次谐波光束的部件(即用于执行i型转换的晶体或用于执行ii型转换的晶体)。在一些实施方式中，二次谐波晶体34可以包括铌酸锂，或另一类型的非线性晶体。

如图3所示，在一些实施方式中，二次谐波晶体34可以包括相对于基本光束21、残余基本光束21a、残余基本光束21b和/或二次谐波光束22倾斜的输入光学面34i和输出光学面34o。例如，在一些实施方式中，输入光学面34i和/或输出光学面34o可以相对于基本光束21、残余基本光束21a，残余基本光束21b、和/或二次谐波光束23以布鲁斯特角(brewsterangle)倾斜。

反射镜37(例如反射镜37a、反射镜37b、反射镜37c、或反射镜37d)包括用于以基本光频ω反射(r)光束(例如在任何偏振中)的部件。由此，如图3所示反射镜37可以称为和/或识别为1r反射镜。在一些实施方式中，反射镜37可以是规则反射镜(即不是二向色镜)，因为光束组合和分裂功能通过二次谐波产生器30中的空间多路复用(spatialmultiplexing)提供(例如由此给定光束被反射镜反射而另一光束在空间中绕过反射镜)。在一些实施方式中，通过让残余基本光束21a朝向二次谐波晶体34转向，反射镜37d可以用作角组合器，使得残余基本光束21a与基本光束21组合(例如如下所述)。在一些实施方式中，反射镜37d可以包括反射镜，如上所示，或另一光学元件，其让残余基本光束21a和/或基本光束21转向，使得残余基本光束21a和基本光束21在二次谐波晶体34处重叠(即组合)。例如，在一些实施方式，反射镜37d可以包括棱镜、光栅、透镜、光纤、和/或诸如此类，其布置为让残余基本光束21a和/或基本光束21转向。

在操作中，基本光束21(例如具有基本光频ω)的输入耦合到二次谐波晶体34。如进一步所示的，二次谐波晶体34耦合到反射镜37d，使得残余基本光束21a(例如具有基本光频ω且在图3中被表示为ω’)在二次谐波晶体34处于基本光束21组合。二次谐波晶体34从基本光束21和残余基本光束21a以倍频光频2ω产生二次谐波光束22，且二次谐波光束22被引导的二次谐波产生器30的输出部。

在产生二次谐波光束22时，残余基本光束21a(例如基本光束21的未转换部分)可以离开二次谐波晶体34。如所示的，残余基本光束21a可以经由反射镜37a到37d被引导回到二次谐波晶体34的输入光学面34i，用于与基本光束21组合。

进一步地，在产生二次谐波光束22时，残余基本光束21b(例如残余基本光束21a的未转换部分，具有基本光频ω且在图3中被表示为ω”)可以离开二次谐波晶体34，且被引导离开二次谐波产生器30，例如达到可选光束捕集器(未示出)。

如上所述，二次谐波光束22在二次谐波晶体34中产生(例如使用基本光束21和残余基本光束21a)，且被引导作为二次谐波产生器30的输出。

如图3所示，在一些实施方式中，二次谐波晶体34可以取向为使得基本光束21和残余基本光束21a以非法向(锐角)入射角入射到二次谐波晶体34的输入光学面34i。在一些实施方式中，基本光束21和残余基本光束21a可以相对于彼此形成非零(锐角)角度。

由此，在一些实施方式中，基本光束21和残余基本光束21a可以以不同角度但是是以足够接近平行的角度进入二次谐波晶体34，以便确保在二次谐波晶体34中有足够长的互动长度(例如可以是从用于短脉冲激光器的不到1mm到用于连续波(cw)激光器的数十mm的长度，其中该长度通常被二次谐波晶体34的实用制造长度限制)。这里，因为基本光束21和残余基本光束21a是非共线的，所以在二次谐波晶体34中使用非共线相位匹配，以便提供高效非线性转换。例如，基本光束21和残余基本光束21a之间的角度和/或这些角度与二次谐波晶体34的晶体轴线的关系可以被选择为使得与基本光束21、残余基本光束21a和二次谐波光束22关联的有效折射率允许这些光束以修正的相位关系传播，以用于高效转换。在一些实施方式中，用于获得相位匹配的基本光束21和残余基本光束21a之间角度的可调整性(例如由于使用环路构造)为选择相位匹配配置、二次谐波晶体34的晶体类型和/或诸如此类提供更大的灵活性，以便改善和/或优化转换效率和/或一个或多个其他特性。在一些实施方式中，这些技术可以与使用另一技术的调整关联，例如晶体温度调整，光束角相对于晶体轴线的调整，和/或诸如此类。

作为具体例子，在使用常规共线相位匹配(例如二次谐波产生器10)的现有技术二次谐波产生器中，由于色散，与基本光频相比，沿特定晶体取向的折射率在二次谐波光频下总是不同。由此，现有技术二次谐波产生器可以不针对二者使用单个偏振，而是必须使用输入和输出之间的偏振混合。然而，通过非共线相位匹配，输入光束可在一些二次谐波晶体中成角度，使得相位匹配可以在同一偏振中通过输入(例如基本光束21和残余基本光束21a)和输出(例如二次谐波光束22)二者实现。这里，因为二次谐波晶体的非线性系数转换率取决于相对于彼此和相对于晶体轴线的偏振取向，所以这种灵活性可以允许更强的非线性系数被利用，由此增加转换效率。由此，通过实现非共线相位匹配，与现有技术二次谐波产生器比较，环路二次谐波产生器可以实现增加的转换效率。

作为针对二次谐波产生通过环路构造实现的非共线相位匹配利用的另一具体例子，非共线相位匹配可以实现在一些二次谐波晶体中实现非关键相位匹配(例如在输出和其偏振与晶体轴线对准，且相位匹配对晶体倾斜存在一阶不敏感度时)。在一些实施方式中，这种非关键相位匹配构造例如通过为输入光束提供相对高的发散角而降低光束走离量和/或减少的角度敏感度量。

图4是通过用于二次谐波产生的环路构造(例如图3所示的)实现的非共线相位匹配例子有关的示例性图解展示40。图4是显示了用于镁掺杂的铌酸锂形成的二次谐波晶体34的、从0℃到约180℃的温度范围内在1064纳米(nm)(例如ir波长)时的寻常折射率(ordinaryrefractiveindex)和532nm(例如绿光波长)时的非寻常折射率(extraordinaryrefractiveindex)的图。

如图4所示，这些折射率相等且因此相位匹配时的温度为约110℃(t0＝110℃)。在该例子中，这种相位匹配温度可以通过使用非共线相位匹配而降低。例如，由于使用环路构造，ir波长的一对光束(例如基本光束21和残余基本光束21a)可以被引导为使得这些光束在具有开口半角度(openinghalf-angle)φ的寻常平面中以多种方向入射到二次谐波晶体。与ir光束关联的折射率是寻常no1且与绿光波长下产生的二次谐波光束(例如二次谐波光束22)关联的折射率为纯粹的非寻常ne2。这里，让绿光波矢量与两个ir波矢量相等且由此ne2＝no1cosφ来表示相位匹配。对于低于t0的温度，通过环路构造实现的非共线性可将与ir波长关联的寻常折射率降低到与绿光波长关联的非寻常折射率。例如，这些折射率之间的近似关系可以通过以下公式表示：

ne2＝no1[1-3×10^-5(t0-t)]

将该公式设置为等于非共线ne2＝no1cosφ≈no1(1-φ²/2)，获得以下公式：

φ²＝6×10^-5(t0-t)

因此，为了例如在约30°(t＝30°)的温度下操作，以上公式估计可产生φ＝0.07radians，这对应于两个ir光束之间的4°的半角度或8°的全角度。以此方式，非共线相位匹配可以使得非关键相位匹配更容易地实现，由此考虑在环路二次谐波产生方案中实施额外相位匹配配置(例如与现有技术二次谐波产生器比较)。

如上所述，图4是仅作为例子提供的。其他例子也是可以的，且可以与针对图4所述的有所不同。

返回图3，在一些实施方式中，基本光束21可以在图3的平面中偏振(例如||偏振)，在垂直于图3的平面偏振(例如在⊥)，以相对于图3的平面的另一角度(例如45°角度)偏振，和/或诸如此类。由此，在一些实施方式中，二次谐波晶体34可以被选择为使得二次谐波晶体34执行i型转换或ii型转换。在二次谐波晶体34执行ii型转换的情况下，二次谐波产生器可以包括偏振旋转器(未示出)，其让残余基本光束21a相对于基本光束21旋转(例如旋转90°)。

进一步地，如图3所示，在一些实施方式中，二次谐波产生器30的环路构造可以不需要波板、二向色反射镜、和/或诸如此类来将残余基本光束21a和/或残余基本光束21b从二次谐波光束22分离。相反，这些光束可以如图3所示在空间中分离(例如使得反射镜37a到37d仅将残余基本光束21a耦合到二次谐波晶体34)。在一些实施方式中，在基本光束21和残余基本光束21a在二次谐波晶体34的输入光学面34i上具有不同入射角时，基本光束21和残余基本光束21a可以在二次谐波晶体34中是基本上非共线的。

图3所示部件的数量和布置方式作为例子提供。实践中，与图3所示的相比，可以存在额外部件、更少部件、不同部件、或不同地布置的部件。例如，尽管图3所示的二次谐波产生方案使用具有i型转换的非共线相位匹配技术，在一些实施方式中，一个或多个额外和/或不同相位匹配技术(例如具有i型转换或ii型转换)可以在二次谐波产生器30中实施，例如关键相位匹配、非关键相位匹配、共线相位匹配、准相位匹配、和/或诸如此类。在一些实施方式中，由于二次谐波产生器30的环路构造而实现这种技术，如上所述。进一步地，部件的各种顺序和/或组合(例如滤光器、晶体、反射镜和/或诸如此类)可以用在二次谐波产生器20中。

另外，尽管在图3中未示出，但是在一些实施方式中，一个或多个部件(例如除了或代替图3所示的那些)，例如一个或多个波板、非平面光束路径、透镜和/或诸如此类，可以被包括在二次谐波产生器30中的适当位置处，以便提供期望偏振状态或期望光束尺寸和/或轮廓，这取决于转换配置的细节。

进而，图3所示的两个或更多部件可以在单个部件中实施，或图3所示的单个部件可以实施为多个分布式部件。另外或替换地，二次谐波产生器30的一组部件(例如一个或多个部件)可以执行被描述为由另一组二次谐波产生器30执行的一个或多个功能。

在一些实施方式中，如上所述的环路构造可以提供比图1的现有技术二次谐波产生器10更高的转换效率。例如，二次谐波转换效率取决于基本光频ω的输入功率密度。在现有技术二次谐波产生器10，对二次谐波晶体14的总功率输入限制为对现有技术二次谐波产生器10的总功率输入p。对二次谐波晶体24/34(例如分别是二次谐波产生器20和二次谐波产生器30)的总光功率输入实际大于p，因为在ω下至少一些功率会被使用两次(例如由于环路构造，其中残余基本光束21a与基本光束21一起使用，用于产生二次谐波光束22)。结果是，在环路二次谐波产生器(例如二次谐波产生器20、二次谐波产生器30、和/或诸如此类)中的功率密度和转换效率比现有技术二次谐波产生器10中的更高。

进一步地，在环路二次谐波产生器中，残余基本光束21b被防止再次进入二次谐波晶体24/34，以便避免潜在光学干涉效应。换句话说，基本光束21和残余基本光束21a的光路可以光学配置为在各种光频下不形成闭环或在单独光下不形成光谐振腔(opticalcavity)。在各光频下避免闭环或光谐振腔可以有助于二次谐波产生过程的稳定性。

在一些实施方式中，二次谐波晶体24/34可以利用布鲁斯特角进入和/或离开。在一些实施方式中，布鲁斯特角进入和/或离开可以降低二次谐波晶体24/34(例如作为对抗反射(ar)涂层的替换，其会有被损坏的倾向)上的表面损耗。在一些实施方式中，布鲁斯特表面仅对于特定偏振(例如对于p偏振，其可以对应于如上所述的||偏振)是低损耗的。由此，在角度复用(angle-multiplexed)二次谐波产生方案(例如图3所示)，其中基本光束21、残余基本光束21a和二次谐波光束22处于p偏振，在利用布鲁斯特角进入和/或离开时这些光束可以具有低表面损耗，这有助于获得高转换效率。应注意，尽管这些光束相对于二次谐波晶体34可以具有不同入射角，表面损耗量通常在最佳布鲁斯特角的几度(例如5°或更小)的范围内是可接受的。使用布鲁斯特角进入和/或离开的另一优点是，在输出部(例如在输出光学面34o)的折射可以用于将二次谐波光束22从残余基本光束21a和残余基本光束21b分离(例如图3所示)。

在一些实施方式中，布鲁斯特角进入和/或离开还可用在不是所有光束都处于p偏振的系统中。例如，在ii型转换方案(例如图2a所示)，一个输入和输出可以经p偏振，由此在二次谐波晶体上具有低表面损耗。其他输入可以经s偏振(例如其可以对应于如上所述的⊥偏振)，且相应损耗可以接受，或针对s偏振优化的ar涂层可以施加到二次谐波晶体。在一些实施方式中，如果使用未经涂层的布鲁斯特表面，则经s偏振的输入可以是残余基本光束21a(例如不是基本光束21)，以便使得仅(例如在二次谐波晶体的输入面)因为在二次谐波晶体的输出面处的残余基本光束21a的损耗不影响转换效率而造成表面损耗的发生。

环路二次谐波产生器(例如二次谐波产生器20、二次谐波产生器30和/或诸如此类)的另一特征是，因为基本光束21和残余基本光束21a被分别发射到二次谐波晶体24中，所以可通过调整环路二次谐波产生器的另一部件(例如偏振滤光器25a，偏振滤光器25b，反射镜37c，反射镜37d，和/或诸如此类)而针对具体转换构造来优化基本光束21和残余基本光束21a的位置和角度。由此，例如，对于走离补偿，可以不需要双折射或色散走离板(walk-offplate)。类似地，对于非共线相位匹配，可以不需要棱镜或其他色散部件来形成基本光束21和残余基本光束21a之间的期望角度。

进一步地，因为光绕环路二次谐波产生器行进所需的时间，残余基本光束21a相对于基本光束21延迟达到二次谐波晶体24/34。由此，通常，该构造可以适应具有输入脉冲的操作，其持续时间比光围绕环路行进所需的时间更长。这种环路的尺寸例如可以是一厘米或更大(例如3厘米(cm))，对应与约100皮秒的脉冲持续时间。由此，如上所述的环路二次谐波转换技术可以很好地适应产生纳秒或更长脉冲的激光器系统，例如调q固体激光器以及cw激光器。可以使用毫米或更小尺寸的微光学器件构造较小环路寻址皮秒脉冲(例如来自锁模激光器(mode-lockedlasers)。

环路构造也可以用于多种脉冲，如果环路往返时间被选择为约等于脉冲间隔时间或脉冲间隔时间的倍数，则所述多种脉冲每一种具有的脉冲长度比环路往返时间更短。在后一情况下，向二次谐波晶体24/34的输入包括新的脉冲和从更早脉冲产生的脉冲。例如，cw锁模激光器可以以数十mhz到数十ghz范围的重复率连续输送约10皮秒或更短的持续时间的脉冲。对于200mhz锁模激光器，例如，具有5纳秒环路往返时间(对应于150cm总光路长度)的环路二次谐波产生器允许使用来自前一脉冲的光而将每一脉冲加倍。该构造提供与单个较长脉冲情况相同的改善转换效率的优点。甚至对于仅包括两个脉冲的脉冲段(pulseburst)，也是存在优点的，因为两个输入脉冲被有效地组合为一个二次谐波脉冲，可以针对给定峰值输入功率产生更大的输出峰值功率。

在一些实施方式中，环路二次谐波产生器(例如二次谐波产生器20，二次谐波产生器30，和/或诸如此类)的延迟时间(本文称为谐波产生器延迟时间)可以设计为约等于激光源的往返时间(本文称为激光源往返时间)或是其近似整数倍。例如，环路二次谐波产生器的延迟时间可以设计为使得延迟时间约等于提供基本光束21的激光源的激光源往返时间或是其整数倍。

谐波产生器的延迟时间可以限定为光束行进通过谐波产生器的时间量。延迟时间也可以被认为是谐波产生器中光束所行进的光路长度。所行进的光路长度与环路二次谐波产生器的部件的物理间隔以及光束所经过的材料的折射率有关。往返时间是开始点和结束点为同一点的延迟时间的更具体情况。

使用图2a作为例子，光束通过二次谐波产生器20的往返时间可以限定为一时间量，其是从基本光束21经过偏振滤光器25a的时间到从基本光束21而来的残余基本光束21a到达同一偏振滤光器25a的时间。光路中的残余基本光束21a(或21b)重叠基本光束21(或21a)重合的其他点可以用于限定二次谐波产生器20中光束的往返时间。

使用图3作为另一例子，光束通过二次谐波产生器30的往返时间可以限定为一时间量，该时间量是从基本光束21入射到二次谐波晶体34的输入光学面34i上的时间到从基本光束21而来的残余基本光束21a到达二次谐波晶体34的输入光学面34i的时间。光路中的残余基本光束21a(或21b)重合基本光束21(或21a)重合的其他点可以用于限定二次谐波产生器30中光束的往返时间。

激光源往返时间可以被限定为光束完全经过激光源的腔以便结束沿与开始时相同方向的行进的时间量。例如，在线性腔中，激光源往返时间是光束从空腔中的特定点行进、从一个腔端反射镜(cavityendmirror)反射、从另一腔端反射镜反射、并行进回到腔中同一特定点的时间量，在该过程中也两次经过一种或多种激光增益介质。在典型的情况下，激光源的波动大致在激光源关联的连续往返时重复。

在一些实施方式中，基本光束21的激光源可以以多纵模(multi-longitudinalmode)操作。在这种情况下，激光源的功率由于模拍频(modebeating)而波动。通常，对于固态激光源，这种波动以皮秒尺度波动，且以皮秒尺度，功率输出可以从接近零多次变化到平均功率输出。因为激光源往返时间可以是几纳秒，所以在激光源的给定往返期间存在数千波动，会向通过激光源输出的光束中引入噪声。

典型的标准非线性二次谐波转换方案(例如针对图1的现有技术二次谐波产生器所述)可以得益于这些波动，尤其是在低转换限制条件下。例如，基本光束11的高功率波动强烈转换为二次谐波光束12。这种耦合的非线性特性暗示着，与平均功率转换被相对低功率的波动减小相比，平均功率转换被高功率的波动增加得更多。

在环路二次谐波产生器中，二次谐波晶体24/34基于基本光束21和残余基本光束21a的组合产生二次谐波光束22。这里，因为残余基本光束21a在进入二次谐波晶体24/34之前从基本光束21行进不同光路，所以基本光束21中的波动和残余基本光束21a中的波动在进入二次谐波晶体24/34时会不同步(即可以暂时不对准)，这防止功率转换因波动增强。换句话说，二次谐波晶体24/34直接从激光源接收基本光束21，且经由环路的光路接收残余基本光束21a。因而，被二次谐波产生器24/34接收的基本光束21和残余基本光束21a会不同步，这会减少二次谐波光束22的产生。

然而，如上所述，激光源的波动大致以与激光源关联的连续往返而重复。这里，尽管可以存在波动波形的逐渐改变(例如以数十到数百此往返为时间尺度)，但是从一个激光源往返(例如第一次往返)到时间上邻近的往返(例如第二次往返、第三次往返或第四次往返)的波动波形改变较小，这使得波形几乎是具有周期性的。由此可见，可以通过将环路二次谐波产生器(例如thg)的延迟时间设计为约等于激光源往返时间(例如tsource)或是其近似整数倍而获得功率转换增强。这里，尽管基本光束21和残余基本光束21a在进入二次谐波晶体24/34时不会正确对准，但是由于波动波形的近周期性，波动可以近似同步。

在一些实施方式中，可以基于环路二次谐波产生器的布局设计环路二次谐波产生器的延迟时间。例如，环路二次谐波产生器的一个或多个部件(例如二次谐波晶体24/34，偏振滤光器25a，偏振滤光器25b，频率过滤器26，反射镜27/37，偏振旋转器28，和/或诸如此类)可以布置为使得因与环路二次谐波产生器的部件关联的非线性光学环路造成的延迟时间约等于激光源往返时间或等于激光源往返时间的近似整数倍。作为具体示例性，环路二次谐波产生器的一个或多个部件可以定位(例如胶粘、钎焊、栓接)为使得，一个或多个部件之间的距离使得非线性光学环路长度匹配激光源的往返光路长度(即与之约相等或是其近似整数倍)，由此使得环路二次谐波产生器的延迟时间约等于激光源往返时间或使其近似整数倍。换句话说，可以基于环路二次谐波产生器的一个或多个部件的定位来设计环路二次谐波产生器的延迟时间。

在一些实施方式中，环路二次谐波产生器的延迟时间设计可以使用线性构建过程(linearbuildprocess)实施。线性构建过程可以包括在放置环路二次谐波产生器的部件之前制造激光源(例如在承装激光源和环路二次谐波产生器的封装件中)。例如，激光源的模拍频周期可以在激光源制造之后被锁定(例如在激光源的整个寿命中)，而另一激光源的模拍频周期(例如在另一时刻制造的)可以与所述激光源的不同。换句话说，不同激光源的模拍频周期可以略微不同。如此，一个激光源相对于另一个来说，激光源的往返光路长度可以不同。

这里，一旦制造了激光源，则线性构建过程可以进一步包括确定激光源的往返光路长度，确定非线性光路长度，非线性光路长度与激光源的往返光路长度匹配(例如在考虑了环路二次谐波产生器的部件材料的衍射率时)，和放置和/或制造环路二次谐波产生器的部件，使得环路二次谐波产生器的非线性光路长度与激光源的往返光路长度，由此使得环路二次谐波产生器的延迟时间约等于激光源往返时间或是激光源往返时间的近似整数倍。在这种情况下，环路二次谐波产生器的部件固定就位(例如部件可以胶粘就位、钎焊就位、栓接就位、等)使得环路二次谐波产生器的非线性光路和延迟时间是不可调整(即固定)。

另外或替换地，环路二次谐波产生器的延迟时间设计可以使用可调整机械部件来实施，例如测微计、旋转台、或可调整反射镜座，其让一个或多个光学部件在非线性光路中运动，例如反射镜或棱镜，由此允许非线性光路的延迟时间得以调整。包含可调整部件可以允许非线性光路长度在承装激光源和环路二次谐波产生器的封装件中进行组装之后得以改变。在这种情况下，激光源和环路二次谐波产生器可以在确定了激光源的往返光路长度之前组装在封装件中。这里，在组装之后，相应地，可以确定激光源的往返光路长度，可以确定与激光源的往返光路长度匹配的非线性光路长度，且可以使用可调整部件调整环路二次谐波产生器的非线性光路。

图5是用于使用环路构造进行二次谐波光学产生的示例性过程50的流程图，如在本文所述的。在一些实施方式中，示例性过程50可以通过环路二次谐波产生器(例如二次谐波产生器20、二次谐波产生器30和/或诸如此类)执行。

如图5所示，过程50可以包括通过二次谐波晶体传播基本光束，以从基本光束和残余基本光束产生二次谐波光束(图块51)。例如，如上针对二次谐波产生器20和二次谐波产生器30所述的，所述环路二次谐波产生器可以通过二次谐波晶体传播基本光束，以从基本光束和残余基本光束产生二次谐波光束。

在一些实施方式中，在产生二次谐波光束时，残余基本光束可以离开二次谐波晶体，如上针对二次谐波产生器20和二次谐波产生器30所述的。

进一步如图5所示，过程50可以包括传播残余基本光束，使得残余基本光束随基本光束进入二次谐波晶体，以便产生二次谐波光束(图块52)。例如，环路二次谐波产生器可以传播残余基本光束，使得残余基本光束随基本光束进入二次谐波晶体，以便产生二次谐波光束，如上针对二次谐波产生器20和二次谐波产生器30所述的。

虽然图5显示了过程50的示例性图块，但是在一些实施方式中，与图5所示的图块相比，过程50可以包括额外的图块、更少的图块、不同的图块或不同布置的图块。另外或替换地，过程50中的两个或更多图块可以并行执行。

本文所述的一些实施方式提供将环路构造(loopedconfiguration)用于二次谐波产生的二次谐波产生器。在一些实施方式中，环路构造提供了通过选择晶体取向、偏振取向、相位匹配类型和/或诸如此类来改善和/或优化非线性强度转换率的机会。进一步地，环路构造提供了用于通过使用更容易实现的非关键相位匹配改善和/或优化输出光束质量、容许带宽、角谱宽度和/或诸如此类的机会(例如与现有技术二次谐波产生器比较)。进一步地，用于二次谐波产生的环路构造改善二次谐波产生器的转换效率(例如与现有技术二次谐波产生器比较)。

前文内容提供了展示和描述，但是目的不是要将实施方式穷尽或限制为所公开的确切形式。可以在上述内容的启发下或从具体实施方式的实施过程中做出改变和修改。

即使特征的具体组合记载于权利要求中和/或公开在说明书中，这些组合的目的也不是限制本发明的可能实施方式。事实上，许多这些特征可以以权利要求中未具体记载和/或说明书中未具体公开的各种方式组合。虽然每一个从属权利要求可以直接从属于一个权利要求，但是可行实施方式的公开包括与权利要求书中每个其他权利要求组合的每个从属权利要求。

本文使用的元件、动作或指令都不应被理解为是关键或必不可少的，除非另有描述。还有，如本文使用的，冠词“一”目的是包括一个或多个项目，且可以与“一个或多个”替换使用。进而，如本文使用的，术语“组”应是包括一个或多个项目(例如关联项目，非关联项目，关联项目和非关联项目的组合等)，且可以与“一个或多个”替换使用。在指仅一个项目的情况下，使用术语“一个”或相似用语。还有，如本文使用的，术语“具有”、“包括”、“包含”等应是开放性的术语。进一步地，短语“基于”应是“至少部分地基于”，除非另有说明。