作者：韦bq 时间：2025-12-17
OptiGrate位于佛罗里达州奥维耶多，成功演示并商业化了超高光学均匀性PTR玻璃技术和超均匀大孔径全息图记录技术后，可用于在CPA超短脉冲激光系统中的实用型CBG体布拉格光栅(Chirped Bragg Grating)才成为现实。其中，孔径和厚度的进一步扩展将取决于PTR玻璃技术和大孔径全息图记录技术的改进。由于不同光谱区域的有效散射因子(SF或SCR)和散射损耗存在显著差异，因此，记录在PTR玻璃中的CBG的特性与其预期使用的光谱范围密切相关。
目前，激光光源可利用CPA技术应用于四个主要光谱区域，其OptiGrate啁啾体布拉格光栅CBG产品类型如下：
I型CBG用于0.8μm钛蓝宝石激光器；
II型CBG用于1μm掺镱和掺钕光纤及固态激光器；
III型CBG用于1.5μm掺铒光纤及固态激光器；
IV型CBG用于2μm激光器。
用于0.8μm的I型CBG（Chirped Bragg Grating）：
在钛蓝宝石高功率激光系统中，啁啾体布拉格光栅CBG的应用既有优点也有缺点。一方面，CBG能够承受高功率峰值，因此具有显著优势。然而，由于光谱带宽有限且散射损耗高，OptiGrate体光栅CBG在短波长光谱区域的应用受到限制，从而影响衍射效率。图1(a)展示了工作波长为800nm的CBG(Chirped Bragg Grating)的最大衍射效率和最小散射损耗与光谱带宽的关系。已知，增加CBG的光谱带宽需要PTR玻璃中更高的空间折射率调制。PTR玻璃中约10-3的最大折射率调制将800nm工作波长下的可实现光谱宽度限制在约20nm。可以看出，随着光谱宽度的增加，衍射效率降低，而损耗增加。在800nm波长处，光谱带宽为20nm 的CBG衍射效率勉强超过50%。限制该光谱范围内CBG衍射效率的主要因素是CBG材料内部光散射造成的材料损耗。减小该区域CBG的光谱宽度需要更小的折射率调制，从而减小散射损耗[图1(a)]。针对该光谱范围设计的CBG的SF值范围为15-300ps/nm（表1）。可以看出，最大可实现的SF值与光谱带宽成反比。根据该表，可以计算啁啾体布拉格光栅CBG可提供的最大色散。对于光谱带宽为2-20nm的光栅，可实现的拉伸时间为500ps。
用于1μm的II型CBG：
在该光谱区域，已经开发出多种用于工业、医疗和军事应用的高功率超快激光器。该光谱区域内可实现的CBG特性能够满足这些激光器的要求，因此CBG在1μm波段的工业和科研超短脉冲激光器中得到了广泛应用。该光谱区域用于CBG的主要优势在于其光散射的降低，1μm光谱范围制造的光栅的损耗显著低于0.8μm波段的光栅。图1(b)展示了该光谱范围内可实现的衍射效率以及不同光谱带宽CBG的相关损耗。可以看出，与800nm激光波长设计的光栅相比，衍射效率显著提高。这种更低的材料损耗使得制造光谱带宽高达30nm的光栅成为可能。目前，1μm波长的CBG的SF范围为7至500ps/nm。表1总结了不同光谱带宽下可实现的SF值(拉伸系数 )。
适用于1.5μm的III型CBG：
1.5μm光谱范围内的散射损耗对CBG衍射效率的影响更小。如图1(c)所示，在相同带宽下，1500nm处的材料损耗比1000nm处的损耗降低了近一半。这使得制造光谱带宽高达50nm的体光栅CBG成为可能。在该光谱区域制造更大带宽的光栅受到折射率调制的限制。表1总结了工作在1500nm光谱区域的光栅的SF值。
用于2μm的IV型CBG：
PTR玻璃的透明窗口延伸至2.9μm，在该波长下，已成功在PTR玻璃中制造出具有均匀光栅周期的体布拉格光栅（VBG）。然而，由于该波长范围内CBG所需的厚度较大，其透明窗口缩小至2.7μm。因此，后一种类型的VBG覆盖1800至2700nm的波长范围。在该范围内，所有类型光栅的散射损耗均小于10%。如图1(d)所示，该图还显示了可实现的衍射效率与光谱带宽的关系。在该光谱范围内，限制光谱带宽的主要因素是折射率调制。然而，尽管存在这一限制，仍可设计和制造出光谱带宽高达100nm的CBG，用于该光谱范围。
近年来，PTR玻璃的制造技术取得了显著进步，能够制造厚度超过50mm、孔径超过10mm的CBG。衍射光束接近衍射极限的质量，使得体光栅CBG能够应用于高品质激光系统中。
表1：用于不同光谱区域的啁啾体布拉格光栅参数。
|
拉伸系数（ps/nm） |
|||
|
波长(nm) |
带宽(nm) |
最大Max |
最小Min |
|
800 |
1 |
300 |
15 |
|
2 |
250 |
15 |
|
|
5 |
100 |
15 |
|
|
10 |
30 |
15 |
|
|
20 |
15 |
15 |
|
|
1000 |
1 |
500 |
7 |
|
2.5 |
170 |
7 |
|
|
5 |
80 |
12 |
|
|
10 |
30 |
12 |
|
|
25 |
18 |
12 |
|
|
1500 |
2 |
150 |
20 |
|
5 |
100 |
10 |
|
|
10 |
50 |
10 |
|
|
20 |
25 |
10 |
|
|
50 |
10 |
10 |
|
|
2000 |
1 |
90 |
40 |
|
5 |
90 |
20 |
|
|
10 |
50 |
7 |
|
|
50 |
10 |
7 |
|
|
100 |
7 |
7 |
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图1: 不同波长下，啁啾体布拉格光栅在不同光谱带宽下的衍射效率与损耗特性图示
总结：
对于短波长压缩光栅，散射对波长的强烈依赖性导致高损耗——800nm波长处的损耗超过30%——但在2μm附近却能实现几乎无损耗的压缩。减小CBG的光谱宽度（即增加 SF）可以降低所需的折射率调制，并且这些光栅的损耗也会降低。
参考文献：Volume-chirped Bragg gratings: monolithic components for stretching and compression of ultrashort laser pulses, Optical Engineering 53(5), 051514 (May 2014)
啁啾体布拉格光栅CBG脉冲拉伸和压缩的基本原理_美国Optigrate
