引言：OptiGrate对CVBG技术的持续开发导致了用于超短脉冲展宽器和压缩器的BragGrate脉冲元件的演示，其带宽高达27nm，绝对衍射效率超过90%。CVBG技术的改进确保了展宽和压缩后光束的近衍射极限质量。2008年，展示了紧凑型CPA系统，平均功率为100W，1060nm处脉冲持续时间为180fs，1550nm处平均功率创纪录的10W。

超短脉冲在医学、工业和国防等领域的许多应用都需要更高平均功率和脉冲能量。我们之前介绍过可以通过啁啾脉冲放大(CPA)的技术，以获得更高平均功率和脉冲能量的超短脉冲^[1]。但使用CPA技术可以获得的最大峰值功率主要由压缩器组件的光学损伤阈值确定。

最初，CPA系统中的脉冲展宽和压缩几乎完全由通常被称为“Treacy展宽器和压缩器”的成对的表面衍射光栅^[2][3]来完成。尽管使用表面衍射光栅的传统技术显著提高了可实现的功率水平，但它具有与这些组件的平均功率处理能力降低相关的限制，这些平均功率处理能力通常在几十瓦的范围内。随着当今光纤激光器的功率水平轻松超过1kW，这一限制已经成为超短脉冲激光器功率扩展的主要障碍。此外，Treacy展宽和压缩器需要高度均匀的大口径栅格和大栅格间距。这样展宽和压缩机体积庞大，难以对准，而且容易受到振动的影响。

Treacy展宽和压缩器

光纤啁啾布拉格光栅(CFBG)的使用在CPA系统的开发方面取得了重要进展。^[4][5]这种方法极大地提高了CPA系统的稳健性，使其能够在研究实验室以外的恶劣环境中使用。然而，尽管光纤展宽成为CPA系统设计的常规方法，但由于光纤中的非线性效应和光纤的激光损伤，有限的啁啾光纤布拉格光栅孔径限制了光纤脉冲压缩器所能获得的峰值功率。为了克服这些限制，提出了使用体积CFBG进行脉冲展宽和压缩^[6]。啁啾体积布拉格光栅（CVBG）是一种创新型的光学组件，主要用于处理超短激光脉冲。与传统的Treacy压缩器相比，CVBG体积小三个数量级，具有更高的集成度和稳定性。CVBG的核心特性是其光栅周期沿光束传播方向的变化，这种特性使得它能有效地展宽和重新压缩超短激光脉冲。

CVBG原理示意图。CVBG可以将布拉格镜的光谱宽度扩展到数十纳米。它们在衍射光束（激光脉冲的啁啾）中产生不同波长的空间分离

由于当时缺乏制造这种光学元件的适当技术，这一提议的实施进展缓慢。当时可用于体全息记录的所有光敏材料都不能满足激光系统中高功率应用的要求。7这种情况随着体全息材料-光敏(PTR)玻璃^[8][9]的发展而改变^[10]，CVBG的制造将光栅形貌记录在光敏（PTR）玻璃中。这种材料的选用使得CVBG可以在宽广的光谱范围内（0.8至2.5微米）高效工作。这进一步促进了高效率体布拉格光栅技术的发展。在PTR玻璃中记录的体积CVBG(沿光束传播方向具有可变周期的体积布拉格光栅)的产生使高功率展宽器和压缩器的设计成为一种新的方法，并已成为一项重要的竞争CPA技术。对于超过1毫焦耳能量和250瓦平均功率的脉冲，CVBG可以实现超过90%的衍射效率，能够对激光脉冲进行高达1纳秒的展宽和降至200飞秒的压缩。

使用CFBG和VBG进行色散补偿

CVBG与传统表面衍射光栅技术的比较

相比于传统的表面衍射光栅等技术，CVBG在体积、对准简便性以及对振动和冲击的抵抗力方面具有显著优势。传统的压缩机是基于一对表面衍射光栅，它们必须放置在彼此之间一定的距离，并且占据几升的体积，不包括大口径望远镜、反射镜等的尺寸。典型的CVBG可以将压缩机的尺寸和重量减小几个数量级。这使得CVBG特别适合于高功率应用，提高了光学系统的整体稳定性和效率。另外传统的Treacy压缩结构最脆弱的特点是其对振动和冲击的高度敏感性，这些振动和冲击会导致衍射栅之间的不对准。CVBG展宽器和压缩器的使用增强了CPA系统的稳健性，因为这些设备是单片的，这意味着在展宽器/压缩器功能内不会出现错位(尽管它仍然必须与输入光束对准)。因此，这些设备本质上不受振动和冲击的影响。

高功率光纤CPA放大系统的实验设置图

CVBG的技术规格与限制

CVBG技术的一个主要限制是它的窄频谱宽度，在目前PTR玻璃中记录的体布拉格光栅技术水平上，CVBG展宽器和压缩器的主要局限性是光谱宽度较窄，限制了对长于100fS的脉冲的操作。然而，即使在这一限制下，CVBG仍能保持优异的激光束质量，这对于高精度的光学应用至关重要。

体积布拉格光栅的光束衍射图。^[11]

(A) 透射式光栅，(B)均匀反射光栅(布拉格镜)，(C)啁啾反射光栅，λ1>λ2>λ3。空间调制没有尺度--1μm的布拉格镜的典型周期约为0.3μm。

不同波长的啁啾布拉格光栅的衍射效率和损耗与光谱带宽的关系。记录的反射体布拉格栅沿光束传播方向逐渐变化，提供了对短激光脉冲的有效展宽和再压缩。^[11]

CVBG是单片装置，与传统的Treacy压缩器相比，使用量小三个数量级。在光热折射玻璃中记录的CVBG可以在0.8~2.5μm的光谱范围内使用，衍射效率超过90%，对于能量和平均功率分别超过1mJ和250W的激光脉冲，提供高达1ns的脉冲展宽和低至200fs的压缩，同时保持再压缩光束质量M2<1.4^[11]。

OptiGrate基于CVBG元件的产品

BragGrate™Pulse是一种能够展宽和压缩超短激光脉冲的CVBG。通过改变通过光栅的光传播方向，同一元件可以用作展宽器或压缩器。它是第一个商用的基于啁啾布拉格光栅(CVBG)的产品，专为在啁啾脉冲放大(CPA)和其他超短脉冲激光(USPL)系统中展宽和压缩飞秒和皮秒激光脉冲而设计，高功率/高能量运行(平均功率高达1kW/高达2mJ的脉冲能量)。它是一种反射体布拉格光栅，其周期沿光束传播方向逐渐变化。它是适用于高能、高平均功率超短脉冲激光系统的最紧凑、最稳定的展宽器/压缩器解决方案。

·                          

BragGrate™Pulse脉宽展宽器或压缩器              双向通过30毫米厚的BragGrate™脉冲后的输出光束形状       压缩脉冲曲线理论与30毫米厚BragGrate™脉冲的测量数据

OptiGrate的全系列产品包括发射(TBG)、反射(RBG)和啁啾(CVBG)体布拉格光栅。他们提供世界上规格最齐全的体布拉格光栅 (VBG)并且可以制造效率大于 99.9% 的 VBG。他们还提供最窄的线宽、最大的尺寸、最低的吸收率和其他创纪录的参数。

参考文献：

1.D. Strickland and G. Mourou, “Compression of amplified chirped optical pulses,” Opt. Commun. 56(3), 219–221 (1985).

2. E. Treacy, “Optical pulse compression with diffraction gratings,” IEEE J. Quantum Electron. 5(9), 454–458 (1969).

3. O. Martinez, “3000 times grating compressor with positive group velocity dispersion: application to fiber compensation in 1.3– 1.6 μm region,” IEEE J. Quantum. Electron. 23(1), 59–64 (1987).

4.A. Boskovic et al., “All-fibre diode pumped, femtosecond chirped pulse amplification system,” Electron. Lett. 31(11), 877–879 (1995).

5. A. Galvanauskas et al., “All-fiber femtosecond pulse amplification circuit using chirped Bragg gratings,” Appl. Phys. Lett. 66(9), 1053–1055 (1995).

6. A. Galvanauskas and M. E. Fermann, “Optical pulse amplification using chirped Bragg gratings,” U.S. patent 5,499,134 (1996).

7.P. Hariharan, “Optical holography. Principles, techniques, and applications,” Chapter 7 in Practical Recording Materials, pp. 95–124, Cambridge University Press (1996).

8. V. A. Borgman et al., “Photothermal refractive effect in silicate glasses,” Sov. Phys. Dokl. 34(11), 1011–1013 (1989).

9. L. B. Glebov et al., “Polychromatic glasses—a new material for recording volume phase holograms,” Sov. Phys. Dokl. 35(10), 878– 880 (1990).

10. O. M. Efimov et al., “Process for production of high efficiency volume diffractive elements in photo-thermo-refractive glass,” U.S. Patent 6,586,141 (2003).

11.Glebov L, Smirnov V, Rotari E, et al. Volume-chirped Bragg gratings: monolithic components for stretching and compression of ultrashort laser pulses[J]. Optical Engineering, 2014, 53(5): 051514-051514.