本文是一篇综述性科学论文（类型b），主要作者为Leonid Glebov及其合作者，来自Optigrate Corp.、University of Central Florida（CREOL）以及Aix-Marseille Université等机构。论文发表于SPIE旗下期刊Optical Engineering，2014年5月第53卷第5期。文章系统介绍了基于光热折变玻璃（photo-thermo-refractive glass，PTR玻璃）的体啁啾布拉格光栅（volume-chirped Bragg gratings，CBGs）在超短激光脉冲展宽与压缩中的应用，涵盖其基本原理、制造工艺、性能参数以及在不同光谱区域的适用性。

论文的核心主题是啁啾脉冲放大（chirped pulse amplification，CPA）技术中脉冲展宽器与压缩器的革新。传统CPA系统通常使用Treacy型表面衍射光栅对，这类装置体积庞大、对振动敏感、平均功率承受能力有限。相比之下，基于PTR玻璃的体啁啾布拉格光栅是单片式（monolithic）器件，占用体积比传统压缩器小三个数量级，同时具有高损伤阈值和高平均功率承受能力。作者指出，这种新型器件已实现商业化，并可在0.8至2.5微米光谱范围内工作，衍射效率超过90%，展宽时间可达1纳秒，压缩脉冲宽度可至200飞秒，适用于能量超过1毫焦、平均功率超过250瓦的激光系统，同时保持光束质量M²低于1.4。

论文首先介绍了体布拉格光栅的基本工作原理。均匀体布拉格光栅是通过两束准直光束干涉记录在光敏材料中的相位体全息图，其折射率呈周期性调制。当布拉格条件满足时，入射光束发生衍射。反射式体布拉格光栅（布拉格镜）的衍射光束从入射面返回，而不满足布拉格条件的光束则直接透射。为了增加光谱宽度，啁啾体布拉格光栅通过发散光束与会聚光束的干涉记录，使光栅周期沿光束传播方向逐渐变化。这种啁啾结构可以看作由大量周期不同的均匀光栅叠加而成，从而在更宽的光谱范围内实现反射。

论文详细推导了CBG的关键参数。光谱啁啾率（spectral chirp rate，SCR）定义为波长随位置的变化率，其表达式为SCR = dλ/dz = 2n(dΛ/dz)，其中n为平均折射率，Λ为光栅周期。CBG的总光谱宽度等于SCR与光栅厚度t的乘积。最大展宽时间由公式ts = 2nt/c决定，其中c为光速。展宽因子（stretching factor，SF）定义为总延迟时间与光谱宽度之比，即SF = ts/δλ = 2n/(c·SCR)。对于线性啁啾的理想CBG，不同光谱成分的时间延迟与波长呈线性关系。实际器件中，材料色散和制造误差会导致高阶色散项，如三阶色散（third-order dispersion，TOD）。

论文深入讨论了PTR玻璃中CBG的损耗机制。PTR玻璃通过光致析出氟化钠纳米晶体实现折射率调制。散射损耗遵循瑞利散射公式，与波长的四次方成反比。在1微米附近，吸收损耗低于10⁻³ cm⁻¹，散射损耗低于10⁻² cm⁻¹；但在800纳米附近，散射损耗显著增加，导致短波长端衍射效率下降。对于厚度达数厘米的CBG，总衰减在1微米附近可达约20%，而在800纳米附近则超过30%。因此，CBG在短波长区域的应用受到散射损耗的严重限制。此外，从“红端”（周期较大端）或“蓝端”（周期较小端）照射CBG会产生不同的光谱响应不对称性，这是由于不同光谱成分在光栅内传播距离不同所致。

论文还介绍了多程（multipass）与多段式（multisectional）CBG结构。单程CBG的展宽时间受限于PTR玻璃晶片的厚度，目前最大厚度约为50毫米。通过让激光脉冲多次通过同一CBG，可以使展宽因子翻倍，从而在相同器件尺寸下实现更大的展宽时间。多段式结构则通过将多个光谱范围相邻的CBG按适当间距排列，等效于一个更厚的单一光栅。多程结构还提供了脉冲整形的新途径：在多程几何中，不同光谱成分在垂直于传播方向上被分散，可在CBG与反射镜之间放置相位掩模（phase mask）来引入光谱相位调制，从而实现时域脉冲形状的调控。论文给出了一个建模示例，表明在半个光束上引入λ/2相位差的二元相位掩模可导致脉冲形状的显著变形。

在CBG的制造与性能方面，论文指出Optigrate公司已实现高光学均匀性PTR玻璃和均匀大孔径全息记录技术的商业化。目前可制造的CBG孔径最大为10×10 mm²，厚度最大为50 mm。衍射光束质量M²小于1.4，接近衍射极限。然而，不同光谱区域的CBG性能差异显著。论文将CBG产品分为四类：类型I用于800纳米的钛宝石激光器，其光谱带宽最大约20纳米，衍射效率在宽带宽下仅略高于50%，主要受散射损耗限制；类型II用于1微米的镱和钕掺杂激光器，得益于更低的散射损耗，光谱带宽可达30纳米，衍射效率显著提高；类型III用于1.5微米的铒掺杂激光器，散射损耗进一步降低，光谱带宽可达50纳米；类型IV用于2微米的新型激光源，PTR玻璃的透明窗口延伸至2.9微米，CBG的光谱带宽可达100纳米，散射损耗低于10%。

论文还用表格总结了不同光谱区域CBG的可实现参数。在800纳米，光谱带宽从1纳米到20纳米对应展宽因子从300 ps/nm到15 ps/nm；在1000纳米，带宽从1纳米到25纳米对应展宽因子从500 ps/nm到7 ps/nm；在1500纳米，带宽从2纳米到50纳米对应展宽因子从150 ps/nm到10 ps/nm；在2000纳米，带宽从1纳米到100纳米对应展宽因子从90 ps/nm到7 ps/nm。这些数据表明，展宽因子与光谱带宽大致成反比关系，主要受限于PTR玻璃的最大折射率调制量（约10⁻³）。

论文最后总结了CBG技术的主要优势与局限性。其优势包括：单片式结构使其抗振动和冲击能力远优于传统Treacy压缩器；体积减少三个数量级；可用于高能量和高平均功率的CPA系统。其主要局限性在于光谱带宽相对较窄，目前仅适用于脉宽大于100飞秒的脉冲。此外，光束质量M²仍有提升空间，进一步降低到1.1以下将有利于需要精确功率密度的应用。

本文的价值在于系统梳理了体啁啾布拉格光栅在超短脉冲激光技术中的发展现状与关键问题，为研究者提供了从基本原理、制造工艺到实际性能参数的全面参考。它不仅总结了PTR玻璃CBG的工程可实现参数，还分析了损耗机制、多程与多段式扩展方法以及脉冲整形潜力，为高功率超快激光系统的设计提供了重要指导。特别是对于需要在恶劣环境中运行、对体积和稳定性有严格要求的工业与国防应用，CBG提供了一种具有竞争力的替代方案。