VBG（Volume Bragg grating ）体布拉格光栅外腔窄线宽激光器
体布拉格光栅是一种透明介质，其折射率呈周期性变化。体布拉格光栅（Volume Bragg Grating, VBG）激光二极管利用了VBG作为反馈元件，以实现窄线宽和波长选择性的激光输出。其工作原理主要基于布拉格衍射条件和光学反馈机制。
一般地，半导体激光器的出射光拥有较宽的光谱带宽，当出射光经过体光栅时，部分模式因不满足布拉格条件而直接经过体光栅透射出去，只有满足布拉格条件的模式会反馈回有源区内，形成外腔振荡，最终实现模式锁定。使用体光栅做为外腔输出镜的半导体激光器拥有单一的波长输出和较窄的光谱带宽。
在VBG外腔激光器中，VBG充当了一个选择性反射镜的角色，只对满足布拉格条件的特定波长提供有效的光学反馈。这意味着只有当激光的波长满足布拉格条件时，才会被VBG有效地反射回增益介质（即激光活性材料），从而增强该波长的光放大效果，形成激光输出。如下图所示
图1 VBG激光器工作原理
1 布拉格条件
对于VBG来说，布拉格定律可以表示为：
𝑛𝜆 =2𝑑sin(𝜃) (1)
其中：𝑛 是布拉格级次（通常取1），𝜆 是入射光的波长，𝑑 是光栅的周期，𝜃 是入射角或衍射角。
这意味着当光以特定角度入射到VBG上时，只有满足上述条件的波长才会被强烈反射，其他波长则会透过光栅。
假设我们有一个激光二极管，其内部的VBG的周期为𝑑，激光波长为𝜆，并且光垂直入射即𝜃=0，根据布拉格定律：
𝜆=2𝑑
这意味着，为了获得特定波长的激光输出，必须精确控制VBG的周期。例如，如果需要产生波长为532nm的绿光激光，则VBG的周期应该设计为大约266nm（考虑到布拉格级次n=1）。
2 VBG（Volume Bragg grating ）体布拉格光栅
体布拉格光栅通常是在光敏材料（如PTR玻璃）中通过紫外全息曝光和热处理加工制作而成。这些过程会引起材料内部折射率的周期性变化，从而形成一个三维的光栅结构。
如图2 所示，体布拉格光栅（VBG）有两种基本类型。第一种是透射布拉格光栅（TBG），当入射光满足布拉格条件时，光不会直接透过，而是会发生衍射。第二种是反射布拉格光栅（RBG），对于满足布拉格条件的入射光，它就像一面镜子一样反射光线。
图2 (a)为透射式布拉格光栅的光束几何结构， (b)为反射式布拉格光栅的光束几何结构。
对于这两种体光栅，入射角均为
，且介质内体光栅的倾斜角度为 
。此时当满足由公式（2）和（3）所定义的布拉格条件时，这些体布拉格光栅（VBG）中的每一个都会发生共振衍射。
（2）
（3）
图 3展示了利用体布拉格光栅（VBG）进行光谱反馈的原理：当满足布拉格条件时，衍射效率接近 100%；而在偏离布拉格条件的波长处，衍射效率接近 0%，这些波长对应于光栅特性曲线中的最小值。
图3 反射式布拉格光栅（RBG）衍射效率
3 VBG（Volume Bragg grating ）外腔激光器
体布拉格光栅（VBG）激光器的结构通常由一个激光二极管、体布拉格光栅和准直透镜组成。图 1 展示了体布拉格光栅（VBG）激光器的基本外腔结构。激光二极管通常包含激光增益介质，一般是由诸如砷化镓（GaAs）或磷化铟（InP）之类的半导体材料，置于两面反射镜之间构成。泵浦源，尤其是发射波长短于期望输出波长的高功率激光二极管，用于激发激光增益介质。体布拉格光栅（VBG）放置在激光腔的一端，起到输出耦合器的作用。VBG 的端面经过光学抛光处理，并涂有抗反射涂层，以防止寄生反射。寄生反射是指在激光器中发生的非预期且不受欢迎的振荡，会导致噪声或不稳定性。此外，还有一个准直透镜用于准直激光束。
当向激光二极管和泵浦源施加电流时，会激发激光增益介质，使其发射出包含多种波长 λ1、λ2、…、λN 的宽光谱。激光在激光腔内传播，通过准直透镜聚焦后照射到位于腔一端的体布拉格光栅（VBG）上。这使得光栅起到输出耦合器的作用，仅将所需波长的激光反射回腔内，而让其他所有波长的光透过。这种选择性反射源于 VBG 的周期性折射率调制，它起到了波长选择反射器的作用。因此，VBG 用一束窄光束对激光进行自注入，迫使激光二极管在布拉格光栅选定的这个特定波长上产生激光。于是，激光器仅发射一种波长 λ1 的光。该激光通过对所需输出波长透明的输出窗口射出激光腔。图 1同时 展示了体布拉格光栅激光二极管的工作过程。
4 VBG激光器优缺点
优点：
・光谱稳定性提高
・性价比高且易于实现
・冷却需求降低
・发射特性改善
・泵浦效率提高
・能够在高功率下运行
・光源无需耦合进光纤
・在较宽的温度范围和驱动电流下保持稳定的泵浦效率
缺点：
・结构复杂
・额外的腔外光学元件增加了机械结构的精细度（即对机械结构要求更高，更易损坏）
VBG激光二极管利用了布拉格衍射条件来实现对激光波长的选择性和稳定性，而这种特性是通过VBG作为选择性反射器来实现的。这样的设计使得VBG激光二极管在需要高光谱纯度的应用中表现出色，如光通信、医疗设备等
