KDP和DKDP晶体是在高功率激光系统中用于普克尔斯盒、二倍频、三倍频转换的重要光学元件,其激光诱导损伤阈值是制约强激光系统输入和输出能量进一步提升的重要瓶颈。为了理解KDP和DKDP晶体的激光诱导损伤机理,提高其激光损伤阈值,本文从晶体的加工、使用和损伤机理的角度入手,进行了表面划痕诱导损伤、激光预处理、疲劳效应及损伤区域的材料成分变化几个方面的研究。超精密加工和接触式清洗过程中造成的表面划痕是造成KDP晶体损伤阈值降低的重要因素。本文首先观测KDP样品表面划痕的形貌特征,然后在样品表面人为制造不同深度、方向和形状的划痕,并对这些划痕进行损伤阈值测试,分析划痕的深度、方向以及截面形状对晶体激光损伤阈值的影响;其次,用二维FDTD方法模拟划痕附近光场强度分布,为实验结果提供理论解释。实验结果表明,当晶体表面存在划痕(宽度约为10μm,深度约为300nm)时,其激光诱导损伤阈值会降低30%以上;虽然不同参数的划痕之间形貌差别很大,但划痕的深度、方向和形状对晶体的损伤阈值无明显影响。仿真结果表明,宽深比较小(1-3)的划痕会造成强烈的光场调制,使划痕附近的光场强度增强3-4倍;同时,划痕两侧的脆性裂纹会进一步增强光场强度。激光预处理能够有效地提高KDP和DKDP晶体的激光损伤阈值。另一方面,KDP和DKDP晶体作为频率转换元件,需稳定工作于重复脉冲之下,此时晶体的疲劳效应会导致其激光损伤阈值降低。本文对DKDP晶体的疲劳效应和激光预处理特性进行了实验研究,发现在DKDP晶体的激光预处理及疲劳效应过程中,存在三个关键的能量范围,由低到高分别为:1)能产生预处理效果的最低能量(对于DKDP晶体的1ω损伤,使用1ω激光预处理,能产生预处理效果的最低能量约为6～8J/cm2;对于DKDP晶体的3ω损伤,使用3ω激光预处理,能产生预处理效果的最低能量约为4-6J/cm2),当激光能量低于此值时,将不会产生预处理效果;而能量高于此值,且晶体不损伤时,只提高预处理能量或者只增加脉冲个数,都能提高预处理效果(可提高损伤阈值约1.5倍)。2)“安全”能量范围(1ω:约10J/cm2,3ω:约8J/cm2),当激光能量低于此值时,无论多少发(本实验工作条件下最高为3000发)都不会导致材料损伤;而当能量高于此值且小于单脉冲损伤阈值时,将产生疲劳效应,即损伤阈值随着激光脉冲个数的增加而降低(可降低约30%)。3)1-on-1损伤阈值(1ω:约17J/cm2,3ω:约11J/cm2),当能量高于此值时,单脉冲激光即有可能诱发材料损伤。KDP和DKDP晶体激光诱导损伤的形成是由于晶格缺陷或杂质的局部非线性光吸收引起的超快熔融、塑性变形以及材料破裂。为了加深对激光诱导损伤机理的理解,本文研究了晶体损伤区域的材料成分变化,对KDP及DKDP晶体的表面损伤区域进行了拉曼光谱测试和EDS能谱分析,并结合损伤区域的SEM图像,分析损伤区域的材料成分变化,得到了以下几个结论:1)KDP晶体损伤区域与未损伤区域相比,氧原子含量占比降低,这说明KDP晶体的损伤区域发生了脱水变化,导致氧原子的含量降低。2)DKDP晶体疲劳区域的拉曼光谱与晶体原始表面的光谱无明显区别。这有两种可能,一是DKDP晶体的疲劳区域未发生材料成分变化,另一是疲劳区域虽然发生了微观成分的变化,但拉曼光谱无法检测出来。3)KDP晶体355nm损伤区域(5发)以及DKDP晶体1064nm损伤区域(300发)的拉曼光谱与未损伤部位相比发生了谱峰消除或偏移,这是因为两个区域在激光辐照过程中,历经高温而熔融脱水,材料发生了成分变化,导致损伤区域存在一定量的KP03,被拉曼光谱所捕捉。4)在KDP晶体1064nm损伤点(5发)、DKDP晶体1064nm损伤点(5发)和DKDP晶体355nm损伤点(5发),都没有观察到拉曼光谱的明显变化。这是因为在这几个损伤区域熔融部分所占的比例较小,大部分为材料的脱落和断裂,所以没有引起拉曼光谱的显著变化。5)随着激光脉冲个数的增加,KDP和DKDP晶体损伤区域的熔融部分的占比会逐渐增加。6)在355nm激光的作用下,随着脉冲个数增加,在KDP及DKDP晶体表面的损伤区域中损伤坑逐渐加深;而在1064nm激光的作用下,随着脉冲个数增加,KDP及DKDP晶体表面的损伤区域中损伤坑的深度不发生明显变化。本文有关划痕和疲劳损伤方面的研究可为KDP及DKDP晶体的加工和预处理工艺提供有意义的参考,并有助于理解激光诱导损伤的机理。