激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种新型的物质成分测量方法已经在越来越多的领域得到广泛应用, 但是与传统的分析方法相比, LIBS技术的分析性能还需进一步提高。 LIBS技术的理论基础是激光诱导等离子体, 从物理机理上研究等离子体特性, 对LIBS系统实验参数的优化具有指导作用, 也为提高LIBS技术的检测能力奠定理论基础。 激光诱导等离子体是一个与空间相关的非稳态辐射源, 空间分辨光谱测量是探究等离子体物理特性的重要手段之一。 为研究激光诱导等离子体的辐射特性, 采用1 064 nm的Nd∶YAG调Q固体激光器烧蚀合金钢样品产生等离子体, 利用空间分辨装置测量二维空间的等离子体辐射光谱信号, 通过分析可知实验采集的光谱信号是信号探测器测量路径上的积分光谱强度, 由此计算得到的等离子体参数也是观测路径上的平均值。 为了深入研究等离子体由内层到外层的辐射规律, 首先测量得到等离子体路径积分光谱强度的横向空间分布, 然后以等离子体为光学薄和圆柱对称的前提条件, 采用三次样条函数算法对路径积分光谱强度进行Abel逆变换, 反演得到等离子体由内层到外层谱线辐射率的径向空间分布。 选取等离子体辐射光谱中的原子谱线Fe Ⅰ: 374.55 nm和Mn Ⅰ: 403.08 nm为研究对象, 分析等离子体辐射光谱的空间分布特征, 研究结果表明, 等离子体辐射路径积分光谱强度的横向分布呈现出中心位置强度大边缘位置强度小的特征, 这是由于等离子体膨胀扩张的结果引起的; 通过Abel逆变换得到等离子体光谱辐射率的径向分布, 结果表明等离子体从内层到外层谱线的辐射率经过了先增加后减小的变化规律, 等离子体中心处出现辐射率的极小值, 造成这种现象的主要原因是由于等离子体辐射源中心区域具有较低的电子密度; 选取等离子体辐射光谱中Fe元素的11条原子谱线, 采用Boltzman法分别由谱线相应的积分光谱强度和辐射率计算等离子体温度, 得到等离子体温度的横向空间和径向空间的二维分布, 两者具有类似的变化规律; 由等离子体温度的横向空间分布可以看出, 随着离样品表面距离的增加, 等离子体温度呈现单调减小的趋势, 等离子体中心到边缘区域等离子体温度逐渐降低, 这是由等离子体膨胀扩张以及与环境气体相互作用共同的结果; 由等离子体温度的径向空间分布可以看出等离子体由内层到外层等离子体温度逐渐降低, 这是由于等离子体膨胀扩张冷却引起的。 由此可见, 采用Abel逆变换能够实现等离子体由内层到外层的辐射特性分析, 为深入理解等离子体产生和演变的物理机理提供实验依据, 从而为提高激光诱导击穿光谱技术的分析性能奠定理论基础。

在激光聚变研究中, 存在大量具有陡峭不连续界面特性的靶丸等离子体诊断问题, 需要借助Abel反演方法对结果进行分析。 提出了一种基于基函数展开处理不连续径向分布的Abel反演方法, 采用带约束的Landweber迭代法求得优化结果。利用该算法可以对不连续阶跃分布进行比较准确的反演, 获得阶跃结构特征。在理想情况下, 针对不连续阶跃分布的反演方差好于10-4, 即使在存在一定噪声的情况下也仍然可以获得较好的结果。该方法可用于对激光聚变研究中压缩过程中球壳的背光照相、自发光成像、光谱测量等诊断结果的数据分析。

利用探针光编码源成像可对丝阵负载Z箍缩等离子体内爆实验进行冕区密度诊断, 基于阴影像系统, 在光路靶区前设计增加一块线阵编码板对入射探针光波前空间分布进行改造.通过模拟成像分析了光路布局中物面选择和偏折角提取；在等离子体的最大密度小于临界密度一个量级时Abel变换式可以采用近轴近似, 采用对偏折角样点直接三次样条插值和对Abel变换式的分段积分获得等离子密度分布, 其与初始密度设定值相比较为吻合；比较编码板不同疏密度时的反演偏差, 对于梯度变化平滑的等离子体, 即使条纹比较稀疏也能反演得到很好的结果.结果表明: 该方法系统简单, 对光源和光学器件性能参数要求较为宽松, 调试容易, 具有很好的测量适应性, 可用于等离子体密度诊断.

建立了背光照相的模拟手段, 研究了记录屏像素尺寸、背光强度分布、背光光谱非单色、针孔弥散及针孔形状对惯性约束聚变中常用塑料球壳的阿贝尔密度反演的影响。结果表明：较大的记录屏像素尺寸会掩盖密度分布的细节; 高斯型的背光空间分布会使密度分布低于真实值, 可能导致非物理的负密度分布; 采用Mo的L带谱线作为背光源也会导致反演密度偏离真实值; 当壳层厚度小于针孔尺寸时, 针孔弥散效应会显著降低峰值密度, 利用维纳滤波法处理背光图像后密度反演的结果得到明显改善; 相同针孔面积条件下, 椭圆形针孔给出的峰值密度要低于圆形针孔的结果。

焊接电弧三维电子密度的测量对于焊接质量控制具有重要意义, 通过光谱仪采集电弧弦方向特征谱线轮廓, 利用多项式拟合对径向采集数据进行降噪及平滑处理, 通过Abel逆变换法重新构建径向光谱发射系数谱线轮廓, 采用傅里叶变换从重建光谱轮廓中分离出Lorentz线形, 获得Stark展宽, 最终计算了TIG焊电弧等离子体电子密度的三维空间分布。

彩虹纹影定量测量技术作为一种光学非侵流场定量测量技术在诸多典型流场的定量测量中有着广阔的应用前景，可用于定量测量流场的密度梯度和密度场。以轴对称自由射流为研究对象，采用典型的“Z”字形纹影光路布局，使用氙灯连续光源，并用一维渐变彩虹滤光片代替普通刀口，进行了彩虹纹影定量测量实验；给出了彩虹纹影定量测量中的滤光片制作、标定及图像数据处理过程。使用数值计算对实验的设定情况进行了仿真，结果比较一致。

应用光谱分析法测量激光焊接光致等离子体的温度场是激光焊接光致等离子体测量技术中的难点。采用基于快速傅里叶变换(FFT)和汉克耳变换的阿贝尔逆变换数值方法，研究出一种等离子体二维温度场分布的数据处理方法，并进行了计算精度分析。利用该数据处理方法，在取样点为41个的时候，得到的标准误差e大约为3.23×10-2。同时，进行了焊接试验，采用多通道光谱仪观测孔外光致等离子体，利用所提出的新方法实现了试验数据的处理，获得激光焊接孔外等离子体的温度场。计算得出的温度场呈相对于光束中心的四周低中间高的趋势。

在激光与物质相互作用的实验中，气体靶通常由超声速喷嘴在高背压下向真空中高速喷射气体产生。激光与气体靶相互作用时确定打靶条件对整个实验有着十分重要的意义。为了得到不同实验条件下气体靶密度的分布特性，采用马赫－曾德尔干涉法测量了气体靶密度分布，获取了干涉图样。使用基于傅里叶变换的条纹处理方法测得的干涉图样，得到不同实验条件下气体分子密度的全空间分布。实验表明：用M－Z干涉仪测量超声速气体喷嘴产生的气体靶密度分布十分有效。基于傅里叶变换的条纹处理方法具有精度高、实时性好的优点，为打靶时气体靶密度的实时测量提供了可能。

提出了一种由等离子体辐射投影值重建发射系数的阿贝尔逆变换数据处理算法。采用计算简单、变换精度高的Bockasten插值方法实现阿贝尔逆变换积分方程的离散化。在阿贝尔逆变换前,运用傅里叶变换频域低通滤波去除实验数据中的噪声,通过多项式插值弥补数据采样率过低、提高空间分辨力,并对投影数据进行对称化处理以消除数据偏离对称对结果的影响。运用此算法对实验数据进行处理,得到电流200 A、弧长5 mm电弧温度在阴极下方0.5 mm处最高,超过22000 K,与文献中结果一致。该算法能够有效地克服噪声对变换结果的影响,运算速度快、计算精度高、稳定性好,处理大量数据时具有明显的优势。

全息干涉是诊断激光等离子体电子密度的一个有效测量方法,它具有高时空分辨率的特点.介绍了在"星光Ⅱ"条件下设计的紫外皮秒紫外全息干涉系统的原理,在研究Abel反演算法的基础上,利用自行研制的基于Windows操作系统的实验数据处理软件对实验数据进行了处理和分析..