激光诱导击穿光谱（LIBS）技术以其在线、原位、实时、多元素分析等特点，被应用于烧结矿混合料成分的快速检测。在工业现场中，经过配比后的烧结矿混合料含有一定的水分。笔者通过配制不同含水量的烧结矿混合料样本，研究了混合料中的含水量与光谱强度之间的关系，建立了烧结矿中Fe、Ca、Si、Mg等4种元素的定量分析模型，结果发现含水量对结果的稳定性和准确性都产生了严重影响。在此基础上，笔者提出了一种基于谱线强度相关性匹配的光谱标准化（SICMS）方法，对不同水分区间下的光谱进行修正，将其转换到标准水分区间内的光谱。实验结果表明：样本中的含水量与光谱强度均值之间存在一种线性关系，可以用光谱平均值间接地表示含水量；采用所提光谱标准化方法对不同水分下的光谱进行修正，可以明显提高定量分析结果的稳定性和准确性。

激光诱导击穿光谱已被广泛应用于物质分析，但是目前的研究多关注于靶材料元素，极少有对环境气体元素进行分析的公开报道，而激光诱导等离子体与环境空气混合的过程对于理解等离子体膨胀过程极其重要。鉴于此，本团队研究了激光诱导击穿光谱中靶材元素铜和气体元素氮、氢、氧的特征光谱随环境气压、延迟时间变化的规律。实验结果表明：铜元素的特征光谱强度与环境气压不呈单调关系，气体元素的光谱强度与环境气压呈单调关系，其中氮元素只有在环境气压大于10 Pa时才可以探测到，氢和氧元素可以在10^-2 Pa时探测到；气体元素的光谱强度随环境气压升高而单调增强，随延迟时间增加而快速下降，信噪比随延迟时间增加而先增大后下降。本工作有助于促进对激光诱导等离子体膨胀过程的理解和实验参数的优化。

大气压辉光放电的产生摆脱了真空装置的束缚, 且其中富含活性粒子, 因此大气压辉光放电在材料表面改性, 生物医学, 污染物处理等方面都具有良好的应用前景。 在其应用研究中, 含氧活性粒子如OH自由基和O原子等具有重要作用, 但目前关于氧原子浓度随工作气体中氧气含量的变化尚不清楚。 利用直流电压激励针-网放电装置, 以氩氧混合气体作为工作气体, 在去离子水中产生了弥散的大气压等离子体。 放电照片显示放电中包含明显的阳极辉区、 负辉区以及位于它们之间的正柱区, 这些特征区域的存在表明放电处于辉光放电机制。 光电测量结果表明, 气隙电压和发光信号随时间均是恒定的, 即放电是时间连续的无脉冲形式。 其中, 气隙电压随放电电流的增大先减小而后维持不变, 即放电的伏安特性曲线在小电流时具有负斜率, 在大电流时处于稳压阶段, 因此该水下放电在小电流时为亚辉光放电机制, 在大电流时为正常辉光放电机制。 通过采集250~900 nm范围内的放电发射光谱, 发现谱线主要集中在680~900 nm范围内, 这部分光谱由Ar Ⅰ和O Ⅰ(777.4和844.0 nm)组成。 此外, 还在波长308 nm处观测到微弱的OH谱线。 光谱测量结果发现, Ar Ⅰ(如750.4和763.5 nm)的谱线强度随工作气体中氧气含量的增加而单调地减小。 与之不同的是O Ⅰ的谱线强度随工作气体中氧气含量的增加先增大, 在氧气含量为1.5%时达到其最大值, 之后随氧气含量的增加而减小。 为了分析O Ⅰ的谱线强度随工作气体中氧气含量的变化关系, 通过光线化强度法（777.4 nm/750.4 nm）研究了氧原子浓度随工作气体中氧气含量的变化关系。 结果表明氧原子浓度随氧气含量的变化趋势与O Ⅰ谱线强度的变化趋势一致, 即随工作气体中氧气含量的增加表现为先增大后减小, 其最大值出现在氧气含量为1.5%时。 最后, 基于氧原子的产生机制和氧分子对电子的吸附作用对上述实验现象进行了定性的解释。 这些研究结果对于大气压辉光放电的应用具有重要意义。

载玻片是生物和医学领域中放置样本的透明玻璃。为了更好地服务于生产过程中对载玻片组分的实时检测,采用1064 nm激光烧蚀载玻片,采集不同关键实验参数下的等离子体辐射光谱;选取Si I∶288.16 nm、Ca I∶422.67 nm、Na I∶589.00 nm作为分析谱线,以谱线强度和信号稳定性作为指标,对光谱仪采集延时、激光能量、激光重复频率、激光烧蚀方式、透镜到样品的距离等参数进行优化。结果表明:对于激光诱导击穿载玻片实验系统,最优的光谱采集延迟时间为3 μs,最优的激光重复频率为2 Hz,采用单点烧蚀方式可以得到更加稳定的光谱信号;对于焦距为100 mm的聚焦透镜,最佳聚焦位置位于样品表面以下8 mm,即透镜到样品的最佳距离为92 mm;为了避免载玻片被击碎,实验中将单激光脉冲能量设置为150 mJ,得到了谱线强度足够高且信号稳定性也满足要求的光谱信号。通过优化实验系统中的关键参数,为采用激光诱导击穿光谱技术实时、在线、原位检测载玻片的成分和含量提供了实验依据。

为了将偏振光谱强度调制(Polarization spectral intensity modulation, PSIM)技术应用于室外目标 的偏振遥感测量,在PSIM偏振光谱仪实验室搭台实验基础上,开展了PSIM实验样机一体化集成设计。 首先,将由格兰泰勒棱镜和两块高阶石英晶体延迟器构成的调制器按照原理要求集成安装成一个组件, 再将该组件安装到光栅光谱仪的光学头部,完成PSIM偏振光谱仪系统的硬件一体化设计。利用交互式数据 语言(Interactive data language, IDL)程序设计语言编写程序,将文件读写、数据处理及结果显示等功能 集成在统一的用户界面中,实现了PSIM偏振光谱仪系统数据处理算法软件的一体化设计。最后,通过测量 解析水平和垂直线偏振光的全Stokes矢量元素谱定性验证了实验样机的测量能力；利用偏振定标系统完成 了集成实验样机的偏振定标。实验数据处理结果表明：实验样机能够实现待测光全Stokes矢量元素谱的同步获取; 偏振定标盒输出光的全谱段偏振度值,实验样机的测量结果与理论输出结果间的最大误差约为0.003。实现了集成实验样机的设计目标。

使用纳秒激光激发铝箔产生等离子体,对铝箔进行加热,研究样品温度对激光诱导击穿光谱强度和信噪比的影响;对烧蚀坑的直径进行测量,观察烧蚀坑直径随温度的变化。结果表明:铝的两条谱线强度和信噪比均随温度升高而增大,烧蚀坑尺寸也随温度升高而增大。证实了加热样品可以提高激光诱导击穿光谱的灵敏度。

为了研究样品温度对激光诱导击穿Cu等离子体特征参数的影响, 以黄铜为研究对象, 在优化的实验条件下采用波长为532 nm的Nd∶YAG纳秒脉冲激光诱导激发不同温度下的块状黄铜, 测量了Cu等离子体的特征谱线强度和信噪比; 同时在局部热平衡条件下利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法分析计算了不同的样品温度条件下等离子体电子温度和电子密度。 实验结果表明, 在激光功率为60 mW时, 随着样品温度的升高, Cu的特征谱线强度和信噪比逐渐增加, 样品温度为130 ℃时达到最大值, 然后趋于饱和。 计算表明, 黄铜样品中Cu元素Cu Ⅰ 329.05 nm, Cu Ⅰ 427.51 nm, Cu Ⅰ 458.71 nm, Cu Ⅰ 510.55 nm, Cu Ⅰ 515.32 nm, Cu Ⅰ 521.82 nm, Cu Ⅰ 529.25 nm, Cu Ⅰ 578.21 nm八条谱线在130℃的相对强度相较于室温（18 ℃）下分别提高了11.55倍、 4.53倍、 4.72倍, 3.31倍、 4.47倍、 4.60倍、 4.25倍、 4.55倍, 光谱信噪比分别增大了1.35倍, 2.29倍、 1.76倍、 2.50倍、 2.45倍、 2.28倍、 2.50倍, 2.53倍。 分析认为, 升高样品温度会增大样品的烧蚀质量, 相对于温度较低状态增加了等离子体中样品粒子浓度, 进而提高等离子体发射光谱强度。 所以, 适当升高样品温度能够提高谱线强度和信噪比, 从而增强LIBS技术检测分析光谱微弱信号的测量精度, 改善痕量元素的检测灵敏度。 同时研究了改变样品温度时等离子体电子温度和电子密度的变化趋势。 计算表明, 当样品温度从室温上升到130 ℃的过程中, 等离子体的电子温度由4 723 K上升到7 121 K时基本不再变化。 这种变化规律与发射谱线强度和信噪比变化趋势一致。 分析认为, 这主要是由于在升高样品温度的初始阶段, 激光烧蚀量增大, 等离子体内能增大, 从而导致等离子体电子温度升高。 当激光烧蚀样品的量达到一定值后不再变化, 激光能量被激发溅射出来的样品蒸发物以及尘粒的吸收、 散射和反射, 导致激光能量密度降低, 电子温度趋于饱和, 达到某种动态平衡。 选用一条Cu原子谱线（324.75 nm）的Stark展宽系数计算激光等离子体的电子密度, 同时研究改变样品温度时等离子电子密度的变化趋势, 计算表明在样品温度为130 ℃时, Cu Ⅰ 324.75 nm对应的等离子电子密度相较于室温（18 ℃）条件下增大了1.74×1017 cm-3。 该变化趋势与电子温度的变化趋势一致。 适当升高样品温度使得电子密度增大, 从而提高电子和原子的碰撞几率, 激发更多的原子, 这是增强光谱谱线强度的原因之一。 由此可见, 升高样品温度是一种便捷的提高LIBS检测灵敏度的有效手段。

用Nd∶YAG激光诱导激发土壤等离子体, 研究了环境压力(在1.01×105与1×102 Pa之间)对土壤等离子体辐射特性及元素检出限的影响。 结果表明, 随着气压的降低, 土壤等离子体的谱线强度、 信背比先增大后减小, 最高均可达常压下的1.69倍; 电子密度同样呈现先增大后减小的趋势, 在气压8×104 Pa下达到最大值3.56×1016 cm-3, 比常压下高出1.5×1015 cm-3; 在气压8×104 Pa下诱导激发等离子体发射光谱与常压下相比有较好的稳定性和较高的精密度。 20次重复实验得到土壤等离子体分析线信号强度的相对标准偏差为1.1%, 明显低于常压下的3.5%, 低气压下稳定性显著提高。 应用内标法对自制土壤中Pb元素建立定标曲线, 计算得到气压8×104 Pa下土壤中Pb元素的检出限为57.27 mg·kg-1, 较常压下降低了39.23 mg·kg-1。 表明适当的低压环境可以有效提高LIBS的光谱检测灵敏度, 改善元素分析的检出限以及增加光谱定量分析的准确度和精密度。