激光诱导击穿光谱(LIBS)因其无需制样、 样品损伤小、 可在线检测以及检测速度快等优点被广泛应用。 激光诱导等离子体是一个十分复杂的物理过程, 受多种因素的影响, 激光入射角是其关键影响因素之一。 脉冲激光入射角的改变会直接改变脉冲激光在样品表面的聚焦光斑形状, 导致脉冲激光照射在靶材表面的功率密度发生改变, 直接影响到脉冲激光诱导等离子体过程, 脉冲激光与靶材法线所成角度的改变还会直接影响等离子体扩散过程。 尽管脉冲激光入射角是激光诱导等离子体过程的关键影响因素之一, 但是在低压环境下, 脉冲激光入射角对激光诱导等离子体过程的影响研究较少, 对激光等离子体的影响仍不明确, 对激光等离子体影响的内在机制还需更加深入的研究。 首先研究了激光入射角对脉冲激光在靶材表面形成的聚焦光斑的影响, 实验和仿真的结果都表明脉冲激光在靶材表面的聚焦光斑尺寸随着入射角的增大而增大, 导致相同激光能量下脉冲激光的功率密度下降; 其次, 采用同轴成像的方式研究了不同气压下激光入射角对激光等离子体的影响, 实验结果显示激光等离子体中心辐射强度会随着入射角的增大而减弱。 当激光入射方向与靶材表面法线成0~15°时; 脉冲激光入射角对激光等离子体中心辐射强度影响较小, 辐射强度降低仅为3.05%, 当激光入射方向与靶材表面法线成60°时, 辐射强度降低可达25.415%, 对激光等离子体中心辐射强度有着较为明显的影响。 最后, 对处于气压10-4 Pa下激光从不同角度入射所产生的激光烧蚀坑进行了微观结构分析, 分析结果表明靶材烧蚀量会随着入射角的增大而增加, 但靶材烧蚀效率, 即单位光斑面积靶材烧蚀量, 则会随着入射角度的增大而下降, 这解释了激光等离子体中心辐射强度随入射角增大而减弱的现象。 该工作有助于理解激光入射角对激光等离子体的影响, 为优化LIBS实验参数提供参考。

为实现激光诱导击穿光谱技术对变压器油中铁颗粒含量的准确定量检测，本文提出了一套光谱处理算法。该算法基于特征峰的稀疏性建模并结合凸优化规则改进数值迭代过程，以实现低通基线估计和特征峰分离；进一步，用目标分析线对光谱进行降维，并依靠基于袋装决策树的集成分类器完成烧蚀点的二分类。滤波器截止频率、滤波阶数、不对称比例、正则化参数分别取0.15、1、6、0.8时，基线估计及Fe特征谱线强度的准确性高；袋装决策树集成分类器对降维后光谱的识别准确率高达98.33%；有效点的光谱校正强度与Fe颗粒质量比的线性相关系数为0.9983。所提方法能精确实现特征谱线的提取和有效点筛选，保证油中Fe颗粒质量比定量检测的准确性。

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。