激光诱导等离子体刻蚀技术在蓝宝石表面微结构制作方面具有独特的优势。通过控制变量法研究了激光能量密度、靶材和蓝宝石之间的距离和扫描速度对激光诱导等离子体加工蓝宝石微槽的微观形貌和几何尺寸的影响规律。通过正交试验研究了激光诱导等离子体工艺参数对蓝宝石表面微结构接触角的影响，发现扫描线间距对接触角的影响最大，靶材和蓝宝石之间的距离和激光能量密度次之，扫描速度的影响最小。当激光能量密度为6.3 J/cm²，扫描线间距为200 μm，靶材和蓝宝石之间的距离为150 μm，扫描速度为10 mm/s时，蓝宝石表面微结构的接触角为136°，表现出良好的疏水性；当激光能量密度为7.4 J/cm²，扫描线间距为50 μm，靶材和蓝宝石之间的距离为100 μm，扫描速度为5 mm/s时，蓝宝石表面微结构的接触角为29°，具有较好的亲水性，并且长时间放置后表面接触角基本保持不变。通过扫描电镜观察发现，蓝宝石表面的微结构上分布着许多纳米颗粒，这些微纳结构共同影响蓝宝石的润湿性。

气溶胶中锶元素的监测对于大气污染防治和工业设施排放监控具有重要意义。激光诱导等离子体光谱技术具有无需采样预处理、可原位快速检测等优势，在环境介质成分直接在线监测方面具有极大的应用潜力。介绍了基于实验室搭建的LIPS装置开展的气溶胶中锶元素的直接探测工作。利用整体平均法对气溶胶等离子体进行光谱分析，结果显示实验装置对锶元素的检测限为809 μg/m³。对于低密度气溶胶光谱，条件分析法可以将平均光谱的信噪比提升8倍。基于实验结果讨论了含锶气溶胶统计学特性和数据分析方法的影响。气溶胶中颗粒物的密度对等离子体温度的影响极小，光谱强度变化直接反应了激光激发气溶胶颗粒物的数量。通过对条件分析法使用范围的讨论，提出在测量周期内利用累计光谱取代平均光谱，可将系统的灵敏度提升近3个数量级。实验装置的检测限达到1.3 μg/m³，初步满足工业排放监测的需求。

针对土壤定量分析受基体效应影响大, LIBS定量分析精度不佳等问题, 采用粒子群算法对LSSVM进行优化, 提高模型的精确度。 选取Pb Ⅰ 405.78 nm和Cr Ⅰ 425.44 nm作为分析谱线进行分析。 采集十二个不同浓度样品的特征光谱, 每个浓度样品在不同点采集20组数据, 将其中17组数据设为训练集, 3组数据设为预测集, 用LSSVM和PSO-LSSVM两种方法建立定标模型。 对比两种模型的拟合相关系数(R²)、 训练集均方根误差(RMSEC)和预测集均方根误差(RMSEP)。 由于自吸收效应的影响, 随着浓度的增加, 预测值逐渐低于实际值, LSSVM定标模型的拟合程度较低, 无法达到实验要求, 模型性能有待提高。 利用粒子群算法对LSSVM的模型参数惩罚系数和核函数参数进行优化, 得到最佳的参数组合, Pb元素为(8 096.8, 138.865 7), Cr元素为(4 908.6, 393.563 5), 用最佳的参数组合构建LSSVM的定标模型。 相比于LSSVM, PSO-LSSVM定标模型的精确度更高, Pb和Cr元素的R²提高到了0.982 8和0.985 0, 拟合效果明显提升。 Pb和Cr元素的训练集均方根误差由0.026 0 Wt%和0.027 2 Wt%下降到0.022 4 Wt%和0.019 1 Wt%, 预测集均方根误差由0.101 8 Wt%和0.078 8 Wt% 下降到0.045 8 Wt%和0.042 0 Wt%, 模型的稳定性进一步提高。 说明PSO-LSSVM算法能够更好地降低土壤基体效应和自吸收效应带来的影响, 提高分析结果的精确度与稳定性。

光谱信号增强是提高激光诱导击穿光谱技术分析性能的重要手段之一, 对等离子体进行空间约束由于装置简单且约束效果好而常被采用, 等离子体的特性会直接影响空间约束的效果, 而等离子体的特性与实验系统中激光的聚焦情况密切相关, 为研究激发光源的聚焦情况对半球形空腔约束等离子体光谱增强特性的影响, 通过控制透镜到样品之间的距离(LTSD)来改变激光的聚焦位置, 分别在无约束和有半球形空腔约束两种实验条件下, 烧蚀合金钢产生等离子体, 采集15个不同LTSD位置时等离子体的时间演变光谱, 得到谱线强度和增强倍数随着LTSD和采集延时的二维空间分布图。 研究结果发现: 无约束情况下, 谱线强度分别在LTSD为94和102 mm时出现峰值, 在采集延时小于8 μs时, 谱线强度的最大值在LTSD为94 mm的位置, 采集延时大于8 μs后, 谱线强度的最大值出现在LTSD为102 mm的位置; 当用半球空腔约束等离子体, 谱线强度先后在采集延时范围为4~10和12~15 μs出现第一次增强和第二次增强。 谱线强度出现第二次增强的主要原因是被半球腔内壁反射的冲击波与等离子体相互作用后会继续向前传播, 遇到另一侧的腔壁再次被反射, 进而对等离子体产生二次压缩。 分析增强倍数随LTSD和采集延时的二维变化关系发现, 第一次增强的最大增强倍数随LTSD的变化没有明显规律, 增强倍数在2~6之间波动; 谱线第二次增强时的增强倍数相对较高, 最大增强倍数随着LTSD变化呈现出先增大再减小, 然后再小幅增加后降低的变化规律, 在LTSD为96 mm时达到最大值, 两条谱线的最大增强倍数约为6倍。 分析出现最大增强倍数对应的延迟时间发现, 第一次增强出现的最优延迟时间在6~9 μs之间变化, 当LTSD在85~93 mm范围时, 最优延迟时间保持不变, 当LTSD在94~105 mm时, 出现先降低再增大的变化规律; 第二次增强出现的延迟时间主要在14~15 μs, 随着LTSD的变化没有明显的变化规律。

激光清洗过程监控是准确去除金属锈蚀层、有效避免金属基体损伤的关键。利用图像处理技术研究了30 mm×30 mm较大面积Q235B钢板在不同光斑搭接率下的清洗次数与清洗度的变化规律，得到50%的最佳光斑搭接率。利用激光诱导等离子体光谱研究了0.47 mm×0.47 mm微小面积Q235B钢板的皮尔逊相关系数随清洗次数的变化趋势，得到了不同厚度锈蚀层下的最佳清洗次数。在此基础上，将图像处理法与LIPS分析法协同使用，利用LIPS分析法能够根据微小面积锈蚀层厚度不同而动态校正最小清洗次数的特点，弥补了图像处理法无法精确控制激光清洗过程的缺陷，99.1%的清洗度表明两种方法的协同使用可对Q235B钢板大面积激光清洗过程进行有效监控。

采用短脉冲激光诱导等离子体辅助加工技术加工金刚石微结构，研究短脉冲红外激光的光强、脉宽、重复频率、靶材与金刚石基片之间的距离等加工参数对金刚石的加工线宽、槽深以及加工效果的影响。当用脉冲宽度大于4 ns的激光作用在方向良好的单晶金刚石上时，光热作用明显，诱导产生金属等离子团的能量密度达到一定阈值且复合短脉冲激光能量作用下，单晶金刚石表层温度迅速上升至600°C以上，此时金刚石表层产生了刻蚀微结构；当用脉冲宽度小于4 ns的激光轰击靶材表面时，短脉冲激光轰击靶材诱导金属等离子团，可实现背面溅射相关金属靶材，当等离子体密度达到微刻蚀阈值时也可实现金刚石背部刻蚀以及石墨化。短脉冲红外激光的脉宽、重复频率决定了沉积/刻蚀加工效果。本文研究表明短脉冲激光诱导等离子体辅助加工技术是一种新型可靠的金刚石微结构加工工艺。