激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)是目前十分流行的元素分析技术。由于LIBS技术具有许多独有的优点,LIBS技术已广泛应用于各种探测领域,并且通过结合飞秒激光的优势,使得飞秒激光诱导击穿光谱(fs-LIBS)成为一个研究热点。然而普通的fs-LIBS技术相比于纳秒LIBS以及其他分析技术有明显缺点:信号强度弱。本课题基于金属纳米粒子能够增强LIBS(NELIBS)光谱信号的原理,并且结合飞秒激光双脉冲增强光谱信号技术,增强绝缘体材料的LIBS光谱信号,并且在此基础上,研究其他金属纳米结构对LIBS信号的增强效果。本论文的创新点和主要研究结果概括如下:(1)利用热去湿得到的纳米粒子在晶体二氧化硅样品上得到LIBS信号的增强,并利用Keldysh理论和玻尔兹曼公式解释增强机理。实验结果发现由7.5 nm厚的金膜制成的金纳米粒子的增强效果最好,并且其增强效果随激光能量的增大而减弱。利用玻尔兹曼斜线法估算了等离子体温度,利用斯塔克展宽估算了等离子体电子密度,进一步验证金纳米粒子增强LIBS信号的机制。(2)通过纳米粒子和飞秒激光双脉冲相结合的方式在晶体二氧化硅样品上得到LIBS信号的显著增强,并用双脉冲再加热模型解释了增强原因。实验结果表明,在本实验条件下,脉冲间延时为120 ps时谱线强度和增强效果均最佳,并且增强效果随激光能量的增大而减弱。实验还发现在双脉冲烧蚀情况下,金纳米粒子的分布和大小对双脉冲LIBS信号的影响不大。实验中还直接采集了不同条件下的等离子体图像,更加直观的说明了双脉冲和金纳米粒子对等离子体的增强。(3)首次在电介质样品和硅样品上利用金纳米薄膜实现飞秒LIBS信号的增强。研究发现除金属样品外,金纳米薄膜在二氧化硅材料、陶瓷材料和硅材料上均能实现LIBS信号的增强。实验结果表明,小于10 nm厚的金膜的LIBS信号强度最强。将该方法与金纳米粒子增强LIBS信号的方法对比可知:在低激光通量下,金纳米粒子的增强效果更好;在高激光通量下,金纳米薄膜的增强效果更好。