激光诱导击穿光谱（Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS）是一种物质成分分析技术,其在航天航空、环境检测、生物医疗以及工业冶金等领域中得到了广泛的应用。相比于传统的物质分析技术,LIBS技术具有快速、实时、无接触、多元素同时分析等多个优点,但LIBS在分析时会受到基体效应和等离子体屏蔽效应的影响,并且具有探测灵敏度也不高的缺点。目前有多种方法对LIBS技术进行改进,其中基于超快激光技术来进行改进的等离子体光栅诱导击穿光谱（Plasma-grating-induced breakdown spectroscopy,GIBS）技术是一种新颖且优秀的改进方法。本文首先对GIBS技术进行深入研究,并与光丝诱导击穿光谱（Filamentinduced breakdown spectroscopy,FIBS）技术进行了对比。在对土壤的分析时,我们首先观察到了GIBS技术相对于FIBS技术2倍左右的谱线信号增强,而随着脉冲间延时增加超过200 fs时,该增强效果便会逐渐消失。此外通过研究样品位置对谱线信号的影响,我们证明了等离子体光栅的空间尺寸虽然相较于单光丝而言有所缩短,但GIBS系统中最优的激发位置始终保持在两束光相互作用的区域。相比之下,FIBS系统中最优的激发位置随着激光能量从0.5 m J增加到1 m J而向透镜方向移动0.5 mm。最后在对土壤中的Cr元素浓度定量检测的过程中,我们计算出FIBS系统的检出限为55 ppm,而GIBS系统的检出限为29 ppm,这证明了GIBS技术具有更优秀的痕量元素检测能力。此外本文提出多维等离子体光栅诱导击穿光谱（Multidimensional-plasmagrating-induced breakdown spectroscopy,MIBS）技术来继续改善分析效果。首先通过荧光成像法以及远场光斑法证明了二维等离子体光栅的形成,并且通过谱线信号对激光偏振态以及脉冲间延时的依赖性来确保实验时是二维等离子体光栅的作用,而不是三束光丝单独对样品的激发。之后在与GIBS系统对比当中,我们发现MIBS系统能够使谱线强度进一步提升2倍左右,并且延长20%的等离子体寿命,这表明对样品的激发效果得到有效改善。最后对土壤中Mn元素进行了定量探测,计算得到MIBS系统将检出限从GIBS系统的394 ppm降低到了306 ppm。最后我们提出了光丝-等离子体光栅诱导击穿光谱（Filament-plasma-grating induced breakdown spectroscopy,F-GIBS）技术,并且配合液体喷流法对溶液样品进行检测。首先基于谱线信号强度、信噪比以及相对标准偏差等参数对探测延时进行优化,并确定了100 ns的探测延时。在等离子体光栅与光丝的脉冲间延时对谱线信号影响的研究中,发现脉冲间延时为±50 ps左右时的谱线信号最强。此外,即使是在0 ps延时获得的谱线强度也明显高于FIBS和GIBS单独激发获得的谱线信号之和。通过对空气等离子体荧光进行诊断,发现三束共面的光丝同步相互作用时,会出现新的等离子体光栅结构,此时获得光功率最大,而随着脉冲间延时增加,相应的光功率密度会有所下降,但在±50 ps的脉冲间延时下其会有所回升。因此F-GIBS技术在对液体样品激发时候存在双脉冲激发以及等离子体光栅对光丝非线性耦合两种机制的作用。