基于激光剥离(laser-ablation,LA)的固体样品直接采样和元素分析技术一直是处于分析科学领域前沿的研究课题,激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术就是一个典型的代表。LIBS技术具有无需复杂的样品准备过程、分析速度快、可实时在线或远程分析以及可以分析任何形态样品、任何元素的优点,因而在包括材料科学、生物医药、农业、环境科学、考古学、空间探测等领域均获得了广泛的应用。然而LIBS技术也存在一些典型的不足之处。进一步提高LIBS技术的光谱分析性能,包括光谱分析的灵敏度、分析速度和定量分析精度一直是国内外相关学者重点关注的关键科学问题。本文本着改善现有LIBS技术的光谱分析灵敏度和提高分析速度、实现更为便利的光谱分析的目的,首次在国际上提出了高重复频率(简称“高重频”)激光剥离-火花诱导击穿光谱(High repetition rate laser-ablation spark-induced breakdown spectroscopy,HRR LA-SIBS)这一新的光谱分析技术,并先后采用了声光调Q Nd:YAG激光器、掺钛蓝宝石飞秒激光器和便携式的光纤激光器作为剥离光源,利用该技术开展了铝合金和铜合金两类合金样品的元素分析。为了充分了解和掌握HRR LA-SIBS技术的运行特性以及评估其光谱分析的性能,本论文研究了在不同剥离激光光源的条件下,激光参数对样品烧蚀以及光谱信号的影响;研究了火花放电的电学参数,包括放电电压、储能电容、限流电阻等对光谱信号强度和信背比的影响;对比观测并研究了激光等离子体和火花放电增强后产生的等离子体中原子辐射信号的时域演化特征,帮助理解等离子体辐射信号增强的物理机制;在优化的实验条件下,对铝合金和铜合金样品中的微量元素开展定量分析。基于标准样品制定了校正曲线,并在此基础上评估了各元素的检出限。研究结果表明:由于受到高重频激光光源的单脉冲能量相对较低这一因素的制约,在没有火花放电辅助的条件下,单纯依赖激光等离子体的光学辐射开展物质元素分析时,光谱分析的灵敏度相对较低;而采用火花放电二次激发被激光剥离的样品后,等离子体的体积增大,原子辐射的峰值强度增强、弛豫时间得到明显的延长,因而显著提高了该技术的光谱分析灵敏度。对于铝合金和铜合金中不同的微量金属元素,采用火花放电辅助增强等离子体辐射对各元素检出限的改善倍数可以达到一个数量级的水平。作为一种新的光谱分析技术,HRR LA-SIBS具有以下显著的特征和优势:首先,高重复频率的运转显著提高了采集光谱数据所需要的时间,不仅提高了分析速度,还可以在短时间内通过多次光谱数据的平均来改善信背比,从而改善光谱分析的灵敏度和可重复性;其次,在HRR LA-SIBS中,等离子体辐射的连续背景很小,可以在非门控的条件下直接记录光谱并用于元素的定量分析,从而减小了对采用门控光电检测器件,比如ICCD(Intensified charge-coupled device)的高端光谱仪的依赖;第三,采用飞秒激光作为剥离光源时,具有较高的空间分辨的潜力,以及可以免于热效应对样品的破坏;第四,采用便携式光纤激光器作为剥离光源时,有利于搭建便携式的HRR LA-SIBS光谱分析系统。因此本文所发展的HRR LA-SIBS技术特别适合于对合金样品开展便利、快速和高灵敏的元素定量分析,在冶金行业和金属材料研究等领域具有重要的应用价值和良好的应用前景。