激光诊断技术具有非侵入性、实时、在位、高灵敏度和高时空分辨等优势,被广泛用于测量气体流场的速度、温度和组分等关键物理量,已经成为气体流场诊断的主要工具。其中,激光诱导等离子体光谱技术具有实验装置简单以及可实现多种组分同时激发等特点,特别是该技术在定量测量方面具有较大优势,使得该技术成为关注的焦点。目前该类技术主要采用纳秒激光或者飞秒激光为光源。近些年,该类技术在高湍流以及燃烧场等极端环境的测量当中的应用开始增加,同时这些极端环境对也该类技术提出了更高的要求。这些要求主要体现在两个方面。一、空间分辨。要完成极端流场中精细结构的测量,空间分辨通常需要达到数百微米量级,显然目前的纳秒激光诱导等离子体光谱技术很难满足这一测量需求,因此,需要找到提升纳秒激光诱导等离子体光谱空间分辨的具体方法。二、信号强度。在极端流场中碰撞猝熄效应往往更为剧烈,飞秒激光诱导等离子体光谱在这些环境中信号强度同样难以满足测量需求。这意味着需要有针对性地开发光谱信号的增强技术。面对实际测量需求和激光诱导等离子体技术非常明确的优势与缺点,开发相应的增强技术就是本工作的主要内容。针对第一个问题,本论文展开了纳秒激光诱导等离子体光谱空间分辨增强的研究。目前纳秒激光诱导等离子体光谱在气体测量中的空间分辨定义仍存在争议,没有明确结论。因此,本工作通过分析高时空分辨光谱首次给出了纳秒激光诱导等离子体光谱空间分辨的明确定义:测量时刻的等离子体尺寸就是纳秒激光诱导等离子体光谱的空间分辨。据此,确定了目前条件下提升纳秒激光诱导等离子体光谱空间分辨的主要思路:（1）降低测量时使用的纳秒激光能量。根据这一思路,利用了飞秒激光预电离过程降低生成纳秒激光诱导等离子体所需能量,本工作成功的将测量时刻的等离子体体积缩小了85%,有效提升了测量的空间分辨;（2）缩短激光的脉宽。将纳秒激光脉冲换为飞秒激光脉冲,由于飞秒激光脉宽极短,可以完成多光子电离过程而不会诱发雪崩电离,因此解决了连续辐射干扰和测量延迟所带来的问题。因此,该技术可以大幅提升测量的空间分辨。实际上相较于纳秒激光诱导等离子体光谱只能以等离子体整体作为测量的最小空间分辨,飞秒激光诱导击穿光谱是可以实现零延迟且带有空间分辨的测量的。但是由于飞秒激光诱导等离子体光谱信号相对较弱,难以应对极端环境中的测量需求。这促使我们展开第二部分的研究。针对第二问题,本论文展开了飞秒激光诱导等离子体光谱增强的研究。本文采用了三种方式:（1）外部光场增强飞秒激光诱导等离子体光谱。在激光作用下,将等离子体光谱信号强度增强为原来的16倍,并将等离子体的可见长度增加到原有长度的2.7倍。通过该方式可以在不牺牲空间分辨的情况下,提升信号强度和测量范围。并通过光谱分析找到了许多十分重要但之前未被重视的化学反应通道,如N2荧光长寿命机制主要来自于光致化学反应;O原子在777 nm处的信号则来自于正离子与电子的复合。此外,还确定了该技术在组分测量方面的潜力。（2）化学反应通道调控增强飞秒激光诱导等离子体光谱。这部分工作通过掺入微量甲烷的氮气混合气,获得了比飞秒激光诱导氮气荧光更强的氰基荧光信号,且该信号同样具有较长的寿命可用于测速。实验中掺混仅100 ppm的甲烷就可以将信号强度提升一个数量级。另一方面我们根据实验现象确定了氰基发光的反应机理,处于基态的氰基从激发态的氮气获取能量以维持其发光过程。（3）电场增强飞秒激光诱导等离子体光谱。借助强电场对等离子体内部带电离子和自由电子的作用,大幅度增强了飞秒激光诱导等离子体光谱的信号强度,并初步确定了该技术的一维空间分辨能力。总结第二部分工作的核心就是在保留飞秒激光诱导等离子体特性的基础上,开发出能够增强飞秒激光诱导等离子体光谱信号的技术。本工作针对极端流场中对于测量空间分辨以及信号强度的需求,开发了激光诱导等离子体光谱增强相关技术,实现了激光诱导等离子体光谱技术空间分辨以及信号强度的大幅度提升,扩大了激光诱导等离子体光谱技术的适用范围。本文还深入研究了等离子体内部可能涉及的物理化学机理,为其在极端复杂流场中的实际应用奠定了基础。