纳秒脉冲放电等离子体具有能量利用率高,均匀性好,非热平衡等优点,成为近年来的研究热点。但纳秒脉冲放电离子体中物理化学反应过程复杂多样,时间跨度大,给其可控应用也带来了困难。本文利用发射光谱技术,相干反斯托克斯拉曼散射光谱技术,研究了大气压纳秒脉冲放电射流等离子体及纳秒脉冲针-针火花放电等离子体中的氮分子振动布居演化过程,主要研究内容如下:1.本文利用时空分辨发射光谱技术,电流电压特性诊断了大气压射流等离子体在生成和传播过程中的分子振动能量弛豫过程,活性物种演化机制,及流光头部传播速度。记录并分析了放电图像,电流电压波形图,氮分子第二正带,氮分子离子第一负带,及氦原子时空分辨发射光谱,研究了氮分子C态的相对振动布居演化过程及单次放电中主要的动力学过程。探究了脉冲峰值电压对发射光谱强度,氮分子C态振动布居,及流光头部传播速度的影响。研究发现,当脉冲峰值电压为5-9 kV时,射流等离子体流光头部的传播速度大约为10⁵ m/s,并且流光头部传播速度和发射光谱强度都随脉冲峰值电压的增加而增加。氮分子第二正带发射光谱强度的上升沿时间只有10 ns而下降沿有几十ns。在等离子体产生的阶段,电子的直接碰撞过程是产生电子激发态,振动激发态和转动激发态氮分子的主要途径。几十纳秒之后,自发辐射过程,与氮分子和氧分子碰撞猝灭过程主导了激发态粒子的衰退过程。而逐步激发和潘宁电离生成激发态粒子延长了自发辐射的持续时间。研究还发现,在一微秒之内,氮分子C态相对振动布居处于较高的水平,并偏离了玻尔兹曼平衡。在放电的初始阶段,电子的直接碰撞过程主导了氮分子C态振动布居演化过程,而之后则可能受向下的振动-振动能量弛豫过程影响。2.本文自主搭建了国内首个用于低温等离子体诊断的相干反斯托克斯拉曼散射光谱激光诊断平台,并利用其研究了针-针火花放电等离子体中振动能量弛豫机制。本文利用了振动相干反斯托克斯拉曼散射光谱,电学特性,时间分辨ICCD图像研究了针-针纳秒脉冲火花放电的动力学演化过程和其中的振动能量弛豫机制。ICCD照片的结果表明放电可分为两个阶段,强放电阶段和弛豫阶段。研究发现,在高过电压下,在强放电的初期,30%至50%的基态氮分子被激发到振动激发态上。在大约一百纳秒时到达峰值后,高振动激发态的布居在大约三百纳秒时迅速降低到很低,大约百分之一的水平,然后在弛豫阶段变化较小。这一快速的振动能量冷却过程与高振动激发态粒子的消耗过程,基态粒子的生成过程有关。本文利用振动分布函数计算了振动温度T_v01,T_v02,T_v03,T_v04。结果表明,在低气压和大气压下,由高振动态计算得到的振动温度均高于由低振动态计算得到的振动温度,这也说明了振动过饱和分布的存在。研究还发现,低气压下的振动温度高于大气压下的振动温度,这主要时由于大气压下更高的分子粒子数密度造成的。