激光诊断技术是当前燃烧领域相关研究中必不可少的诊断工具。以纳秒激光作为光源的激光诊断技术出现于上世纪80年代,目前已应用于燃烧场诸多参数的测量。但随着对于燃烧诊断效率、空间分辨率、测量维度以及实验系统简易化等要求的不断提高,纳秒激光诊断技术在应用过程中遇到了一些技术瓶颈。当前,纳秒激光诊断技术已不足以充分支撑燃烧领域的相关研究。飞秒激光的出现为相关技术瓶颈的突破提供了新的思路。飞秒激光是脉宽在飞秒量级的脉冲激光,具有脉宽短、峰值功率高、脉冲积分能量低以及带宽宽的特点。基于飞秒激光的这些特点,飞秒激光诊断技术在燃烧诊断中展现出独特的优势。本工作以飞秒激光光子与气态流场中的电子、原子、分子和基团等粒子的相互作用这一基本物理问题作为出发点,针对燃烧场中组分、混合分数、速度以及温度的测量,研究与开发相应的飞秒激光诊断技术。本文主要工作内容如下:组分测量方面,针对纳秒激光诊断技术的瓶颈以及现有研究的不足,本工作以氨（NH3）测量为例,进行飞秒激光组分测量技术的研究,具体涉及共振测量与非共振测量。共振方面,以纳秒激光作为光源的双光子激光诱导荧光技术（TPLIF）的激发效率较低。本工作将飞秒TPLIF技术应用于燃烧场中NH3的测量。相对于纳秒TPLIF技术,飞秒TPLIF技术的激发效率可提高约2个数量级。非共振方面,可实现多原子气态分子测量的飞秒激光光谱技术的研究较少。本工作提出飞秒激光诱导等离子体光谱技术（FLIPS）,填补了飞秒激光非共振测NH3的空白。这部分工作利用飞秒激光峰值功率高、脉冲积分能量低的特点,拓展了共振激发的飞秒TPLIF技术的应用范围;同时,提出了一项新型非共振激发飞秒激光组分测量技术。混合分数测量方面,最为常用的纳秒激光诊断技术为激光诱导击穿光谱技术（ns-LIBS）。但通常情况下,ns-LIBS技术只能实现混合分数的点测量,空间分辨率在毫米量级。本工作提出飞秒激光诱导等离子体光谱技术（FLIPS）。实验使用飞秒激光聚焦于待测流场中,形成一条具有一维长度且强度均匀分布的等离子体通道。通过测量等离子体通道的发射光谱,并结合光谱分析与定标过程,实现混合分数的定量测量。相对于ns-LIBS技术,FLIPS技术可实现混合分数的一维测量,并可将空间分辨率提高1个数量级。这部分工作利用飞秒激光脉宽短、峰值功率高的特点,提出了一项非常具有发展前景的混合分数测量技术。速度测量方面,粒子成像测速技术（PIV）以及基于纳秒激光的分子示踪测速技术（ns-MTV）在流场近壁面速度测量时存在强激光杂散光干扰的问题。飞秒激光电子激发示踪测速技术（FLEET）是当前流场速度测量最前沿的一项分子示踪测速技术。本工作在对FLEET技术进行系统研究的基础上,提出以氰基（CN）作为示踪分子的测速技术,即飞秒激光诱导CN化学发光测速技术（FLICC）。通过实验,发现FLICC技术是一项理想的近壁面测速技术。这部分工作利用飞秒激光峰值功率高的特点,在对已有测速技术进行系统研究的基础上,提出了一项新型测速技术。温度测量方面,最为精准的激光诊断技术为相干反斯托克斯拉曼散射技术（CARS）,但其光学系统复杂,且通常只能实现温度的点测量。本工作提出以一氧化碳（CO）作为指示分子的飞秒激光双光子激光诱导荧光测温技术（CO-fs-TPLIF）。实验使用一束飞秒激光同时激发CO分子同一电子能级上的不同振转能级。由于分子的振转能级分布满足与温度相关的玻尔兹曼分布,因而CO荧光光谱会携带待测流场温度的信息。通过CO荧光光谱分析并结合定标过程可实现待测流场温度的测量。CO-fs-TPLIF测温技术仅需一束飞秒激光即可实现流场温度的一维测量。这部分工作利用飞秒激光带宽宽的特点,提出了一项光学系统简单的测温技术。本工作聚焦燃烧场中关键物理参量的测量,针对当前纳秒激光诊断技术的瓶颈,利用飞秒激光的特点所展现出的优势,研究与开发相应的飞秒激光诊断技术。飞秒激光诊断技术可为燃烧领域的相关研究提供更加高效可靠的技术支持。