随着科技的发展，光学诊断技术的应用领域越来越广泛。在内燃机领域中，利用光学诊断技术可以对进气流动、喷油雾化、缸内燃烧、排气组分等进行测量。国内外应用在发动机缸内的光学诊断技术主要有：摄影法、化学发光法、单色光亮度法、双色测温法、X射线法、激光多普勒测速、粒子图像测速、相位多普勒粒子分析法、激光消光/吸收法、激光诱导磷光法、激光诱导炽光法、平面激光诱导荧光、激光米氏散射、激光瑞利散射、自发拉曼散射、相干反斯托克斯拉曼散射等。

根据所采用的光源不同，摄影法可以分为直接摄影（照相）、高速摄影、阴影摄像、平面激光米氏散射摄影、显微摄影和纹影摄影、全息摄影等。该方法是研究喷雾结构的宏观和微观形态的基本技术。

①直接摄影

直接摄影法又称直接照相法或白光成像。光源可以是被放大的激光束、液晶显示灯（LED）或火焰的自发光。它是利用喷雾液滴对入射光的散射进行成像，用该方法可对缸内喷雾和燃烧过程进行宏观观察和研究，可得到喷雾的宏观特性包括喷雾的贯穿距、喷雾角和喷雾斜角等，用于喷雾模型的定性标定和燃烧室的布置。通过直接拍摄燃烧火焰，可以观察到着火始末点和最大亮度点的曲轴转角位置。

②高速摄影

高速脉冲激光（10～100千赫兹）和连续光源可作为照明光源，利用高速相机（数万帧每秒）可以在一个喷雾或燃烧过程中拍摄采集不同时刻的图像。可以提供同一个喷雾的破碎、雾化和蒸发过程，以及着火燃烧过程同一循环不同时刻的连续图像。

③阴影摄影

将光源、待观察目标（如喷雾）和相机放于同一条直线上，利用待测物在亮背景下留下的阴影进行成像，它是测量光线透过被测介质时出现的偏折光线的位移，而不是偏折角。对于喷雾研究，该方法可得到比直接摄影更均匀的图像。

④平面激光米氏散射摄影

利用光学元件将激光束变成片光源，用相机对喷雾液滴产生的米氏散射成像，得到某一断面的内部结构。因此该方法只能对喷雾的液相进行研究。

⑤显微摄影

利用安装在相机前面的长焦显微镜头，对喷雾的局部进行放大成像，可得到具有0.5微米分辨率的图像，能够观察到喷雾的初次和二次破碎过程。

⑥纹影摄影

该方法可对喷雾的气液两相结构同时进行观察研究。它是通过具有不同密度的介质对光的折射率不同来对介质成像的。光源为激光束或连续弧光灯（氙灯或汞灯）。

⑦全息摄影

全息摄影（像）的原理是利用波前重建使图像再现。可分为单脉冲激光全息摄影、双（多）脉冲曝光全息摄影、高速实时全息干涉摄影、双参考全息摄影和反射光全息摄影等。全息摄影主要用于显示和记录火焰结构、火焰形成和传播，测量粒子尺寸和速度等物理信息，是精确记录瞬态过程“冻结”的三维图像的最佳方法。

化学发光法是对内燃机缸内燃料燃烧所产生的发射光进行成像，来研究缸内的燃烧过程，如火焰结构及发展、循环变动、放热率和光强度的互相关系等。化学发光法包括燃烧室内整体平均成像和OH、CH等自由基的化学发光成像。

采用石英棒或者火花塞镶嵌光导纤维等方法，将光学测试探头引入燃烧室内，通过光导纤维将燃烧过程中的光信号传送至光学系统，经过聚焦、滤波等光学变换，直接测量出内燃机缸内燃气的光辐射亮度。可以研究特定波长下光亮度与着火特征、燃烧放热规律（包括燃烧放热时间、燃烧最大放热率、燃烧持续期、燃烧放热量）、爆震、指示平均有效压力、气缸最大燃烧压力变动、燃气温度以及氮氧化物含量之间的关系。

在柴油机燃烧过程中，固态碳烟粒子在高温时所产生的热辐射具有很高的亮度。双色法就是利用这一特性可以直接测到碳粒子的温度，即是火焰的温度。

基于激光的很多光学诊断被用于测量和研究柴油机燃料喷射系统。但是由于喷雾液滴对可见光的散射妨碍了光的传播方向，并使该项技术受限到用于喷雾边缘的测量。而X射线具有高的穿透性，利用X射线吸收技术可以研究喷嘴附近区域内的喷雾浓区。

激光多普勒测速（LDV）仪可用于测量流速，并具有高分辨率。由于缸内流动的复杂性、不稳定性和瞬态性，单点LDV测量还是存在局限性。而粒子图像测速（PIV）可以完成缸内二维、三维速度图，具有定量和循环分辨能力。

相位多普勒粒子分析（PDPA）仪由激光多普勒测速仪发展而来，利用激光多普勒效应，实现对流场中运动的球形粒子多个相关特性（粒径和速度等）同步测量。依据洛伦兹-米氏散射理论，通过测量运动微粒的散射光与照射光之间的频差来获得运动粒子的速度信息，通过分析穿越激光测量体的球形粒子反射或折射的散射光产生的相位移动来确定粒径的大小。相位多普勒粒子分析仪最初被用于喷雾流动的测量，可以获得喷雾流场中颗粒的平均粒径、总颗粒数、颗粒体积流量及颗粒数密度，后来发展到对喷射火焰和两相湍流等的测量研究。相位多普勒粒子分析仪能够提供丰富、定量、实时的两相流动信息，且测量的精确度比较高。

双波长激光消光（散射）/吸收（LEA）技术采用两台激光器，一台激光器被调谐到所用燃料的吸收波长上，另一台用于检测出现的液滴，同时采用与激光器对应的两台检测器和两个滤光片。当激光穿过蒸汽喷雾时，由于蒸汽和液体燃料的吸收及液滴的散射，其强度会变小。为了获得蒸汽浓度，首先测量在没有任何吸收波长处的穿透量，以确定液滴的光学厚度（密度），之后在吸收波长处测量并确定蒸汽和液滴共同的光学厚度（密度）。双波长激光消光（散射）/吸收技术可以实现对燃料喷雾中气态燃料和液态燃料浓度分布进行同步测量。

利用激光诱导磷光（LIP）可以对发动机缸内气体进行二维温度测量。其基本原理是：随空气一起被吸入气缸内的磷光剂受到355纳米波长的激光激发后，随着温度的升高，Dy3+辐射出的458纳米磷光与辐射出的494纳米磷光相比会逐渐增强。利用这两种能级辐射光强度的比值随温度变化的关系可以确定温度值。

具有一定波长和能量的脉冲激光照射到火焰中的碳烟粒子时，会快速地将碳烟粒子从热环境相同的状态加热到接近于碳烟气化的温度（4000～4500开）。碳烟粒子冷却过程中发出的白炽光可被光探测器接收，通过对炽光信号的处理，可以得到碳烟粒子的体积分数和粒径等信息。 

激光诱导炽光法（LII）可以对内燃机尤其是柴油机缸内或尾气排放中的碳烟粒子的体积分数和粒径进行定量测量。

当分子或原子（粒子）被激光照射并吸收光子，从基态跃迁到电子激发态。处于不稳定激发态的粒子以光的形式释放能量，回到基态完成自发辐射弛豫过程（以释放热能的形式为无弛豫过程）。若自发辐射与受激吸收的时间间隔在微秒级（10^-10～10^-5秒），其发射的光为荧光。

荧光信号强度与检测到的激发态的光子数成正比，即与基态的粒子数呈现确定关系。通过片光激发光源，在面阵CCD上形成具有一定时空分辨的二维和三维流场图像，经由计算机处理，可测试物质的浓度、温度、密度、速度和压力。当将激光调谐到某分子的某一级振动和转动能级上时，根据光谱选律，只允许某些特定的跃迁发生，即仅出现特定的荧光谱线，实现单物质检测。

平面激光诱导荧光（PLIF）具有高的灵敏度，它可以检测到10^-6级及更小尺度的火焰原子团（化学中间基OH、CH等）、分子团和污染物。空间分辨小于1毫米³，PLIF可进行二维成像，实验和数据评价相对简单。

①激光米氏散射（LMS）

当高频激光的波长与被散射粒子直径接近时，可发生米氏散射。将激光通过光学变换变成薄片光源去激发探测区，再用探测器或高速照相机捕捉来自粒子的米散射光，实现连续的高速可视化。在发动机进气冲程将示踪剂如TiO、TiCl₄或油滴和空气一起被吸入缸内，之后的已燃区域内示踪剂数密度突然减少，使得米氏散射光强随之减少，因此可以得到未燃气体和已燃气体成像的边界。PLIF和LMS均可用于二维火焰可视化，前者是对火焰前锋的OH辐射成像，后者是对已燃气体区域成像。LMS光强比LIF和瑞利散射大很多数量级，因此不需要非常灵敏的探测器。为了消除火焰辐射干扰，在探测器前需增加一个窄带滤光片，使用一个门控增强器可以减小火焰排放的干扰。直接摄影、激光多普勒测速、粒子图像测速、相位多普勒测速和衍射法等测量方法均是基于粒子的米氏散射原理。

②激光瑞利散射（LRS）

瑞利散射是弹性散射。当激光照射到分子或颗粒上时，会发生与入射激光同频率的瑞利散射光现象。通过测量瑞利散射光强，可以得到混合气体总的浓度、密度和温度。

③自发拉曼散射（SRS）

当光与物质（主要为气体）相互作用（碰撞）时，还会发生非弹性散射。这时入射光子与目标分子之间进行了能量交换，散射光子与入射光相比，其频率、波长和波数都发生了变化。对于不同的分子，这些物理量的变化是不同的，即每种分子或原子具有自己的光谱，也叫拉曼光谱。与CARS、PLIF、LRS相比，SRS可以同步地测量瞬态流场中所有主要物质，如N₂、O₂、H₂O、CO₂和碳氢化合物等气体的浓度及探测区域上的温度信息。

④相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）

某气体样品在同一方向上的一个小区域上（点）被两个频率为和（）的高能激光束照射时，这两个光束发生相干作用，会产生频率为的强烈的散射光。如果被调谐到等于该气体分子的斯托克斯频率上时，即，那么散射光频率为。这叫相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）。叫泵浦频率（泵浦激光），为斯托克斯频率（探测激光）。带有频率的光引起斯托克斯辐射和反斯托克斯辐射，作为正常的拉曼散射过程。带有斯托克斯频率的探测激光与激态相互作用，产生一个强烈的的跃迁，增强了反斯托克斯信号。来自CARS的散射辐射是相干的（）并且带有一个小固体角的同一方向上的辐射。因此，可以不用单色仪（光谱仪）就能检测到信号，能够对低浓度的气体进行测量。CARS信号包含了待测分子的密度和温度信息。总的信号强度与它的密度相关，同时与分布温度相关。每种类型的分子都需要分别地应用斯托克斯探测激光。