涉及气相、凝聚相、等离子体相的复杂火焰场广泛存在于实际工业燃烧及其调控过程中,如火焰合成纳米颗粒、煤燃烧污染物生成、燃烧与壁面相互作用、等离子体及电场助燃等。在这些复杂火焰过程中,不同物质相态之间的相互作用及转换普遍存在,有很多亟待揭示的基础科学问题。本论文结合气相合成这一实际应用所涉及的复杂火焰场,发展了针对性的在线光学诊断方法,探讨了火焰合成中多相态的转化和相互作用,并揭示了固体壁面和火焰等离子体参与的主动调控机理。论文首先发展了针对复杂火焰场的在线光学诊断方法。针对气相-颗粒相环节,研究揭示了相选择性激光诱导击穿光谱的激发-烧融-击穿物理机制,并将其发展为一种可以测量气相向颗粒相转化并定量诊断颗粒体积分数的多维在线光学诊断方法。针对气相-壁面环节,实现了与绝对光强无关的波长调制吸收光谱测量,并将其用于激光束遮挡的近壁面测量。针对气相-等离子体环节,将火焰化学荧光辐射光谱与化学电离过程相关联,在轴对称和非轴对称下发展了火焰多维重构技术。在气相-颗粒环节,研究了对实际工业意义重大的湍流火焰合成和掺杂合成系统。首次测量了湍流火焰合成纳米颗粒体积分数的瞬态分布。其本征正交分解表明,湍流火焰通过脉动火焰面影响初始颗粒形成,下游大尺度的湍流涡结构决定了颗粒的稀释与混合。对于掺杂合成系统,V、Ti各自的相选择性激光诱导击穿光谱表明它们在成核后开始掺杂及发生能带变化,并且不同元素的信号强度比值可以直接反映金属元素在凝聚相中的比例。在气相-壁面环节,研究了壁面调控下的滞止火焰合成系统,探讨了壁面对火焰结构与稳定性的影响,进而分析了滞止壁面对颗粒生成及沉积的调控机制。局部无量纲Karlovitz数小于1可以作为滞止火焰的稳定性判据。首次实现了对滞止火焰场内颗粒沉积过程的二维测量,发现低温壁面有抑制颗粒烧结、促进边界层聚集和沉积的作用。在气相-等离子体环节,重点探讨了火焰等离子体在电场下对燃烧稳定性的调控机制。研究探讨了外加交流电场对火焰造成的主动脉动,发现独特的电致火焰热声振荡现象,这为燃烧主动调控提供了新的思路。火焰在电场下的复杂脉动行为源自于等离子体与气体在电场下发生的双向耦合作用,在一定条件下该作用可以直接表现为一种全新的电动流体力火焰不稳定性。