Рэлеевское рассеяние света (РР) происходит во время прохождения лазерного излучения через газовую среду. Частота рассеянного излучения не отличается от частоты падающего. Интенсивность определяется формулой  I_РР~(n-1)²I_ЛN, где N - числовая плотность газа, I_Л - интенсивность лазерного излучения, n - показатель преломления исследуемого газа в стандартных условиях. Значение показателя преломления для смеси газов n_смеси определяется по формуле (n_смеси-1)²=Sa_i(n_i-1)², где a_i - мольная доля i-го компонента, предполагается суммирование по всем компонентам газовой смеси. Для измерений этим методом свет, рассеянный под некоторым углом из небольшого участка сфокусированного лазерного пучка, имеющего произвольную длину волны, проектируется на входную щель монохроматора или на интерференционный фильтр и, пройдя его, регистрируется фотоумножителем. С применением импульсных лазеров РР позволяет измерять в однородной среде мгновенные значения плотности, а при постоянном давлении - температуры. При изучении пламени метод может быть применим лишь в случаях, когда состав газов известен. Измерения методом РР могут быть затруднены в потоках, содержащих частицы (пыль, сажа), из-за возникновения на них сильного рассеяния.

Лазерно-индуцированная флуоресценция (ЛИФ) это излучение фотонов молекулами, возбужденными воздействием лазерного излучения. В методе ЛИФ используется та же схема рассеяния, что и в РР, но для возбуждения применяют лазер с перестраиваемой длиной волны. Обычно с помощью ультрафиолетового излучения лазера на красителях, полученного в режиме удвоения или суммирования частоты, возбуждают ЛИФ промежуточных продуктов химических реакций - радикалов OH, CH, NO и др. Спектр возбуждения записывают перестраивая длину волны лазера в необходимом диапазоне и регистрируя флуоресценцию в широкой полосе. Интенсивность флуоресценции пропорциональна плотности мощности лазерного излучения (P/A), концентрации радикалов (N) и ослаблена процессами тушения возбужденного состояния: I_ЛИФ~(P/A)NR_Q^-1, где скорость тушения флуоресценции R_Q=S_(i)n_is_iv_i. Здесь n_i, s_i и v_i - концентрация, сечение тушения и относительная скорость для i-го компонента. По форме спектра ЛИФ можно вычислить температуру газа, потому что он отражает распределение населенностей уровней исследуемых радикалов. А по интенсивности линий можно определить концентрации радикалов при условии, что имеется дополнительная информация о составе газа в точке измерений и сечениях тушения основными компонентами.

Более удобен для измерения концентрации радикалов метод ЛИФ с насыщением, которое достигается использованием высокой плотности мощности лазерного излучения. В поле мощного лазерного излучения определяющими оказываются вынужденные переходы из верхнего состояния, скорость которых гораздо выше, чем спонтанных и медленные процессы тушения оказываются несущественными. Населенности уровней, связанных излучением, выравниваются. Конечно, система сбора флуоресценции должна исключить не дающие насыщения краевые пространственные области лазерного пучка, а система регистрации обеспечить выборку сигнала в момент максимальной интенсивности лазерного импульса.

Когерентное антистоксово рассеяние света (КАРС) это четырехфотонный процесс, основанный на эффекте Рамана. Первоначально эффект использовался в методе спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) опять в той же схеме рассеяния, что РР и ЛИФ. Под действием лазерного излучения с фиксированной длиной волны происходят двухфотонные процессы рассеяния света на молекулах вещества. При этом энергии рассеянных фотонов отличаются от энергии падающих на величину колебательной (вращательной) энергии молекул. А в спектре рассеянного света присутствуют линии, сдвинутые в длинноволновую (стоксову) и коротковолновую (антистоксову) области. Молекулы разных газов (N₂, O₂, H₂, H₂0, CO₂ и др.) обладают своим характерным набором линий СКР. Интенсивности линий прямо пропорционально зависят от концентрации исследуемого компонента газовой смеси и от интенсивности лазерного излучения. Однако, низкая эффективность спонтанного рассеяния (приблизительно на три порядка ниже, чем у РР) является непреодолимым недостатком СКР и сильно ограничивает его область применения.

Метод КАРС позволяет получить высокую интенсивность сигнала комбинационного рассеяния за счет усложнения аппаратуры. В методе КАРС используют два лазера: один с фиксированной частотой - другой с перестраиваемой. Настройка разностной частоты на частоту молекулярных колебаний приводит к быстрому согласованию фаз колебаний у всех молекул, находящихся в области "накачки". Дальнейшее рассеяние на них третьего - пробного пучка, в качестве которого используют часть излучения первого лазера, происходит с возросшей на несколько порядков эффективностью. Интенсивность антистоксова сигнала выражается формулой: I_КАРС~I₁I₂I₃|c⁽³⁾|². Здесь |c⁽³⁾|² - нелинейная кубичная восприимчивость вещества, которая определяется различными параметрами исследуемого газа, в т.ч. температурой и концентрацией молекул. Рассеянный свет распространяется в виде узконаправленного когерентного пучка, подобно лазерному, который практически не подвержен влиянию паразитной засветки из области измерений. Применение схем неколлинеарного расположения пучков позволяет избавиться также от лазерной засветки. Широкополосное возбуждение и регистрация спектров позволяет наиболее полно использовать возможности метода и проводить импульсные измерения параметров в сложных условиях, где невозможно применение других методов диагностики.