近年来，人们对散射光调控的研究取得了极大的进展，产生了许多有趣的应用。其中透过散射介质的成像和光学幻像是两个极为引人注目的方向，但它们不经常同时被研究。文中将深入探索散射光成像和光学幻像的内在联系，在此基础上提出一种新颖的双功能散射光调控方法以在同一实验装置中根据需求实现散射成像和光学幻像。通过优化光路，结合相位恢复技术检测散射波前，利用相位共轭技术和高分辨率的纯相位液晶空间光调制器可以实现补偿散射的影响或实现特定衍射波前的产生。该系统只需要数秒即可完成散射光调控，因此可以对变化缓慢的散射环境实现动态散射成像或对缓慢变化的物体实现稳定的动态光学幻像。理论分析和实验演示证实了该调控方法的可行性。这一散射光调控方法有望在浑浊介质中的光学成像、光学伪装、反侦察、复杂光场调控等领域找到潜在的应用。

采用烟尘的团簇-团簇凝聚模型和离散偶极子近似方法,分析了紫外光在不同烟尘浓度和粒子半径下的单次和多次散射信道特性,以及散射角对散射光强的影响。研究结果表明,在紫外光短距离直视通信方式下,当粒子半径相同时,随着烟尘浓度的增大,路径损耗不断增大,而当烟尘浓度一定时,路径损耗随着粒径的增大而增大;在紫外光非直视通信方式下,短距离时烟尘浓度及原始半径越大,散射信道路径损耗越小,而长距离通信时烟尘浓度越高,其路径损耗越大,但不同浓度下的路径损耗的差别较小。在多次散射情况下,散射光强随着散射角的增大而减小,而当散射角相同时,烟尘浓度越高,紫外光的散射光强越大。

光学元件在加工及使用过程中引入的麻点或擦痕会严重影响其表面质量。基于Peterson疵病散射理论,将麻点或擦痕引起的散射光分为两部分,即对麻点(或擦痕)内部表面的散射光作漫反射分析,对麻点或擦痕外围轮廓引起的散射光作衍射分析。进一步考虑麻点和擦痕的挡光效应,以及麻点衍射消失的边界条件,通过将疵病散射理论与国家标准GB/T 1185—2006相结合,推导出麻点、擦痕的双向反射分布函数的解析表达式,进而分析了不同疵病级数下的角分辨散射和总散射。研究结果表明:表面疵病的总散射与疵病面积近似成线性正比,进而据此提出了一种基于总散射测量的表面质量检测新方法,并分析了光学元件表面疵病的阈值。

散射介质对光的随机散射作用是制约其光学聚焦和成像的重要因素, 光学相位共轭技术能够通过对散射光场共轭还原实现透过散射介质的光学聚焦和成像, 其中散射光场相位的获取是共轭还原的核心。阐述了偏振相移的基本原理, 将偏振相移与相位共轭技术相结合, 设计了新的基于偏振相移的数字光学相位共轭系统。采用633 nm的HeNe激光器作为系统光源, 毛玻璃作为散射介质开展散射光聚焦实验研究。实验结果表明: 该装置能够成功实现透过散射介质的光学聚焦, 其中聚焦点与背景光强的比值可达约400倍。

提出了基于纯相位调制的传输矩阵通用测量方法,搭建了传输矩阵测量的实验装置。分别利用单位矩阵调制和哈达玛矩阵调制方式进行了传输矩阵测量,并实现了穿透散射介质的光波聚焦。实验结果表明,基于单位矩阵测得的传输矩阵,其聚焦点光强为背景光强的19倍;而基于哈达玛矩阵测得的传输矩阵,其聚焦点光强为背景光强的16倍。

石墨-二氧化硅作为无机添加材料, 广泛应用于各类航空航天器烧蚀涂层领域, 其在高温下具有较高的反应吸热焓, 在高能激光烧蚀领域具有良好的应用前景。目前, 关于石墨-二氧化硅的高能激光烧蚀研究较少, 尤其在高能激光烧蚀中的反应时间和烧蚀阈值难以确定。针对此问题, 利用近红外探测器对激光辐照样品表面的散射光进行实时探测, 并对其散射光曲线进行微分拟合处理。基于此散射光信号, 结合样品烧蚀后的形态结构分析, 研究了石墨-二氧化硅在不同激光功率密度下的反应时间阈值。研究结果表明: 在激光输出功率密度为500 W/cm2持续辐照10 s时, 散射光拟合曲线持续升高无突变, 表明未发生明显的烧蚀; 当激光功率密度升高至1 000～1 500 W/cm2时, 散射光微分拟合曲线出现明显转折点, 对应的反应时间阈值分别为15 s和08 s。

随着国家对水下成像探测、水下资源勘查等应用需求增加，建立符合实际情况的水下光电成像模型，成为目前水下成像研究者的目标。为了探究水下距离选通成像系统性能，建立了距离选通成像系统各个模块调制传递函数模型，以及总的系统调制传递函数模型。对目前市场上主流成像系统所采用的超第二代、第三代像增强器的选通成像性能进行理论对比仿真分析，完成了对水下距离选通成像系统性能模型的仿真。结果表明，前向散射光调制传递函数以及后向散射光调制传递函数随着探测距离以及选通时间的增加呈现逐渐下降趋势，并且前向散射光调制传递函数下降的速度更快；系统调制传递函数随着探测距离、选通时间和空间频率的增加而逐渐下降，并且通过理论模型分析得到典型的第三代像管的性能比超第二代像管的性能在水下距离选通成像过程中更具优势。

基于光散射法的PM2.5检测具有原理简单、数据采集和处理简单、测量结果准确等优点, 成为PM2.5检测的主要方法之一。PM2.5检测系统采用模块化设计, 由光电采集模块、控制处理模块、显示预警模块和电源模块四部分组成, 实现PM2.5的实时监控和预警。Proteus仿真结果显示, 系统检测准确, 误差在可控范围。系统硬件调试测试后, 可实时显示PM2.5的粒子数, 达到预定值时, 蜂鸣器报警。

海面散射回波是激光探测系统探测低空掠海目标时的主要干扰,基于Pierson-Moscowitz海浪谱建立了不同风速下粗糙海面的几何模型,并将其作为海面的高度场.在对海面进行面元分割的基础上,根据Cox-Munk关于海浪坡度的统计模型计算了面元的反射回波,建立了粗糙海面的光散射模型,利用该模型对一种圆锥视场入射激光束的散射光分布及探测器接收功率进行了仿真计算.研究结果表明,粗糙海面的散射光分布与入射角度及风速相关,圆锥视场入射激光束的散射光主要分布在入射光束镜像方向周围的立体空间,风速越小,散射光分布越集中;风速越大,散射光分布越分散,为粗糙海面激光束散射特性分析及散射回波计算提供了重要理论依据.

基于激光主动成像的烟雾环境下的目标探测具有重要研究意义,有效抑制光的散射作用是提高烟雾环境下成像质量的关键.根据光的偏振理论,仿真分析了光子单次散射的偏振特性与散射角的变化关系,并利用蒙特卡罗方法模拟了光在烟雾环境中传输的偏振特性,提出了利用偏振差法来抑制光散射作用,最后进行了简单的成像实验.结果表明,光在烟雾中传输时散射光主要由小角度散射光构成,仍然保留了初始激光的部分偏振特性,相比于直接灰度成像,偏振差法能够有效滤除小角度散射光的影响,增强成像目标的细节信息和图像的对比度.