在对目前水下成像系统现状进行调研后, 分析了影响水下成像距离和成像质量的主要因素, 即后向散射。突破了传统水下成像系统分视场、多探测器的成像方式, 利用光学设计软件Zemax设计了一款大相对孔径、大视场的水下成像光学系统。系统只采用一个光电探测器, 波长486 nm~656 nm, 相对孔径1/1.8, 视场角120°, 采用9片透镜, 无非球面, 简化了透镜加工过程及成本。中心视场的艾里斑尺寸3 μm , 在奈奎斯特频率60 lp/mm, 时, 各视场的调制传递函数曲线均高于0.7。同时, 对大视场系统产生的高畸变进行校正, 畸变小于5%, 成像质量很好。此系统可广泛应用于水下探测、海洋开发、海底资源勘探、水下反恐等领域。

提出一种高斯光束照射下颗粒后向散射光信号的测试方法,对悬浮于流体中不同粒径的玻璃微珠进行了测量,并对测得的脉冲波形进行分析。结果发现,采集的波形基本上符合高斯分布,且波形峰值与粒径有较好的线性关系。对不同颗粒数浓度的粒径为19.2 μm的标准玻璃微珠的信号波形进行实时采集,得到了浓度与脉冲数的对应关系。研究结果表明,所提出的测试方法可以得到颗粒粒径和浓度信息,有望应用于后续激光放大器的腔内检测。

针对传统流式细胞分析技术中, 细胞亚结构形态识别困难以及荧光染色又会改变细胞活性问题的研究需要, 依据淋巴细胞和嗜酸性粒细胞形态特征建立了对应的偏心单核细胞模型及双核细胞模型。基于光散射理论下的仿真实验软件, 设计了可同时接收细胞前向和后向散射光谱的仿真实验光路, 获得了这两种细胞模型下的散射分布图谱, 由此建立了不同核质相对折射率下的前、后向散射光光强与442、532、633 nm入射波长关系。通过前、后向散射光谱特征分析, 发现在以后向散射光信号为纵轴, 前向散射光信号为横轴表征下, 淋巴细胞和嗜酸性粒细胞具有明显的分类分区散点特征, 从而提出了一种淋巴细胞以及嗜酸性粒细胞的分类识别方法。该散射分类识别计数方法对于设计全光学、非入侵、免标记的血细胞分析仪有一定的潜在应用价值。

散射相函数是研究电磁波传输特性的重要参数, 直接影响电磁波传输方程的简化程度和解的精度。 基于电磁散射与辐射传输中的基本理论, 对非球形粒子散射相函数的经验公式进行了研究。 为了很好的模拟非球形粒子的后向散射峰值, 提高辐射传输方程的简化程度和解的精度, 提出了一种新的相函数经验公式。 分析新的相函数对非球形粒子的适用性, 以单个沙尘性气溶胶为例, 计算了不同形状粒子的Henyey-Greenstein*相函数和新的相函数随角度的变化, 并与T矩阵法的计算结果进行了对比, 发现椭球形粒子的长短轴比和有限长圆柱形粒子的径长比大于0.5时, 新的相函数在大角度后向散射部分与T矩阵法的吻合程度较高。 考虑波长变化, 对比了尺寸谱满足对数正态分布的四种气溶胶粒子的Henyey-Greenstein*相函数和新的相函数与T矩阵法的计算结果。 研究表明, 对于椭球形粒子和有限长圆柱形粒子, 在大角度（大于90°）后向散射部分, 除了0.694时的椭球形海洋性气溶胶, 新的相函数均方根差较小的占100%, 证明了新的相函数可以较好的模拟非球形粒子的后向散射特征。 新的相函数对准确模拟辐射传输过程具有重要意义。

在石油类污染水体中, 油会吸附在悬浮颗粒物表面而形成一个双层结构, 影响水体后向散射系数光谱特征, 分离水体石油类物质与悬浮颗粒物对后向散射系数光谱的贡献, 能提高水体石油类污染后向散射理论模型的准确性。 将美国Wyatt公司生产DAWN HELEOS Ⅱ18角度散射测量仪、 美国SEQUOIA公司生产的LISST-100x B粒径仪和美国Hobilabs公司的后向散射仪HydroScat-6 Sprctral Backscattering Sensor(HS6)联动观测, 构成后向散射系数光谱测量系统, 分别测量不同水样的散射强度电压值、 粒径分布及粒径浓度、 后向散射系数等参数, 提出了利用Mie散射理论计算未知折射系数物质的体散射函数β(λ,θ)的新思路及分离后向散射系数光谱的算法。 选择已知折射系数m的石英砂作为颗粒物与采自不同油田区域的油污水进行配比, 获取不同特性水样, 测定相关数据。 首先, 根据Mie散射理论计算出各样本对应的水体体积散射函数β(λ,θ); 其次, 建立的DAWN HELEOS Ⅱ 18角度激光散射仪测定散射强度对应的电压值V(θ)转化为体积散射函数β(λ,θ)的关系式; 再次, 根据最优化方法估算出油砂混合的等效折射系数mos以及油的折射系数mo; 最后, 利用β(λ,θ)和估算的mos值及mo计算出各类样本的后向散射系数bb(λ), 分别建立油污水bb,o(λ)和石英砂bb,s(λ)与油砂混合总bb,os(λ)的分离算法。 分离算法的建立一方面提高了水体石油类污染后向散射理论模型的准确性, 另外一方面拓展了米散射理论在海洋水色遥感中的应用。

近年来,利用纳米颗粒增强薄膜太阳电池效率受到了广泛关注。本文研究了核-卫星状复合结构银颗粒背位增强1 μm厚的硅薄层光吸收。采用了有限差分时域(Finite-difference Time-domain, FDTD)方法对所设计模型进行仿真模拟。结果发现,这种处在硅背面位置的复合结构银颗粒在很宽的光谱范围内具有很强的散射能力,同时,相比没有背位银颗粒阵列的1 μm硅薄层,有颗粒阵列的硅薄层对光的吸收有着明显的增加。

基于气相传输法制备一种具有三层次结构的纳米网络状表面结构氧化锌样品。利用X射线衍射谱、电子能量散射谱和扫描电镜等对样品进行表征，结果表明样品具有类蓝蝴蝶翅膀的微观结构。实验研究样品的背向散射特性，观察到散射光强分布角偏性及该角偏性与光强的波长选择性；应用时域有限差分法和严格耦合波法，对样品背向散射特性进行仿真，结果表明样品类蝴蝶翅膀的光子晶体结构，是其特殊背向散射特性的原因。

水下气泡幕的激光后向探测中，背景噪声尤其是水体的后向散射光信号对信号的接收和处理造成了严重的干扰.对该问题进行分析，并进行了实验研究，调整发射器和接收器之间的距离，对后向散射光信号功率进行实测，对数据进行了比较分析.结果表明，适当增大接收器和发射器之间的距离，有利于水体后向光散射信号的抑制，可提高有无气泡幕信号之间的差异，从而提高水下气泡幕激光后向探测的能力.

后向散射率不仅是机载激光雷达探测海水后向散射信号的重要参量，也是海洋悬浮粒子重要的光学特性，根据米氏散射理论及其散射相函数计算公式，推导出了海洋悬浮粒子后向散射率的计算公式。通过对海水中的藻类粒子和悬浮泥沙颗粒散射相函数的分析，获取这两类主要海洋悬浮粒子各自的后向散射率，并进一步分析了后向散射率与粒子半径和波长的关系。仿真计算结果表明，当探测波长一定时，藻类粒子的后向散射率随粒子半径的增大而增大，而悬浮泥沙颗粒的后向散射率随粒子半径的增大而减小；当粒子半径一定时，藻类粒子和悬浮泥沙颗粒的后向散射率均随探测波长的增大而增大。