旋涡激光束的大气遥感机理与探测方法研究

针对地球大气的激光探测向更高定量化发展的需求，提出开展旋涡激光束的大气遥感机理及其探测方法研究。围绕影响地球-大气系统辐射平衡的因素，开展地球大气对旋涡激光束的后向散射机理及其探测方法进行理论和实验研究，期望通过对：（1）旋涡激光束的矩阵代数描述研究；（2）球形介质Mie-粒子对旋涡激光束中光子轨道角动量的单次和多次后向散射机理研究与模式建立；（3）非球形介质粒子对旋涡激光束中光子轨道角动量的单次和多次后向散射机理研究与模式建立；（4）大气对旋涡激光束的单次和多次后向散射信号的探测方法；（5）从所探测的后向散射信号中提取大气光学特性和大气物质的物理特性的方法等问题的研究，建立起旋涡激光束的大气遥感的散射机理、理论模式和新的遥感方法。本项目的研究成果对于建立更加精确定量化的大气探测的遥感新理论和新方法具有极为重要的学术意义和应用价值。

通过在柱坐标系中将偏振涡旋光束分解为正交的径向偏振和角向偏振分量，解决了旋涡激光束横截面上每一个位置的偏振态表示问题。将平面光束的圆偏振基矢扩展到旋涡激光束，得到偏振旋涡激光束的表达式，推导出偏振旋涡激光束的斯托克斯矩阵和庞加莱球表示方法。.以拉盖尔-高斯光束为例，研究了球形粒子对旋涡激光束的散射机理。根据广义Mie理论，推导出球形粒子在旋涡激光束中散射系数的解析公式。针对粒子散射强度进行了数值仿真，讨论了散射强度随散射角、散射球粒子半径和拓扑荷的变化特性。.通过局域近似法求解以拉盖尔-高斯光束为代表的旋涡激光束在椭球坐标系中的波束因子，计算得到了波束因子之间满足的普遍关系。对散射强度随椭球粒子不同尺寸参数、扁圆程度以及不同拓扑荷入射的变化特性进行了数值计算，完成椭球粒子对在轴入射拉盖尔-高斯光束的散射机理研究。由于拉盖尔-高斯模构成波动方程解的一组完备正交基，任何光场分布都可以按这组基底展开。因此，本课题以拉盖尔-高斯光束为代表的研究可以推广到其他旋涡激光束。