本项目成果属于光学领域。涉及光学、电磁场与电磁波、激光与物质相互作用等多学科交叉。

研究各种微粒与激光束的相互作用在粒度分析与测量、光学微操纵、生物医药、环保和化工等领域有着广泛的应用前景。通过理论分析和数值模拟激光束与的微粒相互作用，可以反演微粒的形状、结构、尺寸和性质，分析微粒的局域动力学特性，研究微粒的手征效应等。将结构光束特殊的振幅、相位和偏振态引入与微粒的相互作用中，可以获取微粒更为丰富的信息。但是对于结构光束与微粒相互作用的物理机制尚不完全明确，相关理论还有待进一步完善。

1、主要研究内容

本项目以激光对微粒的探测、诊断以及操纵技术的应用为研究背景，针对结构光束及其与微粒相互作用的基础理论与方法进行系统研究。研究内容如下：

(1) 结构光束的产生、传输及其矢量表征

搭建产生典型结构光束的实验平台；系统研究结构光束在自由空间、光学系统和湍流媒质中的传输特性；推导典型结构光束电磁场分量的解析表达式；给出任意入射结构光束在球、椭球、圆柱等多种坐标系中的矢量波函数展开方法以及波束因子的求解方法。

(2) 典型微粒对结构光束散射的理论分析

建立球、椭球、圆柱以及偏心球、多层多层非共焦椭球和多层圆柱等典型粒子对结构光束散射的广义洛伦兹米理论分析模型，研究有效计算球、椭球和圆柱波函数的方法，系统分析结构光束入射下球、椭球、圆柱及偏心球、多层非共焦椭球等典型粒子的内场、近场和远场特性。

(3) 复杂粒子对结构光束散射的数值仿真

提出了基于矩量法、有限差分法和有限元法等分析结构光束与微粒相互作用的数值计算方法，给出了结构光束对复杂形状的金属、介质、各向异性、核壳型结构、随机离散、分形凝聚等各种类型粒子的散射特性，建立了结构光束与复杂粒子相互作用的高效高精度数值分析模型。

(4) 结构光束与微粒相互作用的应用研究

将结构光束与微粒的相互作用应用于粒度分析、光学诊断、光学微操纵、超分辨成像等领域，研制了高压高温燃烧器中碳黑颗粒浓度在线光学测量系统；建立了结构光束操控各类典型粒子辐射力、力矩分析模型；探索了微透镜光子纳米聚焦在光学显微成像中的应用。

2、科学发现点

(1) 率先提出了几种典型结构光束的波束因子法以及任意入射结构光束在不同坐标系中的矢量波函数展开方法，解决了广义米理论、T矩阵等方法中研究微粒对任意入射结构光束散射的理论难点。

(2) 提出了广义洛伦兹米理论分析典型粒子对任意入射结构光束散射的方法，解决了电大尺寸椭球粒子矩阵算法的病态问题，给出快速，精确计算大尺寸参数粒子的对任意波束散射的方法。  

(3) 提出了分析复杂粒子系对任意入射结构光束散射的数值计算方法，建立了求解复杂含多核粒子散射问题的面积分方程，提出了一种用于分析随机离散粒子散射问题的混合有限元-边界积分-区域分解方法，给出了结构光束作为激励源的FDTD分析方法。

(4) 研制了高压高温燃烧器中碳黑颗粒浓度光学诊断系统，建立了结构光束任意入射下典型粒子辐射力、辐射力矩的分析模型，率先开展了结构光束入射下微透镜、微透镜阵列光子纳米聚焦的理论分析和光学超分辨显微成像的应用研究。

3、科学价值

本项目建立了结构光束任意入射下典型粒子散射的广义洛伦兹米理论分析方法，提出了多种求解复杂粒子对结构光束散射的数值算法，揭示了复杂粒子体系对结构光束的散射机理，为粒度分析、光学微操控等领域提供了理论基础；阐明了结构光束入射下微透镜的光子纳米聚焦场特性，为实现光学超分辨显微成像提供了依据。

4、同行引用及评价

本项目相关成果出版专著2本，授权专利1件，在Physics Reports(IF:22.929)、Optics Letters、Optics Express、IEEE AP等国内外知名期刊上发表SCI检索论文90篇，中科院JCR分区2区及以上文章24篇，共引用600次，他引300次；其中8篇代表性论文，总的影响因子38.145，共被引用243次，SCI他引113次，被Physics Reports、Optics Letters、Optics Express、Physical Review A/B/E等知名期刊引用30余次并做评论。本项目中给出的用于研究复杂微粒系与结构光束相互作用的基础理论与方法被国内外同行公认和引用，并在粒度分析与测量、光学微操纵技术、光学超分辨成像等领域得到了应用。