本学位论文结合了随机表面的散射、近场及超快光学等物理学前沿领域最新成果的理论与方法,对随机表面在连续与超快相干光波照明下的散射、随机光场特性和表面的标识等进行了一系列创造性的研究工作.在理论上,提出和解决了随机表面散射和随机散斑光场中的新概念和重要问题,如散射光强轮廓半宽度的数学解析、近场散斑概念和超快光谱散斑概念的提出等;在数值模拟计算中,解决了光散射模拟和随机光场数值计算中的一系列关键问题,如提出了自仿射分形随机表面的产生算法、建立了联结象面光强与表面结构函数的补偿算法、在时域上拓展了用于超快过程的格林积分方程数值求解算法等;在实验上,建立了随机表面光学标识的新方法,如角分辨的光散射及相位恢复法测量随机表面的高度概率分布、变孔径象面散斑光强提取表面相关函数、无预标的象面散斑对比度法测量随机表面参数等.概括起来,本学位论文取得了以下主要创新成果:1.首次提出了表面高度概率分布标识的角分辨光散射理论与实验方法,探索并成功运用了光学逆问题的迭代算法(Gerchberg-Saxton算法)恢复光散射镜面反射分量光强以波矢量为函数的相位分布.通过镜面分量光强随入射角度变化的实验测量,并根据理论结果实现了随机表面高度概率的信息提取.这是逆光学算法应用领域的开拓和表面标识研究的创新.2.把随机表面散射的光场特性研究拓展到近场光学领域,首次提出了近场散斑的概念.通过介质分界面上光场积分方程求解的数值算法实现,以及对自仿射分形表面散射的近场光强的计算,发现了近场散斑的存在并研究了其传播规律,如散斑存在分形结构并在经过一个波长的传播消失、对比度在近场区域附近达到饱和等;在原理上对近场散斑的形成机理进行了探索.这为近场散斑这一新方向的研究奠定了基础.3.建立了由散斑光强获取随机表面高度相关函数的理论和数值补偿算法,并首次在实验上实现了用散斑方法对高度相关函数的提取.采用了变孔径的成像系统进行散斑光强测量,创造性地提出了采用数值方法来弥补像面散斑强度测量数据与表面结构函数的数学关系之间的缺陷,将光强与孔径的数值关系转化为相关函数的傅立叶变换对,进而恢复出表面的高度相关函数.4.率先将随机光场研究拓展到超快激光领域,引入了超快远场散斑和超快光谱散斑的概念.在理论上研究了超快激光照明的条件下,菲涅耳衍射区超快散斑场的形成及变化的全新规律,如散斑颗粒中存在干涉条纹结构及其空间周期随时间减小等,在实验上观察了超快光谱散斑,证实了超快散斑的存在.5.将近场光学与超快光学结合起来,研究了超快近场散斑的规律.在时域上拓展了电磁场计算的求解格林积分法数值算法,研究了超快光脉冲经亚波长小孔的近场衍射后在介质分界面上光强的节点、脉冲的展宽与分裂等;发现了超快近场散斑的颗粒随时间减小、对比度不断增加等特有规律.这对于超快光波在界面上建立与传播研究的开展具有重要意义,也将成为正蓬勃发展的前沿学科超快物理学的重要内容.