激光与大气中的分子和气溶胶粒子发生相互作用，因而产生消光，即散射和吸收。主要的物理过程有下面几种。

1.瑞利散射，是指激光与大气分子相互作用而产生的一种弹性散射，其特征是散射粒子的尺寸远小于入射激光波长。从量子力学的角度来解释，光子入射使得电子从基态跃迁到激发态，之后又迅速回到基态，整个过程没有能量交换。瑞利散射过程没有频移，散射光与入射光波长相同，且散射光强与入射波长的四次方成反比，即为瑞利定律。

2.拉曼散射，是激光与大气中分子之间的一种非弹性散射过程。在相互作用过程中，散射光因为分子内部结构的振动而发生频率漂移。拉曼散射的物理机制是电子从低能级跃迁到更高的能级，之后迅速跃迁到一个比原来更低的能级和另一个比原来更高的能级。前者因为得到能量而释放出波长更短的光子，称为Anti-stokes拉曼散射；后者因为失去能量而释放出波长更长的光子，称为Stokes拉曼散射。拉曼散射光频移量与分子基态的振动能级或转动能级有关，分别称为振动拉曼和转动拉曼。

3.米散射。当激光波长与粒子大小相当或小于时，会产生一种弹性散射就是米散射。光子被粒子所弹射回来，没有能量的交换而不发生频移，因而散射前后波长并没有发生变化。米散射的截面与粒子尺寸、形状、成分、波长等因素有关。与其他光散射机制相比，米散射的散射截面最高，所以米散射信号最强。低空探测中所得到的散射主要是由大气中的尘埃，烟雾，水汽等各种固态或液态的气溶胶粒子造成的米散射。

激光所发的出的信号，在大气空间中经过最长6千米的传播，经过上述大气的散射作用，所测得的激光雷达的回波信号已经十分微弱。另一个不可忽视的点是背景噪声的污染，这一点主要集中在白天，表现为探测器所接受到的信号呈现不规则的波动。因此，在探测器的选择上需要考虑到种种因素。国内外现在主流的光电探测器包括：

1. 光电倍增管（Photon Multiplier Tube, PMT）是一种基于外光电效应的光电探测器件，内部为真空结构，具有灵敏度高、响应迅速、动态范围大的特点。其缺点在于体积庞大、量子效率低下、反向偏压高、仅仅能够工作在紫外波段和可见光波段内，抗外部磁场能力较差。其主要工作模式为（1）模拟方式（2）单光子计数方式。

2. 雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode,APD）是一种内光电效应的半导体探测器，其主要利用的是光生伏特效应。在无光照条件下，PN结的空间电荷区存在内建电场，空穴和电子的漂移达到平衡。而在有光照条件下，在空间电荷区及附近因受光子激发而形成电子空穴对，在内建电场的作用下，空穴往P区漂移，电子往N区漂移，从而产生了附加电动势。如果在PN结上加一定反向偏压。使受光照产生的电子空穴对获得加速从而与晶格产生碰撞，使晶格内的原子产生电离，制造新的电子空穴对，新的电子空穴对在电场作用下又重复上述过程，产生更多的电子空穴对。这种过程不断重复，使PN结内载流子迅速增加，电流急剧增加，这种现象称为雪崩效应。APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度光电探测器。其工作方式有两种（1）线性方式（2）盖革方式

3. 电荷耦合器件（Charge Coupled Devices,CCD）是一种大规模集成光学器件，CCD是在高感光度的半导体硅片上制作大量光敏元，其按照线阵或者面阵有规则地排列。当有光入射时，这些光敏元就产生与光强成正比的光生电荷（电子-空穴对）。单位面积内的光敏元越多，则其空间分辨率越好。CCD具有自扫描特性，能将光敏元上产生的光生电荷有规律地串行输出，再通过模数转换成为数字信号。