激光束与大气物质相互作用机制是进行大气激光雷达探测的关键。不同的激光与大气相互作用机制对应于不同种类的大气探测激光雷达。激光与大气相互作用机制有：
米氏散射(Mie Scattering)
激光与大气中各种固态或液态的气溶胶粒子（尘埃、烟雾、云层等）的相互作用主要表现为散射，称为米氏散射。米氏散射的特点是散射粒子的尺寸与入射光波长相近或比入射光波长大。米氏散射的散射光波长和入射光相同，散射过程中没有光能量交换，称为弹性散射。由于米氏散射的散射截面很高，米氏散射大气探测激光雷达的回波信号通常都很强。
瑞利散射(Rayleigh Scattering)
瑞利散射是指激光与大气中的各种原子分子相互作用而被散射的过程，其特征是散射粒子的尺寸比入射光的波长小。瑞利散射也是一种弹性散射过程，即散射波长和入射波长相等。瑞利散射的角向分布比米氏散射的角向分布要对称一些，其前向散射和后向散射相等，而向两侧的散射很小。瑞利散射的截面比米氏散射小，且与入射光波长的四次方成反比。因此，利用波长较短的紫色或紫外激光束激发瑞利散射可获得较强的激光雷达回波信号。
拉曼散射(Raman Scattering)
拉曼散射是激光与大气中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，其最大特点是散射光的波长和入射光不同，产生了向短波或长波方向的移动，且散射光波长移动的幅度与散射分子的种类密切相关。拉曼散射波长的移动幅度与散射分子能级的能量差是一一对应的，而分子能级的能量差是不同种类分子的内部固有特征。因此，从散射波长相对于入射波长的移动量就可以确定参与散射的分子种类。这样利用拉曼散射就可实现辨认大气组分的探测。
吸收(Absorption)
吸收是指当入射激光的波长被调整到与原子、分子的基态与某个激发态之间的能量差相等时，该原子分子对入射激光产生明显吸收的现象。参与吸收过程的原子分子数目越多，激光束能量的损失越大。吸收过程并不注重原子分子对光的散射和发射，而只强调由原子分子吸收所导致的入射激光束能量的减少。原子分子对某些波长入射光的选择性吸收是由原子分子内部能级的固有特性决定的，因此吸收过程也可用来进行大气组分的探测。
共振荧光(Resonance Fluorescence)
原子分子在吸收入射光后再发射的光称为荧光。当改变入射激光的波长，使其光子能量正好和原子能级间的能量差相等时，该原子将吸收此入射光子的能量而从基态跃迁到激发态。由于原子在激发态的寿命通常很短（约10-8秒），处于激发态的原子会很快的自发跃迁回到原来的能级，并向外发射一个荧光光子，这就是共振荧光过程。在共振荧光过程中，发射的荧光波长与入射光波长相等。由于共振荧光截面比瑞利散射截面大得多，可以利用某些特定的激光波长下原子或分子发生共振荧光增强的现象来实现对大气组分的辨认性探测。
1大气监测激光雷达
激光雷达通过测量大气中自然出现的少量颗粒的后向散射，可以检测风速、探测紊流、实时测量风场等。由于返回的后向散射辐射很微弱，因而大气监测激光雷达需要使用灵敏的接收器。目前的飞机阵风缓和系统以安装在机身上的加速度计为基础，效能有限。有效的系统要求在飞机与紊流相遇前测量紊流。激光雷达探测紊流阵风的能力，可以为未来的军用和民用飞机提供更好的阵风缓和系统。美国航天局的“先进的飞行中测量用机载相干激光雷达”，正在探索这个概念。
飞机后微爆风切变和尾流，给与其相遇的飞机造成危险。英国国防鉴定与研究局（DARA）的研究人员研制的激光雷达，能测量在飞机后微爆风切变和尾流速度。将这种激光雷达置于跑道上进行实时监测，就可以提高安全性，增加飞机的通过量。
2双波长高空探测激光雷达
在30~110公里范围中高层大气和低电离层是“日-地”关系链中的重要环节，太阳活动对中高层大气和低电离层中的许多物理、化学和动力学过程，以及与其相邻的上下层次之间的相互作用过程都有重要影响。而这方面的探测技术发展一直较为薄弱。对原位探测而言，这一层段对气球探空显得太高，对卫星探测又显得太低；对遥感探测而言，这一层段对地面的无线电遥感大多属于盲区，而卫星从上向下的被动光学遥感又存在分辨率和精确度方面的缺点。用于探测太阳剧烈活动与空间灾害天气的“探测激光雷达” 的出现恰恰提供了一种较为有效的解决方案。它可以实现对30~110公里中高层大气和低电离层段的同时、连通性探测具有很高学术价值和应用前景。
3多普勒测风激光雷达
测风激光雷达通过测量大气中自然出现的气溶胶颗粒或分子运动（风速引起）产生的具有多普勒频移的后向散射信号，利用对回波信号频率进行鉴频或相干，测量出后向散射信号的多普勒频移Δν，利用Δν与风速的关系就可反演得到径向风速数值，通过扫描激光光束得到不同方向上径向速度，矢量合成即可得到风速、风向，实现检测风速、实时测量风廓线风场等。目前，激光雷达探测风速风向的主要技术有相干激光雷达技术及非相干技术。相干激光雷达主要适用于气溶胶密度较大的对流层，探测范围最大可达10 km左右，精度可达0.1m/s。而非相干激光雷达主要利用气溶胶及大气分子测速，属于能量检测，其适用范围较广，适合对流层到平流层的风廓线探测,测速精度可到1 m/s 以内。
多普勒测风激光雷达在风力发电，包括建站前的场地选择以及风车前的风力预测等方面有极大地应用前景和市场潜力，可以在一定程度上提高风力发电设备的发电效率。
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