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与传统采用偏振特性为信息载体的光学通信系统相比,基于轨道角动量(orbital angular momentum,简称OAM)模的通信系统显著扩大了无线光通信系统的信道容量。但是携带轨道角动量模的涡旋光束通过大气传输时,大气汽溶胶等微粒的散射与吸收所引起的信号衰减,大气湍流导致的信号强度起伏、光束漂移、光束扩展等干扰,必将引起无线光通信系统性能的下降。因此,研究携带轨道角动量的光学载波与大气湍流的相互作用规律,控制大气湍流对涡旋光场所携带轨道角动量模的干扰,提高通信系统信号的传输性能是一个十分必要和重要的课题。本论文的主要创新工作分为以下几个方面:1.基于适用弱起伏区域的Rytov近似和非柯尔莫戈洛夫大气湍流谱,建立非衍射型超几何高斯光束轨道角动量模的接收概率模型,研究轨道角动量通信系统中此类光源的特征参数对湍流效应的控制作用。另一方面,考虑到大气湍流的内外尺度效应和湍流的各项异性,基于修正Rytov近似,建立各向异性且中等到强湍流的非柯尔莫戈洛夫湍流折射率谱,导出相应的空间相干半径。研究表明超几何高斯光束的自聚焦特性对轨道角动量通信系统中的湍流具有扼制作用。2.为了研究光源空间部分相干和非衍射特性对湍流效应的扼制作用,我们在非衍射型艾里光场中引入反映光源空间相干度的高斯谢尔因子,建立了包含湍流干扰控制因子-信号源空间相干度的艾里谢尔螺旋谱模型。3.考虑到平顶多模光束有降低湍流导致的光强起伏的特性,建立了修正贝塞尔多高斯谢尔螺旋谱模型,研究光源结构对轨道角动量通信系统的影响。4.基于海气柯尔莫戈洛夫湍流谱和修正Rytov近似,并考虑孔径平滑效应,建立了中等到强的海气湍流中非衍射型艾里光束轨道角动量模的接收功率和串音功率的模型。另一方面,考虑实际海气湍流的非柯尔莫戈洛夫性质和各向异性的特性,构建各向异性非柯尔莫戈洛夫海气湍流的空间相干半径模型,并考虑到光波在传播过程中空间相干性的衰减,推导出空间部分相干的修正贝塞尔高斯光束携带轨道角动量模在相应的海气湍流中传输的接收功率的解析表达式,得到缓解大气湍流效应的光源参数。综上所述,本论文以控制大气湍流干扰,提高光通信系统信号的传输质量为目标,以非衍射型涡旋光束所携带的轨道角动量模为信号载体,从信号光源的结构、信号源的相干性、信号源模式和湍流信道类型等多个角度,通过分析空间分散型光源、空间部分相干信号源和大气湍流信道对通信系统性能影响的规律,提出降低湍流大气干扰通信系统的光源优化参数。