把光束作为信息的载体在自由空间中传播来进行通信是未来的发展趋势。然而,光束在自由空间中传播时非常容易受到大气湍流的影响,从而出现光强闪烁、光束展宽、相位畸变等一系列现象,进而影响通信系统的质量。因此,研究光束在自由空间中的传播的特性对提高通信系统的有效性和可靠性具有重要的意义。涡旋光束因具有螺旋向前的波阵面而携带有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM),有无限个彼此正交的基模模式,光束中部光强是零。在相同条件下,其抗湍流的能力比普通光束强,作为信息的载体可以获得更好的通信质量。因此,引起了学者广泛关注与研究。近年来许多科研工作者专注于基于轨道角动量的自由空间光通信(Free Space Optical Communication,FSO)的研究,发现基于OAM的FSO不仅对通信系统的光谱效率﹑信道容量有很大的提高,也能够增强通信的保密性。但是,因为大气湍流的影响使得在接收端对涡旋光束拓扑荷值的检测变得更加困难。现在大多数的研究工作主要针对基于OAM的FSO光传输性能,比如,研究如何减小串扰﹑降低误码率等,而研究空间大气湍流中涡旋光束传播特性的系统性工作还较为缺乏。本文把涡旋光束中的代表性光束---拉盖尔-高斯光束(Laguerre Gauss beam,LG光束)作为研究的对象,针对上述问题,较系统地研究了LG光束在大气湍流中传播时的特性,分析了传输距离、拓扑荷值、大气湍流强度对LG光束光强、相位和螺旋谱分布的影响,并提出利用轨道角动量复用传输测量LG光束的拓扑荷值,及利用波前畸变均方根定量评估大气湍流对LG光束相位的影响,具体工作如下:首先,利用傅里叶变换和分步传播法推导出菲涅尔衍射积分的角谱形式,对真空中LG光束复用传输进行仿真,分析复用光束传输后的相位分布。发现:复用光束相位分布与复用光束拓扑荷值有关,相位中心扇叶个数和旋转方向与复用光束中拓扑荷绝对值较小的光束相同,外围相位交叉点的个数和旋转方向分别与复用光束拓扑荷差的绝对值、拓扑荷绝对值较大者相同。利用此结论可以确定LG光束的拓扑荷值,给测量LG光束的拓扑荷值提供了一种新的方法。其次,将分谐波法和功率谱反演法相结合,以产生更加准确的随机相位屏,并对LG光束在大气湍流中的传播特性进行仿真分析。讨论大气湍流条件下,大气湍流强度、光束拓扑荷值、传输距离对LG光束的光强和相位分布以及螺旋谱的影响。结果表明:传输距离越大,相位畸变越严重,光束扩展和模式弥散严重;拓扑荷值越大,相位畸变和模式弥散程度越大,湍流对光束光强的影响则相反。这一结论为研究拓扑荷值的选取提供了依据。最后,利用Zernike多项式推导出LG光束波前畸变的均方根(RMS),并利用波前畸变RMS分析拓扑荷和传输距离对LG光束波前相位的影响。计算结果反映的波前畸变规律与仿真结果一致,证明波前畸变均方值数值结果定量地反映了波前畸变的规律,为定量分析LG光束波前畸变提供了新方法。