空间激光通信相对于传统的微波通信,具有传输速率高、保密性好,抗电磁干扰能力强、设备体积小、重量轻、功耗低等优势,在火星对地、月球对地等深空高速数据传输以及星间、星地等近地高速数据传输等方面具有广阔应用前景。目前空间激光通信常用波长是近红外波段（0.8μm、1.064μm和1.55μm）。基于近红外波段的空间激光通信技术发展臻于成熟,并逐步走向航天、航空、航海工程应用。中红外波段（3μm～5μm）相对于近红外波段,具有大气衰减小,抗大气湍流强等优势,可有效提升火星对地、月球对地、近地卫星对地等激光通信链路的可用度,近年来受到广泛关注。本文面向空间信息网络高速数据传输需求,开展中红外波段（3μm～5μm）高速空间激光通信技术研究。主要完成了以下研究工作:一、利用非线性晶体中的光学差频产生效应（DFG）,提出了基于宽范围全光波长变换的中红外高速光信号产生方法,完成了中红外高速光信号产生装置的方案设计,开展了近红外高速激光信号产生、近红外到中红外宽范围全光波长转换的理论分析和数值模拟。研究结果表明,基于宽范围全光波长变换的中红外高速光信号产生速率可达10Gbps量级,相对于传统的量子级联激光器直接调制方案,提升了一个量级。二、理论研究了大气湍流对中红外波段、近红外波段激光传输特性影响,利用数值模拟方法,分析光强闪烁和光束抖动效应对星地激光通信上下行链路误码率的影响,并进行了中红外波段、近红外波段激光传输特性影响的外场实验。数值模拟和实验结果均表明,波长越长,抗大气湍流能力越强,系统误码率越低,中红外波段激光相对于近红外波段具有明显优势。三、利用非线性晶体中的光学差频产生效应（DFG）,提出了基于宽范围全光波长变换的中红外高速光信号接收方法,完成了中红外高速光信号接收装置的方案设计,开展了中红外到近红外宽范围全光波长转换、近红外高速激光信号接收的理论分析和数值模拟。研究结果表明,基于宽范围全光波长变换的中红外高速光信号接收速率可达10Gbps量级,相对于传统的中红外探测器直接探测方案,提升了一个量级。四、开展了基于宽范围全光波长变换的中红外波段高速空间激光通信实验研究。首先进行了速率10Gbps差分相位键控（DPSK）中红外高速激光通信实验研究。基于掺氧化镁周期性极化铌酸锂（Mg O:PPLN）晶体中的光学差频产生效应（DFG）,实现了1550nm近红外DPSK调制高速光信号和3594nm中红外高速光信号的互转换,并进行了自由空间传输实验和性能测试。结果表明,在误码率10^-6条件下,相对于背靠背传输,功率损耗增加3.5d B。然后开展了5Gbaud（10Gbps）正交相位键控（QPSK）中红外高速激光通信实验研究。实现了1550nm近红外QPSK调制高速光信号和3594nm中红外高速光信号的互转换,以及自由空间传输实验和性能测试。结果表明,在误码率10^-6条件下,相对于背靠背传输,功率损耗小于2.6d B。