贝塞尔高斯波束具有无衍射性和自修复性,此外高阶贝塞尔波束还具有轨道角动量(OAM),因此被广泛用于激光通信,激光雷达、图像分析,粒子操作等领域,是当前的研究热点之一。与传统高斯波束相比,贝塞尔波束具有更好的抗湍流干扰的特性,相对于普通的涡旋波束,其在接收面的形式更为简单,能量更集中,并且携带的信息也更多,这些优点都有利于其在通信中的应用。论文重点研究贝塞尔高斯波束在湍流大气中传输特性和应用,其主要研究成果和创新点如下:1.本文根据李托夫方法推导了贝塞尔高斯波束在湍流中的传输的湍流扰动项,系统研究了平均强度、闪烁指数和相位起伏,完善了十多年来研究贝塞尔高斯波束的方法单一的问题。推得的平均强度形式简单,容易发现波束在湍流中的传输规律,并且不需要使用球面波结构函数二阶近似,在小内尺度湍流中的结果精度更高。发现了贝塞尔高斯波束的闪烁指数最小值位于贝塞尔高斯波束的平均强度的亮环内,表明波束亮瓣携带的信息受湍流的影响比较小。并从理论上揭示了一种高斯波束不具有的特性,即当传输距离与波束的宽度满足一个三次方程的关系时,贝塞尔高斯波束的在轴湍流统计量可以为0,不受湍流影响,此时贝塞尔高斯波束会变成平顶或者平底波束。贝塞尔高斯波束的这些特性有利于波束在通信中的应用。2.推导了类贝塞尔高斯波束在湍流中传输的特性参数,包括环状余弦高斯波束和修正贝塞尔高斯波束的平均强度。提出了余弦高斯波束,其平均强度表达式仅包括几项和不含积分。发现了它与贝塞尔高斯波束具有相似的特性,在一定条件下,它和低阶贝塞尔高斯波束可以相互近似。3.研究了多贝塞尔高斯波束在湍流大气中的传输。多贝塞尔高斯波束平均强度的分布具有分瓣结构。证明了湍流对多贝塞尔高斯波束的各阶子波束平均强度的影响相同,并且不会影响多贝塞尔高斯波束角向的分布变化,只引起波束发散。证明了当波束的阶数满足任意两个子波束的阶数差是最小阶数差的整数倍的时候,波束平均强度分布具有对称性,并且角频率等于这个最小阶数差。随着传输距离的增加,多贝塞尔高斯波束的旁瓣会逐渐合并成一个大旁瓣,波束能量会相对集中,上述特性有利于多贝塞尔高斯波束在大气中通信的复用。闪烁指数出现对称性的条件与平均强度相同。本章为贝塞尔波束的复用和解复用提供了理论支撑。4.不同阶贝塞尔函数彼此线性无关,因此理论上轨道角动量及其携带的信息可以通过算法提取和分离。基于这个性质,提出了一种解复用方法,并且通过相位屏方法数值模拟了波束的场强,使用场强证明了该方法的有效性和准确性,并给出了解复用方法的适用条件。在通信中贝塞尔高斯波束比OAM波束具有更多优势,其在接收面的形式更简单,能量更集中,更有利于波束解复用;除了具有轨道角动量和振幅两个信息维外,还具有2个波束宽度信息维,不仅能模态和振幅复用,还能使用波束宽度复用,因此能携带更多的信息。上述结论对使用贝塞尔高斯波束高效快速的传输信息有很重要的意义。本文为研究贝塞尔高斯波束在湍流中的传输提供了理论支持,也为贝塞尔高斯波束在通信中的应用奠定了理论基础。