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轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)复用为自由空间光通信提供了新的复用形式,可提高通信系统的信道容量。在OAM复用通信系统中,探索涡旋光束在大气湍流中的传输机理成为OAM复用通信系统的关键科学问题之一。本文针对大气湍流中部分相干涡旋光束传输后的光强、偏振及其经光阑等光学系统的衍射特性展开了研究,主要创新工作如下:(1)在涡旋光束中引入了部分相干的概念,建立了部分相干涡旋光源模型:拉盖尔-高斯谢尔涡旋光束,探讨了其远场平面上相位奇点与拓扑荷数之间的联系,并分析了 Non-Kolmogorov 湍流对拉盖尔-高斯涡旋光束的光强分布和光束扩展的影响。研究发现拉盖尔-高斯谢尔涡旋光束在远场平面上相位奇点的个数等于拓扑荷数的大小,这为其拓扑荷数的检测提供了一种有效途径。(2)建立了径向部分相干涡旋光束阵列的数学模型,并利用广义Huygens-Fresnel原理分析了径向部分相干涡旋光束阵列在Non-Kolmogorov湍流中传输后的光强演化规律,讨论了光源参数和Non-Kolmogorov湍流参数对其传输特性的影响。其光强分布的演化过程为由阵列光束首先转换为环形光束,逐渐为类高斯光束直到最后变成标准高斯光束形式。(3)在矢量部分相干光束的基础上建立了矢量部分相干涡旋光束模型:电磁高斯-谢尔涡旋光束,利用相干-偏振的统一理论和Stokes参量,推导了电磁高斯-谢尔涡旋光束在大气湍流中传输时偏振度和偏振方向角的表达式,分析了光源参数和大气湍流参数对偏振度和偏振方向角的影响。研究发现部分相干涡旋光束偏振方向角分布呈花瓣状,花瓣个数是其拓扑荷数大小的两倍且花瓣旋转方向与其拓扑荷数的符号相关。(4)利用Collins衍射公式和ABCD传输矩阵推导了涡旋光束经马卡天线光学系统后的光场解析表达式,探讨了涡旋光束经马卡天线光学系统的衍射特性,证实了涡旋光束的确可达到提高马卡天线发射效率的目的。研究表明相比于高斯光束,遮拦比在一定范围内涡旋光束的发射效率高达80%。从理论和实验两方面研究了涡旋光束经光阑衍射元件后的衍射图样,对比分析了不同光阑对涡旋光束拓扑荷数的检测效果。本文研究工作为探讨大气湍流对涡旋光束传输机理的影响和OAM复用通信系统的搭建奠定了理论基础。其中,相位奇点、偏振方向角和光阑衍射图样与拓扑荷数之间的关系为OAM复用通信系统中接收端涡旋光束OAM模式的检测提供了一种有效途径。