随着网络技术的不断变革,自由空间光通信（free-space optical communication,FSOC）受到了研究人员的密切关注。FSOC不同于射频无线通信,其采用激光束代替高频无线电波进行远距离传输,相比传统的通信技术,有着保密性高、不受强电磁场的影响、不占用射频资源、频谱利用率高等优势。轨道角动量光束（Orbital Angular Momentum,OAM）具有无限多的拓扑荷数,与其他的光学物理量之间不会产生影响,研究者们将其作为一种全新的维度,提出在FSOC系统中运用OAM光束作为传输载波的研究思路。通过叠加不同的OAM光束实现OAM复用,并与WDM等复用技术相结合,以此来进一步提升信道容量与传输速率,达到改善FSOC系统通信能力的目的。以OAM光束作为传输载波的FSOC系统面临的一大挑战便是来自大气湍流的干扰,这种干扰使光束发生展宽、闪烁等现象,严重影响通信系统的传输性能。论文针对OAM光束在大气湍流信道中的传输性能开展研究,设计了基于OAM光束的自由空间光传输系统,实验研究了其在湍流中所受到的影响及传输特性;通过实验对比了OAM光束与高斯光束的大气传输特性,研究了两种光束的传输性能差异以及抵抗湍流影响的能力。主要研究工作如下:1.阐述了OAM光束的基本理论和概念,介绍了不同种类的OAM光束,并对OAM光束的生成方法进行分析,对比不同生成方案的优缺点。基于空间光调制器法开展了OAM光束生成的实验研究,设计了生成OAM光束的实验结构,通过加载不同的相位全息图,生成高质量的OAM光束。对OAM复用的原理进行阐述,根据OAM光束的特性,基于空间光调制器法实现了OAM光束的复用/解复用实验。2.详细阐述了大气湍流的基本理论,介绍了形成大气湍流的物理过程,理论推导了光束载波在大气湍流中的传输过程,分析了大气湍流的湍流效应对光束载波的影响。从大气湍流的模拟方法出发,分析了不同大气湍流的模拟方法之间的区别。详细阐述了大气湍流环境模拟装置的结构及原理,运用大气湍流环境模拟装置生成不同湍流强度的大气湍流环境。3.设计了基于OAM光束的自由空间光传输系统,开展了OAM光束在大气湍流中传输性能的实验研究。使用液晶空间光调制器生成OAM光束,利用大气湍流环境模拟装置模拟真实的大气湍流环境进行传输实验,通过实验分析OAM光束的功率抖动以及误码率等实验数据,研究了OAM光束的大气传输特性。4.开展了OAM光束与高斯光束的大气湍流传输实验,通过实验对比两种光束的传输性能,研究两种光束抵抗大气湍流影响的能力。在大气湍流信道中,OAM光束相比于高斯光束,指向偏差的散布圆直径减小22.3%,并且光束的质心更集中于接收面中心,功率抖动的方差下降了0.13;使用OAM光束的传输系统的最低接收灵敏度为-28.93 d Bm,相比高斯光束提升了2.6 d B。实验结果表明,使用OAM光束作为载波的传输系统相较于高斯光束作为载波的传输系统有更好的抵抗湍流的能力,系统的传输性能也得到了显著的提升。