自由空间光通信(Free Space Optics,FSO)是利用激光作为数据信号的载体在自由空间中传输数据的一种通信方式。自由空间光通信作为光学的重要领域,因其能耗小、保密性强、集成度高、可利用带宽广等优点近年来有着广阔的研究前景和市场价值。同时,自由空间光通信在航空航天、军事探测、传感等方面有着优良的应用价值。对于自由空间光通信来说,2μm波段作为其大气窗口,大气透过率超过80%,在中层大气中其吸收深度约为1.55μm波段的10倍,进行大气探测的时间分辨率较高,有利于平流层湍流测量的研究,具有很高的空间传输利用价值。高斯光作为自由空间光通信中传输信号的载体,具有较大发散角,经过长距离空间传输后,接收端光斑孔径扩展非常严重,不利于中继和利用。本论文针对2μm波段的激光在空间传输中光斑发散过大及发射端损耗高的特点,设计了两种整形方案分别对发散角压缩及对光场分布整形。本文主要内容如下:(1)针对2μm波段光束其光参数积过大以及单一元件准直精度较低的问题,设计了一种二级准直结构。经过非球面透镜整形的激光半发散角被压缩到0.261mrad,经卡塞格伦光学天线再次压缩的激光半发散角为32.5μrad。同时,研究了1km处接收端最小光斑和放大倍数的关系,当光学天线放大倍数为7-23时,接收端光斑半径误差在8mm内。(2)根据接收端的使用需要,设计伽利略光学天线将光斑半径压缩至4.941mm,从而构成收发一体天线系统。分析了大气湍流、接收端半径、接收端灵敏度、发射功率、光束扩展损耗、天线增益等因素对系统性能的影响。对发射端光学天线进行离焦、倾斜、曲率半径变化等误差分析。(3)针对卡塞格伦光学天线存在中心能量损失的问题,基于衍射光学理论,将衍射效率作为算法循环条件,对GS算法进行优化,从而设计出环形平顶光束。理论上可实现100%能量利用,衍射效率为99.2%,循环800次以上,可克服普通GS算法的局部最优解的问题。