激光理论自1917年被爱因斯坦提出以来,便成为了光学理论体系里不可或缺的一环。激光由于具有极好的单频性和定向性,在激光通信、激光雷达、激光武器和激光测距等工程中应用十分广泛。伴随着理论研究的不断突破,许多变革性的光学技术逐渐诞生和发展。携带轨道角动量的涡旋光束可以进一步提高现有光通信技术的信息容量和频谱效率,具有更强抗湍流扰动能力的部分相干光束可以减小大气湍流引起的光强闪烁等不良影响,部分相干涡旋光束则结合了二者的优势,具有重要的研究意义和战略价值。本文主要基于多相位屏传输理论,研究了湍流大气中部分相干涡旋波束在水平、双程和斜程路径下传输的光强闪烁、光束展宽、光束漂移及轨道角动量谱展宽等湍流效应。本文主要研究内容和成果如下:1.基于功率谱反演方法构造了大气湍流随机相位屏,并采用次谐波补偿法对其进行低频补偿,提高了大气湍流模拟精度。在涡旋光束基础上利用等效相位屏原理叠加了部分相干扰动因子,产生了部分相干涡旋光束,并给出了基于大气湍流多层随机相位屏方法的部分相干涡旋光束大气湍流传输数值仿真建模的具体步骤。基于数学统计方法,讨论了光源参数和大气湍流参数对部分相干涡旋光束在大气湍流中的闪烁指数、光束展宽、光束漂移和轨道角动量谱展宽的影响规律。结果表明:减小部分相干涡旋光束的相干长度可以降低光束在大气湍流中的闪烁指数,但与此同时也会导致更强的光束展宽和光束漂移,同时增加了轨道角动量模式的探测难度。增加轨道角动量拓扑荷虽然可以降低光强闪烁、光束展宽和光束漂移,但是会导致更加严重的轨道角动量谱弥散问题,不利于轨道角动量模式的探测与应用。2.基于部分相干涡旋光束的大气湍流多层随机相位屏传输模型,将单程路径传输模型扩展至双程路径传输,对光束的“传输-反射-传输”过程逐步进行了数值仿真计算。考虑三种典型的反射目标:平面镜、角反射器和随机粗糙面,并给出了它们的部分相干涡旋光束反射模型。基于数学统计方法,讨论了光源参数、大气湍流参数和目标参数对部分相干涡旋光束在大气湍流中的光强与相位分布、闪烁指数、光束展宽和轨道角动量谱展宽等的影响规律,数值验证了部分相干涡旋光束被粗糙面反射时后向增强效应的存在。结果表明:硬边孔径平面镜和高斯孔径角反射器会对部分相干涡旋光束的光强分布产生较大影响,对轨道角动量谱分布影响较弱;高斯粗糙面对部分相干涡旋光束的光束展宽影响微弱,相位分布影响严重,明显导致轨道角动量模态相对强度减小。此外,通过对比单站模式和双站模式下的部分相干涡旋光束散射强度分布,发现光轴附近的光强在单站模式中的要强于双站模式,验证了部分相干涡旋光束照射粗糙面会产生后向增强效应的现象。3.考虑到斜程大气路径中的湍流强度随高度分布不均匀的现象,基于大气折射率结构常数廓线模型和等Rytov指数间隔相位屏的设置方案,对斜程传输时大气湍流相位屏的设置间隔进行求解,计算出了相邻间隔的Fried参数和相位屏的设置高度。比较了部分相干涡旋光束在斜程上行和下行链路中传输时的湍流效应差异,并研究了不同天顶角对光强分布、光束展宽和轨道角动量模态相对强度影响。结果表明:当斜程传输高度确定时,天顶角影响部分相干涡旋光束的传输距离,从而明显影响其大气湍流传输效应。由于近地面大气湍流强度较强,部分相干涡旋光束沿上行链路传输时,光学湍流效应明显强于下行链路情况。相同传输距离下,斜程大气湍流链路对激光传输影响明显弱于水平大气湍流链路,部分相干光束的抗湍流扰动的优势微弱,较低的源相干度导致的轨道角动量模态初始相对强度小的劣势会更加突出。