以广义惠更斯-菲涅耳原理为基础,推导高斯谢尔模型光束在生物组织中的光谱解析表达式,并利用归一化光谱和相对光谱移动,研究高斯谢尔模型光束在生物组织中传输时的光谱变化。结果表明:高斯谢尔模型光束在生物组织中传输时会出现光谱蓝移、红移及跃变,且与离轴距离、传输距离、生物组织类型(不同的折射率结构常数)及空间相关长度有关;随着传输距离增大,折射率结构常数增大,即生物组织湍流越强,空间相关长度越大,光谱跃变位置越远,跃变量越小,即光谱跃变现象越弱,光谱红移转变为蓝移的传输位置越远;折射率结构常数和空间相关长度越大,光谱跃变对应的离轴距离越大,即跃变的观察点到传输轴的距离越大。

为了利用Airy光束的无衍射、自恢复和自弯曲特性抑制大气湍流效应, 实现远距离无线光通信, 对部分相Airy光束在大气湍流中传输时的光强演化进行了研究.利用高斯谢尔模型的交叉谱密度函数、广义惠更斯菲涅尔原理以及Rytov相位近似法, 推导了部分相干Airy在湍流大气中平均光强的表达式.分别从传播距离、湍流强度等方面对光强分布的影响进行了模拟仿真, 并对光束自身参数对光强分布的影响进行了相关实验验证.结果表明: 随着传播距离的增加, 部分相干Airy光束的旁瓣逐渐衰减, 主瓣逐渐扩散; 在传播足够远时, 其旁瓣逐渐消失, 主瓣逐渐演化为高斯分布.仿真和实验结果一致表明光束的截断因子越小、特征长度和相干长度越长, 光束的光强分布保持越完整.

基于Andrews和Philips的经典漂移方差模型, 结合部分相干艾里光的交叉谱密度函数和Tatarskii功率谱, 推导出部分相干艾里光在大气中传输时的光束扩展和漂移解析式, 对比分析了不同的衰减因子、湍流强度和相干度等参数对部分相干艾里光的光束扩展和漂移的影响, 并与高斯光束所得结果进行了比较.研究表明: 衰减因子、湍流强度和相干度等对光束漂移影响较大, 当它们的取值增大时, 漂移越严重; 内尺度对光束漂移几乎没有影响; 在相同的条件下, 艾里光束的光束漂移要比高斯光束小两个数量级, 且其本身具有自恢复特性和较强的抑制湍流特性.

研究了部分相干高斯谢尔光束在大气湍流中的到达角起伏.主要采用湍流内外尺度的修正Von Karmon谱模型及广义惠更斯-菲涅尔原理和交叉谱密度函数推导出了部分相干光在大气湍流中的到达角起伏表达式.对比分析了湍流内外尺度、湍流强度、传输距离、源相干参数以及波长等参数对部分相干光在大气湍流水平路径上传输时的到达角起伏的影响.结果表明: 随着传输距离的增加, 到达角起伏越来越小; 随着大气湍流内外尺度和源相干参数的增加, 到达角起伏也越来越大; 与部分相干光相比, 完全相干光的到达角起伏受湍流影响很小; 随着波长和湍流强度的减小, 到达角起伏越来越小.

基于广义Huygens-Fresnel原理和Rytov相位结构函数二次近似的方法，推导出了径向分布高斯-谢尔模(GSM)阵列光束在湍流大气中传输时的交叉谱密度函数解析表达式，并利用表征光束相干性的空间复相干度系数，详细分析了GSM阵列光束在大气湍流中传输时的空间相干性变化规律。研究结果表明：径向分布GSM阵列光束的空间相干性由子光束空间相干长度、传输距离、大气折射率结构常数及相对径向填充因子等因素共同确定；径向分布GSM阵列光束通过湍流大气时，其空间相干度在传输过程中会出现多峰值现象，但是随着传输距离增大，多峰值现象逐渐消失并趋向于高斯分布，并且随着距离增大空间相干度宽度逐渐减小，光束空间相干性变差。

大气湍流严重影响了无线激光通信系统的性能，而孔径平滑效应能有效抑制湍流引起的光强闪烁效应。采用包含内外尺度影响的修正von Karman湍流谱模型，并根据Tatarskii给出的孔径平滑因子定义式和波场交叉谱密度函数的互相干函数近似原理，得到了高斯-谢尔模型（GSM）光束的闪烁孔径平滑因子。讨论了光源相干参量、湍流强度及湍流内外尺度对高斯-谢尔模光束闪烁孔径平滑效应的影响。结果表明：随着湍流的增强，部分相干光抑制湍流效应的作用逐渐减弱，并且湍流越强孔径平滑因子达到饱和的速度越快；湍流外尺度对孔径平滑因子的作用可忽略，内尺度对孔径平滑因子的影响显著，在分析光强闪烁问题时内尺度应作为重要影响参数之一。

基于广义Huygens-Fresnel原理,利用Collins公式,讨论了偏振部分相干激光波束在湍流大气中传输的交叉谱密度函数,推导出经过偏振后的高斯-谢尔模型光束在外场不同距离水平传输时,光谱强度、束腰宽度及重心位置漂移的解析表达式.对偏振激光在大气湍流中传输时光束扩展和漂移进行数值仿真,得到相同传输距离下,偏振角、初始束腰及波长取不同值时,激光波束的扩展和漂移的变化情况.分析了相同偏振角度下,不同传输距离对光束扩展和漂移的影响.研究结果表明：大气湍流中偏振激光波束的扩展和漂移依赖于波束的波长、初始光束的偏振角和初始束腰;随着偏振角的变化,偏振部分相干激光波束的扩展和漂移关于45°呈现对称变化,当波束初始束腰小于或等于0.5 mm时,大气湍流对波束扩展和漂移的影响明显.

推导出矩形分布高斯-谢尔模型（GSM）列阵光束通过湍流大气传输的等效曲率半径的解析表达式。研究表明，等效曲率半径由湍流强度、GSM列阵光束参数及光束的叠加方式等因素共同确定。湍流使得等效曲率半径减小，但湍流对交叉谱密度函数叠加时等效曲率半径的影响要比光强叠加时大。在自由空间中，交叉谱密度函数叠加时GSM列阵光束的等效曲率半径要比光强叠加时的大。但是，随着湍流的增强，交叉谱密度函数叠加时GSM列阵光束的等效曲率半径可以大于、等于或小于光强叠加时的等效曲率半径。此外，若光束相干参数和子光束数目越大，则等效曲率半径受湍流的影响越大。GSM列阵光束的等效曲率半径受湍流的影响比高斯列阵光束要小。

根据平顶光束模型和部分相干光理论,推导出部分相干平顶光束的光谱传输公式,并定量研究部分相干平顶光束在自由空间传输时光谱特性的变化,详细分析了不同阶数的平顶光束在传输过程中的轴上光谱的演变规律以及光源的光谱宽度、空间相干参量等对光谱特性的影响。研究结果表明,部分相干平顶光束在自由空间传输时,光源的光谱宽度、空间相干参量对相对谱移量影响较大,但对光谱分布随传输距离的总体变化趋势影响较小,而光谱分布随传输距离的总体变化趋势主要由平顶光束的阶数所决定。