阵列光束在大功率激光合成、远距离通信、高质量输出等方面发挥着重要作用。本文利用相位屏法模拟海洋湍流，研究了径向阵列涡旋光束与矩形阵列涡旋光束在具有外尺度的不稳定分层海洋中的传输特性，并将其与单涡旋光束的传输特性进行了对比，分析了三种涡旋光束在海洋湍流中的光强与相位分布。结果表明：两种阵列涡旋光束传输一段距离后不再保持初始的阵列分布，子光束之间会相互影响，产生了干涉条纹。在相同的条件下，单涡旋光束的漂移比两种阵列涡旋光束大，束宽比两种阵列涡旋光束小，而且径向阵列涡旋光束的漂移比矩形阵列涡旋光束大，束宽比矩形阵列涡旋光束小。在较远距离处，单涡旋光束的闪烁指数比两种阵列涡旋光束大，而且矩形阵列涡旋光束的闪烁指数比径向阵列涡旋光束大；在较强湍流和远距离处，三种涡旋光束的束宽逐渐减小。

类比相干光束中刃型位错概念，提出一种新的相干奇点——相干刃型位错。对高斯-谢尔模光束携带的相干涡旋和刃型位错在海洋湍流中的相互作用进行研究。基于扩展的惠更斯-菲涅耳原理，得到了该光束在海洋湍流环境下的交叉谱密度表达式，并将其用于研究相干涡旋和刃型位错的相互作用。研究发现：相干刃型位错在相干涡旋的作用下发生断裂并转化成相干涡旋。在光束传输过程中，光场中有单个或成对相干涡旋的产生或湮灭现象发生。二者之间的作用特点不仅与传输距离有关，还受光束初始参数和海洋湍流参数的影响。二者之间的作用规律与自由空间光涡旋和刃型位错的作用规律不同。

推导了不稳定分层海洋湍流下厄米-高斯光束闪烁指数的理论公式，以及考虑海洋湍流和瞄准误差综合影响下UWOC系统信道系数的概率分布函数，进一步推导了系统主要性能参数即误码率、信道容量和中断概率的理论计算公式，并采用高斯-厄米正交积分近似方法求得3个性能参数的闭合表达式，仿真分析了不稳定分层和稳定分层湍流情况下，光束模数、传输距离、海洋湍流参数和瞄准误差对系统的平均误码率、平均信道容量和中断概率的影响。结果表明：相比于稳定分层，不稳定分层的系统计算误差更小；当盐度波动占主导时，系统性能更好；随着均方温度耗散率增大、湍流动能耗散率减小、瞄准误差增大，系统信道容量减小，中断概率增大。本研究结果可为厄米-高斯光在水下光通信领域的应用提供参考。

利用维格那分布函数, 推导部分相干Lommel -高斯光束通过海洋湍流的有效曲率半径和传输因子的表达式, 并分析光束的有效曲率半径和传输因子的传输性质。结果表明, 部分相干Lommel -高斯光束在海洋湍流的传输性质和部分相干贝塞尔 -高斯光束相同, 但是部分相干Lommel -高斯光束连续的轨道角动量分布特点使得其相较于后者更有优势。数值分析海洋湍流参数, 包括盐度温度波动平衡参数、温度方差耗散率以及湍流动能耗散率对部分相干Lommel -高斯光束的有效曲率半径和传输因子的传输的影响。该研究工作可为激光水下通信和激光**等实际应用提供理论基础和实验依据。

针对水下无线激光通信链路性能劣化问题，基于Yue谱推导了在包含有限外尺度和海洋水体分层不稳定度的弱海洋湍流信道下高斯光束的空间相干半径和闪烁指数闭合解析式，量化了基于高斯光束的海洋分集接收系统中的湍流强度和探测器间距阈值。在此基础上设计了一种基于高斯光束的里德-所罗门（RS）编码联合均衡等增益合并（EEGC）算法的单入多出（SIMO）通信系统。利用双曲正切函数法推导了系统的上限平均误码率（ABER）闭合解析式，并研究了海洋水体分层的不稳定程度和探测器分布方式对系统性能的影响。仿真结果表明，海洋水体分层的稳定与否对系统性能影响较为明显。此外，所设计的系统可有效抑制复合海洋信道下高斯光束的湍流效应，湍流越强，抑制效果越显著；也可有效降低探测器的分布方式对采用高斯光束传输的SIMO系统性能的影响。

海洋湍流和光源参数对涡旋光束的信道容量有十分重要的影响。本文根据Rytov近似理论，利用有限外尺度且不稳定分层的各向异性海洋湍流功率谱，并引入xy平面上的两个各向异性因子来研究完美涡旋（PV）光束、拉盖尔高斯（LG）光束和贝塞尔高斯（BG）光束在海洋湍流下的信道容量，数值模拟了束腰半径、接收孔径直径和海洋湍流参数等对三种光束信道容量的影响。数值结果表明：当传输距离在30~70 m时，较小束腰半径（小于4 mm）的PV或者LG光束可获得比BG光束更大的信道容量；但较大束腰半径（大于12 mm）的PV或者LG光束的信道容量却大于BG光束。此外，当束腰半径小于2 mm时，PV光束的信道容量要大于LG和BG光束，表明采用窄束腰半径（小于2 mm）的PV光束相比LG和BG光束可以增大光通信系统的信道容量。本文的研究结果对海洋环境中光通信光源参数的选择具有重要意义。

研究了海洋湍流中部分相干厄米-高斯光束的传输特性。首先，根据广义惠更斯-菲涅耳原理，建立了海洋湍流中厄米-高斯光束的强度分析模型。然后，推导了海洋湍流中厄米-高斯光束的均方束腰宽、瑞利区间和湍流距离的表达式。最后，对海洋湍流中厄米-高斯光束的均方束腰宽、瑞利区间和湍流距离进行仿真分析。仿真结果表明，均方束腰宽随着均方温度耗散率和温度与盐度相对参数的增大而增加，随着湍流动能耗散率的增大而减小。此外，瑞利区间和湍流距离都随着厄米-高斯光束的阶数的增加而增大。该研究可以为水下光通信研究提供理论依据。

因斯-高斯（IG）光束在复杂信道传输中具有较好的抗干扰能力。为此设计并搭建了基于模拟海洋湍流信道的激光通信实验平台，详细研究IG光束在海洋湍流信道下光束信号的传输及通信特性。首先实验对比研究了不同海洋湍流强度条件下，IG光束和高斯光束传输后的光强闪烁指数、质心漂移和探测器接收功率情况；其次通过调制0.5~3 MHz频率的方波信号，进一步研究两种光束传输后调制信号波形失真特性；最后进行IG光束和高斯光束的7.5 Mbit/s通信性能对比实验。实验结果表明：IG光束的闪烁指数、质心漂移、功率抖动均优于高斯光束，且随着海洋湍流强度增加，IG光束闪烁指数和质心漂移改善能力增强，功率抖动改善能力降低。在不同模拟海洋湍流中，相同频率的IG光束调制方波波形失真度整体低于高斯光束。在误码率为3.8✕10^-3（前向纠错阈值）时，IG光束在不同注水高度信道、不同温度信道和不同盐度信道中的通信性能比高斯光束分别提高了0.8 dB、4 dB和2.5 dB。该实验结果可以为IG光束应用于水下激光通信提供参考。