在空间下行相干激光通信系统中，激光器的线宽大小会影响通信系统的性能，而窄线宽激光器能有效降低激光器线宽引起的激光器相位噪声，目前已经成为相干激光通信系统的首选。光信号在大气信道传输时，大气湍流会引起光信号强度和相位的波动，从而进一步影响系统的通信性能。针对上述问题，基于四相移键控(Quadri Phase Shift Keying, QPSK)通信系统的工作原理，进一步考虑窄线宽激光器线宽和大气湍流引起的光信号强度和相位的波动，给出了空间下行QPSK通信系统误码率模型。并基于该模型，数值仿真分析了窄线宽激光器对空间下行相干激光通信系统性能的影响。结果表明：大气湍流不仅严重影响系统性能，也会弱化激光器线宽对系统性能的影响。而对于大气湍流影响而言，其引起的相位波动要大于光强波动的影响。此外，随着通信速率增大，激光器线宽对于系统性能影响也会随之降低。文中对于空间下行相干激光通信系统的优化设计和调试具有一定的实际参考意义。

针对垂直腔面发射激光器阵列光束空间相干特性及其光场分布开展理论分析和实验研究。垂直腔面发射激光器阵列光束为部分相干光，在不同激励电流下，远场光斑分别表现出类高斯和类拉盖尔-高斯两种光场分布，光束空间相干度随注入电流的增大而减小。进一步实验表明，与标准相干光源相比，在类湍流大气散射媒介中传输时，垂直腔面发射激光器阵列光束具有更小光斑扩散和更低光强衰减。随着垂直腔面发射激光器阵列光束空间相干度由0.695降低为0.608，其传输时的光斑扩展率由8.6%减小为3.4%，光强衰减率由24.9%降低为15%，空间相干度较低的垂直腔面发射激光器阵列光束表现出更好的传输特性，这对垂直腔面发射激光器阵列光源在自由空间雷达探测和光通信等领域的应用有重要指导意义。

光信号在大气湍流中发生畸变，畸变光信号经过有缺陷的光学天线和空间光混频器后，存在混频效率低及抖动的问题。针对空间输出型和单模输出型的90°空间光混频器，推导了带初级像差的90°空间光混频器模型，并研究了湍流对混频效率的影响。仿真结果表明，对于探测器靶面半径为50 μm的空间输出型混频器，像差量为0.2λ的倾斜、球差、离焦、彗差和像散分别导致混频效率下降9.8%、0.6%、0.36%、0.02%和0.01%。对于单模输出型混频器，像差量为0.2λ的倾斜、像散、离焦、彗差和球差分别导致混频效率下降14.11%、8.39%、6.35%、2.63%和1.13%。湍流强度Cn²小于6.4×10^-17 m^-2/3时，空间输出型比单模输出型混频器的混频效率高19%以上，在湍流强度Cn²大于6.4×10^-16 m^-2/3时，两者混频效率接近于0。最后设计加工了空间输出型和单模输出型90°混频器，并搭建性能测试平台。对于探测器靶面半径为50 μm的空间输出型混频器，像差量为0.2λ的倾斜、球差和离焦导致混频效率下降52%、10%和6%；对于单模输出型混频器，像差量为0.2λ的倾斜、像散和离焦导致混频效率下降65%、24%和11%，其他像差对混频效率没有影响。湍流对混频器性能影响的实验结果显示，空间输出型光混频器中频信号值的标准差为21.388，该值远低于单模输出型标准差247.442。