利用环形艾里振幅调制部分相干光（PCB），解决PCB的光束扩散问题，并研究了艾里函数尺度因子、截断孔径和相干长度对光束自聚焦距离和聚焦强度的影响，以及部分相干环形艾里光束在湍流环境中的闪烁指数。研究结果表明：通过调制环形艾里振幅可以控制PCB的聚焦距离，并在保留PCB对抗湍流影响、减轻光强闪烁的同时减少光束发散，聚焦点处光强闪烁较原本PCB得到进一步降低。

在水下无线光通信(UOWC)中,光传输可能会发生在近水面,此时水表面波扰动对通信性能的影响不可忽视。在实验室环境下搭建了近水面UOWC系统,应用风扇控制产生水表面波扰动场景,研究水表面波扰动对通信性能的影响。采用不归零开关键控(NRZ-OOK)调制,研究速率为500 Mbit/s的伪随机信号在10 m自来水信道传输过程中,输入光强和水表面波扰动对信号误码率(BER)的影响。研究表明:光信号在近水面传输时,系统的BER与输入光强的大小密切相关。水表面波扰动对通信质量影响显著,不仅与光传输链路中水表面波扰动的区域范围有关,还与水表面波扰动的深度有关,而且BER随扰动的范围和深度呈现某种特定的统计规律。该规律对近水面光链路、水-空链路及空-水链路的无线光通信系统的接收、跟踪和瞄准装置设计与优化具有一定指导意义。

长期以来, 空中平台与水下平台之间的有效通信一直是一个具有挑战性的课题, 因为声波或电磁波只能有效地仅在海水或空气中传播, 而无法同时在这两种介质中高效传输数据。相比电磁波, 激光束能够穿透相当深度的海水, 因而自由空间光通信被认为是一种很好的空潜通信替代手段。众所周知, 吸收和散射引起的衰减是水下激光传播主要不利因素之一, 然而这只能通过加大发射功率来补偿。尽管如此, 即使发射功率大到能够保证一定的接收机灵敏度, 大气和海洋湍流引起的光强起伏也会在很大程度上降低链路性能。本文重点研究水下载具与空中平台之间的自由空间光通信链路中的湍流效应, 利用波动光学仿真, 研究高斯光束和环形光束在空-潜两段链路中的传播, 并根据数值结果对上行链路和下行链路之间的性能差异进行了比较说明。总体来说, 由于湍流的主要部分离发射机更近, 上行链路更容易受到湍流的影响。此外, 研究中还发现环形光束往往能产生较小的闪烁指数和较高的信噪比。本项工作能够为未来的空潜光通信系统的研究和发展提供有益的参考。

具有中心对称相干度分布的非均匀部分相干光, 即径向部分相干光束(RPCB), 可以有效降低大气湍流引起的光束闪烁, 改善接收质量。应用波动光学仿真方法, 比较研究了相干高斯光束、高斯谢尔模光束和具有凸型高斯型、超高斯型相干度分布的径向部分相干光束在各向异性的非Kolmogorov湍流中的传输特性, 从远场光强分布和孔径平均闪烁指数等方面分析了湍流的各向异性参数和非Kolmogorov功率谱指数对远场光束质量的影响。仿真结果显示, 光束的接收质量随功率谱指数的增大而持续劣化；同时, 各向异性湍流会导致远场光斑呈椭圆形分布, 因而在接收端使用等面积的椭圆接收孔径替代圆形孔径, 可以显著降低接收机的孔径平均闪烁指数。总体而言, 径向部分相干光束在各向异性非Kolmogorov湍流中, 特别是在接收孔径较小的情况下, 具有优于完全相干光和高斯谢尔模光束的传输性质。

测距精度是评价脉冲激光测距系统性能的重要参数之一，对基于盖革模式雪崩光电二极管的光子脉冲外差探测系统的测距精度进行了研究。利用激光外差探测原理和光子计数探测的统计理论，建立了系统测距精度模型。研究了激光回波强度、脉宽、本振光强度、噪声、回波位置与拍频等6个因素对测距精度的影响。研究结果表明，当回波脉冲强度较弱时，这6个因素对测距精度影响很大。当回波信号激发的初始电子数多于4个时，影响测距精度的因素主要是激光回波强度和脉宽。回波越强，脉宽越窄，本振光越强，噪声越低，回波位置越大，拍频越小，测距精度越高。

建立了一个由量子噪声和非线性色抽运噪声共同驱动下的单模激光立方模型，并将其在极坐标下分解为场幅和相位的朗之万方程(LE)。采用近似福克普朗克方程的方法处理相位朗之万方程中的色噪声，使其马尔科夫化。将马尔科夫化后的相位朗之万方程与锁相条件相结合，得到稳定锁相值。详细讨论了量子噪声实虚部间的关联和抽运噪声实虚部间的关联对激光锁相的影响。结果表明激光锁相由量子噪声实虚部之间的关联引起，而抽运噪声实虚部间的关联和量子噪声实虚部间的关联均可改变这一锁相。

实验验证了基于超连续谱(SC)和超结构光纤光栅(SSFBG)的波分复用/光码分复用(WDM/OCDM)混合系统, 超结构光纤光栅实现了对超连续谱光源的双波段同时相位编解码。由于波分复用/光码分复用系统中信道间干涉和噪声的影响, 解码输出脉冲的信号波形出现劣化, 自相关曲线旁瓣明显增大, 自相关峰展宽至8.2 ps。在非线性放大环镜(NALM)的阈值判决作用下, 解码输出脉冲的信号波形质量有了明显的改善, 自相关峰宽度压缩至4.8 ps, 较好地抑制了自相关曲线的旁瓣和噪声。实验中非线性放大环镜的输入信号峰值功率约为8 mW。

针对峰值检测法的不足，提出了频谱相关技术和数字滤波技术，以提高光纤Bragg光栅(FBG)传感系统波长偏移检测精度。分别对峰值检测(CPD)法、数字滤波(CHEBY and IDEAL)法和频谱相关(SC)法检测波长偏移进行了数值模拟，并且搭建了实验系统，对实验数据进行具体分析计算，证实了理论分析的正确性。理论和实验证明， SC法可提高解调检测的精确度，达到理想低通滤波(IDEAL)法的效果。

利用扩展Huygens－Fresnel原理分析了大气湍流中圆形孔径限制下高斯光束的传播特性，得到了轴上平均光强的解析表达式，运用数值模拟方法计算了不同湍流强度、孔径大小和波长下的轴上平均光强。结果表明，轴上平均光强在近场发生振荡，其振荡幅度随湍流强度增强和发射孔径的增大而降低，振荡的周期随传播距离的增大而增加；在远场随传播距离的增大，振荡逐渐消失，平均光强平滑下降，最后一个平均光强极大值的位置与湍流强度和波长成反比，与发射孔径成正比。