星地激光通信具有高带宽通信的潜力，但大气湍流会显著影响卫星对地和地对卫星这类通信系统的能力。星地通信系统的室外实验费用昂贵且难以重现，现有的数值仿真大都基于水平均匀路径，不适用于星地链路长距离且不均匀的湍流路径，为了评估湍流对通信系统的影响，因此开发适用于星地链路的数值仿真是非常重要的。在数值仿真中，模拟湍流的相位屏数量太多会增加系统的复杂度，通过计算传统的Kolmogorov谱下相位屏为2层、3层、6层、11层以及21层时观测面光场的互相干因子并将其与理论值比较，发现三层模型能够在保证传输准确性的同时降低系统的复杂度。在此基础上，提出了地星大气激光传输三层模型，分析了不同湍流谱模型下（Kolmogorov谱与Non-Kolmogorov谱）的高斯光束辐度轮廓变化以及接收光束相干性的变化。仿真结果表明，在相同的大气条件下，与Kolmogorov谱相比，谱指数随高度变化的Non-Kolmogorov谱对传输光束的幅度以及相干性的影响更大。

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。

作为新型结构光束的一类，全庞加莱球光束因其横截面上自旋角动量和轨道角动量发生耦合，近年来在自由空间光通信领域内受到广泛关注。然而，传输信道中的大气湍流将产生诸如光束扩展、漂移、光强闪烁等严重影响，进而限制光通信系统性能。结合随机相位屏，对具有“C”型偏振奇点的全庞加莱球光束、“V”型偏振奇点的柱矢量光束和均匀偏振的标量涡旋光束在湍流大气中的传播进行大量的数值模拟。归一化光强相关系数和模式纯度被用于研究杂合庞加莱球表面不同位置处表征的全庞加莱球的稳定性。结果表明，相较于具有相似偏振拓扑荷和光强分布的柱矢量光束以及标量涡旋光束而言，坐标位于南半球的全庞加莱球光束在弱湍流和中湍流(r₀=0.5 m, 0.125 m)下具有较高稳定性。而在强湍流下(r₀=0.056 m)，优势区域缩小至2σ∈[−5π/32, 0](纬度坐标)。上述结果将为自由空间远距离通信中传输介质的选取提供重要依据并进一步促进通信质量的提升。

“之字形”光路薄管固体激光是一种结构紧凑、增益高且利于发射的新型激光光源。针对薄管固体激光光源及其大气长程传输过程中的光束质量退化问题，提出了基于直角锥面变形镜的薄管激光校正方法，进而通过建立薄管激光校正模型以及大气长程传输模型，开展了薄管激光大气长程传输光束质量分析。首先，针对大遮拦比窄环宽环形光束与发射系统的匹配问题，提供了一种薄管激光环形光束整形变换方案，有效实现了薄管激光的整形和变换。然后，分析了薄管激光光源光束质量、大气湍流效应和热晕效应等对整形变换后的薄管激光大气长程传输特性的影响，进而明确了薄管激光大气长程传输光束质量退化机理。最后，分析了直角锥面变形镜对薄管激光的光源畸变、大气湍流的低频分量和热晕导致的离焦相位等的校正效果。结果表明，经过直角锥面变形镜的校正，薄管激光光源光束质量明显改善，大气长程传输后的远场光束质量有所提高。若进一步配合常规变形镜进行联合校正，薄管激光大气长程传输后的远场光束质量可得到显著提升。