自由空间光通信是空天地一体化信息传输的重要组成部分,并且有望解决光纤“最后一公里”的问题,因此对信息产业化也具有极大的推动作用。此外,因其架设便捷,作为特殊条件下的辅助通信,可以为军事提供高保密的通信链路。涡旋光束携带轨道角动量具有极大提升信道容量的潜力,所以在自由光通信领域备受关注。涡旋光束一般通过对激光相位调制之后得到,具有一定的空间分布,所以更容易受到大气湍流等不均匀介质的影响,导致光学拓扑荷在通信系统接收端随机起伏,使得信息传递失真,因此加载涡旋的背景光场选择显得极为重要。自聚焦Airy光束具有无衍射、自愈以及在目标距离处突然聚焦等优势,用自聚焦Airy光束作为加载光学涡旋的背景光场有助于减弱湍流对光学涡旋传播的干扰。本论文从自聚焦Airy涡旋光束的传播动力学特征出发,利用光场调控技术对自聚焦Airy涡旋光场的相位、振幅、偏振态等参量进行调控以期减弱光学轨道角动量在自由空间传输时的模态串音和拓扑荷分裂,优化通信系统性能。本论文主要研究内容和结论如下:1、研究了自聚焦Airy光场中光学涡旋的传播动力学特征。基于角谱理论和波束分步传输法,数值分析了自聚焦Airy光束的波形参数和涡旋拓扑荷对涡旋中心分别位于传播轴上和传播轴外两种情况下的自聚焦Airy涡旋光束的光强分布演化和自聚焦能力的影响。分析发现:给定焦距的情况下,自聚焦Airy光束主环半径越小,光场聚焦能力越强;当涡旋中心位于传播轴上时,拓扑荷值越大,光场在传输过程中的能量损耗越大;当涡旋中心偏离传播轴时,光场在传播过程中发生旋转,同时光场的焦点发生移动,需要利用Gouy相移理论确认焦平面的位置。2、研究了光场强度梯度可调的自聚焦Airy涡旋光束在自由空间中的传输特性。通过调控光场强度梯度可以激发自聚焦Airy涡旋光束的自愈效应,并且在自愈效应和自聚焦效应的共同作用下,实现了传播过程中光场能量的定向流动。因此背景光场的强度梯度可以作为一个新的自由度用于调控自聚焦Airy涡旋光束在自由空间中的传输特性,并且发现在不同的大气湍流强度和传输距离下,合理选择光场强度梯度和拓扑荷数值可以有效的减弱拓扑荷分裂。3、研究了幂指数型自聚焦Airy涡旋光束在自由空间中的传输特性。基于Rytov近似理论,对幂指数型自聚焦Airy涡旋光束在各向异性non-Kolmogorov湍流大气中的光子轨道角动量模态概率密度分布的解析表达式进行了理论推导和数值实验研究。研究表明:光束的束腰半径较小且波长较长时有助将信号轨道角动量模态和串音轨道角动量模态在接收端进行分离;幂指数型自聚焦Airy涡旋光束本质上是由无穷多个传统轨道角动量模态加权叠加形成,而各个传统轨道角动量模态的权重系数由幂指数决定;幂指数可以作为一个新的操纵参数用于调控串音轨道角动量模态的探测区域分布。以上研究结果可以运用到轨道角动量通信系统中,为通信系统的设计和接收端的优化提供重要参考。4、研究了Airy阵列合成自聚焦涡旋光束在大气湍流中的传输特性。类比“微分”的思想,将自聚焦Airy涡旋光束看作是一定数量的径向均匀分布的Airy涡旋光束的阵列。通过对每一个Airy涡旋光束(阵列单元)中涡旋的位置和拓扑荷值的调控,不仅实现了对合成自聚焦涡旋光场强度分布的任意调控,还可以有效的调控合成涡旋光束的局部聚焦特性以平衡大气湍流引起的光束漂移和扩展效应,进而减弱轨道角动量模态串扰和拓扑荷分裂。以上研究结果可以运用到轨道角动量通信系统中,为信号发射端的优化提供重要参考。5、研究了矢量自聚焦Airy涡旋光束在自由空间中的传输特性。利用高阶Poincaré球对自聚焦Airy涡旋光束的波前结构和光场横截面偏振态进行了重新设计,同时研究了偏振参数对光束聚焦能力的影响。对比了偏振态经过设计的矢量自聚焦Airy涡旋光场和传统标量自聚焦Airy涡旋光场的拓扑荷分裂情况。发现在湍流强度较大的大气湍流环境中传播时,矢量自聚焦Airy涡旋光场的拓扑荷分裂率更小,因此用矢量自聚焦Airy涡旋光束作为信息载体在自由空间中传输时更可靠。