大气气溶胶作为大气环境的主要组成部分,在自由空间光通信、光遥感等众多领域有着十分重要的影响。通过研究大气气溶胶颗粒物的光散射特性来实现对大气环境的测量与监测逐渐成为学者们的研究热点。携带有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的涡旋光束由于具有空心环状光强分布与螺旋形相位波前而在激光通信与激光雷达遥感方面有着十分巨大的应用潜力。为了探究涡旋光束在大气环境研究中的应用前景,大气气溶胶粒子与涡旋光束的相互作用机理以及涡旋光束在大气气溶胶环境下的传输特性的研究是十分必要的。本文将围绕球形与非球形气溶胶粒子与涡旋光束相互作用机理、光束作用在粒子上的散射辐射力以及涡旋光束经过大气散射信道的传输特性进行理论和仿真研究。具体的研究工作如下:首先,对于同轴入射OAM涡旋光束下单个球形气溶胶粒子散射特性的研究,基于广义Mie散射理论分析了拉盖尔高斯光束入射场与散射场的关系,使用积分局部近似法进行涡旋光束下波束因子的计算,利用散射相函数反映光的散射强度大小,引入光镊理论计算光束作用在粒子上的散射辐射力。数值仿真分析了不同粒子尺寸、拓扑荷数(OAM态)、束腰半径、折射率等因素对散射强度随散射角变化关系的影响以及不同粒子尺寸、拓扑荷数(OAM态)、束腰半径、粒子及周围介质介电常数对轴向辐射力随散射距离变化关系的影响。结果表明:粒子尺寸越大,散射强度整体越高且分布曲线振荡越剧烈,轴向辐射力随之先增加后减小;拓扑荷数越大,散射强度整体越高且对前向、后向散射影响较大,拓扑荷数为2时负向辐射力最大,粒子最易被光学捕获;束腰半径的增加使散射强度整体先增加后减小但不影响散射强度分布振荡程度,且辐射力分布范围会随之扩大,对辐射力峰值与粒子捕获无明显影响;折射率虚部对散射作用影响更大;粒子介电常数的增加会使轴向辐射力峰值与粒子捕获能力先减小后增大,而粒子周围介电常数的增加会使轴向辐射力峰值与粒子捕获能力单调递增。然后,对于同轴入射OAM涡旋光束下单个非球形气溶胶粒子散射特性的研究,根据类球谐矢量波函数对散射内场进行展开,再利用T矩阵建立入射场与散射场关系,通过扩展边界条件法进一步求解T矩阵,数值仿真中需要分别对三种典型非球形粒子(椭球形粒子、有限长圆柱形粒子、切比雪夫粒子)的表面进行积分求解并代入,最后通过雷达散射截面反映散射强度大小。数值仿真分析了粒子形状、光束波长、粒子旋转角、椭球形粒子的长短轴比、有限长圆柱形粒子的直径长度比、切比雪夫粒子的波纹参量与形变参量对散射强度随散射角变化曲线的影响。结果表明:三种形状的非球形粒子的散射强度分布曲线都呈现出随散射角先下降后上升的变化规律,且曲线振荡程度都高于球形粒子,光束不同波段的散射强度大小关系可以推断为:紫外光>可见光>红外光;粒子旋转角的增加影响了粒子与光束正向接触面积,从而影响散射分布曲线;椭球形粒子的长短轴比越接近1,散射强度分布振荡越剧烈;扁长圆柱形粒子越扁长或扁平圆柱形粒子越扁平,散射强度分布振荡越剧烈,但在侧向散射处影响相反;切比雪夫粒子的波纹参量较小时,形变参量对散射强度分布曲线影响较大,而随着波纹参量增大,形变参量对散射强度分布曲线影响逐渐减弱。最后,对于OAM涡旋光束在大气散射信道中传输特性的研究,主要通过大气散射介质模拟大气散射信道,提出使用电场蒙特卡洛(Electric field Monte Carlo,EMC)法对平面激光束与拉盖尔高斯光束(Laguerre-Gaussian,LG)在大气散射介质中的传输特性进行对比分析。数值仿真分析了散射介质中粒子尺寸、相对折射率等因素对随散射介质厚度增加引发光强衰减的影响,比较了平面激光束与不同OAM态的LG光束对随散射介质厚度增加引发光强衰减与偏振度损失的影响。结果表明:散射介质厚度的增加导致检测面光场强度衰减,介质中粒子尺寸(满足Mie散射条件)与相对折射率的增加都会使光场强度随散射距离增加而衰减变快;与平面激光束相比,LG光束使得光场强度随散射距离增加而衰减更慢,且减缓光束的退偏过程;与较低OAM态相比,较高OAM态的LG光束使得光场强度随散射距离增加而衰减更慢,且减缓光束的退偏过程,使DOP可以保留更长的距离。