تئوری تلاطم با مدل های مختلفی ارائه شده است که مدل تلاطمی کلموگروف رایج ترین آن هاست. همه ی مدل های تلاطمی از جمله مدل کلموگروف بر پایه ی همگن و همسانگرد بودن تلاطم استوارند. مطالعه ی تلاطم جوی با توجه به نقش آن در بسیاری از حوزه های سنجش و ارتباطات حائز اهمیت است. در عبور نور از لایه های جو به صورت عمودی این فرضیات اعتبار بالایی دارند. با این وجود، در انتشار باریکه ی نوری از میان جو در مسیرهای افقی بخصوص در لایه های نزدیک سطح زمین با عنایت به وجود گرادیان های دمایی متغیر و همچنین از میان محیط های متلاطم همرفتیِ آزمایشگاهی مشابه، انتظار می رود فرضیات فوق دیگر برقرار نباشد. کما این که مطالعات تجربی تلاطم جوی انحراف قابل توجهی از این مدل را نشان می دهد. در این رساله، با توجه به کنترل ناپذیری شرایط جوی، محیط متلاطم همرفتی با شرایط مشابه تلاطم جوی لایه های نزدیک سطح زمین در آزمایشگاه تولید می شود. با انتشار نور از میان این محیط متلاطم و با بهره گیری از روش های اپتیکی مبتنی بر تکنیک ماره و روش تصویربرداری چند روزنه ای، همگنی و همسانگردی تلاطم تولید شده بررسی و تاثیر پارامترهای مختلف محیطی بر آن ها تعیین می شود. در کلیه ی مراحل کار، مقایسه ی نوعی با شرایط تلاطمی جوی ارائه می شود. نتایج نشان می دهند که تلاطم همرفتی آزمایشگاهی در حضور گرادیان دمای دو بعدی، در فواصل مختلف از منبع گرمایی حتی در بازه ی لختی ناهمگن و ناهمسانگرد است. گرادیان دمای متغیر و فاصله از منبع گرمایی نقش اساسی در میزان ناهمگنی و ناهمسانگردی ایفا می کند. بعلاوه از میان مدل های توصیف کننده ی تلاطم، مدل ون کارمان بیشترین انطباق را با داده های تجربی تابع ساختار فاز جبهه ی موج در بازه ی 0- 10 سانتیمتر دارد. در فواصل بزرگتر، هیچکدام از مدل های تئوری موجود با داده های تجربی همخوانی قابل قبولی ندارند.

مطالعات آزمایشگاهی نشان می دهد که نمونه شیشه های سودا-لایم تبادل یون شده با یون نقره تحت برهم کنش با لیزر پرشدت یون آرگون به باریکه لیزر کاوش تکانه زاویه ای مداری با بار توپولوژیک ? انتقال می دهند. برای انتقال تکانه زاویه ای مداری دو روش وجود دارد: استفاده از یک بلور تک محور اپتیکی که (الف) محور اپتیکی در جهت انتشار باشد, (ب) محور اپتیکی عمود بر راستای انتشار باریکه باشد و به صورت موضعی همواره نسبت به محور باریکه امتداد شعاعی داشته باشد. عوامل گرمایی ناشی از تابش باریکه ی پرشدت یون آرگون سبب بوجود آمدن استرس و تنش های مختلف در شیشه می شود. اختلاف ضریب انبساط نقره و شیشه و نیز تغییر ساختار شیشه عامل این تنش ها است. ما توضیح روش (الف) را با حل معادله موج در تقریب پیرامحوری مرور می کنیم. در این حل نشان داده می شود جفت شدگی تکانه زاویه ای ذاتی و مداری, تکانه زاویه ای مداری با بار توپولوژیکی ? به باریکه لیزر کاوش انتقال می دهد که با نتایج آزمایشگاهی کاملا سازگار است. در روش (ب) نمونه به صورت موضعی مجموعه ای از تیغه های نیم موج در نظر گرفته می شود که محور آن عمود به راستای انتشار است و در راستای شعاعی نسبت به محور باریکه تنظیم شده است. دوران موضعی محور اپتیکی باعث تأخیر در مولفه ی قطبش می شود. این سبب انتقال تکانه زاویه ای مداری با بار توپولوژیکی دلخواه به باریکه خروجی از تیغه می شود. البته هندسه مسأله ما به این روش تنها اجازه ی تولید بار توپولوژیکی ? را می دهد.