基于Rytov近似，理论推导了完美涡旋光束（PVB）经过大气湍流水平信道后的螺旋相位谱解析表达式，研究了大气湍流中光束波长、半环宽、发射处轨道角动量（OAM）模态、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数对OAM模态探测概率和串扰概率的影响。结果表明：随着发射处OAM模态、传输距离、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数的增加，经大气湍流传输后的探测概率下降；随着光束波长的增加，经大气湍流传输后的探测概率增加。此外，PVB在近场的探测概率几乎不随发射处OAM模态变化，而当光束传输到远场时，探测概率随发射处OAM模态变化明显，这是因为PVB传输到远场变成类贝塞尔光束，其光束半径随发射处OAM模态变化明显。

完美涡旋光束（POVB）的光斑不随拓扑荷的变化而变化，在微粒操控、光通信、激光材料处理等领域具有广泛应用。POVB的准确识别具有重要的研究意义。提出一种卷积神经网络结合多孔干涉仪的方法来识别0.01阶分数POVB。实验结果表明，在理想环境下，0.01阶分数POVB的识别率达到100%。在扇形遮挡90°和扇形遮挡180°情况下，0.01阶分数POVB的识别率分别达到100%和99.5%。本研究为识别0.01阶分数POVB提供了一种新的方法，对于该光束的应用和推广具有重要意义。

完美涡旋光束 (POVB) 是径向强度分布和半径均与光束轨道角动量 (OAM) 状态无关的一类涡旋光, 已被应用于光学操控、光通信、激光材料处理等领域。其中, POVB 轨道角动量状态的探测是关键且有挑战的技术。本研究通过并行梯度下降算法, 构建了光学衍射神经网络 (DNN), 实验上实现了轨道角动量阶数在-50～+50 范围内的 POVB 的识别。在此过程中, 衍射转换效率可达 58%。本研究为 POVB 的 OAM 探测提供了新的思路, 在 POVB 的各类应用中均存在潜在应用价值。

为研究高阶衍射级光束的轨道角动量, 基于计算全息法在空间光调制器的傅里叶平面产生了不同衍射级的完美涡旋光束, 并利用球面波干涉法对其拓扑荷值进行了测量。理论和实验结果表明不同衍射级 p 上的整数阶和分数阶完美涡旋光束的拓扑荷值 l 都满足 l=mp 的关系, 其中 m 是相位掩模板的拓扑荷值。并进一步对不同衍射级的光学涡旋阵列进行了实验研究, 结果表明光学涡旋阵列中光学涡旋的拓扑荷值满足 l=p 的关系, 高阶衍射级上的衍射光束比 +1 级衍射光束具有更大的轨道角动量。该研究为光学涡旋及光学涡旋阵列进一步的研究及应用提供了理论和实验参考。

完美涡旋光束的涡旋半径与拓扑荷数无关,且携带有轨道角动量,这使得完美涡旋光束在光学通信、量子光学以及激光制造等领域被广泛应用。利用双光子聚合的激光直写技术制备出了可产生完美涡旋光束的径向相移螺旋型波带片。通过改变波带片的径向相移控制参数,实现了对完美涡旋光束涡旋半径的调控。同时,通过干涉图样验证了涡旋光束携带的轨道角动量与设计的拓扑荷数相吻合。本工作可为光子芯片集成的快速设计制造提供一定参考。

完美涡旋光场模式的单一性难以满足其在多种领域的应用需求。为解决该问题,提出了一种同心矢量完美涡旋模式,其光强分布为一族同心的矢量完美涡旋,各环矢量完美涡旋的性质得到了验证。研究发现,每个完美涡旋的光环大小、偏振阶数等特征参数相互独立。对同心矢量完美涡旋模式光环叠加的实验表明,与标量完美涡旋光束叠加不同,矢量叠加产生的子涡旋会在特定位置消失,原因是两光环在该位置偏振正交。该研究极大地丰富了完美涡旋的模式分布,拓宽了完美涡旋在微操纵、光通信等领域的潜在应用。

利用涡旋光束与锥透镜透射率函数设计相位掩模板，采用平面光照射写入相位掩模板的空间光调制器(SLM)，则在SLM的傅里叶平面上产生了完美涡旋光束，解决了傅里叶平面0级和±1级光谱重叠的问题。提出了一种完美涡旋光束的空间自由调控技术，通过实验分析，明确了空间调控位移与调控因子间的函数关系，调控精度达到了2.25 μm。通过在线调节锥透镜的锥角参数，实现了完美涡旋光束中心亮环半径的自由调控，并得到光束中心亮环半径与锥角的二次函数关系。将波长为532 nm和632.8 nm入射光产生的完美涡旋光束作对比，结果表明，当入射波长较长时，仍可得到较小半径的完美涡旋光束。该研究为完美涡旋光束在微粒操纵、光学信息编码、光学测量及基于轨道角动量的光纤通信等领域的应用提供了新思路。