涡旋光束的中心为相位奇点，通常涡旋光束的涡旋轴（即相位奇点）位于光束的光轴上。但是考虑误差的存在，实际生成的涡旋光束会存在一定程度的离轴，因此研究离轴的相位奇点光束的特性具有重要的应用价值。基于Richards-Wolf矢量衍射理论，研究了具有非对称离轴双相位奇点的径向偏振高斯光束经过大数值孔径透镜后的强聚焦特性，主要分析了离轴距离和涡旋拓扑荷数对聚焦场的影响。研究结果表明：两个离轴距离和对应的两个拓扑荷数的相对大小对聚焦场光强的最大值偏移方向的影响是一致的；高阶涡旋光束的聚焦场会发生暗核分裂现象，出现多个暗核，暗核的个数等于两个涡旋拓扑荷数的相加值再减1。

近年来，携带扭曲相位的部分相干光束因其独特的性质受到广泛关注。引入一种同时携带扭曲相位和具有特殊空间关联结构的部分相干矢量光束，即径向偏振扭曲矩形多高斯-谢尔模光束，推导了该光束通过ABCD光学系统后的交叉光谱密度矩阵元解析表达式，并研究了它的归一化光强分布、光谱相干度和光谱偏振度的演化特性。研究结果表明，当无扭曲相位时，径向偏振矩形多高斯-谢尔模光束的光强由源平面的空心圆环轮廓逐渐演变成矩形平顶轮廓。相较而言，径向偏振扭曲矩形多高斯-谢尔模光束所携带的扭曲相位不仅会引起光束光斑的旋转，还会引起传播过程中光束的相干度和偏振度的一系列变化。该研究结果为扭曲相位实现新型矢量结构光束的调控提供一定的理论指导，在光束整形、光学微操纵和自由空间光通信等领域有着潜在的应用。

本文推导径向偏振部分相干扭曲光束（RPPCTB）在各向异性大气湍流中传输因子和空间扩展的解析表达式，主要分析扭曲因子等光束参数及各向异性因子等大气湍流参数对光束传输特性的影响，通过相应的数值模拟计算分析初始相干长度、束腰宽度、波长、扭曲因子、各向异性因子、湍流内尺度、湍流外尺度和广义指数参数对光束传输质量的影响。仿真结果表明，通过减小光束的初始相干长度，增加束腰宽度和波长，可以提高光束的传输质量，而增大光束的扭曲因子，光束有更小的传输因子，这表明通过合理地调控光束的扭曲相位，可以有效提高光束的抗湍流能力。

当面向高功率径向偏振场激光的产生和传导时,在光纤内实现高的模式区分度与大的模场面积一直是核心的技术挑战。基于此,提出一种全新的径向偏振场光纤设计方案,通过在纤芯内部引入圆对称的径向分布热应力场,使得纤芯内形成径向双折射效应,有效打破常规光纤中偏振模式之间的简并,使TM01模、TE01模和HE21模的有效折射率差为10 -4量级,从而将TM01径向偏振模区分出来。同时,此类径向偏振场光纤更易实现TM01模场的大模面积设计。

太赫兹特殊光束具有独特的光场分布和衍射特性,在粒子操控、光学成像和光通信等众多领域都有着明显的发展优势。综述了近年来本课题组和其他科研团队在太赫兹特殊光束方面展开的部分研究,包括太赫兹贝塞尔光束、涡旋光束、艾里光束、瓶子光束和径向偏振光束,系统地阐述了这些光束的光场分布特征、衍射特性及其潜在应用前景,旨在探讨太赫兹特殊光束对未来太赫兹技术的推动作用。

在自主研制的全固态皮秒激光器基础上, 腔外加入偏振转换元件输出皮秒径向偏振激光, 并对其进行侧泵Nd:YAG晶体放大, 最终得到中心波长1 064 nm、平均功率1.95 W、重复频率1 kHz、峰值功率1.77×108 W、光束质量2.95以及纯度92%的皮秒径向偏振激光器。用该激光器对0.5 mm厚不锈钢材料进行钻孔和刻槽实验, 并与同等加工工艺参数条件下皮秒线偏振激光器钻孔圆度和刻槽深度进行对比, 分析两种激光器对加工效果的影响。实验结果表明, 相比皮秒线偏振激光, 利用皮秒径向偏振激光进行加工, 钻孔圆度更好、刻槽深度更深且槽侧壁更为平坦。该结果为皮秒径向偏振激光器在材料加工领域的应用提供参考。

理论和实验研究了径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束在自由空间传输的光强分布和偏振特性.数值计算表明, 在无衍射区域, 随着传输距离的增加, 光强分布基本保持不变; 对于零阶光束, 其偏振态一直保持径向偏振不变; 对于高阶光束, 其偏振态发生变化, 由初始的径向偏振逐渐变为椭圆偏振和线偏振的杂化状态.实验上, 利用径向偏振转换器、螺旋相位板和轴棱锥元件产生了径向偏振高阶贝塞尔-高斯涡旋光束, 探测了其通过不同偏振片后的光强分布.实验结果与理论结果基本相符合.该研究也提供了一种产生杂化偏振矢量光束的方法.

以径向偏振圆对称Airy光束为例,基于Rayleigh-Sommerfeld矢量衍射理论,探讨了矢量圆对称Airy光束的传输特性。随着光束波长增大其自聚焦焦距减小,光束等效数值孔径增大。与傍轴理论计算结果比较后发现,当等效数值孔径大于0.09时,傍轴理论不再适用,因为此时傍轴理论低估了光波的衍射效应和矢量性。

利用Nd∶YAG/Cr4+∶YAG键合晶体被动调Q和S波片得到亚纳秒径向偏振光。采用峰值功率为30 W、脉宽为120 μs、重复频率为1 kHz的脉冲半导体激光端面抽运方式，得到了脉冲宽度为878 ps、单脉冲能量为76.8 μJ的调Q激光脉冲输出，其重频不稳定性小于±0.003%，幅值不稳定性小于±3%。然后通过在键合晶体后插入偏振片和S波片的方式，得到纯度大于96%、单脉冲能量为27.5 μJ的亚纳秒径向偏振光。

以径向偏振的Laguerre-Gaussian光束为例, 探讨了基于Rayleigh-Sommerfeld积分的矢量衍射理论的适用范围。经与Richards-Wolf理论计算结果比较发现, 在有效数值孔径小于0.4的情况下, Rayleigh-Sommerfeld理论可以适用, 并可用于探讨小菲涅耳数的焦移问题。但对于紧聚焦大数值孔径系统, Rayleigh-Sommerfeld理论不再适用, 因为这种理论低估了光波的衍射效应和矢量性, 使得计算所得的聚焦光斑尺寸偏小。