为满足日益增长的通信容量需求，空分复用技术得到了快速发展，其中基于多平面光转换的模式复用及解复用混频器由于兼容模式多、插入损耗小等优点而成为了研究热点。为了简化相干通信接收端，本文提出了基于多平面光转换的拉盖尔高斯模解复用混频器，同时实现了模解复用和90°混频功能。本文首先提出拉盖尔高斯模解复用混频器的设计原理及参数定义，并采用基于角谱计算的波前匹配算法建立模解复用混频器模型。然后，基于模型仿真研究了正弦拉盖尔高斯模解复用混频器，仿真结果表明，所设计的混频器的插入损耗为－0.7020 dB，信号光与本振光的耦合系数大于0.89，端口相位差小于10.1°。之后，进一步分析了相位板数量及像素尺寸、工作波长等对输出性能的影响，结果发现：在不考虑相位板反射等外部损耗时，随着相位板数量增加(≥8)，插入损耗和模式相关损耗逐渐减小并趋于平稳；工作波长在1500～1600 nm范围时，耦合系数、端口均一性、插入损耗和模式相关损耗变化较小；像素尺寸在3.2～19.2 μm范围时，端口均一性和模式相关损耗变化较为平稳，耦合系数和插入损耗随着像素增大而恶化。最后，考虑到轨道角动量光束在空间光通信领域的广泛应用，在上述基础上进一步设计了轨道角动量光束的模解复用混频器，其性能满足应用要求。本研究结果表明：所提出的基于多平面光转换的拉盖尔高斯模及轨道角动量光束的模解解复用混频器可以同时实现模解复用和90°混频功能，性能较好，且具有较好的波长特性。本方案及仿真分析结果为空分复用技术中关键器件的设计提供了技术参考。

采用强度矩量分析法得到拉盖尔高斯涡旋光束的波束宽度及发散角。利用复源点方法得到厄米高斯光束的球矢量波函数展开形式，结合厄米多项式与拉盖尔多项式的转换关系，推导得到拉盖尔高斯涡旋光束展开为球矢量波函数的表达式。利用广义洛伦兹Mie理论，研究了拉盖尔高斯涡旋光束对癌细胞的散射特性。数值分析了不同模阶数及不同传输距离的拉盖尔高斯涡旋光束在垂直于传播方向横截面的强度和相位分布。结果表明：随着径向、方位向模阶数及传输距离的增加，拉盖尔高斯涡旋光束的光斑尺寸变大，另外随着传输距离的增加，拉盖尔高斯涡旋光束的相位结构呈现不同于源平面的特点。利用拉盖尔高斯涡旋光束的强度分布特征来解释不同模光束入射的散射强度的角分布特点。

简要地叙述了厄米高斯模与拉盖尔高斯模的一些理论，画出了具有代表性的厄米高斯模与拉盖尔高斯模在z=0平面的三维图像。为了了解厄米高斯模与拉盖尔高斯模的各种模态的关系，分别画出了它们的模态从(0,0)到(2,2)的强度等高线，并从模阶数与峰值、峰值的变化、延伸面积和对称性得到了它们各自的特性，然后进行对比得到它们之间的相同点和不同点。另外通过图像和公式说明了厄米高斯与拉盖尔高斯最低阶模(0,0)是一致的，即高斯模。对比了它们之间的电(磁)场和平均坡印廷矢量，不同点与模态有很大关系。画出横截面中振幅强度随传输距离增加而变化的图像，从中得到了束宽和峰值强度与传输距离之间的关系。

提出并从实验上实现了利用光学腔产生单环状拉盖尔-高斯模的方法。给出了方案的理论描述及实验操作技巧。通过与平面波的干涉条纹验证了螺旋状的波前相位分布。

轨道角动量是光子的量子态，具有轨道角动量的光束在光通信等领域中得到了广泛的应用，是目前国内外研究的热点方向之一，特别是轨道角动量可作为自由空间量子信息物理载体的重要选择，这将对量子通信领域带来重要的影响。介绍了光子轨道角动量的定义、产生，简要列举当前的相位、偏振编码经典的两类量子密码通信方案以作对照，以提出的光子轨道角动量密码通信方案为例，着重介绍了光子轨道角动量在量子通信中的应用研究及展望。

为了准确地研究光纤激光及其相干合成光束的远场传输特性,采用将LP01模分解为许多不同拉盖尔-高斯模叠加的方法,分析了LP01模以及多个光纤激光相干合成光束的传输光场分布和光束质量,并与用高斯函数表示的光纤激光的光场进行了比较。分析中发现,基模高斯光束与LP01模的初始场分布基本相同,但传输后的光场分布会产生较大误差,在光纤激光相干合成光场的分析中两者间的差别也非常明显。结果表明,为更准确地分析光纤激光及其相干合成光束的传输特性,光纤激光的模场表达式应采用拉盖尔-高斯模的叠加式。

拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian,LG)模是光子的轨道角动量本征态,它在未来的光镊、量子信息和计算等领域有潜在的应用价值。分别用两种记录介质全息干板和喷墨透明胶片制作了全息光栅。通过这种全息光栅在实验上产生了拓扑数从一阶到高阶的拉盖尔高斯模,同时观察到高阶模的空间不稳定特性。并且详细讨论了光栅制作过程中的各种控制参量如曝光时间及强度对光栅衍射效率的影响。