光束在湍流大气中传输, 由于大气湍流的存在, 光束的波前随着传输距离的增加将会破坏, 不利于在终端对光束携带信息的提取。论文基于广义惠更斯-菲涅耳原理, 以携带有一端被限制的刃型位错和光涡旋的高斯光束为研究对象, 探究了湍流大气传输中一段被限制的刃型位错和光涡旋的演化行为。研究发现, 由于刃型位错的弯曲度不同, 随着光束传输距离的增加, 一端被限制的刃型位错消失或者消失后演化为光涡旋。随着传输距离的继续增加, 光束波前将会出现由大气湍流诱导产生的光涡旋。当光束传输足够远, 大气湍流诱导产生的光涡旋会和刃型位错演化的光涡旋发生湮灭, 或者大气湍流诱导的光涡旋之间发生湮灭。光束本身携带的光涡旋在整个传输过程中稳定传输。论文研究结果在光通信中具有重要的应用。

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。

复杂环境中漂移扰动和不透明障碍物破坏光振幅和光相位，给拓扑荷数（TC）精准测量带来挑战。分析了两种均匀离轴的多中心涡旋光束和一种随机离轴的漂移涡旋光束经扇形不透明障碍物（SSOO）后的传输情况，提出一种利用单柱透镜测量漂移涡旋光束TC的方法。对比光强法、傅里叶变换法以及相位法在极端条件下对漂移涡旋光束TC测量的结果，发现在以上3种方法失效时，所提方法仍可对输入光束的TC值大小及符号作出准确判断。这种抗光束漂移和抗遮挡的TC测量法对基于涡旋光的光通信和光加密具有重要应用价值。

由于涡旋光具有内禀的拓扑荷（TC）属性，其作为空间光通信的载体会拥有更高维的希尔伯特空间，故基于涡旋光的光通信将明显提升信道容量和安全性。在光通信的信道接收端，需要准确且快速地识别TC以解码所传输的信息。将偏振态维度引入到TC的识别过程中，从数值模拟和实验验证两个方面研究了偏振态对TC识别的影响。通过分析马赫-曾德尔干涉仪中不同偏振态的信号光与参考光所形成的干涉图像发现，使用圆偏振态的高斯光（参考光）对圆偏振态的涡旋光（信号光）的TC识别最为有利，且在TC识别过程中具有圆偏振态的信号光与参考光对干涉光路的角度敏感性也最低。理论模拟与实验数据的吻合程度较好表明，所提的偏振干涉TC识别方案对未来高速、高容量涡旋光数千米量级的光通信具有一定的实用参考意义。

矢量涡旋光在光学微操控和光通信领域均具有独特优势。旋转多普勒效应常应用于涡旋光拓扑荷的研究, 分析矢量涡旋光的旋转多普勒效应可以有效导出其丰富的偏振性质。提出了一种基于旋转多普勒效应分辨矢量涡旋光偏振旋转方向的方法, 对应于矢量涡旋光符号的识别。在所提出方法中, 矢量光经过旋转物体散射, 散射光由于多普勒效应, 各组分之间产生强度随时间周期性变化的拍频信号。拍频信号变化函数的相位取决于矢量涡旋在高阶庞加莱球上的代表点的赤道角, 相位变化率取决于涡旋光拓扑荷。本工作提出测量理论并通过实验验证了涡旋方向相反的两种矢量光的拍频信号, 为矢量涡旋光拓扑荷的符号测量提供了一种新的可行方法。

涡旋光场是一类具有螺旋型波前的特殊结构光场, 因其携带相位奇点、轨道角动量以及拥有中央暗核结构等物理特性, 被广泛应用于光学微操纵、大容量光通信、超分辨成像等领域。通过对涡旋光场传统的物理维度 (振幅、偏振、频率) 进行调控, 可以得到模式更加丰富、应用领域更广泛的新型涡旋光场。此外, 涡旋光场还有一个非常重要的调控维度, 即相干性。近年来, 研究人员通过对涡旋光场的相干性进行调控得到了一类新型涡旋光场, 即部分相干涡旋光场。相比于完全相干涡旋光场, 部分相干涡旋光场在某些领域更具优势, 如具有较高的抗湍流大气干扰性、更丰富的光束整形、更高的自修复能力和更强的微粒捕获能力等。本综述介绍 了近年来整数阶和分数阶涡旋光场相干性调控方面的研究进展, 重点对部分相干涡旋光场的理论模型、产生方法、传输特性、拓扑荷测量、应用等方面进行了详细阐述。

涡旋光具有特殊的螺旋相位因子，使用涡旋光进行通信编码能够极大地提高通信容量。实际通信环境的湍流、雾霾会导致涡旋光发生散射而形成散斑，这使得涡旋光通信的实际应用难度加大。因此，从散斑中准确高效地测量入射涡旋光的拓扑荷数对涡旋光通信具有重大意义。涡旋光经过散射介质之后形成的散斑场的特性与其拓扑荷数息息相关。基于深度神经网络高效的特征提取特点，采用分类神经网络实现了经过散射后的涡旋光拓扑荷数的测量，且测量准确率达到100%。

当前,较为常用的光场复振幅调制方法主要是通过衍射效应来实现的,这造成了能量利用效率普遍较低,为此基于纯相位空间光调制器(SLM)和棋盘相格法在衍射零级实现了高阶贝塞尔涡旋光束的制备。首先,介绍了奈奎斯特光栅和棋盘相格法的基本原理,推导了在衍射零级制备贝塞尔涡旋光束的复振幅调制方法并编码了相应的全息图,分别模拟了通过该方法生成的低阶和高阶贝塞尔涡旋光束的光场分布。其次,基于纯相位SLM搭建了相应的实验光路,分别制备了低阶和高阶贝塞尔涡旋光束。最后,讨论了本文方法的优点和不足。实验结果表明,本文方法制备的高阶贝塞尔涡旋光束的模式纯度虽然不及衍射一级,但却可以将衍射效率提升约4.5倍。