研究了拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian, LG)涡旋光束在电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency, EIT)介质中的传输演化特性。在得到EIT介质ABCD传输矩阵的基础上, 利用广义惠更斯-菲涅尔原理, 推导出了LG涡旋光束在EIT介质中传输时的解析表达式, 并研究了光束的强度和相位演化特性, 以及对拓扑荷、径向指数、相干长度等参数的依赖关系。研究表明, LG涡旋光束在EIT介质中传输时经历了周期性的聚焦和扩散。对于部分相干LG涡旋光束, 较小的拓扑荷或较大的径向指数会导致相位奇点被隐藏。此外, 相位奇点在传输过程中会发生分裂现象, 同时产生拓扑荷相反的相位奇点。随着相干长度的增加, 相位奇点的隐藏、分裂和产生现象会逐渐减弱直至消失。

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。

以经过圆形孔径截断的 Bessel涡旋光束和Bessel-Gauss涡旋光束为例,数值模拟了近似无衍射涡旋光束在湍流大气中传输时引起的光束扩展和畸变光场中相位奇点的变化。仿真结果表明,与Bessel涡旋光束相比,Bessel-Gauss涡旋光束由大气湍流引起的束宽扩展较小,且在一定条件下其相位奇点代数和与入射涡旋光束的拓扑荷数保持一致;在远距离传输时,Bessel-Gauss涡旋光束相位奇点代数和的起伏偏差远小于Bessel涡旋光束。 Bessel-Gauss涡旋光束在自由空间光通信中作为信息载体具有较大的优势。

涡旋光束具有螺旋波前、携带相位奇点和轨道角动量等物理特性,在粒子操控、量子信息、超分辨成像、光通信等领域具有重要的应用,并已成为学术界的研究热点。得益于相干光学理论的快速发展,将相干性作为新的自由度引入涡旋光束中,提出新型涡旋光束即部分相干涡旋光束。相较于完全相干涡旋光束,部分相干涡旋光束具有独特的物理内涵和光学特性,尤其是对其相干性和拓扑荷的联合调控会引发一系列奇特的新物理效应(如相干奇点、光束整形、偏振态转换、自修复等)。回顾了部分相干涡旋光束的基本理论及发展历程,着重对部分相干涡旋光束的理论模型、传输特性、实验产生、实验测量和应用基础研究进行了阐述。

利用激光大气传输四维程序数值模拟了激光在湍流大气中上行和下行传输时产生的相位奇点的变化过程。由模拟结果可知, 当光束自地面向空中垂直上行传输时, 相位奇点数密度随传输高度的变化有一个从无到有、从快速增加到缓慢增加、达到峰值后又减小的过程; 湍流越强, 畸变光场中产生的相位奇点数密度越大, 达到的峰值越高, 且达到峰值后减小的幅度也越大, 但达到峰值时对应的传输高度越低; 当激光自空中某一位置垂直下行传输时, 相位奇点数密度随传输距离的增加有一个从无到有、从缓慢增加到快速增加且在接近地平面处急剧增加的过程。另外, 通过对模拟结果的曲线拟合发现, 激光在湍流大气中上行传输时产生的相位奇点数密度与传输高度的关系符合黑体辐射公式; 当激光在湍流大气中下行传输时, 相位奇点数密度随传输距离的增加呈指数增加。

为了获得多种类型的波长量级聚焦光斑，研究了一种新型涡旋光束，高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜的聚焦。基于矢量德拜积分公式，理论上研究了线偏振的高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜的聚焦特性。研究了涡旋光束的拓扑荷数和幂次方数对聚焦平面光强和电场x分量的相位分布的影响。研究结果表明，通过控制涡旋光束的拓扑荷数和幂次方数可以产生不同类型的聚焦光强分布，例如尺寸约为2个波长大小的实心和空心型聚焦光斑。此外，与普通的涡旋光束聚焦不同，高次方涡旋光束聚焦后的奇点并不在焦点处。这些特殊的聚焦光斑有望在微粒的操控等领域中得到应用。

首先介绍了轴对称偏振光束的基本概念以及特性, 然后以少模光纤为模式转换器, 通过旋转偏振控制器上光纤挤压器的旋钮对光纤中间部分施加压力, 同时配合旋转光纤挤压器, 以实验的方式获得了不同模式的轴对称偏振光束。通过调节偏振控制器以及输入光束和光纤的离轴状态, 分别得到了径向偏振TM01模式, 角向偏振TE01模式, 奇数混合偏振HEodd21模式, 偶数混合偏振HEeven21模式, 以及线偏振HE11模式五种光纤所激发的模式。同时, 还通过干涉实验中叉形光栅结构证明了相位奇点的存在。

光场相位奇异特性研究在奇点光学研究领域中具有非常重要的意义。本文运用广义惠更斯-菲涅尔衍射积分公式推导出高斯涡旋光束通过像散透镜后的光场分布表达式, 并研究了它在几何焦平面上的相位奇异特性。结果表明, 高斯涡旋光束通过像散透镜后在几何焦平面上存在相位奇点, 相位奇点受到透镜的像散系数、光束束腰宽度和涡旋离轴量等参数的影响。在一定条件下, 几何焦平面上出现直刃型位错线或光涡旋。当像散系数为0时, 光涡旋出现在y轴上。当像散系数不为0, 而涡旋离轴量为0时, 会出现直刃型位错线或光涡旋, 且各自的位置都非常稳定。当像散系数、涡旋离轴量或束腰宽度改变时, 光涡旋会发生移动。这对光学元器件的设计和涡旋光束相位奇点的控制有一定的参考价值。