人类社会正处于信息爆炸的大数据时代，迅速膨胀的数据在持续高速增加，需要越来越大的存储容量来承载。高密度光存储技术具有非接触、抗电磁干扰、存储密度高等优点，为更好地存储、处理、分析每天产生的海量数据提供了优质方案。然而，光储存记录点的尺寸受到衍射极限的限制，传统光存储技术的存储密度难以大幅提升。近年来，随着多参量光场调控技术的发展，高数值孔径物镜聚焦下的结构化光场有了更新颖的结构、更丰富的维度和更小的尺寸，为高密度光存储提供了更多选择。本文将综述光场调控技术在紧聚焦焦场上的最新成果，介绍实现空间紧聚焦焦场的理论设计、模拟、实验、高效生成器件和应用。这些成果将会更好地服务于高密度光存储技术的研究与应用。

为了探究不同对撞中心下与紧聚焦圆偏振高斯激光对撞的单个运动电子的3维轨迹和空间辐射特性, 基于激光与电子相互作用及非线性汤姆逊散射的理论框架, 建立模型进行了数值模拟, 并对数值结果进行了可视化分析。结果表明, 电子运动轨迹振幅在λ0处达到0.151752λ0(λ0=1μm)的峰值, 而在-λ0处达到0.151662λ0的谷值, 呈现非对称性; 电子的最大辐射角和辐射强度随对撞中心位置具有周期性变化的规律; 辐射脉冲产生的全时段中, 脉冲出现最大峰值的主峰和峰值略低的次峰现象。该研究结果为新一代X射线发生器的建设提供了理论基础。

研究了部分相干径向偏振旋转对称幂指数相位涡旋（RPEPV）光束，即径向偏振多高斯-谢尔模RPEPV光束的紧聚焦特性。首先，建立了部分相干径向偏振RPEPV 光束的理论模型，并基于Richards-Wolf矢量衍射积分理论，研究了部分相干径向偏振RPEPV光束通过高数值孔径物镜后的紧聚焦模型，推导了光束在焦平面的交叉谱密度函数。然后，数值研究和分析了聚焦场的光斑强度、相干度和偏振度的分布特点。研究结果表明，改变光束阶数、拓扑荷数、幂指数和相干宽度等参数，可以获得包括高斯状、平顶状和多边形在内的多种形状的焦斑分布。

为了研究激光脉宽对撞击电子后产生的辐射能量分布, 采用模拟计算的方法, 以Lorentz方程以及电子辐射方程为基础,建立了紧聚焦激光作用于静止单电子模型, 并通过MATLAB软件模拟了不同脉宽下的激光脉冲与电子作用后产生的电子辐射能量分布, 对飞秒紧聚焦椭圆偏振激光脉冲的脉宽与电子间的辐射功率峰值进行了深入研究。结果表明, 当紧聚焦激光脉冲遇到静止单电子, 在激光脉冲撞击电子时, 电子会发出辐射; 散射辐射在散射方向的中心呈尖锥状积累; 随着激光脉宽的增加, 辐射功率分布逐渐呈现出双峰形; 脉冲宽度越宽, 电子辐射功率峰值越小, 脉宽为10λ0时的峰值功率仅为脉宽为0.1λ0时峰值功率的1%(初始脉宽λ0=3.33fs), 同时辐射功率达到峰值所需时间越长, 最高峰的持续时间越长, 频谱函数的截止频率越低, 高频分量变少, 谐波次数增加。该结果对激光空气等离子体诊断方面具有重要意义。

为了获得紧聚焦脉冲激光作用下电子的辐射特性, 采用非线性Thomson散射理论和线偏振紧聚焦激光脉冲与单电子的相互作用模型, 利用MATLAB完成数值模拟, 获得了电子的运动特性、不同观测角度下的功率与能量分布, 以及最大辐射方向上的功率与能量。结果表明, 与平面波激光脉冲作用下的非线性Thomson散射现象相似而又不同, 在紧聚焦激光脉冲下的辐射特性中, 辐射功率脉冲双峰的脉宽分别为0.008fs和0.121fs, 其对称性在时间上不再成立; 辐射能量在低辐射频率0~50ω0内呈现出剧烈振荡的变化特点。该结果对强激光场中电子辐射特性的研究是有帮助的。

光同时具有自旋和轨道角动量属性, 它们分别与光的偏振和相位分布相关。在傍轴条件下, 光的自旋和轨道角动量在自由空间传输过程中是相互独立且各自守恒的。而在非傍轴条件下, 如紧聚焦或者散射光场中, 光的自旋与轨道角动量之间会发生相互耦合和转化。其中, 紧聚焦场中自旋与轨道角动量的相互作用由于广泛涉及光学捕获、显微和探测等应用领域, 近年来受到广泛关注。综述了紧聚焦场中自旋、轨道角动量理论计算方法, 自旋-轨道角动量相互作用与入射结构光场的关系以及最新的相关应用研究进展。