采用一对圆锥镜作为整形器来产生准直平行的空心光束，并根据能量守恒定律得到了整形后空心光束的光强表达式，然后基于菲涅耳衍射积分公式仿真了该空心光束在自由空间不同传播距离处的衍射光斑及截面光强分布图，并计算得到了光束质量因子随截断直径与高斯光束半径的比值和遮拦比变化的关系曲线，为实际获得良好光束质量和整形器的设计提供依据。其次，对该系统进行了锥顶角一致性、偏心及倾斜误差对波面误差的影响分析，结果表明，对于同样大小的误差，设计锥顶角较大时得到的整形光束的波面误差较小，有利于增加加工和装调的容差范围，且装调中的偏心误差和倾斜误差具有一定的等效性，通过调整装调过程中的偏心方向和大小，可以在一定程度上抵消倾斜误差的影响，实现综合误差的互相抵消，为实际应用中的圆锥镜组整形器加工和装调提供有益参考。最后，对整形出的空心光束进行近、远场测量，结果表明实际所得到的光束质量因子符合理论计算结果。

设计了一种尺寸可调谐的局域空心光束，通过轴棱锥与透镜距离的调节改变局域空心光束的尺寸，通过矩形光阑的调节使局域空心光束产生缺口。用MATLAB模拟了局域空心光束在调控中的尺寸变化和开闭口变化，以及轴棱锥之后的贝塞尔光束的变化，通过模拟和实验分别展示了局域空心光束由形成到闭合的过程。用MATLAB模拟了金粒子在局域空心光束中受到的梯度力、散射力以及二者的合力，然后根据横向梯度力与纵向梯度力判断粒子通过缺口进入光场后的首次捕获情况，并根据分析计算出了能够囚禁住的金粒子的尺寸。

空心光束是一种重要的结构光, 是光场调控研究领域的热点之一。拉盖尔-高斯光束是一种典型的空心光束, 因其螺旋状相位且携带轨道角动量, 因而也被称为涡旋光。涡旋光在光通信、量子纠缠和超分辨成像等领域有着极高的应用价值。本研究以全固态两镜凹平腔 Nd: YVO4 激光器作为实验平台, 通过在输出平面镜上制造点缺陷, 达到抑制低阶高斯模式起振, 从而获得高阶拉盖尔-高斯涡旋激光输出的效果。在连续波情况下, 最高获得了 16 阶涡旋激光输出; 在吸收功率为 3.3 W 时, 获得最高功率为 280 mW, 激光斜效率为 18.6%。进一步通过在谐振腔中插入 Cr:YAG 可饱和吸收体, 首次演示了具有正反手性的拉盖尔-高斯同时被动调 Q 脉冲激光, 稳定输出的最短脉冲宽度约为 232 ns, 相应的脉冲重复频率约为 229.1 kHz。本研究表明点缺陷镜是一种稳定可靠的直接产生高阶涡旋光的手段, 并且可以与被动调 Q 等固体激光技术结合产生不同运转方式的空间结构光束。

为了探究涡旋空心光束在端面抽运Nd∶YVO4微片激光器中的生成条件及其变化因素, 构建了一种基于轴棱锥-透镜组生成环形抽运光的新方法。采用ZEMAX对抽运光进行了仿真分析, 并基于热效应分析进行了模式匹配计算, 通过实验成功得到了环形抽运光和环形空心激光输出, 并通过实验验证了输出光为1阶涡旋光。结果表明, 该方法能够生成光束大小可控的808nm抽运光, 其光斑半径可随轴棱锥锥顶与透镜焦平面的相对位置快速变化; 并且该抽运光能够使谐振腔长度为300μm的微片激光器输出稳定的1064nm 1阶拉盖尔-高斯涡旋空心光束。此研究结果对于微片激光器输出涡旋空心光束的实际方法的建立具有重要的指导意义。

提出了一种利用椭圆矢量空心光束实现瑞利粒子非对称操控的方案。理论计算了椭圆矢量空心光束对放置其中的瑞利粒子作用的散射力和梯度力。以实验产生的椭圆矢量空心光束作为操控光束,以乙酰苯液体中水分子团为研究对象,进行了相关粒子的囚禁动力学理论分析,采用蒙特卡罗方法进行了相关模拟。理论研究结果表明,瑞利粒子在椭圆矢量空心光束中所受散射力的大小远远小于所受梯度力的大小,选择合适的光强可以将瑞利粒子囚禁在光束非对称空心部分。

为进一步完善多级无衍射光束的传输与转换理论, 基于轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析, 采用数值模拟软件对双级无衍射光束的空间光强分布与轴上光强分布进行仿真; 基于锥镜加工工艺对锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布进行研究, 分析了双级无衍射光场的场强大小和影响光场振荡周期的因素。结果表明: 理想双级轴棱锥透镜生成的无衍射光场由4个区域组成, 在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥衍射场的耦合叠加, 其余区域仍保持单级无衍射光场分布特性; 锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布受双曲线特征参数影响较大。其特殊的光场分布为多级无衍射光束拓展至大尺寸空间测量以及粒子微操作等提供了新的可能。

提出了采用双非线性硒化锌(ZnSe)晶体将高斯光束整形成局域空心光束(LHB)的新方案，根据惠更斯-菲涅耳衍射理论计算了不同厚度的ZnSe晶体和不同束腰半径的高斯光束条件下产生的LHB的强度分布和暗斑尺寸。结果表明，该方案产生的LHB强度分布形状为空心椭球体，在传播方向上的二维强度呈中心对称分布。利用数值计算获得了所产生的LHB暗斑的纵横比，发现纵横比随着入射高斯光束束腰半径的增大呈线性增大。该方案产生的LHB的参数可以被灵活调节，因此所产生的LHB可应用于一些较大尺寸的原子分子、生物分子和介质粒子等的光学非接触式囚禁与操控。

随着大功率掺铥光纤激光器(TDFL)的广泛应用及其相关技术的迅速发展, 多芯TDFL受到了广大研究者的广泛关注, 其中有效的包层泵浦技术是实现多芯TDFL高功率输出的决定因素。TDFL通常采用波长为793 nm的激光进行泵浦, 通过不断优化工作在793 nm波长的双包层光纤的结构, 对其中传输的高斯光束进行整形, 当纤芯尺寸为6 μm, 环尺寸为6.5 μm且内包层折射率为1.462 4时, 最终获得了合适暗斑尺寸和环状光束宽度的中空光束。利用所设计的双包层光纤泵浦多芯TDFL, 可使多芯光纤内掺杂的铥离子更好的吸收泵浦光, 提高工作于2 μm波段多芯TDFL的输出激光功率和泵浦效率。

基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式，推导了双曲正弦-高斯光束通过像散透镜聚焦的场分布解析表达式，并用数值计算研究了双曲正弦-高斯光束在像散透镜焦平面上或焦平面附近的光强分布与相位特性。理论分析与数值计算结果表明，选择适当的光束参数与像散透镜结构参数，可以使双曲正弦-高斯光束经像散透镜后转换为具有涡旋的暗空心光束，其拓扑荷指数为1。此外，还对影响场强度分布与相位分布的光束参数与透镜参数进行了分析讨论。特别地，透镜的像散是双曲正弦-高斯光束经像散透镜聚焦产生暗空心涡旋光束的关键控制因素，利用合适的像散透镜可获得相当长度的理想暗空心光管。

理论上利用高斯谢尔模型和交叉谱密度的传播公式得到部分相干Bessel光束经过环形孔径的光强表达式.通过Mathcad软件数值模拟光强表达式, 得到在不同传播距离的截面光斑图, 结果表明部分相干Bessel光束在经过环形孔径后会产生空心光束.实验中以绿光LED为光源, 经轴棱锥聚焦得到部分相干Bessel光束, 在其无衍射距离内放置环形孔径.使用体视显微镜照相系统拍摄部分相干Bessel光束经过环形孔径的衍射光斑图, 得到的结果与模拟结果吻合.