基于Rytov近似，理论推导了完美涡旋光束（PVB）经过大气湍流水平信道后的螺旋相位谱解析表达式，研究了大气湍流中光束波长、半环宽、发射处轨道角动量（OAM）模态、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数对OAM模态探测概率和串扰概率的影响。结果表明：随着发射处OAM模态、传输距离、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数的增加，经大气湍流传输后的探测概率下降；随着光束波长的增加，经大气湍流传输后的探测概率增加。此外，PVB在近场的探测概率几乎不随发射处OAM模态变化，而当光束传输到远场时，探测概率随发射处OAM模态变化明显，这是因为PVB传输到远场变成类贝塞尔光束，其光束半径随发射处OAM模态变化明显。

时空光涡旋由于其携带横向轨道角动量这一独特的性质引起研究人员的广泛关注，与普通涡旋光束相比，其能提供额外的自由度，这标志着对光场调控的水平能够达到更高的层次。以同时在时空域和空域均携带螺旋相位的时空-空域光涡旋为基础，数值模拟了时空-时空光涡旋和时空-时空-空域光涡旋。通常根据时空光涡旋中不同光涡旋之间共心的情形，通过引入参量来调控时空域光涡旋中心的位置，从而达到不同光涡旋之间不共心的目的，并数值模拟了偏心双光涡旋和偏心三光涡旋这两种物理模型。本研究丰富时空光涡旋的模式，并为其后续研究提供理论基础。

相位是光场信息的重要组成部分。在光学显微成像领域，大部分生物细胞对光的吸收较弱，传统的亮场显微无法准确地表征细胞的结构特征，因此相位成像成为非标记细胞观测的重要方法。经典的相衬显微镜基于干涉成像原理，通常需要大块的折射棱镜或者复杂的成像系统，因而系统臃肿，易受环境扰动。超表面是一种特征尺寸在纳米或微米量级的光学元件，具有强大的光场调控能力，超表面集成在显微系统中可以实现方向无关、单摄式的定量相位成像，具有小型、轻便、易集成等优点。本综述回顾经典的相位成像技术原理，详细介绍基于剪切干涉、相位衬比和强度传输方程等3类超表面的相位成像技术原理，比较不同技术的优缺点和适用场景，指出超表面在相位成像领域面临的挑战，并对未来发展趋势进行展望。

针对传统阶梯型高阶螺旋相位板在光纤端面上制作难度大和使用过程中容易损坏的问题, 文章提出了一种在光纤端面上制作平面型螺旋相位板的设计方案。这种相位板在不同方位角上高度相同, 通过控制不同方位角处的折射率可获得不同的拓扑荷数。文章使用菲涅尔衍射理论对该方案产生的涡旋电场分布及光强分布进行了详细的理论分析, 同时采用时域有限差分方法对基模高斯光束通过具有不同拓扑荷数的平面型螺旋相位板后在光纤中的传播过程进行了仿真验证。仿真结果表明, 该种光纤端面平面型相位板对于高阶和低阶模式都能产生高质量的涡旋光束, 有效克服了传统阶梯型螺旋相位板存在的不足。

光不仅可以携带自旋角动量,还可以携带轨道角动量。其中,自旋角动量与光波的圆偏振态有关,而轨道角动量来源于光波的螺旋相位结构。自Allen等1992年首次理论确认了光子轨道角动量的物理概念和内涵以来,这类具有特殊螺旋相位波前的新型光场吸引了越来越多的研究兴趣,在经典光学及量子光学领域均展示出了诸多重要的应用前景。本文从基础物理及应用物理两个层面出发,着重介绍了轨道角动量光束的制备与探测技术,特别是近年来轨道角动量调控在螺旋相衬成像技术、远程旋转多普勒效应探测技术及光学微操控技术等领域的研究进展。

研究高斯光束经螺旋相位板和轴棱锥产生高阶贝塞尔-高斯涡旋光束的离轴传输情况,对于离轴高阶贝塞尔-高斯光束的成因、 光强分布操控、光斑定位等实际应用具有一定的理论指导意义。利用菲涅尔衍射积分的卷积算法(Triple fast Fourier transform, T-FFT)对离轴高阶贝塞尔-高斯涡旋光束进行仿真分析,着重研究了螺旋相位板和轴棱锥的错位参数、拓扑荷数 以及传输距离等参数对光束带来的影响。分析表明:离轴高阶贝塞尔-高斯光束具有不均匀的光强分布,由于轴棱锥的偏移, 光束会整体发生偏移,传输不同距离光强不均匀分布情况不同,不同的拓扑荷数只影响光斑的扩展,螺旋相位板和轴棱锥离 轴参量值的多种组合会导致多种不同的光强分布情况,甚至出现暗核偏移。