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。

新型光场调控技术已经在焦场调控、光学微加工、光学微操纵和光通信等领域取得了众多重要成果。提出了一种基于贝塞尔光束的复合光场调控方案，利用贝塞尔光束固有角谱和环形光阑的锐边衍射实现了远距离的超衍射极限聚焦。理论和实验结果表明，轴棱锥-透镜系统生成的局域空心光束经环形光阑产生锐边衍射，其高频成份得到增强，从而具有超衍射聚焦特性。该局域聚焦光场与周围旁瓣光场距离很远，有望应用于远场超分辨显微成像和光镊等领域。

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。

为了获得多种类型聚焦光斑的分布，基于Richards-Wolf矢量衍射积分理论，分析了偏振转换和叠加对空心光束(HLB)聚焦光场的影响。理论上研究了空心光束(HLB)偏振态转换对应关系，利用数值模拟得到同阶空心光束叠加后在数值孔径不同时的四种偏振态空心光束(HLB)的聚焦光斑大小和形状的变化。其中圆偏振空心光束和垂直线偏振空心光束随着聚焦透镜数值孔径的加大，中空特性不发生变化，只是聚焦光斑大小发生变化; 水平线偏振空心光束和径向偏振空心光束随着数值孔径的加大，中空特性消失。此外，提出了矢量偏振空心光束转换为标量偏振空心光束的方法，实现了空心光束偏振态的转换并得到功率补偿，获得平均功率2.2 W激光输出，有望拓展在激光加工等领域的应用。

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。

设计了一种能够产生阵列局域空心光束的超表面透镜。该透镜基于几何相位原理,通过调整二氧化钛纳米单元的长宽比以及旋转角度能够实现对波前的精确控制。超表面在波长为632.8 nm的左旋圆偏振光照射下,能够产生多个微米级的局域空心光束,并且可以通过控制环形障碍物的尺寸来改变产生局域空心光束的数量。该超表面透镜也可以通过改变相对孔径值(RA)来控制局域空心光束的横向和纵向半峰全宽的尺寸,进而产生所需尺寸的阵列局域空心光束。

为了研究空心光束在非Kolmogorov湍流传输路径上的区域范围与各参量之间的关系及不同区域内光束的扩展情况, 采用广义惠更斯-菲涅耳原理推导了空心光束传输于非Kolmogorov湍流中的二阶矩宽度、瑞利区间及湍流距离的解析式, 并利用湍流距离把传输路径分割为3个区域进行数值分析。结果表明, 区域Ⅰ、区域Ⅱ的长度及区域Ⅲ的起始点都随湍流广义指数α的增大而先减小再增大（当α=3.11时出现一个极小值）, 且随遮拦比η和光束阶数M(及N)的增大而增大; M(及N)取值较小时（M(及N)<3）, 湍流在瑞利区间内对光束扩展造成的影响不能忽略, M(及N)和η越大, 越容易忽略湍流在瑞利区间内对光束扩展所构成的影响; 光束在传输路径上依次进入区域Ⅰ、区域Ⅱ及区域Ⅲ,其光束扩展逐渐变得更加剧烈, 且随着M(及N)和η的增加, 区域Ⅱ长度和区域Ⅲ的起始点相较于区域Ⅰ的长度增加更为显著。该研究结果为空心光束传输于湍流中的相关应用提供了参考。

在传统的轴棱锥-透镜光学系统中,产生局域空心光束的入射光一般为圆高斯光束。随着局域空心光束的系统多样化和应用多样化,研究具有特殊形貌的初始光束对局域空心光束的调控有重要的意义。圆高斯光束被多边光阑调制为特殊形貌的多边形光束,经过轴棱锥-透镜光学系统后产生局域空心光束。利用不同多边光阑,包括正三角形、正方形及正六边形,调控光学系统中的光场分布,并通过理论研究和实验测量得到光阑后的衍射光场变化。结果表明,利用多边光阑调控光场,产生的局域空心光束具有多个局部缺失部分。这些缺口的形成,对于多粒子捕获和精准捕获具有潜在的应用价值。同时,也对局域空心光束的多功能应用具有重要意义。