论文摘要
涡旋光束的研究和应用近年来引起了许多学者的广泛兴趣,并产生了现代光学的一个新分支——奇点光学。涡旋光束中的波前位错（亦称相位奇点）的振幅为零且相位具有不确定性,这种光束可以通过空间光调制器或空间相位片产生,而且涡旋光束还具有轨道角动量,能够应用于粒子的捕获和旋转等领域。暗核光涡旋还可以成为产生光涡旋镊子的物理仪器。涡旋光束的独特性质使奇点光学有着广泛的应用前景。因此,对涡旋光束的传输特性的研究具有重要的理论和实际意义。本论文首先介绍了研究光束深聚焦的矢量Debye衍射积分理论。由于非零阶贝塞尔-高斯光束为涡旋光束的一类,本论文以非零阶贝塞尔-高斯光束为主要研究对象,分析了其在多种条件下的深聚焦特性。研究了圆柱偏振贝塞尔-高斯光束经高数值孔径透镜的聚焦特性。推导了圆柱偏振贝塞尔-高斯光束经高数值孔径透镜聚焦的光场表达式,并用数值计算分析了各相关参数对焦面及焦点附近光强分布的影响。通过控制各相关参数的取值,改变透镜聚焦区域的光场分布,获得了有广泛实际应用并具有涡旋性质的局域空心光束和平顶光束。对涡旋光束经介质面和单轴双折射晶体的深聚焦特性进行了研究。对于线偏振涡旋光束经介质面的深聚焦,通过数值计算详细分析了焦点附近的光强分布,讨论了透镜的数值孔径和探测深度对焦移的影响。此外,还分析了光束截面的光强分布随传输距离z的变化规律。对于径向和角向偏振涡旋光束经介质面的深聚焦,分析了数值孔径对聚焦光斑和聚焦光孔的半值全宽的影响。对于径向和角向偏振涡旋光束经单轴双折射晶体的深聚焦,在小双折射率的近似条件下,通过数值计算,分析了焦点附近及实际焦面附近的光强分布,研究了焦移随数值孔径和双折射率的变化规律。此外,还讨论了双折射率的变化对实际焦面内的Strehl比值的影响。对于部分相干贝塞尔-高斯光束经高数值孔径透镜的聚焦,推导了焦点附近的光强分布表达式、相干度和偏振度表达式。通过数值计算,分析了各相关参数对聚焦区域内光强分布、相干度和偏振度的影响。结果表明,入射光束的有效相干长度和聚焦透镜的最大数值孔径角的取值变化都会对光强分布、相干度和偏振度产生影响。研究还发现入射的线偏振光场经高数值孔径透镜聚焦后会被去偏振。推导了深聚焦涡旋光束的光场和轨道角动量的表达式,研究了深聚焦涡旋光束的相位和轨道角动量分布。通过等相位线图,特别分析了聚焦后光场的x方向分量的相位分布。此外,还分析了聚焦透镜的数值孔径对焦平面内等相位线分布和轨道角动量分布的影响。根据轨道角动量沿z轴的分布特点,发现涡旋光束的轨道角动量的最佳应用位置为焦平面附近。