涡旋光束又称光学涡旋,是一种具有孤立奇点的光场,即空间偏振奇点或者空间相位奇点,因此强度分布为中空环形分布。按照携带奇点类型的不同,常将其分为偏振涡旋光束和相位涡旋光束。偏振涡旋光束也称为轴对称偏振光束(CVBs),具有偏振奇点,主要包括角向偏振光和径向偏振光,具有环形电场分布和强纵向聚焦特性,在超分辨成像、等离子激发、单分子光谱、激光加工、粒子加速、光通信、粒子的光学捕获等应用领域有着独特的优势。相位涡旋光束也称为轨道角动量(OAM)光束,具有相位奇点,其相位波前具有螺旋分布的特点,数学表达式中包含螺旋相位项exp(ilθ),每个光子携带OAM的值为lh(l表示拓扑荷),且理论上具有无限正交态。以上特性使其在光镊、光学操纵、光学捕获、光学扳手、显微成像、量子信息处理和光通信等领域有着潜在应用。鉴于涡旋光束的广泛应用前景,产生与检测涡旋光束显得很有意义。产生CVBs和OAM光束的方法有很多,可以通过激发柱对称波导的本征模的方式得到,或者利用线偏振的HG01和HG10相干叠加得到。对于CVBs而言,还可以利用亚波长光栅、半波片组、空间光调制器等空间偏振转化器,实现偏振转化。对于OAM光束而言,还可以利用螺旋相位片、空间光调制器、柱透镜对、q玻片等实现螺旋相位的获得。相比之下,利用光纤来激发涡旋光束,结构简单、易于集成、成本低廉。由光纤模式理论,少模光纤的本征解中,LP11模包含的四个简并模也就是TM01、TE01、HE21even/odd模,分别对应着径向、角向、混合态偏振光。因此通过激发少模光纤中的高阶模,再辅以一定的选择元件,即可实现径向偏振和角向偏振光的选择输出。另外混合模叠加HE21even±iHE21odd=OAM±1,也可以实现OAM光束的产生。现有的大部分光纤方案是利用错位耦合或模式选择耦合器产生LP11模式,具有较高的插入损耗,限制了激光器的效率,为解决这个问题,我们引入长周期光纤光栅提高激光斜率效率。在涡旋光束的产生和应用过程中,需要知道它的态,也就是对其进行检测。对于CVBs的检测,较为简单,只需要让光束通过一个线性偏振片并旋转即可。对于OAM光束的检测,方法有如:球面波干涉法、孔径衍射法、光栅衍射法等。各有优缺点,比如:干涉法很直观,需要两个干涉臂;孔径衍射法结构很简单,需要严格正对准;一般的光栅衍射法也较为直观,有些存在衍射效率低或者检测阶次受限等问题,基于此,有必要对OAM光束的检测进一步探讨。本文的主要研究工作与成果如下:1.搭建了高效率、低阈值的连续涡旋光束光纤激光器,将长周期光纤光栅(LPFG)引入激光腔内作为模式转换器,因其具有高模式耦合效率和低插入损耗的优点,可以有效地提高激光效率和降低激光阈值。实验上实现的激光斜率效率可达35.41%,阈值为24.5 mW,在泵浦功率为225 mW时激光输出功率为72 mW,实验上获得CVBs和OAM光束的模式纯度皆超过98%。2.搭建了高效率、谐波可调主动锁模涡旋光束光纤激光器。仍采用LPFG作为模式耦合器件,同时利用电光调制器实现主动谐波锁模。对于基频、5次、10次、40次谐波锁模而言,激光斜率效率分别为10.24%、10.85%、11.38%、12.61%,实验上获得的CVBs和OAM光束的模式纯度皆超过97%。3.提出一种由MSC和椭圆包层光纤组成的OAM光束转换器,模拟实现了高斯光束到拓扑荷为l=±1～l=±3的OAM光束的高效率转换,转换效率接近100%。其中MSC实现LP01到高阶LP模式的耦合,椭圆包层光纤引入两个正交简并模的相位差,进而产生OAM光束。4.提出基于扇形衍射屏的OAM光束的检测方案,OAM光束通过衍射屏幕的远场衍射图携带OAM光束的信息,点数等于OAM光束拓扑荷的数目,取向表示OAM光束的拓扑荷的正负,实验上实现了拓扑荷高达l = ± 10的OAM光束的测量。该方案具有结构简单、价格低廉、不需要严格中心对准等特点。5.提出基于径向相位光栅的OAM光束检测方案,OAM光束通过径向相位光栅的远场衍射图携带其相关信息,暗纹数目表示拓扑荷的数目,取向表示拓扑荷的正负。实验上实现拓扑荷高达l=± 120的OAM光束的测量,对光栅参数和对准要求不严格,衍射效率接近100%。本文的创新点:1.提出了一种提高涡旋光束光纤激光器斜率效率的方法,将具有高耦合效率和低插入损耗特点的长周期光纤光栅引入激光腔内作为模式转换器。基于此,我们首先实现了连续涡旋光束的高效率产生。进一步的,结合电光调制器,实现高效率、谐波可调的CVB和OAM锁模脉冲输出。2.模拟并设计了一种OAM光束转换器,其由模式选择耦合器和椭圆包层光纤组成,可以将高斯光束转换为拓扑荷为l=±1～l=±3的OAM光束,模式转换效率接近100%。3.基于扇形屏幕和径向相位光栅的远场衍射特性,我们提出利用扇形屏幕和径向相位光栅检测OAM光束的方案。这两个方案的衍射效率皆接近100%,同时具有结构简单、易操作、对准要求不严格等特点。其中径向相位光栅方案还具有可扩展性的特点,实现拓扑荷高达±120的OAM光束的检测。