光子都携带有自旋角动量,同时还可能携带轨道角动量,而具有轨道角动量的光束被称为涡旋光。涡旋光的种类很多,椭圆涡旋光是其中一种比较特殊的类型,其光场失去了圆对称性,某些性能得到了提升,如抗空气扰动和控制微粒的能力增强,因此可以应用于空间光通信和微粒控制领域。本文重点关注如何用最便捷有效的方法产生和控制涡旋光束,特别是椭圆涡旋光,思路是根据空间光调制器能对光束波前调制的特性,利用其中加载的多器件等效合成全息相位图来实现涡旋光束的生成和调控,主要的工作内容包括:(1)引入等效圆对称螺旋透镜的概念,给出了等效圆对称螺旋透镜的设计思路:将球透镜、螺旋相位板和光阑等效叠加,同时给出了叠加过程的公式描述并利用MATLAB程序进行相位生成仿真,得到了对应的相位灰度图。接着通过MATLAB软件仿真了平面波穿过等效圆对称螺旋透镜的物理过程,仿真结果表明生成的光束为汇聚的涡旋光,光束的焦距等于叠加球透镜的焦距,光场的横截面光强形状为圆环,环的半径可以由改变等效螺旋透镜的拓扑荷数、焦距或者叠加光阑的半径来调节。(2)在等效圆对称螺旋透镜组成中添加锥透镜,得到等效完美圆对称螺旋透镜。当入射光束为高斯光时,利用透射函数和菲涅尔-惠更斯积分公式,计算得出出射光束为完美涡旋光,在等效完美圆对称螺旋透镜的焦平面上,光环的半径与拓扑荷数无关,取决于焦距和锥透镜锥角。用MATLAB软件仿真,结果印证了上述结论,仿真的内容还包括产生的完美涡旋光相位分布及其与高斯光束干涉的光场分布,相位和干涉光强的条纹揭示了完美涡旋光场的拓扑荷数。将完美圆对称螺旋透镜的连续变化相位分布变换为有半波突变的相位分布,得到了带缺口的完美涡旋光场,半波突变的位置决定了缺口的位置。(3)用椭圆型的螺旋相位板、透镜和光阑替代等效圆对称螺旋透镜中的螺旋相位板、球透镜和光阑,得到等效椭圆螺旋透镜,当入射光束为平面波时,公式推导的结果表明,出射光束是汇聚的,光场中有厄米项且相位是螺旋分布的,所以该光场为椭圆涡旋光,MATLAB仿真结果证明了这个结论。仿真结果还显示,当椭圆光阑为小孔径时,等效椭圆螺旋透镜的焦平面上光场的光强分布为椭圆环;当椭圆光阑为大孔径时,光强分布为明暗相间的条纹,暗条纹数或明条纹数减一等于拓扑荷数,这是汇聚椭圆涡旋光束的自检测特性。(4)搭建实验光路,验证关于椭圆螺旋透镜的公式推导和MATLAB仿真结果,实验和仿真的结果非常吻合,证明了前期工作的正确性。