随着激光光束应用技术的发展,具有特殊形状的光束,特别是中空光束,因其横截面上的光强分布具有中空的特点,因而在非接触式光学捕获及操控领域,尤其是粒子的诱捕及传导方面,具有举足轻重的地位,并能够为其它交叉学科提供新的研究手段。本论文基于对中空光束的研究,通过对光学衍射元件的设计,引入传输过程中光强分布呈现螺旋轮廓的高阶螺旋贝塞尔光束,以及具有自重建特点的螺旋贝塞尔光束,并提出了具有中空特点的中空双曲正弦高斯光束,随后又进一步将光束傍轴领域的研究推广到非傍轴光束的研究,基于虚点源的方法,推导了旋转对称洛伦兹高斯光波傍轴解及非傍轴解的解析表达式以及光束非傍轴解的前三阶修正表达式。主要研究成果如下:　　(1)本论文研究了一种新型衍射光学元件轴锥体透镜,通过对该元件的设计,将带有孔径的轴锥体与全息片相结合,采用单环拉盖尔高斯光束为入射光束,实现任意阶贝塞尔光束的螺旋传播。在自由空间的传播过程中,螺旋贝塞尔光束不同于以往的沿光轴直线传播,而是呈现出围绕光轴的螺旋型传播方式。论文中推导了螺旋贝塞尔光束光场分布的解析表达式,采用菲涅尔衍射的方法进行了数值模拟。生成的光束在螺旋传输过程中,零阶螺旋贝塞尔保持中间光强极大的特点,而高阶螺旋贝塞尔光束在绕着光轴做螺旋传播的同时呈现中空的特点。通过对这种光束稳定性、传播长度的研究发现,可以通过调整轴锥体透镜和全息片的参数,来控制螺旋贝塞尔光束的螺旋半径和螺距大小,并可以通过对输入单环拉盖尔光束阶数的调整来控制生成光束中空半径的大小。这种螺旋传播的光束能够绕过轴上障碍物,实现粒子的特殊操控和传输,另外,在衍射元件中心制作小孔,可实现粒子在不同类型光束中的传输。　　(2)本论文将轴锥体透镜与特殊的螺旋片相结合,设计了新型螺旋轴锥体透镜。采用拉盖尔高斯光束照射此螺旋轴锥体透镜,实现了拓扑荷值可任意控制,并能在传播过程中实现自我重建的任意阶螺旋贝塞尔光束。这种光束具有在特定传播位置上消失,而后自我重建其螺旋传播的特性,这使得自重建型螺旋贝塞尔光束不仅可以绕过轴上的障碍物,而且能够穿过位于光束消失处的障碍物。通过菲涅尔衍射的数值模拟,对光束稳定性、传播长度、拓扑荷值以及螺旋特性的研究发现:对于给定的输入光束,螺旋轴锥体透镜的拓扑荷值决定自重建型螺旋贝塞尔光束的阶数、中空半径的大小,以及光束波前旋转方向和拓扑荷值的正负和大小。只需调整螺旋轴锥体透镜参数,即可同时实现对光束螺旋特性,以及与其中空半径尺寸有关的拓扑值的多重控制。通过调整螺旋轴锥体透镜的半径,实现对自重建型螺旋贝塞尔光束传播长度和旋转圈数的控制。该设计能够独立改变轴锥体透镜以及螺旋片的参数,即可控制生成的自重建型螺旋贝塞尔光束,从而脱离了对入射光束的依赖,为生成的光束提供多种控制途径。　　(3)本论文提出了中空光束的新模型,中空双曲正弦高斯光束。不同于传统双曲正弦高斯光束的点状光强分布,中空双曲正弦高斯光束横截面上的光强分布为圆形亮环,呈现中空的特点。圆形亮环半径的大小随光束阶数增大而变大。通过设置纵轴和横轴上不同束腰半径,可以实现椭圆型中空双曲正弦高斯光束。基于柯林斯积分,得到了中空双曲正弦高斯光束通过傍轴ABCD光学系统的光场分布解析表达式。采用菲涅尔衍射方法,模拟光束在自由空间中的传播,分析其传输特性。研究发现:中空双曲正弦高斯光束并非由单一模式的光束,由合流超几何高斯模式叠加而成。在特殊情况下,中空双曲正弦高斯光束可分别由高斯模式、拉盖尔高斯模式、修正拉盖尔高斯模式叠加而成。在保持中空的条件下,光束传输距离随着阶数增大而变远。因光束由不同模式叠加而成,这些不同的模式在传播中发生不同的演变,互相交叠干涉,使得在一定传输距离上,中空强度分布消失。另外,光束阶数越大,越容易产生复杂的强度分布。　　(4)本论文研究了旋转对称洛伦兹高斯光束。研究发现,该光束可由一族偶数阶厄米高斯光束叠加而成。基于光束叠加原理,得出了旋转对称洛伦兹高斯光束的虚点源,研究了光束的非傍轴传播特性。从该光波的封闭解出发,得到了旋转对称洛伦兹高斯光波傍轴解及非傍轴解的解析表达式,光束非傍轴解的前三阶修正表达式。通过数值模拟,对各阶修正非傍轴旋转对称洛伦兹高斯光束,傍轴旋转对称洛伦兹高斯光束,以及旋转对称洛伦兹高斯光波的精确解进行了比较和分析。