摘要: 涡旋是自然界中普遍存在的现象，从液氮中的量子涡旋到海洋环流和台风涡旋，甚至到宇宙空间的涡旋星系，不但宏观世界中存在着涡旋现象，而且光场中也存在着涡旋结构。这种具有螺旋相位波前和轨道角动量的光束，揭示了宏观物理光学和微观量子光学之间... 展开 涡旋是自然界中普遍存在的现象，从液氮中的量子涡旋到海洋环流和台风涡旋，甚至到宇宙空间的涡旋星系，不但宏观世界中存在着涡旋现象，而且光场中也存在着涡旋结构。这种具有螺旋相位波前和轨道角动量的光束，揭示了宏观物理光学和微观量子光学之间的微妙联系，被广泛应用于光学微操纵、超分辨成像以及光与物质的相互作用领域。为进一步拓宽涡旋光的应用领域，揭示更多微观和宏观的物理本质，对涡旋光场的振幅、相位和偏振的灵活调控，这些年成为了一个研究热点。本文主要研究了特殊涡旋光场的生成与调控和涡旋在边缘增强中的应用。 在涡旋光束中引入轴棱锥相位，可以将其转换为一种光束半径尺寸不受拓扑电荷数目影响的“完美”涡旋光。在此基础上提出了同心完美庞加莱光束的概念，它是在同心环模式下同时包含三种偏振结构的新型光场，这三种偏振态分布分别可以用庞加莱球，高阶庞加莱球以及混合阶庞加莱球来表示。同时设计了一种操作方便且普遍适用的实验方案来生成该光束，并且验证了该方案的可行性。它有效克服了完美涡旋的模式单一的缺点，丰富了完美涡旋的模式分布，拓宽了完美涡旋在微操纵、光通信等领域中的潜在应用。 从涡旋光束拓扑电荷的积分定义式出发，利用积分的可加性原理对定义式中的积分区间做分解处理，通过控制拓扑荷的积分区域来实现对相位分布的任意调控，从而获得可控相位分布的非规范涡旋光束。但是由于涡旋光束半径大小与拓扑荷有关，任意可控的相位分布会导致光束的形状不规则分布，为保持涡旋光束的环形结构，可将涡旋光束转化为完美涡旋光束来解决上述问题。基于上述内容，理论解析了非规范完美涡旋光束的表达式，实验生成了具有可控相位分布的非规范标量完美涡旋光束和具有可控偏振变化率的非规范矢量完美涡旋光束。该技术为光束整形、光镊等领域的应用提供了一种新型结构的涡旋光场。 提出了一种基于希尔伯特变换的类贝塞尔振幅调制复合涡旋滤波器，它能够实现无阴影效应和低背景噪声的各向异性边缘增强。通过抑制系统点扩散函数的旁瓣，可以减少影响图像质量的背景噪声，从而有效地提高图像对比度。通过保持滤波过程的径向对称性，可以完全消除阴影效应，从而使边缘更清晰并提高图像分辨率。通过在两个相反拓扑荷的涡旋滤波器之间引入权重因子，使得边缘增强的幅度可控。数值模拟和实验结果证明，相较于以往的各向异性滤波器，所提出的滤波器对相位和振幅型物体均实现了更高的边缘增强对比度。 收起