摘要: 随着光学技术的不断发展，传统的具有空间均匀偏振态分布的标量偏振光束在现代光学系统中的应用上展现出一定的局限性。近年来，一种同时具有偏振涡旋和相位涡旋的新型结构光束引起了学者们的广泛关注，这种横截面上偏振态能随空间位置变化而不断变化... 展开 随着光学技术的不断发展，传统的具有空间均匀偏振态分布的标量偏振光束在现代光学系统中的应用上展现出一定的局限性。近年来，一种同时具有偏振涡旋和相位涡旋的新型结构光束引起了学者们的广泛关注，这种横截面上偏振态能随空间位置变化而不断变化并且携带有轨道角动量的光束被称为矢量涡旋光束。有关矢量涡旋光束的产生方法已经被广泛研究，该光束所具有的独特的光学特性也被应用于各大领域。本文以矢量涡旋光束为研究对象，利用马赫-曾德尔干涉仪与液晶空间光调制器所组成的实验光路，实现了对光束拓扑荷数以及偏振方位角和椭圆率角度的调控，同时研究了矢量涡旋光束在ABCD光学系统以及大气湍流中的传输特性。主要工作内容如下： (1)本文对矢量涡旋光束的基本概念、相关研究背景与意义进行了介绍。列举了目前常用的几种矢量涡旋光束的产生方法并对各自的优点与不足进行了比较。分析了矢量涡旋光束的光学特性以及在现代光学系统中的几种典型应用。 (2)本文介绍了描述光束偏振态的三种主要方法：琼斯矢量法，斯托克斯矢量法以及庞加莱球图示法。分析讨论了三种方法的适用范围以及相互之间的转换关系。在本文所产生矢量涡旋光束的实验光路中，利用液晶空间光调制器可以改变光束的拓扑荷数，通过旋转马赫-曾德尔干涉光路中的半波片可以改变产生光束的偏振方位角以及椭圆率角度。基于斯托克斯系数法，绘制出了所产生光束的局部位置偏振态分布图。 (3)本文对矢量涡旋光束在傍轴ABCD光学系统中的传输特性进行了研究。基于柯林斯公式，推导出了矢量涡旋光束在自由空间、傅里叶变换系统、分级傅里叶变换系统以及圆孔分级傅里叶变换系统中的传输电场表达式。分析表明，矢量涡旋光束在光学系统中的传输特性受到光束本身参数以及光学系统中相关参数的共同影响。 (4)本文研究了柱对称矢量部分相干光束经圆孔衍射后在大气湍流中的传输特性。基于惠更斯-菲涅尔积分公式，推导出了柱对称矢量部分相干拉盖尔-高斯光束经圆孔衍射后在大气湍流中的交叉谱密度矩阵解析式，研究了柱对称矢量部分相干光束在大气湍流中的平均强度、偏振度和相干度。分析表明，圆孔衍射效应和大气湍流对柱对称矢量部分相干光束的演化、偏振和相干特性有很大影响。 收起