拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian,简称LG)光束是傍轴波动方程在柱坐标系下的本征解。本征解中包含有两个指数:角向指数l(取任意整数)和径向指数p(取大于等于0的整数),可以区分不同的LGlp模式。所有的LGlp模式构成了一组正交完备的基矢,任何一个标量光场都可以用LG模式的叠加来表示。它的出现要归功于20世纪60年代激光器的出现和发展,因为圆形腔镜构成的激光器谐振腔的模式本征解也是LG模式。然而,由于不同手性(l值符号相反)的LG模式在激光器谐振腔中是简并的,难以直接产生理想的LGlp光束,这也限制了LG光束地发展。1992年,随着LG光束中的螺旋相位eilφ被发现包含有光子轨道角动量(Orbital angular momentum of light,简称OAM),LG光束再次受到重视。角向指数l也被称为拓扑荷,用来区分不同OAM。在过去25年的发展中,相关研究覆盖了携带有OAM的LG光束的产生、应用和探测等各个方面,而OAM也被广泛地应用到光镊和光操控、光通讯、量子信息、非线性光学、光学测量等领域。其中,OAM的无限带宽可极大提高光通讯数据容量,能否对OAM进行高效地探测至关重要。随着LG光束往精密测量领域的发展,以及光通讯和量子信息中对p指数的关注,高纯度的LGlp光束也成为了当前的研究热点,因为它可以减小测量和探测的不确定性。然而,产生高纯度的LG光束仍然面临着巨大的挑战。本文相关研究围绕着OAM的探测和高纯度LGlp光束的产生展开,内容包括:1.设计单个亚波长金属孔探测OAM。近年来利用微纳加工技术,微型的OAM产生器件被相继报道,这推动了OAM在集成光子芯片上的发展。但可集成OAM探测器件却仍然面临着巨大的挑战。为了使探测装置能与微型的OAM产生器件或者传输OAM的光纤相匹配,本文设计了一个可集成化的探测器件:位于金薄膜上的单个亚波长小孔,采用自参考干涉方法探测OAM。该器件尺寸小、加工简单、易于集成,且对OAM的探测具有较大的容错能力,可以避免加工误差和环境变化对探测效果的影响。自干涉方法又使得该器件可以对OAM进行实时监控或测量其他特殊光束。2.设计螺旋极化非线性光子晶体探测近红外OAM光束。OAM应用到近红外探测和信息传送领域,可拓展近红外光的探测功能(如旋转物体探测)和信息传输容量。相应地,需要配套的器件对红外OAM进行探测。这可以通过非线性光子晶体的频率转换和相位调制功能来实现。根据非线性全息原理,我们设计了一个螺旋极化的铌酸锂非线性光子晶体。晶体的正负铁电畴使产生的二次谐波具有π相位差,可以使入射的基频高斯光在设计的焦点处形成聚焦的二次谐波涡旋光。该晶体携带的拓扑荷可以用于抵消入射光的OAM信息,从而使聚焦位置处变成一个二次谐波亮点,实现对近红外OAM光束的接近无损探测。非线性光子晶体均一的折射率使得没有转换的基频光可被下一级光路利用。3.设计一台直接输出高纯度LGl0光束的固体激光器。被动方式产生的LG光束一般纯度不高,主动方式产生LG光束可提高纯度,但却受限于不同手性的LGlp光束的简并。我们采用腔内模式转换的方式,将被动方式和主动方式相结合,搭建了一台可输出高纯度LGl0光束的集成化YVO4固体激光器。腔内模式转换通过自旋角动量与OAM之间的相互转换实现,克服了 LGlp模式在激光器谐振腔中简并。拓扑荷l可以通过改变谐振腔中的涡旋半波片和四分之一波片进行控制。产生的LGl0和LG20光束的纯度分别达到了 97%和93%,斜效率分别为11.0%和5.1%。谐振腔的设计简单,可以方便地扩展到高阶LGlp光束以及柱对称矢量光束的产生。该集成化的激光器具有低阈值、高效、可控等特点,可以应用到超分辨成像、高精度测量(如引力波探测)、高容量光通讯(如LGlp多通道复用)、高维量子纠缠等领域。4.将腔内模式转换的方式应用到光参量振荡器中,获得了高纯度的LG110和LG20光束,波长调谐范围为900±20nm。改进谐振腔,获得了波长调谐范围为900±50 nm柱对称矢量光输出。这拓宽了高质量LG光束和矢量光束的波长范围,使其可以应用到更加广泛的领域当中。