涡旋光束的波前相位结构呈螺旋形,因此具有轨道角动量,并且光束中心的光强为零,存在相位奇点。这一特性和光镊技术结合可以实现对微粒的旋转,避免了因传统操作方式对微粒产生的损伤,这种新型光镊被称为“光学扳手”。同时,不同拓扑荷值的涡旋光模式具有正交性,从而可以利用涡旋相位这一新的自由度发展光通信中新的复用技术,提高光通信的传输容量。由于涡旋光新颖的相位特性,其在光学成像、生物医学和光通信等领域有广泛的应用前景。因此,我们有必要去研究如何产生高质量的涡旋光束以及它的产生方法和涡旋光束在各种介质中的传输机理。通常涡旋光束都是在体光学的范畴实现的,但涡旋光通信需要研究光纤中涡旋模式的产生和传输。本论文主要研究在几十微米的小尺度下涡旋光的制备方法和传输过程。论文给出了一种新颖的在光纤端面刻蚀螺旋相位板产生涡旋光的方法,并进行了参数设计和仿真模拟。论文中也研究了拉盖尔高斯光束在梯度折射率多模光纤中的传输过程,分析了光纤中涡旋模式的激励机制,给出了贝塞尔涡旋模式激励的理论模型,并进行了仿真验证。最后研究了超强超短涡旋光脉冲在nm级超薄等离子体平板中的传输,分析了传输过程中的超快动力学过程。论文的主要内容如下:1.对涡旋光的产生方法和理论模型进行了介绍。总结了经典近似下的涡旋光场的方程描述,分析了涡旋光的基本特性,并介绍了几种常见的涡旋光的产生方法:螺旋相位板法,模式转换法,计算全息法和空间光调制器法。2.提出了一种在光纤端面采用刻蚀方法制备螺旋相位板的方法。在光纤端面一定厚度范围内,根据有效折射率原理,由目标折射率分布选定刻蚀槽的宽度,实现随角度均匀增加或者减少的有效折射率。利用这种螺旋相位板在光纤中获得了不同阶次的涡旋光束。分析了刻蚀型螺旋相位板的原理,给出了具体的参数设计方法,并采用时域有限差分数值模拟对具体的参数方案进行了验证。仿真结果表明,采用刻蚀型螺旋相位板可以在多模光纤中有效的产生最高到4阶的涡旋模式。3.给出了多模光纤中贝塞尔涡旋模式的基本形式,分析了拉盖尔高斯光束由空气从光纤端面进入多模光纤时光纤中贝塞尔涡旋模式激励的基本原理。理论分析了给定拉盖尔涡旋模式时光纤中贝塞尔涡旋模式的能量分配比例。研究发现贝塞尔涡旋模式的能量比例与聚焦的焦斑大小有关,在特定焦斑大小时,可以将绝大部分能量耦合到单一贝塞尔涡旋模式中。利用时域有限差分方法对提出的模式耦合理论进行了仿真验证。模拟了焦斑大小为ω0=8μm,ω0=9.2μm和ω0=4μm的传输情形,数值仿真结果和理论模型的预测具有非常好的一致性。4.论文研究了超强超短涡旋光脉冲在等离子体薄膜介质中的传输。研究结果表明,透射光脉冲能够很好的保持涡旋结构,因此薄膜可以作为超高速光开关来滤除涡旋光的预脉冲。薄膜减短了透射脉冲的时间宽度,使其空间分布也相应变小,但透过的主脉冲仍能保留较多的能量。和无涡旋相位的高斯光束的传输过程进行了对比,有涡旋时被光脉冲俘获的电子具有净的角动量,而高斯光束时则几乎没有净角动量。涡旋场情形下,具有净角动量结构的电子束能够随着光脉冲向前传播,由此获得了一种具有轨道角动量分布的电子束结构。