随机散斑场是相干光波经过随机介质或随机表面散射后而形成的一种复杂的随机光场。理论和实验证明散斑场中散斑颗粒和光强零点的个数相等，所以在散斑场中有大量的相位奇异。光强零值点处的相位都不能确定，光强零值点称为相位奇异点，相位奇异点也叫光学涡旋，散斑涡旋的类型在光学涡旋中也最为复杂和最具代表性，散斑相位涡旋的研究在光学奇异的研究中具有引领作用。其普遍存在于众多物理领域之中，诸如氢原子的角动量本证态、II型超导体的迈斯纳态、超流体的涡旋状态、波色—爱因斯坦凝聚和晶体学等领域，并在光学微控、量子纠缠、信息传输等众多等领域也得到了重要而广泛的应用。近几年来，由于相位奇异现象具有潜在的应用价值，使得人们对相位奇异的研究兴趣迅速增加。然而，现有文献都仅限于散斑光场实部和虚部零值线相交而形成的相位涡旋。众所周知，由于散斑场的复杂性，其实部零值线和虚部零值线还可以相切、重合。研究随机散斑场相位涡旋的性质不仅是散斑相位涡旋中的新课题，而且对于物理学其它领域的光学涡旋现象的研究具有先导意义，并对相关的光学和物理前沿领域中奇异现象的研究有重要应用前景。　　本学位论文结合了高斯随机表面散射形成的散斑场及其相位奇异现象的前沿领域最新成果的理论和方法，在连续相干激光光波照明，对方形孔径在夫朗和费面上形成的高斯随机散斑场及其实部和虚部零值线相切和重合情况下形成的相位奇异特性进行了详细研究；对方形环孔径和圆环孔径在夫朗和费面上形成的散斑场及其由实部和虚部零值线复杂相切相交情况下形成的相位奇异特性进行了研究；研究了多孔径径随机散射屏在远场平面上形成的局部区域的散斑场中光强亮斑及其相位奇异点的规则分布；研究了四孔径衍射屏在菲涅尔深区形成光场及其相位奇异等进行了一系列创造性的研究工作；最后，对拉盖尔-高斯光束通过多圆孔径形成的干涉光场的相位和零值线的分布，讨论了入射光束的轨道角动量和多条零值线相交点形成的相位奇异点拓扑荷的关系。本文的结果可以帮助我们更好地了解物理学各领域的相位奇异点周围的相位分布，在光开关、光学数据存储、微观粒子的操纵、保护眼睛的光限幅、散斑涡旋现象在地质冰层探测、医学检查和宇宙探索等领域应用前景等领域都有应用。概括起来，本学位论文取得了以下主要成果:　　1.通过对二维高斯相关随机表面在夫朗和费面上产生的随机散斑场及其相位的计算模拟，得到散斑场的实部零值线和虚部零值线，并得出散斑场的相位等值线的分布。通过对散斑实虚部零值线的分析，发现在某一平面上，除了实部零值线与虚部零值线的传统的相交之外，还有相切和重合的情况。研究了零值线相切和重合附近的相位等值线特征，因为零值线切点和重合处光场振幅也等于零，因此，在这些位置也可以形成相位奇异。研究了零值线相切和重合处等值线的闭合特征及其引起的相位奇异点附近独特的相位跃变特征；发现其周围的相位分布与传统的实部零值线与虚部零值线相交形成的奇点周围相位的螺旋变化不同，呈现出对称性和不连续性的特征。随着光波的传播，在不同的观察面上，散斑场复振幅的实部零值线和虚部零值线的相对位置经历了由相切到重合再到相交的演变过程，相位奇异现象也随之发生变化。并且验证了这零值线相切和重合处的相位奇异现象并不是表面粗糙度所造成。最后分析了它们形成的机理。　　本文也为不同应用要求下的散射场仿真提供了很好的手段，为准确理解和分析相位涡旋现象形成的原因提供了实验观察的依据，并对散斑相位涡旋的研究有重要意义。　　2.在实验过程中，利用参考光和随机散射光相干涉，提取了方形环孔的散斑场复振幅的实部和虚部，同时在理论上通过对方形环孔和圆环孔在远场平面上形成的散斑场及其相位的数值计算得到散斑场相位的分布和零值线分布图，发现在某一平面上实部和虚部零值线的位置关系出现了复杂相切相交的情况，即两条实部零值线(或虚部零值线)本身相切，同时又会与虚部零值线(或实部零值线)与之相交或相切的情况，复杂相切相交点光场振幅为零，因此也形成相位奇异，并且其周围相位分布与传统的实部零值线与虚部零值线相交形成的相位奇异点周围相位的螺旋变化不同，呈现出对称性和不连续性的特征。方形环孔和圆环孔形成的散斑场的散斑颗粒分布与传统方孔的不同:受散射孔径的调制分别排成水平与竖直的条纹状轮廓和类似于圆形的轮廓，有趣的是:在散斑场的局部光强图中出现了很多类似于圆形的黑暗区域，我们称其为“光强暗核”，其中心对应着一个相位分布较均匀的涡旋。　　随机散斑场中特殊相位涡旋的性质不仅对散斑相位涡旋的研究有重要意义，对相关的光学和物理前沿领域中奇异现象的研究也有重要应用前景，而且对于光学涡旋现象的研究具有先导意义。　　3.通过对多孔径随机散射屏在夫琅和费面上形成的散斑场及其相位的计算模拟，发现在某一观察面上，在双圆孔形成的散斑场的相位分布图中，正负相位涡旋分层排列，相位分布多为条带状区域，并在某些位置有位错现象；在三圆孔和四圆孔形成的局部散斑场强度图中，有很多呈类圆形的亮斑，相邻的两个亮斑之间有一个相位涡旋，在相应的相位分布图中，出现了正负相位涡旋列，相位区域的形状多为不规则的四边形或六边形，调节散射屏前孔径上圆孔的相对位置，亮斑或相位涡旋的相对位置随之改变。　　这对研究相位涡旋的本质结构和散斑场的新规律和新的奇异现象具有重要的意义，并且对多圆孔干涉仪有重要应用。本文也为不同应用要求下的散射场仿真提供了很好的手段，为准确理解和分析相位涡旋现象形成的原因提供了实验观察的依据。　　4.利用基尔霍夫衍射理论计算了四圆孔径衍射屏在菲涅尔深区形成的光场强度、零值线和相位的分布，发现衍射光场亮斑关于中心呈对称分布，在距离衍射屏较近的观察面上，光强值为零点组成光强零值线段，该线段上光强等值线的离心率都接近或等于1，其两侧的光强值变化非常剧烈。复振幅的实部和虚部零值线多为封闭的曲线，零值线交点的个数为偶数，并且正负奇异点的个数相等。特殊相位奇异点周围的相位不仅呈对称分布，而且该点的拓扑荷出现了奇异现象。随着光波的传播，在不同的观察面上，光强零值线段逐渐变短最终趋于一点。　　这对研究相位奇异点的本质结构和新的奇异现象具有重要意义，并且对多圆孔干涉仪的设计有重要作用。本文也为准确理解和分析相位奇异点周围的相位分布提供了实验观察的依据。　　5.通过对拉盖尔-高斯光束经多圆孔径衍射屏在远场平面上形成的干涉光场的相位和零值线的计算模拟，发现:当入射光束的轨道角动量量子数为零时，实部零值线与虚部零值线在干涉光场中心点不相交，因而该点上不能形成相位涡旋；当入射光束的轨道角动量量子数为+1和-1时，实部零值线与虚部零值线在干涉光场中心垂直并相交，干涉光场相应位置处的相位涡旋的符号相反；当入射光束的轨道角动量量子数为2?和3?时，有四条零值线相交于干涉光场的中心点上，并且实部零值线和虚部零值线交替分布，该交点处形成的相位涡旋的拓扑荷的值恰好与拉盖尔-高斯光束的轨道角动量量子数相等。　　这对利用多孔干涉仪，测量新天体所发光的轨道角动量有最重要的应用，并可用来测具有轨道角动量的涡旋光束。　　本论文共分七章，第一章为绪论，简要叙述了相位奇异的发展历史、相位奇异的国内外研究现状、标量波场中相位奇异的基本概念、光场中标量相位奇异的产生方法、相位奇异的应用等内容。第二章通过计算模拟，研究了散斑场复振幅的实部和虚部的零值线相切、相切重合和交叉重合等情况下的相位奇异及其性质，验证了这两类相位奇异现象并不是表面粗糙度所造成，最后计算了它们的演变过程，并分析了它们形成的机理。第三章从理论和实验上详细研究了方形环孔和圆环孔形成的散斑场及其零值线复杂相切相交情况下的相位奇异性，并分析了它们形成的机理，并分析了“光强暗核”的形成、散斑颗粒规则排列的原因。第四章从理论上详细研究了多孔径随机散射屏在夫琅和费面上形成的散斑场中光强及其相位涡旋的分布特性。第五章利用基尔霍夫衍射理论详细研究了四圆孔径衍射屏在菲涅尔深区形成的干涉光场的强度、相位奇异点和零值线的分布特性及演化过程，并计算了光强零值线上光强等值线的离心率的值和拓扑荷的值。第六章从理论上详细研究了拉盖尔-高斯光束通过多圆孔径衍射屏在远场平面上形成的干涉光场的光强、相位和零值线的分布特性。第七章对论文做了总结和展望。