新型光场调控技术已经在焦场调控、光学微加工、光学微操纵和光通信等领域取得了众多重要成果。提出了一种基于贝塞尔光束的复合光场调控方案，利用贝塞尔光束固有角谱和环形光阑的锐边衍射实现了远距离的超衍射极限聚焦。理论和实验结果表明，轴棱锥-透镜系统生成的局域空心光束经环形光阑产生锐边衍射，其高频成份得到增强，从而具有超衍射聚焦特性。该局域聚焦光场与周围旁瓣光场距离很远，有望应用于远场超分辨显微成像和光镊等领域。

设计了一种尺寸可调谐的局域空心光束，通过轴棱锥与透镜距离的调节改变局域空心光束的尺寸，通过矩形光阑的调节使局域空心光束产生缺口。用MATLAB模拟了局域空心光束在调控中的尺寸变化和开闭口变化，以及轴棱锥之后的贝塞尔光束的变化，通过模拟和实验分别展示了局域空心光束由形成到闭合的过程。用MATLAB模拟了金粒子在局域空心光束中受到的梯度力、散射力以及二者的合力，然后根据横向梯度力与纵向梯度力判断粒子通过缺口进入光场后的首次捕获情况，并根据分析计算出了能够囚禁住的金粒子的尺寸。

设计了一种能够产生阵列局域空心光束的超表面透镜。该透镜基于几何相位原理,通过调整二氧化钛纳米单元的长宽比以及旋转角度能够实现对波前的精确控制。超表面在波长为632.8 nm的左旋圆偏振光照射下,能够产生多个微米级的局域空心光束,并且可以通过控制环形障碍物的尺寸来改变产生局域空心光束的数量。该超表面透镜也可以通过改变相对孔径值(RA)来控制局域空心光束的横向和纵向半峰全宽的尺寸,进而产生所需尺寸的阵列局域空心光束。

在传统的轴棱锥-透镜光学系统中,产生局域空心光束的入射光一般为圆高斯光束。随着局域空心光束的系统多样化和应用多样化,研究具有特殊形貌的初始光束对局域空心光束的调控有重要的意义。圆高斯光束被多边光阑调制为特殊形貌的多边形光束,经过轴棱锥-透镜光学系统后产生局域空心光束。利用不同多边光阑,包括正三角形、正方形及正六边形,调控光学系统中的光场分布,并通过理论研究和实验测量得到光阑后的衍射光场变化。结果表明,利用多边光阑调控光场,产生的局域空心光束具有多个局部缺失部分。这些缺口的形成,对于多粒子捕获和精准捕获具有潜在的应用价值。同时,也对局域空心光束的多功能应用具有重要意义。

为实现局域空心光束的可调谐性，以半导体激光器作为光源，采用贝塞尔光束聚焦法来获得局域空心光束。采用平凸柱透镜和梯度折射率透镜对光束进行整形，以获得发散角可变的激光束，进而得到尺寸可调谐的局域空心光束。数值模拟结果表明，当照射在轴棱锥上的光束发散角在0°~1.5°范围内连续变化时，局域空心光束的最大径向尺寸在90.23~64.05 μm之间可调谐，而局域空心光束的长度在1.85~1.47 mm之间变化。可调谐局域空心光束可显著增加光镊技术的应用灵活性。

为进一步完善多级无衍射光束的传输与转换理论, 基于轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析, 采用数值模拟软件对双级无衍射光束的空间光强分布与轴上光强分布进行仿真; 基于锥镜加工工艺对锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布进行研究, 分析了双级无衍射光场的场强大小和影响光场振荡周期的因素。结果表明: 理想双级轴棱锥透镜生成的无衍射光场由4个区域组成, 在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥衍射场的耦合叠加, 其余区域仍保持单级无衍射光场分布特性; 锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布受双曲线特征参数影响较大。其特殊的光场分布为多级无衍射光束拓展至大尺寸空间测量以及粒子微操作等提供了新的可能。

为进一步完善多级无衍射光束的传输与变换理论, 拓展双级无衍射光束的应用范围, 根据轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析; 基于轴锥镜法搭建生成双级无衍射光束的实验平台, 获取了沿光轴传输至不同距离处的截面光斑及其光强分布, 探究了平行光束不同入射倾角对无衍射光束传输变换的影响.实验结果表明: 双极无衍射出射光场由四个区域组成, 在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥出射场的耦合叠加, 其余区域仍保持单级无衍射光束的传播特性, 其光强大小受轴棱锥透镜的入射光阑与透镜底角影响, 光斑破裂程度与平行光束的入射倾角呈正相关.本文对双极无衍射光束的空间传播特性、光强分布特性、光强影响因素等做了详细分析, 对拓展多级无衍射光束的应用具有指导意义.

首次使用了离散傅里叶方法数值分析局域空心光束。用离散傅里叶方法描述单色平面波产生局域空心光束(bottle beam)的光强分布, 引入色散公式使得一定频谱宽度的LED光源同样适用。讨论抽样要求并对变量进行离散化, 导出LED产生bottle beam的离散化傅里叶公式。最后代入相关参数并用MATLAB进行数值模拟, 得到了在不同距离处光束的强度分布。设计实验进行验证, 实验结果表明: 使用LED也能够产生高质量的bottle beam。数值模拟与实验结果基本吻合, 证明了采用傅里叶方法可以精确地分析非相干光源产生bottle beam, 并且相较于传统的标量衍射理论, 它更加简洁、快速, 是研究bottle beam的一种全新又可靠的方法。

提出了采用双非线性硒化锌(ZnSe)晶体将高斯光束整形成局域空心光束(LHB)的新方案，根据惠更斯-菲涅耳衍射理论计算了不同厚度的ZnSe晶体和不同束腰半径的高斯光束条件下产生的LHB的强度分布和暗斑尺寸。结果表明，该方案产生的LHB强度分布形状为空心椭球体，在传播方向上的二维强度呈中心对称分布。利用数值计算获得了所产生的LHB暗斑的纵横比，发现纵横比随着入射高斯光束束腰半径的增大呈线性增大。该方案产生的LHB的参数可以被灵活调节，因此所产生的LHB可应用于一些较大尺寸的原子分子、生物分子和介质粒子等的光学非接触式囚禁与操控。