全息技术不同于传统的摄影技术,它能够同时恢复一个物体的振幅和相位信息,尤其是在三维成像领域有巨大的潜力。因此,自诞生以来,全息技术为研究者广泛关注。近年来,一方面,随着计算机科学与技术的飞速发展,更为简易的计算全息应运而生;另一方面,信息时代的来临,必然要求作为信息载体的全息技术能够实现多通道的信息传输,因此复用全息技术也是当下的研究热点。随着激光的发明,非线性光学得到了迅速发展。由于非线性光学过程涉及多个频率的光,因此与非线性光学结合的非线性全息技术天然地具备多个频率的信息通道。然而,非线性光学波动理论表明,非线性光学中不同频率通道是耦合在一起且互相作用的,这给非线性全息中的复用造成了麻烦。本文基于对光子轨道角动量的研究,借助光子轨道角动量这一无穷维度的物理量,提出了新型光子轨道角动量编码技术,采用计算全息的方法进行非线性复用全息图的设计,解决了非线性全息中的多通道复用问题。具体内容如下:1.研究了轨道角动量光束在非线性转换过程中的演化规律。我们以拉盖尔高斯光束参量放大过程为例,以放大径向量子数为零的种子光为目标,建立了拉盖尔高斯光束参量放大过程的数学模型,引出光参量过程中决定横向模式变化规律的物理量交叠积分,在前人研究基础上提出了新的计算交叠积分的方法,并通过对数学模型求解结果的分析,一方面从理论上推导出了参量过程中轨道角动量守恒,另一方面确立了一套拉盖尔高斯光束径向量子数在参量过程中的转化规律。最后通过计算机仿真的方法,举例说明如何在参量放大过程中使用这一套转化规律。2.演示了光子轨道角动量编码的多通道非线性复用全息技术。借助光子轨道角动量这一无穷维度的物理量,提出了基于光子轨道角动量编码基波光场的新方案,可有效规避非线性耦合造成的不同频率之间的串扰,同时也可以在统一频率通道上加载多幅图像信息,不仅解决了非线性全息中的多通道复用难题,还大幅提升了图像信息的集成度。此外,本文在二次谐波全息成像实验中展示了基波和倍频光的全息复用,并对将该方法用于彩色成像等领域的可能性进行了讨论。3.针对传统非线性光子晶体用于非线性全息时,面临的信息集成度低、成像质量差等问题,设计出一种新型光子轨道角动量编码的非线性光子晶体,提出轨道角动量匹配这一新概念,通过电场极化技术制备非线性光子晶体,在二次谐波实验中首次实现了基于非线性光子晶体的多通道非线性全息成像,并讨论了该方案对非线性光子晶体研究的意义。