涡旋光束是指在光场中心具有孤立奇点的光束，通常为空间上的相位奇点或偏振奇点，因此光场的强度表现为中空的环形分布。对于携带相位奇点的涡旋光束，由于其具有螺旋前进的位相exp(ilφ)，且光束中的光子均携带轨道角动量l(h)，我们称其为轨道角动量(OAM)光束。由于其拓扑荷数l理论上可取任意整数，因此其在光通信以及量子信息等领域有巨大的发展潜力。对于携带偏振奇点的光束，由于其光束截面上的偏振分布呈柱对称的形式，因此我们称之为轴对称偏振光束，也叫柱矢量光(CVBs)，其中得到最广泛研究的的主要是角向偏振光和径向偏振光，这两种光束由于其特殊的偏振分布，在使用透镜聚焦时会呈现特殊的聚焦光斑，因此在表面等离子体激发、激光加工等领域有重要的应用价值。而这两种光束都具有环形的光场分布，因此在粒子操纵方面都有潜在的应用前景。
　　之前的研究中，有很多的方法可以产生轨道角动量光和柱矢量光。对于轨道角动量光，主要可以由柱透镜组、螺旋位相片、空间光调制器产生;对于柱矢量光，主要可以由各向异性晶体、半波片组、亚波长光栅以及空间光调制器产生。相比于这些空间光器件，在光纤中产生轨道角动量光和柱矢量光具有更高的效率和更高的模式纯度，并且全光纤的结构更易于集成。
　　由光纤的模式理论，在弱导近似下的光纤的本征解有LP01模式、LP11模式等，其中线偏LP11模式对应了四个简并的矢量模式，即TE01模式、TM01模式以及HE21模式的奇模和偶模;其中TE01模式为角向偏振光，TM01模式为径向偏振光，这两个模式则为通常所说的柱矢量光;而HE21模式的奇模和偶模以±π/2的位相差叠加则可以得到轨道角动量光。因此只要通过合适的方法使光纤中的基模LP01模式耦合到高阶模LP11模式，再通过控制位相或偏振就可以得到轨道角动量光和柱矢量光。
　　本文中，我们介绍了轨道角动量光和柱矢量光的数学模型、光学特性、应用领域以及产生方法和检测方法。从光纤的模式理论以及耦合模理论出发，分析了光纤光栅和模式选择耦合器的耦合理论，建立了相关的数学模型。基于模式选择耦合器和光纤布拉格光栅设计了直腔结构的全光纤激光器输出连续的轨道角动量光。利用有限元方法分析了旋光光纤的模式，证明了其本征模式携带有轨道角动量。设计了宽谱的长周期光栅，搭建了基于非线性偏振旋转的锁模激光器，实现了柱矢量光的脉冲输出。最后我们理论上设计了1.0μm波段的柱矢量模式的色散管理光纤。
　　本文的主要工作和研究成果如下:
　　1.根据模式选择耦合器的原理，设计并制作了实现LP01模式和LP11模式转化的模式选择耦合器，其转化效率理论上可以达到百分之百。并利用少模光纤布拉格光栅作为激光器的输出耦合端，搭建了1.0μm波段的全光纤轨道角动量光激光器，其输出斜率效率为15.7％，其阈值为84mW。通过缠绕法计算的模式纯度经达到了94.7％。
　　2.分析了旋光材料光纤的模式特性，其所有的本征LPmn（m≠0）模式中的简并矢量模式均携带m阶轨道角动量。
　　3.设计并制作了透过谱宽为125nm且模式转化效率大于93.7％的长周期光栅，并利用沉积有金箔的跳线头作为输出耦合端避免对输出光谱的窄化，同时利用3端口的环形器和起偏器的结合以及两个偏振控制器实现了脉宽为168ps、重频为9.83MHz的NPR柱矢量锁模脉冲的输出。并且输出的柱矢量模式纯度均高于95％。
　　4.设计了空气芯金属包层光纤，利用有限元方法研究了不同空气芯半径、导波层厚度及金属包层厚度对光纤群速度色散的影响，其TE01模式的总色散在1.06μm处可以达到-700ps2/km;对于TM01模式，计算了无金属包层的光纤，其在1.06μm处的群速度色散可以达到-300ps2/km。
　　本论文的创新点:
　　1.利用模式选择耦合器和少模光纤布拉格光栅实现了1.0μm波段的全光纤激光器，输出了高效率、高纯度的轨道角动量光
　　2.理论上证明了旋光光纤的本征模式携带轨道角动量，为实现轨道角动量光提出了一种新的方式。
　　3.设计并制作了高效的宽谱长周期光栅，结合非线性偏振旋转实现了宽谱的柱矢量锁模脉冲输出。由于整个激光器结构仅有两个偏振控制器，其中一个兼负柱矢量模式的调整以及NPR的实现，因此结构相比于一般的NPR柱矢量激光器更为简单，且方便调节。
　　4.设计了空气芯金属包层光纤使Tg01模式具有较大的负群速度色散;计算了无金属包层情况下Tg01模式和TM01模式的群速度色散。为实现飞秒量级的柱矢量脉冲提供了色散管理的思路。