激光束经高数值孔径聚焦后,其焦点区域的光学聚焦特性如偏振分布、光强分布和相位分布等与普通衍射理论预言的聚焦行为完全不同,可以得到一系列新奇的光强分布和偏振分布。譬如,高数值孔径聚焦可以获得三维暗斑,可用于粒子束囚禁；可以获得尺寸更小的光斑,可用于提高成像系统的空间分辨率、光存储以及材料处理等方面。特别有意义的是,可以通过改变入射光束的偏振特性来改变焦斑的光强分布,从而实现粒子的操控。本论文系统研究了各种不同形态的径向偏振涡旋光束经过高数值孔径透镜聚焦后,在焦点区域的聚焦特性以及相关参数对聚焦特性的影响。主要工作包括:　　 根据Debyc矢量衍射积分理论推导了径向偏振涡旋光束经过高数值孔径透镜聚焦后的光场表达式,研究了双环径向偏振涡旋光束的聚焦特性,包括光强、相位和坡印廷矢量等特性。研究表明,通过改变光束的截断参数β,可以获得极小尺寸亮斑或者三维暗斑。在此基础上,深入研究了径向偏振涡旋光束对瑞利粒子的光学辐射力。研究结果表明,通过改变光束的β值,可以实现对折射率高于周围媒介的金属粒子和折射率低于周围媒介的气泡粒子的稳定囚禁。　　 从Debye矢量衍射积分理论出发,研究了径向偏振超短光脉冲经过高数值孔径透镜聚焦的聚焦特性,呈现了涡旋和非涡旋超短光脉冲的聚焦过程,并研究了超短光脉冲在传输过程中的速度变化。研究结果表明:在高数值孔径聚焦过程中,径向偏振超短光脉冲的传输速度会发生变化,出现慢光现象。而且,非涡旋超短光脉冲的慢光现象比涡旋脉冲的慢光现象更明显。另外,超短光脉冲的高数值孔径聚焦可以提高光学系统的时空分辨率。　　 根据Debye矢量衍射积分理论和部分相干光理论,推导了径向偏振部分相干涡旋光束经过高数值孔径透镜聚焦后在聚焦场的光场表达式,分析了入射光束的相干长度、聚焦透镜的数值孔径和光束拓扑荷数对聚焦场的光强分布、相干度和偏振度等的影响。研究结果表明,通过改变入射光束的相干长度、聚焦透镜的数值孔径和光束拓扑电荷数,可以在焦点区域获得合适尺寸的空心光强分布,因而可用于囚禁、旋转微观粒子及充当光学导管等。　　 研究了矢量涡旋光束在不同光学系统中的传输特性。首先利用矢量瑞利-索末菲衍射积分公式,推导出矢量涡旋光束的非傍轴传输解析式；利用矢量角谱方法和稳态相方法,推导出矢量涡旋光束在远场的解析矢量结构和能流分布。解析结果和数值模拟表明,f参数对该光束的非傍轴性起着重要的作用,f和n都影响着光束的的非傍轴传输和远场传输演化特性。最后,基于相干光束在单轴晶体中沿着垂直于光轴方向传输时的傍轴传输公式以及描述部分相干光束的交叉谱密度矩阵,研究了径向偏振光束在单轴晶体中沿着垂直于光轴方向传输时的发散、束腰等传输特性。