人类对光的认识带来了文明的飞跃，对光的运用推动了科技的进程。光已成为了人类生活中不可或缺的一部分。对于光的本质的思考深刻地反映并影响着人类的世界观，起初以牛顿(I.Newton，1642-1727)为代表的微粒理论支持者认为光是旋转的微粒，并成功解释了光的反射与折射。这个时期世界被认为是精密的机械系统。而以惠更斯(C.Huygens，1629-1695)为代表的波动理论支持者却能更好地解释光的干涉与衍射。但他们认为以太物质是光波的载体，这是源于人们世界观的阻碍。直到麦克斯韦（J.C.Maxwell，1831-1879）将光学与电磁学统一在了一起，人们才渐渐认识到电磁波是一种基本的存在，从而有了场的概念。随后以爱因斯坦(A.Einstein,1879-1955)为代表的“光量子”支持者基于光电效应使微粒理论以新的形式复活了。如今量子力学的观念使人类对光有了全新的认识，波动理论和微粒理论被认为是同时有效的，这令我们抛弃了决定论因果律原理。对光的理解和运用为人类打开了探索微观世界和观察宏观宇宙的窗口，激光的发明使光既可以成为威力强大的武器，也可以成为精密的加工工具。而最激动人心的是人类基于对光的自由度的认识所发展起来的精密光学测量和高速光通信技术。近年来人们认识到光除了具有偏振和频率自由度之外，还具有轨道角动量自由度。轨道角动量光束特殊的空间结构和高维特性使其在高速光通信、量子信息和精密测量领域都有着广阔的前景。　　本论文主要对轨道角动量光束的制备方法、探测手段以及它在原子系综中的演化特性进行了介绍和实验研究。由于轨道角动量光是高阶模式，不能在已有的商用光纤中传输，这限制了它的推广和应用。为了结合空间和光纤通信网络，我们发明了模式转码器，从而实现了空间轨道角动量模式与光纤中时间脉冲模式的相干转换。轨道角动量光在测量上的应用也是当前的研究热点，我们根据轨道角动量光在原子系综中的磁致旋转效应开发了磁场测量的新方法。另外轨道角动量模式的高维特性能够极大地提高光存储的容量，但限制容量提升的因素却没有得到充分的研究，我们发现并解释了轨道角动量光在存储过程中的横向退相干机制。此外轨道角动量模式在量子信息领域也有着重要应用，而制备最大纠缠态光子对是将其应用于量子通信的关键技术，我们开发了利用轨道角动量泵浦光制备光子对的方法，提高了三维最大纠缠态光子对的产生率。本论文的研究工作对于未来发展基于轨道角动量自由度的高维光通信网络以及精密测量技术具有重要的参考价值。　　具体研究内容如下:　　1.综合性介绍了轨道角动量光束不同的制备和探测方法，并实验研究了光学坐标变换和空间-时间模式转换的探测方法。在对轨道角动量光束的理论形式及其物理图像进行介绍后。具体描述了通过螺旋相位片、空间光调制器和柱透镜来制备轨道角动量光束的方法。探测方法主要讲解了投影测量和级联干涉的方法，并且实验实现了光学坐标变换和空间-时间模式转换的方法。　　2.自主研发了时间脉冲与轨道角动量脉冲之间相干转换的转码器。在对目前轨道角动量光主要的探测方法进行研究之后，我们利用轨道角动量光在光学腔内的模式特征对入射脉冲进行模式筛选，并引入一个带有螺旋相位片的光学环路来实现模式转换。实验实现了四个轨道角动量模式低串扰的相干转换，并证明逆向转换也是可行的。　　3.利用原子蒸汽中的非线性法拉第效应实现了弱磁场的测量。基于原子蒸汽在磁场中的圆偏振双折射特性，同时利用轨道角动量和偏振的混合叠加态光束特殊的相位结构，使得磁致旋转效应可视化，并通过对旋转角进行数值分析，实现了磁场的精确测量。　　4.研究了轨道角动量光在原子存储过程中所特有的方位角方向的退相干效应。理论分析了在存储过程中由原子的随机运动所导致的相位结构的退相干，并通过在耦合光上加载轨道角动量，实现了高轨道角动量光的存储。　　5.实验研究了轨道角动量纠缠光子对的制备方法及其纠缠特性。在热原子系综中通过在两束泵浦光上加载相反的轨道角动量，使纠缠维度得到了提高，并且最大纠缠态光子对的产生率也显著提高了。在冷原子系综中，通过空间光调制器投影测量研究了轨道角动量基下的位置-动量Einstein-Podosky-Rosen(EPR)纠缠特性。　　本论文的主要创新点如下:　　1.首次实现了轨道角动量模式与时间脉冲模式之间高效率的相干转换。实验上将带有不同轨道角动量的空间光脉冲转换成了可以在光纤中传播的不同时间的脉冲，并且通过输入叠加态的脉冲证明了相干性在转换过程中得到了保持。由于光学腔具有高效地模式过滤特性，因此这种转换方案引起的串扰很低。同时可以逆向地将光纤中的时间脉冲转换成轨道角动量脉冲。这种方案对于未来构建包括空间和光纤通信的混合光通信网络具有重要的参考价值。　　2.首次利用轨道角动量光束在原子蒸汽中的磁致旋转效应实现了磁场的精确测量。实验实现了精度为0.8mG的地磁场测量，测量精度可以通过提高图像的分辨率进一步优化。由于原子蒸汽是各向同性的，因此可以利用非线性法拉第旋转过程中的两个拐点来确定绝对零磁场点，从而消除零点漂移。该方法能够准确测量出背景磁场的强度和方向，并且非线性法拉第效应在零磁场附近非常敏感可以实现弱磁场的精确测量。该研究对于磁场的测量以及轨道角动量光束的调制都具有参考价值。　　3.首次观察到轨道角动量光在存储过程中所特有的方位角方向的退相干效应。实验上观察到不同轨道角动量光在热原子存储过程中具有不同的寿命。理论分析了原子的随机运动对自旋波横向的相位结构的影响，并给出了存储寿命与自旋波拓扑荷大小的关系。实验验证了理论的可靠性，并通过在耦合光上加载轨道角动量提高了轨道角动量光的存储寿命。该研究对于利用轨道角动量光实现基于原子系综的大容量存储具有重要的参考价值。　　4.首次研究了轨道角动量基下的位置-动量EPR纠缠。通过在EPR纠缠实验装置中加入空间光调制器，将冷原子系综中产生的光子对投影到不同的轨道角动量基下，然后通过鬼干涉与鬼成像来测量光子对之间的纠缠特性。实验证明了带有不同轨道角动量的光子对之间依然存在位置动量纠缠，并给出了适用于带相位结构的光子对的理论函数。该研究对于认识轨道角动量纠缠光子对的纠缠特性具有重要的参考价值。