随着光通信的发展,人们对光波的基本维度如:时间、波长、幅度、相位、偏振等资源的利用已经逐渐达到极限。为了能突破现阶段光通信技术的瓶颈,实现光通信的大容量、高速率稳定传输,人们提出了一种新型光通信技术,即以携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的涡旋光作为信息载体进行通信。利用该新维度,能有效地提升系统的通信容量,以此突破现有技术容量极限。近年来,涡旋光束的研究与应用不仅在光通信方面,其在光学操纵、生物医学、量子信息技术等领域的应用也引起了人们广泛的关注。其中,涡旋光束产生是其能在实际中应用的前提,而OAM模式测量是其在光通信中多模复用与解复用技术的关键。但目前存在着设备工艺与相位掩模设计方法等方面的问题造成该光束难以高阶产生,且其携带的OAM状态难以精准地检测。基于以上问题,本文利用相位衍射型设备,设计了能稳定产生高阶涡旋光束的实验方案;在此基础上,为进一步解决涡旋光束的OAM模式测量问题,本文先后设计了两种测量其OAM模式的实验方案。一种为利用共轭涡旋光叠加干涉测量OAM模式的实验方案,该方案能检测涡旋光束OAM模式,但难以获得其携带拓扑荷数的正负号。另一种为光栅衍射测量OAM模式的实验方案,该方案较干涉测量方案能更为精准地捕获涡旋光束的OAM模式状态。本文在涡旋光束产生技术及其OAM模式测量方面开展了相应的理论和实验研究,其主要工作如下:(1)涡旋光束的产生方法研究。通过分析涡旋光束的结构函数,数值模拟涡旋光束的光场分布来研究其结构特征。根据其光场中的相位分布研制出具有二维调制特性的相位掩模,利用菲涅尔衍射模拟高斯光束经过相位掩模调制后的光场重构实验,并以此设计涡旋光束的产生实验。通过利用光学衍射型设备加载相位掩模实现对入射高斯光束的光场调控,结合其响应速度快、频谱范围广等优点,高效灵活地实现涡旋光束的产生。经过仿真与实验结果对比验证了该方案具有稳定产生高阶涡旋光束的优越性能,且实验中获得涡旋光束的模式数值可达100。(2)共轭涡旋光干涉测量方案。通过利用双光干涉原理,理论推导双涡旋光束叠加干涉后的光强分布函数。研究发现在模式共轭情况下,涡旋光束干涉后的光强具有周期性分布特性,由此此设计共轭涡旋光干涉法测量OAM模式的方案;经过数值仿真发现,共轭涡旋光束叠加干涉后的光斑分布与其携带的拓扑荷数呈现一定的规律特性,分析光斑的个数与涡旋光束的拓扑荷数之间的数值关系,用于检测涡旋光束的OAM模式。为进一步验证该方案可行性,本文利用所设计的实验方案搭建实验平台,最终利用CCD捕获到干涉图样中的光斑分布;经实验与仿真结果对比分析,验证了共轭涡旋光干涉能实现对涡旋光束的OAM模式测量。(3)光栅设计及其衍射测量方案。为了精准地捕获涡旋光束OAM模式,本文研制出一种用于精准测量OAM模式的新型环形结构光栅。利用远场衍射来模拟涡旋光束投射至所设计的光栅实现衍射现象,以此设计出光栅衍射对涡旋光束进行OAM模式测量的方案。经过数值模拟与实验测试对比验证,涡旋光束准直投射至新型环形光栅后形成远场衍射图案,其变化规律精准地对应涡旋光束的OAM模式状态,实验测量的拓扑荷数达±30。该光栅的研制与测量方法的设计不仅解决了共轭涡旋光干涉测量方法存在的不足,同时为涡旋光束的OAM模式测量应用提供了新方法。