从二十世纪70年代至今,光纤在通信、传感等领域取得了巨大的成就。随着科学技术的进步,人们所面临的问题也越来越复杂,而普通光纤已无法满足实际需求,这样特种光纤就应运而生,开展特种光纤的研究也逐渐成为人们科研的热点。本文将从光波电场的变换角度出发提出三种特种新型波场光纤。这三种光纤的共同特点是通过对光纤波导的结构与形状进行重构来实现对输入光场的调制,进而生成对应的特种光场。具体完成的工作如下:1、开展艾里波场光纤的研究。主要提出了在横向上具有艾里函数分布的纤芯阵列的艾里波场光纤。艾里光纤包括单(或多)阵列芯艾里光纤和环形芯艾里光纤两种。其中第一种的纤芯形状为圆形,而第二种的纤芯则呈环形。这两种光纤都具有立方相位板的功能,即通过阵列波导的光耦合来实现立方相位调制,从而把输入的高斯光场转化为艾里光场。本文分别利用耦合模理论和光束传播法对光波在艾里光纤中的传输进行了理论和数值仿真,结果表明:这类光纤生成的光束继承了理想艾里光束的特性,即具有“无衍射”、“自由加速”和“自愈合”能力。此外,在艾里光纤纤芯阵列中的光耦合对波长变化异常敏感,即使微小的波长变化(例如10nm)都会对艾里光纤的出射光场(特别是相位)产生极大的影响,从而造成出射光束在外界环境中的传输路径发生改变。由于这种路径的变化与波长是一一对应关系,因此我们把这种现象称为艾里光纤的“彩虹效应”。该效应实现了光波长对艾里光纤输出光场的调控。2、开展了贝塞尔波场光纤的研究。基于两种生成贝塞尔光束的方法:一种是利用球面透镜对环形光汇聚形成;另一种是利用锥透镜对高斯光聚焦生成,本文总结和提出了几种基于特种光纤和光纤微透镜的贝塞尔光束生成系统,我们把这种光纤系统称为“贝塞尔波场光纤”。通过数值计算和软件仿真发现,贝塞尔波场光纤可以把激光器出射的普通高斯光场转化为贝塞尔出射光场。特别是具有圆台纤端的环形芯光纤和同轴双波导光纤(也称为贝塞尔波场探针),它们输出的强聚焦贝塞尔光场具有十分稳定的三维微粒捕获势阱,由于横向与纵向的捕获力相差悬殊,因此在纵向上具有极高的力学传感灵敏度,可用于一维pN量级的力学传感。此外,本文还利用同轴双波导光纤圆台纤端制成了“光学枪”。该装置利用从环形纤芯出射的强聚焦贝塞尔光场实现对微粒的捕获,接着利用中央纤芯出射的高斯光束提供的推进力把微粒发射出去。经过理论分析和实验验证发现,对于处于溶液中的微粒,其发射最大速度可以达到将近1cm/s/W,微粒发射的距离可以达到几十微米甚至更远;而对于处于真空中的微粒,其发射最大速度高达10 cm/s/W以上,微粒的发射距离也可以达到几百微米以上。3、开展涡旋波场光纤的研究。涡旋波场光纤根据纤芯形状分为圆形纤芯和环形纤芯两种,而根据纤芯的横向折射率分布分为线性分布、马鞍形分布和抛物面分布三种。通过光纤在纵向上的扭转,纤芯折射率在整体上呈单螺旋或双螺旋分布。利用耦合模微扰理论分析光波在涡旋光纤中的传输发现,圆形芯单螺旋涡旋光纤可在几毫米(或几十毫米)长度内生成比较理想的拓扑荷数为1(或2)的相位涡旋模式。而圆形芯双螺旋涡旋光纤则可以在几百毫米的长度内实现拓扑荷数为2的相位涡旋模式输出。对于环形芯单螺旋涡旋光纤,由于模式色散严重,它只能在几毫米长度内才能生成比较理想拓扑荷数为1的相位涡旋光束;而环形芯双螺旋涡旋光纤生成相位涡旋光束的长度则没有限制,它可以在任意耦合拍长的开始或结束位置生成拓扑荷数为2的相位涡旋光束。综上所述,本论文开展的新型特种波场光纤研究扩展了特种光纤的应用领域,把几何光学器件的功能集成在一小段光纤中。由于光纤具有结构微小、抗干扰能力强、成本较低等优点,使得新型波场光纤器件在某些特殊领域中比几何光学器件更具应用潜力。同时对于构造光纤内部的纤维集成光波器件,实现光纤内部的光信息处理、信息交换,以及光纤内部波场与外部环境材料相互作用并进行信息获取与交换都具有十分重要的意义。