近些年来,光子轨道角动量(OAM)作为一种全新的光子自由度而被广泛应用于经典和量子信息领域。正如光子的自旋角动量宏观上来源于光束的偏振态一样,光子的OAM在宏观上与光束的螺旋相位相关,所以携带光子OAM的光束也称为光学涡旋。利用单个光子自旋角动量(±h)只能实现二维信息编码,而单个光子的OAM(±lh)理论上可以实现任意维信息编码,这就为利用单个光子编码海量信息提供了令人兴奋的应用前景。但是国际上光子OAM的研究还处于探索发现的基础阶段,基于此,本文立足于研究光子OAM的产生、分离、探测及在图像编码和传感领域的新颖应用,希望能拓宽光子OAM在经典和量子信息的应用领域。本博士论文研究首先从光子OAM经典调控入手:(1)研究在实验室里利用单个空间光调制器实现高阶OAM的产生技术,为高阶OAM产生操控提供一种新的解决办法;(2)提出基于模拟法拉第旋光效应的光子OAM分离技术,并实现世界上首次分数光学涡旋的完整非破坏分离,对基于OAM复用解复用的通信技术具有重要意义;(3)提出了一种在极弱光场下高效探测光学涡旋的方案,补充了国际上关于弱背景光场下涡旋探测的研究,为光子数水平下涡旋探测提供解决方案。其次本博士论文从光子OAM的应用出发开展了以下探索研究:第一,从经典应用领域出发,(1)基于数字螺旋成像技术,首先提出了一种基于OAM模式转换的图像编码解码方法,拓宽了OAM在图像编码方面的研究领域,为光学图像加密解密提供了一种新的视角,其次研究了OAM光束从近场到远场的衍射理论,为研究具有对称结构的孔径衍射提供了一种全新的分析手段;(2)搭建120米自由空间链路,首次实现远程旋转多普勒效应的室外探测,这项技术有望构建新型远距离物体转速传感仪,对于基于OAM的远程传感技术具有重要实际应用意义。第二,从量子信息应用领域入手,(1)系统的研究了鬼成像装置及符合测量实验装置,基于这两套装置实现了量子版本的旋转多普勒效应,有望实现非接触式旋转物体角度的灵敏探测;(2)利用非相干的LED泵浦晶体研究下转换光子的纠缠特性,对于理解泵浦光束与双光子纠缠之间的关系具有重要物理意义,也为下一步实现研究泵浦光相干特性与光子OAM和角位置关联之间的关系打下坚实的实验基础。最后,全文总结及展望未来该领域的研究目标。总而言之,本博士论文研究涉及光子轨道角动量的多个领域,详细剖析了不同研究领域的背景、技术路线及可能的应用价值,这对于从事光子轨道角动量研究具有重要参考意义。