对各频段电磁波的振幅、相位、偏振、波长等参量维度的人工调控是当代信息光电子技术的物理基础。涡旋光具有螺旋形相位分布,携带独特的动力学和轨道角动量特性,近年来成为人们关注的焦点,尤其在增强光与物质相互作用、突破传统光学成像极限、提升通信系统容量以及量子信息维度等方面具有重要研究价值。实际应用中面临的大量具体问题和微纳光学等基础科研领域的迅猛发展,正共同推动着涡旋光调控技术的不断进步。液晶兼具晶体的各向异性和液体的流动性,作为一类性能优异的电光材料,其可靠性已经在信息显示领域得以充分证明。本论文围绕涡旋光的高效产生、动态调制、阵列操控和宽带检测等方面,对液晶畴结构的设计、制备及其与涡旋光相互作用机制等进行系统而深入的研究,充分发掘液晶材料丰富的外场调谐特性,实现对光的灵活调控,以期解决涡旋光产生、调控与检测中存在的一些关键问题。主要研究成果如下:(1)在液晶畴结构制备技术方面:通过对课题组前期研发的一套基于数控微镜阵的缩微投影系统进行优化改进,利用紫外光偏振敏感的光控取向材料,提出一种基于分步层叠曝光和同步偏振控制结合的动态光控图案化技术,可获得任意液晶方位角的取向控制,将“自上而下”的光配向与“自下而上”的液晶分子自组装相结合,实现向列相、胆甾相等液晶畴结构的微域化和图形化;(2)在涡旋光的高效产生方面:首先,引入几何相位的概念,赋予传统叉形光栅周期性渐变排列的液晶畴,提出一种能够高效产生任意涡旋光的液晶偏振叉形光栅,展示了入射偏振可控、电调开关和可重构的携带整数或非整数拓扑荷、径向指数为零或非零的高阶模式,实测效率高达98.5%;接着,利用扭曲向列相液晶的偏振旋转效应,两侧分别赋予不同光控图案,提出一种可产生任意矢量光的液晶偏振转换器,特别地,展示了高偏振级数、多环矢量光,并进一步将其作为偏振掩模板实施矢量曝光,可一步得到液晶q波片;(3)在涡旋光的阵列化调控方面:首先,将达曼涡旋光栅的特殊相位结构引入液晶畴的图案化控制中,提出一种正交平行排列液晶畴组成的液晶达曼涡旋光栅,产生了高品质、高能量均匀性的一维/二维涡旋光阵列,包括多种高阶模式,同时具有入射偏振无依赖、动态开关和多波长适用等优势;接着,提出数字化几何相位的概念,利用(圆形)达曼光栅对传统螺旋几何相位进行数字化编码,展示了自旋角动量和轨道角动量并行编码的高阶庞加莱球光束晶格,以及多环完美高阶庞加莱球光束,通过控制入射自旋态,可获得(完美)高阶庞加莱球上的任意一点,包括(完美)矢量光和(完美)涡旋光等特殊情形,转化效率高且能量均匀性好;(4)在涡旋光的宽带产生与检测方面:首先,提出一种数字化自组装胆甾相液晶手性超结构,利用其宽波段、自旋敏感的反射式相位特性,实现了一种多功能的涡旋光处理器,可直接产生多达25个不同涡旋光,且在116nm的可见光波段内具有相等高效率,入射涡旋光及其混合态能被同时检测,且透射模式保持不变,实现了涡旋光的大容量、宽带、无损检测和多路并行解复用;接着,引入具有相反旋性的光敏手性分子开关和静态手性剂,形成光控手性可翻转的自组装螺旋超结构,实现了多种工作带宽连续可调、光致几何相位共轨的动态平面光学器件,特别地,验证了涡旋光超过1000 nm的超宽带可调工作波段以及光激励的轨道角动量的可逆反转,实现了光控滿旋光。