宽波段液晶偏振光栅非机械式光束偏转技术由于具备低功耗、高精度、轻小型、快响应、大角度等优势,在激光雷达、激光通信、激光武器和增强现实等热门研究领域中有广泛的应用前景。液晶偏振光栅通过控制棒状液晶分子在面内扇形排列来构建空间变化的双折射层,从而借助几何相位分布实现闪耀光栅式光束偏转,它对于圆偏振入射光有近乎100%的单级次衍射效率,且通过改变圆偏振入射光束的旋向可以切换出射光的偏转方向。液晶偏振光栅与圆偏振切换器交替级联,可以实现大扫描角度光束偏转系统。然而系统中核心器件液晶偏振光栅和圆偏振切换器只能工作在单波长下,在宽波段范围内效率急剧下降。为了扩展光束偏转系统的宽波段应用功能,本文分别针对液晶偏振光栅、圆偏振切换器开展了结构设计与性能优化研究。液晶偏振光栅现有数值优化方法在设计宽波段光栅结构时参数多、优化困难。针对此问题,本论文提出自对准多层镜面对称偏振光栅简化设计模型,将偏振光栅拆解为具备圆偏振转换功能的镜面对称宽波段半波片,将优化参数缩减50%。为了与传统偏振光栅的液晶分子扇形图案光控取向技术结合,选取自对准多层扭曲结构,并提出庞加莱球可视化方法对光栅简化模型进行优化。最终成功实现了镜面对称四层扭曲偏振光栅,将工作波长范围拓展到了420～945 nm,该波段范围能够一致满足周期10μm的偏振光栅正入射衍射效率99%,±30°入射衍射效率90%,而文献报道最宽波段只有470～670 nm。圆偏振切换器需要对左旋和右旋圆偏振态任意切换,它在宽波段范围内偏振转换效率低。针对此问题,分析文献中的结构在斜入射时效率低是因为旋向转换态和旋向维持态在斜入射下延迟量变化相反,难以同时补偿,因而提出由电致解旋型铁电液晶盒作为动态切换层的解决方案。接着提出庞加莱球宽波段偏振演化路径设计模型,并提出四层结构,进一步分析了偏振演化路径,将结构简化为三层,中间层为光轴方向在-90°/-45°切换的半波延迟铁电液晶盒,前后均采用光轴方向位于0°的正单轴1/4波延迟膜,并采用两层光轴垂直排列的正单轴延迟膜补偿斜入射延迟。最终实现了工作在450～650 nm波段的大视场宽波段圆偏振切换器,49°入射角下偏振转换效率可达96%,而文献报道入射角范围只能做到13°。上述两种器件都是工作在圆偏振光模式下,偏振光栅只能对圆偏振入射光有单级次高衍射效率,对入射偏振态极为敏感,因此通常需要偏振态切换器件来转换入射线偏振态为圆偏振态。为了使偏振光栅实现对线偏振光的单级次高衍射效率调制,首先基于有限元法仿真模型,揭示了线偏振光入射偏振光栅时的偏振态转换机制。接着设计了双周期复合偏振光栅器件,它由周期满足二倍关系且厚度分别满足半波和1/4波延迟的两层传统偏振光栅构成。复合偏振光栅能够实现线偏振态到圆偏振态的高衍射效率光束偏转,实验结果高达96%,而传统偏振光栅对入射线偏振光束只有50%的单级次衍射效率。复合偏振光栅打破了光束偏转系统只对圆偏振态入射光束有高衍射效率的局限,拓展了液晶偏振光栅光束偏转系统对入射端偏振态的要求。经过以上研究,偏振光栅和圆偏振切换器在宽波段范围光束能量效率大幅提升,推动了宽波段液晶偏振光栅非机械式光束偏转技术的工程化应用。