结构光场是具有独特的相位、偏振和振幅分布的空间光束。其中，柱矢量光束的光束横截面偏振态具有柱矢量对称分布特性，在材料加工、光通信、显微技术等领域具有重要的应用前景。目前，研究人员已经可以通过不同方法产生柱矢量光束，但是对于柱矢量光束在时间域、频率域等多个维度的调控研究相对较少。伴随多维度时空结构光场的应用需求，研究多维度时空结构光场的产生及其时空特性调控具有重要意义。
　　柱矢量光束一般可以通过在激光器外使用各种调制元件或者从激光器中直接产生。相对于在激光器外产生的方法，直接产生的方式具有紧凑、高效率以及高模式纯度等优势。以往基于激光器直接产生的方法中，通常需要通过泵浦光整形、增益介质的热致双折射效应以及定制的少模光纤光栅等方式来实现，但是这些方法具有系统复杂和损耗较大等问题。近些年，Pancharatnam–Berry相位器件q-plate和S-waveplate的出现为光束偏振态的灵活操控，以及高效率柱矢量激光产生提供了另外一种解决方案。使用q-plate作为激光器腔内的模式转化器件，可以方便的实现高效率、可切换的径向和角向偏振光束光纤以及固体激光器。在此基础上，对结构光激光器进行了时间域和频率域的多个维度调控。本文针对多维度时空结构光场的应用需求，开展了新型光场的产生及其多维度调控研究工作，主要内容如下：
　　(1)实验获得了1μm波段高效率的径向与角向偏振光掺镱光纤激光输出，并可以实现径向与角向偏振光的灵活调控，输出效率为已报道的最高结果。首先，实验使用保偏的掺镱光纤作为增益介质；其次，通过在谐振腔内引入线偏振片，确保保偏光纤输出恒定的线偏振高斯偏振光；最后，将q-plate作为模式转换器件，实现了径向和角向偏振光可切换激光器，斜率效率高达70.6%，输出径向和角向偏振光纯度高达97%。首次实验实现了可控四重简并LP11模式可切换掺镱光纤激光输出，并获得了其模式特性和调控规律。通过在谐振腔内结合一个q-plate以及两个1/4波片，可以实现光纤二阶模式01TM、TE01、21evenHE、21oddHE之间的灵活切换，系统输出的斜率效率高达39.4%。
　　(2)实现了波长锁定的柱矢量光束激光器，并获得了体布拉格光栅对激光波长及线宽的影响和调控规律。谐振腔内使用q-plate作为模式转换器，并且结合体布拉格光栅作为反射镜以及波长锁定器件，实现了对径向和角向偏振激光频率域的调控。输出激光波长稳定的锁定在1053.4nm,输出的激光波长线宽大小仅为0.06nm；激光器效率高达36%，径向和角向偏振激光纯度大于95%。
　　(3)首次利用石墨烯作为可饱和吸收体实现了对径向和角向偏振光光纤激光器时间域的调控，实现了稳定的被动调Q径向和角向偏振光可切换光纤激光输出。制备了基于6-8层的石墨烯可饱和吸收镜，实验表征其调制深度为13.2%；将石墨烯可饱和吸收镜应用于1μm径向和角向偏振光可切换掺镱光纤激光器，实现了被动调Q矢量光纤激光输出，输出功率为253mW，单脉冲能量为7.73μJ。基于有机无机杂化钙钛矿调制器件，实现了脉冲型径向和角向偏振光光纤激光输出，并获得了其对激光器时间域的调控规律。实验上制备了调制深度为22.7%的有机无机杂化钙钛矿可饱和吸收体，并将有机无机杂化钙钛矿应用于1μm径向和角向偏振光可切换光纤激光器，实现了被动调Q激光运行，输出最窄脉冲宽度919ns，重复频率在15.2-36.4kHz可调。
　　(4)首次实现了结构光固体激光器频率域与时间域的同时调控，实验获得了稳定的脉冲型柱矢量光束激光输出。使用声光开光进行主动调Q，并且结合双折射滤光片对激光波长进行选择，实现了单波长与双波长可切换，主动调Q径向与角向偏振光Nd:YVO4固体激光器，输出最窄脉冲宽度为28ns，脉冲峰值功率为0.83kW。