光场调控是当今科学研究中最活跃的领域之一,光场作为信息的重要载体,对光场的有效调控将推动光学信息技术的发展。目前,光场调控主要集中于标量光场,即偏振态在空间上呈均匀分布的光场。随着科学技术的深入发展,标量光场的局限性已越来越明显。近年来,研究者提出一种新型矢量结构光场,其空间偏振态呈非均匀分布。研究表明,矢量光场特有的空间偏振态分布,使其能够在空间中形成中空聚焦光场、产生极强纵向场分布、以及突破光学衍射极限等,这些新颖独特的性质在粒子捕获、光学微加工、超分辨等众多科研领域受到研究者们的高度重视。尽管如此,矢量光场丰富的偏振态特性仍然未被充分挖掘,对矢量光场的探索也仅仅迈出了第一步。本文以矢量光场为对象,将重点研究矢量结构光场的产生、传输与调控物理,以及矢量光场自旋-轨道相互作用的基本物理问题。主要研究内容如下:第一,研究了柱对称矢量光场的产生、传输与衍射调控。具体地,从实验上利用偏振转换器产生具有柱对称分布的矢量光场;并从理论和实验上研究矢量光场在各向异性晶体中的传播动力学行为,进而用于调控矢量光场的衍射行为。研究发现,矢量光场的空间衍射行为在各向异性晶体中传播时受到显著的抑制或增强,取决于晶体的参数。特别地,当晶体的各向异性效应增大到一定时,矢量光场的衍射行为完全得到抑制,从而产生无衍射矢量光场。第二,研究了矢量艾里圆环光场的产生、传输与动态调控。在这方面,首先,我们利用空间光调制器并结合偏振转换器来产生矢量艾里圆环光场,并研究了该特殊光场结构的自聚焦特性;然后,利用各向异性晶体来实现矢量艾里圆环光场的动态调控:即矢量艾里圆环光场的自聚焦效应可以由晶体参数来调控。当晶体的参数发生动态变化时,可实现自聚焦的动态变化,这对于标量艾里圆环是无法实现的。第三,研究了矢量光场的自旋-轨道分离效应。光场的自旋-轨道相互作用一直是科学家高度关注的重要科学问题,研究光场的自旋-轨道相互作用有助于发现新颖的物理现象,如光的自旋霍尔效应,自旋-轨道角动量转换。在这方面,我们基于高阶庞加莱球,研究了矢量光场自旋-轨道相互作用,并观察到一种新的物理现象:自旋-轨道分离效应。具体地,矢量光场的偏振态在庞加莱赤道上开始沿着南极或北极经历绝热演化,其固有的自旋-轨道发生分离,产生一定的自旋角动量分布,同时,将积累相应的几何位相,该几何位相具有螺旋结构,携带与自旋角动量等量的轨道角动量。