相位和偏振是光场非常重要的属性,也是比较难以实现灵活调控的两个自由度。结构光场要求对相位、偏振和振幅等光学自由度在光场截面的空间分布上实现充分的调控,例如涡旋光场和矢量光场等复杂的新型光场。结构光场在超分辨显微镜、光镊技术、激光微加工、信息传输和图像处理等领域有着广泛的应用,这就需要对光场的相位、振幅和偏振等所有属性进行局部的精确控制。具有特殊相位分布的焦散光场因其具有自聚焦、自重构和自愈合等特性以及丰富的传播与聚焦特性引起了研究者们的极大关注,近年来人们在理论和实验上生成了多种焦散光束,如Airy光束和Pearcey光束等。然而大部分工作都是针对标量光场开展研究,极少涉及到焦散相位作用于非均匀偏振分布矢量光场的影响,特别是对涡旋矢量光场中光学角动量操纵的研究。因此研究焦散矢量光场和焦散涡旋光场,探究焦散光场偏振态的动态操作以及灵活变换有着重要的理论意义和实用价值。本论文的主要研究内容如下:1、介绍了矢量光场和涡旋光场的基本概念及矢量光场的主动和被动生成方法,重点对基于光学4f系统的矢量光场生成方法进行阐述,基于该装置实验生成了径向、角向和杂化偏振矢量光场,并对相应的焦散矢量光场生成方法进行了探讨。此外,介绍了焦散光场的基本理论、发展现状及焦散相位的基本设计方法。2、研究了焦散矢量光场弱聚焦状态下的焦场分布特性。基于Rayleigh-Sommerfeld矢量衍射理论,推导并化简了不同相位参数下焦散矢量光场弱聚焦后的焦场表达式,并数值计算了焦散光场的入射强度、偏振分布、传播特性以及被弱聚焦后焦点的强度与偏振分布。焦散相位能够使得光场在自由空间传播时具有自加速的轨迹,并且通过进一步施加涡旋拓扑荷可以在弱聚焦状态下控制焦散光场自聚焦形成双焦点分布,展现出新颖的焦场特性。3、研究了焦散矢量光场空间偏振转换和角动量演化。由于施加焦散相位的作用效果,焦散矢量光场在自由空间传播时自聚焦形成前后双焦点分布。此外,两焦点被转换为互为正交的标量偏振分布。通过调整初始入射光场的焦散相位分布,还可以产生携带光学轨道角动量的焦散涡旋矢量光场。此外,通过合理的设计焦散相位和光场初始参数,在偏振和相位共同作用的结构光场中可以实现光场在弱聚焦状态下的空间偏振转换和涡旋阶数的灵活调控,形成多维度的光场联合调控。