矢量光场的独特聚焦性质以及丰富的调控自由度为光场的应用带来极大的潜力,尤其是三维焦斑阵列在光学微操纵、多分子成像、并行光记录和并行激光加速等多个领域有着重要的应用价值。例如,三维光学笼子阵列可有效并行捕捉低折射率的粒子;三维矢量焦斑阵列在并行偏振多路复用记录、并行偏振信息加密和并行多光子显微成像等多个领域有偏振应用;三维完美全矢量涡旋阵列在并行粒子旋转的操纵和并行量子信息等领域有广阔的应用潜力。然而,对三维光学焦场的研究还处于起步阶段,还存在许多没有解决和急需解决的科学和技术难题。本文对三维光学焦场的设计和调控进行了理论和实验研究。本论文工作的主要创新如下:1.提出了一种利用伪周期相位调制函数来产生三维焦斑阵列的方法。论文回顾了前人提出的用于实现三维焦斑阵列的迭代和非迭代设计方法。迭代算法利用在焦场和入射场之间的来回迭代运算,寻找出可以实现三维焦斑阵列、同时满足入瞳面约束条件的最佳入射场。然而,这种迭代方式常常要求大量的计算,并且得到的入射场并不能保证是最优解。非迭代设计中常用的一种方法是利用光栅和透镜的变换原理,运用傅立叶变换的相移定理实现焦斑沿横向和纵向的平移来达到三维焦斑阵列。然而,该方法生成的三维焦斑阵列通常只有低的均匀性,并且阵列是周期性的、其间距是不可灵活调节的。为了突破上述局限,我们采用了伪周期相位调制的方法:利用空间光调制器编码每个像素,对每个像素加载光栅和透镜因子实现焦斑的三维位置调控,再采用宏像素编码实现三维焦斑阵列,宏像素之间采用伪周期方式排列以避免焦场不必要的周期阵列。我们称以这样方式加载在空间光调制器上的光栅和透镜因子的函数为伪周期相位调制函数。伪周期相位调制函数可实现可控焦斑个数和分布形状的三维焦斑阵列。2.提出了一种生成三维矢量焦斑阵列的方案。此方案不仅可以调控焦斑阵列的三维分布,还可以调控焦斑阵列的偏振分布,不仅可以生成简单的局域线偏振的焦斑阵列,也可以生成复杂的径向和旋向偏振的多偏振焦斑阵列。此方案将上面的光栅与透镜因子加载到两正交偏振分量上,再对其进行伪周期编码。光栅和透镜因子平移调控每个焦斑的三维分布,两正交分量的相位差和相对振幅调控每个焦斑的偏振分布。每个像素上不仅要加载各自的光栅和透镜因子,同时还要加载各自的两正交偏振分量以生成三维矢量焦斑阵列。我们设计了相应的实验对该方案的可靠性和实用性进行了验证。3.提出了一种生成三维光学笼子阵列的方案。双环分布的径向和旋向偏振光束经过透镜的紧聚焦,可以生成三维均匀的光学笼子。内环的旋向偏振光在焦场中生成光管,而外环的径向偏振光结合透镜因子在焦平面前后两侧各生成一个亮点焦斑。光管和两亮斑的结合形成三维笼形光学焦场。通过调节相应参数可实现三维光学笼子的调控。将双环调控的径向和旋向偏振光束与上面提到的伪周期相位调制函数相结合,进一步实现了三维阵列分布的光学笼子。4.提出了一种生成三维完美全矢量涡旋阵列的方案。完美全矢量涡旋的半径不仅与偏振拓扑荷无关还与相位拓扑荷无关,它同时拥有完美偏振涡旋和完美相位涡旋的性质。此方案将光栅与透镜因子加载到生成完美全矢量涡旋的两正交偏振分量上,再对其进行伪周期复振幅编码。光栅与透镜因子调控每个完美全矢量涡旋的三维分布,两正交分量调控每个完美全矢量涡旋的半径、偏振拓扑荷和相位拓扑荷。每个像素上不仅要加载各自的光栅和透镜因子,同时还要加载各自的生成完美全矢量涡旋的两正交偏振分量以生成三维完美全矢量涡旋阵列。我们通过实验验证了该设计方案的可行性和有效性。