相位和偏振是光的两个重要属性。近年来,随着微加工技术的发展,基于孔、缝、凹槽和突起等金属微结构对光场的操控引起了人们的关注。光与金属微结构相互作用时激发的表面等离激元(SPPs)对微结构具有很强的依赖性,因此借助金属微结构可以在亚波长尺度范围内对光场进行操控,也由此引发了微纳光学元件的研制与开发。微纳光学元件能够极大地缩小光学功能器件的尺寸,这对于集成光路的实现具有重要的意义。基于金属微结构的光场偏振和相位操控的研究是近年来纳米光子学领域的研究热点。本论文是以贵金属银作为激发SPPs的材料,并基于刻蚀在银膜上的亚波长矩形孔组成的不同微结构开展光场偏振和相位操控的研究。论文的创新性工作包括基于金属微结构开展光偏振态检测的研究、基于金属微结构开展光偏振态转换的研究和基于金属微结构开展等离涡旋产生的研究等内容。论文的具体内容安排如下:1.光的偏振态是本文研究的焦点问题,绪论部分详细描述不同光波的偏振态。首先依据偏振态的不同对入射光波进行分类,并从相位的角度分析偏振态间的转变,利用Jones矩阵给出完全偏振光和常用偏振器件的数学描述。其次介绍光与金属相互作用时产生的SPPs的特点及常见的的激发与探测SPPs的方法。SPPs的激发依赖于入射光波的偏振态和激发SPPs的金属微结构,同时金属微结构也对SPPs的传输有着重要的作用,为此论文中列举了微结构常用的加工方法和近年来金属微结构对光波操控的研究实例。最后介绍了由微结构控制光场的偏振和相位而产生的矢量光束和涡旋光束等新型奇点光束。2.偏振态作为光波的自然属性在许多领域得到了应用,但在实现对光偏振的应用之前应能够对光波偏振态进行检测。本文第二章基于金属微结构开展了光偏振态检测的研究。实现偏振态检测的微结构是由多个较大长宽比的亚波长矩形孔组成的,这些矩形孔按阿基米德(Archimedes)螺旋线轨迹排列并且矩形孔的长边都对着螺旋线的中心。此微结构既可以确定入射光的偏振态,又可以对线偏振光的偏振方向、圆偏振光的旋向、椭圆偏振光的椭圆率和椭偏角等光的偏振特征进行检测。理论上以电偶极子为基本模型给出了不同偏振光经微结构衍射形成的电场的表达式。为了检验本章提出的微结构的光学性能,利用有限时域差分法进行了数值模拟,模拟结果验证了理论预期的正确性并证实了该微结构对入射光偏振态检测的有效性。3.光的偏振态之间的灵活转换有利于偏振光的实际应用,因此本文第三章的主要内容是基于金属微结构开展了光偏振态转换的研究。线偏振光与圆偏振光之间的相互转换是通过优化刻蚀在银膜上的亚波长矩形孔的尺寸实现的。将优化了尺寸的亚波长矩形孔按Archimedes螺旋线排列并同时进行转动形成了将圆偏振光转换为矢量偏振光的微结构。矢量偏振光的形成原理是不同方位角上的矩形孔将圆偏振光转换成不同偏振方向的线偏振光,而Archimedes螺旋线轨迹的引入能够消除圆偏振光携带的自旋角动量。理论上借助Jones矩阵和电场的叠加原理对圆偏振光到径向和角向偏振光的转换进行详细的分析,预言了光的偏振态的转换。数值模拟结果与实验测量结果显示当左旋圆偏振光透过按右旋Archimedes螺旋线排列的矩形孔形成的微结构后可得到径向偏振光,当右旋圆偏振光透过按左旋Archimedes螺旋线排列的矩形孔形成的微结构后可获得角向偏振光。4.鉴于近年来具有螺旋相位的涡旋光因携带轨道角动量而得到广泛的应用,本文第四章开展了基于金属微结构产生等离涡旋的研究。以优化了尺寸的纳米矩形孔为基本单元,将它们彼此相互平行的按照圆或者Archimedes螺旋线轨迹排列形成微结构。该微结构能够在相位均匀的±45~o线偏振光平面波照射下产生具有螺旋相位分布的等离涡旋。理论上通过SPPs传输场的叠加给出了±45~o线偏振光透过微结构后的电场分布的数学表达式,式中螺旋相位项的存在表明了等离涡旋的产生。并且电场分布的公式表明改变矩形孔排列轨迹的几何拓扑荷可以得到具有任意拓扑荷值的等离涡旋。数值仿真结果显示本章节设计的微结构在具有特定偏振方向的线偏振光照射下能够产生等离涡旋,由此证实了理论的预言。5.总结了论文的主要内容与创新点。说明了论文存在的不足与未克服的困难。阐述了下一步的工作计划。