与折射式光学元件和基于动力学相位的传统衍射型光学元件相比,基于几何相位的平面光子学元件可以增加系统的自由度,具有体积小、轻薄、精度高、效率高等诸多优点。因此,几何相位衍射光学元件及其应用近年来受到广泛的关注。液晶,作为一种特殊的三维自组装软物质形功能材料,因其既具有液体的流动性又具有晶体的各向异性而在显示和光子学领域发挥着不可替代的作用。基于液晶的几何相位元件因其可对光的偏振、相位、波矢等进行调制而在光学操纵、通讯、信息处理、虚拟现实、增强现实等领域被广泛应用。随着液晶取向技术的不断发展和液晶器件制作工艺的不断创新,液晶分子的空间排列也呈现出越来越大的自由度。在三维空间上复杂排列的微纳结构化液晶既可以用于实现一些具有特定功能的几何相位器件,又可以使几何相位器件更自由地操纵光的频谱、视角等信息。本文基于向列相液晶的透射式几何相位和胆甾相液晶的反射式几何相位,结合光控取向和液晶器件制作技术,设计并制备了具有特定功能的复杂三维结构的液晶光学元件,以解决光场调控器件中存在的一些重要问题。此外还研究了基于广谱偏振光栅的近眼显示系统。取得的主要研究成果包括以下四个部分:1.在液晶分子微结构设计方面,首先利用光控取向技术,结合偏振光直写、偏振光干涉、数字微镜偏振投影系统等偏振全息方法来设计并实现液晶分子在器件表面处方位角的任意控制,其次基于液晶自组装和液晶聚合物薄膜表面取向能来设计并实现液晶器件自下而上自由排列。基于上述方法,液晶分子能够在三维方向上复杂排列,从而在微纳米尺度下实现更复杂的微纳尺度结构化液晶几何相位器件。2.基于向列相液晶和胆甾相液晶的几何相位和自旋-轨道角动量耦合,针对向列相液晶涡旋波片产生的不同拓扑荷数的涡旋光场不能在空间上发生分离,胆甾相液晶涡旋光束产生器件只能使一种圆偏振态的光发生自旋-轨道角动量的耦合等问题,设计了一种新型高效率液晶涡旋波片器件。该器件在制作上组合了液晶聚合物薄膜和胆甾相液晶器件,可以使透射光和反射光都产生涡旋光束且这两部份光的轨道角动量的特征值相同。3.基于胆甾相液晶的选择性反射圆偏振光且只有反射光获得几何相位的光学特性,通过组合两种具有相反螺旋手性的胆甾相液晶来获得两种相反的几何相位,进而实现反射光场的偏振转换。通过合理设计液晶分子在器件表面处的方位角来获得任意的布拉格反射式偏振场分布。该器件可以在整个布拉格反射区间甚至更宽的光谱范围内产生矢量光场,可以应用到高精度成像、聚焦和信息处理等领域。该研究方案还为进一步产生任意的高阶和混合阶矢量涡旋光束提供了思路。4.基于液晶偏振透镜和偏振光栅的基本光学原理,设计了一种双层旋转扭曲结构的广谱偏振光栅聚合物薄膜。当线偏振光入射,该偏振光栅在整个可见光波段内具有均匀的零级和正负一级效率,效率均为三分之一。此外,基于该广谱偏振光栅和四分之一波片组合进一步设计出了一种二维光栅。该二维光栅被应用到麦克斯韦视图型彩色近眼显示系统中来增大眼动范围,其眼动范围由原来的3 mm×3 mm扩大至9 mm×9 mm,满足了当今近眼显示眼动范围的要求。该方案简单直接、价格低廉、性能优越,在近眼显示中具有广阔的应用前景。