奇点光学是现代光学的一个重要分支学科,主要开展具有相位奇异的波前错位和具有偏振奇异的偏振拓扑产生、传输、调控及其应用的研究。奇点光学以其独特的属性和广阔的应用前景引起了物理学各分支学科以及化学、材料科学、生物医学、声学等多个科学领域的广泛关注。产生奇异光场成为奇点光学的重要研究内容。透镜、相位板和光栅等光学器件或者干涉与衍射光学系统场常用于奇异光场的产生,但是块状的光学元件或者复杂的光学系统难以实现光学集成。近年来,纳米散射体构成的超表面可在纳米尺度实现光场调控,因此超表面光场调控研究引起了人们的广泛关注。超表面透镜、超表面棱镜、超表面滤波器、超表面分束器以及超表面全息等超表面紧凑光子学器件不断被提出,光学超表面也为设计紧凑的奇异光场发生器提供了有效途径。超表面纳米结构可激发和操控表面等离激元的传输,同时超表面纳米结构的空间布局可改变反射和透射相位并引起光场偏振态的改变。利用这些特性,人们设计了等离涡旋发生器、聚焦涡旋发生器、矢量光发生器以及矢量涡旋发生器,进而产生了紧凑的相位奇异光场、偏振奇异光场以及相位和偏振奇异共存的结构光场。然而超表面强大的光场调控能力还远不止于此,合理设计超表面还可实现更为复杂的结构光场。这将为集成光学、超分辨成像、光学微操控、高灵敏光谱检测、光学加密等应用研究提供集成度高、信息容量大和并行快速的技术。因此基于光学超表面开展相位和偏振奇异复杂结构光场的研究具有重要的科学意义和基础应用价值。本论文基于纳米缝或纳米孔构成的透射超表面开展相位和偏振奇异光场的理论与实验研究,研究生成复杂结构光场。论文探究了纳米单元对透射光场的振幅、相位和偏振的调控机理,设计了复合等离涡旋发生器、复合矢量光发生器和偏振复用结构涡旋发生器。论文的创新性工作包括以下三点。一是提出了径向结构等离涡旋和径向结构矢量光,利用超表面设计实现了拓扑荷内小外大的结构涡旋和阶次内小外大的结构矢量光,具有结构紧凑和并行输出的优势。二是提出了偏振加密的涡旋阵列的产生,利用超表面全息产生了正交偏振的涡旋阵列,获得的光学涡旋已摆脱拓扑荷与半径的依赖关系。三是利用透射超表面设计的各类结构光发生器,具有结构紧凑、操作灵活和光束信噪比高的优势。这些工作为拓展奇异光场的实际应用起到重要作用。论文的内容由六章组成,具体安排如下:第一章为论文的绪论部分,主要介绍与论文工作相关的物理基础。首先介绍奇点光学的研究背景及其应用前景,其次介绍了具有相位奇异的涡旋光束的特征、产生方法及其应用,然后介绍了具有偏振奇异的矢量光束的特征、产生方法及其应用以及超表面与奇异光场的相关研究,最后给出了论文安排。第二章为论文的基础性研究工作,鉴于本文的研究均以透射超表面来实现光场调控,本章概述了纳米孔缝的调控光场行为。从单个纳米孔或缝的透射到周期性纳米孔或纳米孔阵列的透射,纳米单元的形状也各有不同,调制光场的方式包括光谱、透射率、相位和偏振态。概述性的研究内容为后续章节工作的开展奠定了基础。第三章基于复杂结构光的并行输出优势提出了径向结构等离涡旋的产生,不同径向区域内等离涡旋的拓扑荷不同。超表面结构由刻蚀在银膜上按照螺旋轨迹排列的纳米狭缝组成,同一超表面结构可同时实现两个和两个以上的光学涡旋的并行输出。数值模拟结果证实了结构涡旋的产生。这一工作拓展了结构等离涡旋的研究,它必将促进涡旋的集成应用。第四章基于光场叠加和纳米孔的相位调控提出了一种复合矢量光发生器,产生的复合矢量光有多个径向分布不同的非均均匀偏振模式的矢量光组成。设计的复合矢量光发生器具有超薄紧凑结构、高偏振转换、高信噪比和并行输出等优点。复合矢量光超表面器件的设计有益于拓展矢量光场的广泛应用。第五章基于超表面全息和光场叠加提出了偏振加密的涡旋阵列的产生,阵列涡旋的半径相同而拓扑荷可取不同值。通过调整纳米孔的转角可实现正交偏振的涡旋阵列的并行输出。优化纳米孔的参数增大器件转换效率和透射效率,超表面全息的利用极大增加了信息容量。偏振编码的涡旋阵列的产生为信息加密、多通道量子通信以及光学信息并行处理提供了有力工具。第六章是本文的全文总结与展望。本章概括了论文的工作内容和创新性,同时对后续工作和论文存在的不足进行了讨论。