轨道角动量(OAM)光束又被称为涡旋光束,是一种具有螺旋相位波前环状光强分布的特殊光束,其相位中含有与旋转方位角有关的相位因子,可以表示为:exp(il?),其中?为旋转方位角,l为拓扑荷值,可以取无限值,涡旋光束中的每个光子都携带有特定的轨道角动量值l?。涡旋光束的特殊性使其在通信、微粒操控以及生物医学等领域具有重要的应用价值,例如无限取值的拓扑荷值可用于信息编码,提高信息容量与安全性;环状的光强分布以及所携带的轨道角动量可以作为光镊来捕获或者旋转粒子。传统的涡旋光束控制器件主要有螺旋相位板、空间光调制器以及柱面透镜转换器等,这些器件大都存在尺寸相对较大、加工精度要求较高,非平面以及系统复杂等问题。随着微电子集成技术的发展,小尺寸、平面化的光学器件成为主要的发展趋势,传统涡旋光束控制器件存在的这些问题都会使其在应用过程中受到一定的局限性。近年来,一种二维平面超材料-超表面逐渐引起人们的关注,它能够在极薄(<λ)的平面上实现对光场的灵活调控,因此可以用来解决传统涡旋光束控制元件存在的问题。本论文主要基于超表面几何相位调控原理,研究其在涡旋光束控制以及检测方面的应用。论文的主要研究内容及成果包括:1.设计了一种能够同时实现涡旋光束产生与检测的集成超表面器件。借助超表面极薄、平面化以及小尺寸的优势,从集成的角度出发利用分区域的方式将产生与检测涡旋光束的功能集成在同一超表面上。同时理论分析与对比不同分区域的产生与检测效果,最终优化得到同心圆式的分区域方式。同时采用椭圆纳米孔来实现对光场的相位调控,详细分析了椭圆纳米孔长轴旋转时对圆偏振光的几何相位与振幅调控作用,另外优化了椭圆纳米孔的排列方式,最终采用六边形排列方式构建所设计的集成超表面,并搭建了相应的显微测试系统实验验证所设计的超表面,实验测试结果与仿真结果相吻合。2.针对涡旋光束阵列控制器件存在的尺寸大、产生的阵列光斑能量分布不均匀以及高阶衍射干扰等问题,基于超表面振幅与几何位相的调控功能,提出了一种能够产生高质量涡旋光阵列的设计方法。详细分析了振幅与位相同时调控情况下所产生的光束阵列的光斑质量,得到振幅与位相同时调控的情况下,阵列中的光斑能量均匀性提高,并且干扰光斑的能量降低。分析了超表面的振幅与位相同时调控功能,利用不同尺寸的矩形纳米孔实现对光场的振幅调控,同时还可以实现几何相位调控,另外亚波长量级的单元结构能够降低高阶衍射的干扰。最后实验验证所设计的超表面,实验测试得到二阶振幅调控下光束阵列能量均匀性为0.14,接近理论值0.1,并且优于纯相位调控值0.46。3.提出了一种能够实现双波长调控的三维阵列涡旋光束超表面。利用硅纳米柱的谐振特性,设计了能够同时实现波长选择与相位调控功能的硅纳米柱超级单元结构,单元结构由两个不同尺寸的硅纳米柱组成,不同尺寸针对不同的波长,并且旋转纳米柱可以实现对相应调控波长的几何相位调控,最后利用超级单元结构结合点源法设计了双波长调控的三维阵列涡旋光束超表面,利用CST仿真软件得到的仿真结果与所设计的理论结果相符合。