随着激光技术的发展进步,人们越来越多地认识到光所携带的丰富信息可以作为探测和感知物质世界的手段。若要充分发挥光子作为信息载体的优势,对光场的调控至关重要。光场调控主要包括在时间域和空间域对光场进行调控两大类,调控的光场参量主要是频率、振幅、相位和偏振。在时间域可以调控光场的频率。对光场的振幅、相位和偏振分布的调控构成对光场的空域调控,这也是本论文的主要研究内容。在光学的发展历程中,对振幅和相位的调控技术已经比较成熟有效,而对偏振的调控相对较难,特别是要同时实现对振幅、相位和偏振的调控就更为复杂。通过偏振自由度的引入加之对振幅和相位的调控,无疑会导致光场演化以及光与物质相互作用的新效应。本文将集中研究对光场空间参量的完全调控也即全矢量光场的产生及其应用。本论文工作的主要创新如下：1.提出了一种振幅、相位和偏振可被同时完全调控的矢量光场生成方案。论文回顾了前人提出的基于4f系统和空间光调制器的矢量光场产生方案,该方案的原理是光束的先分解后合成,基模的高斯光束经过空间光调制器和空间滤波后变为两束偏振方向相互垂直的基矢量光,而后这两束基矢量光通过一个Ronchi光栅合成为一束矢量光。在之前的方案中,受空间光调制器工作模式的限制,只能调控两个基矢量光场的相位分布,不能调控其振幅分布,这样就只能调控所合成光场的偏振和相位而不能调控光场的光强分布；而且所合成的矢量光场的偏振态只能位于Poincare球的一个大圆上,不能覆盖整个Poincare球。为了突破上述局限,我们采用了光场复振幅的纯相位编码算法,可以利用相位型空间光调制器完全调控两个基矢量光场的振幅和相位,因此可以实现对由它们所合成的矢量光场的振幅、相位和偏振的完全调控,也就是可以产生全矢量光场。论文中提出的全矢量光场生成方案,是普遍适用的。要产生任意所需的矢量光场,首先将其分解为偏振正交的两个基矢量光场,然后使用纯相位编码算法编码两个基矢量光场的复振幅,最后通过基于4f系统的矢量光场生成系统来生成这一光场。我们设计了相应的实验验证了该方案的实用性和可靠性。2.提出了一种聚焦光场的逆向设计方案,实现了对焦场空间参量的完全调控。焦场设计要解决的主要问题是如何获得与焦场对应的入射场,现今被普遍采用的方案,一种是迭代方案,一种是正向方案。正向方案本质上是一种试探方案,根据经验主动改变入射场的结构来获得所需的焦场。但是由于试探过程复杂,而且只对某些特定类型的焦场有效,因而该方案应用范围有限。而迭代方案是一种近似方案,而且迭代的收敛性与焦场具体结构有关；此外,迭代过程中要求至少有一个光场参量作为自由参数,因而不能用于全矢量光场的设计中。由于正向设计和迭代设计都比较费时,所以很难用在需要对焦场进行实时动态调控的场合。本论文中提出的全矢量焦场的设计方案,是通过逆向计算获得与焦场对应的入射场的。逆向计算的基础是Richards-Wolf矢量衍射理论以及根据坐标变换获得的光场在物镜出瞳和入瞳之间的转换矩阵；在逆向算时可使用快速傅里叶变换和啁啾变换,以保证计算的快速和准确。在逆向设计方案中,入射场的获取仅需一步计算,不需要试探,不需要设定自由参数,因而该方案可以实现对焦场的实时动态的全矢量调控。我们通过实验验证了该设计方案的有效性和普适性,论文还首次提出并使用逆向设计方案在焦场中产生了完美矢量涡旋光场。3.提出了一种基于剪切干涉的相位涡旋拓扑荷检测方案。此方案不仅可以用于标量光场相位涡旋拓扑荷的检测,还可以用于矢量涡旋光场的相位拓扑荷检测。该方案是将带相位涡旋的光场通过一个平行偏振分束镜后一分为二,所产生的两束光的传播方向平行且偏振态相互垂直,而它们的光束中心有一个横向平移。通过这两束光的偏振干涉条纹就可以判断出涡旋的大小和手性。该方案用于检测标量光场相位涡旋拓扑荷时,干涉条纹中围绕两个光强奇点的干涉臂的数目相等且与相位涡旋拓扑荷的绝对值相等,而干涉条纹的方向对应拓扑荷的正负；用于矢量涡旋光场的相位拓扑检测时,围绕两个光强奇点的干涉臂的数目,分别反映两个正交圆偏振偏振分量所携带的相位涡旋拓扑荷的绝对值,而干涉臂的方向则分别反映相位涡旋拓扑荷的正负,通过两个正交偏振分量的相位拓扑荷,就可以逆推出矢量涡旋光场的相位涡旋拓扑荷。相比于其它检测涡旋拓扑荷的方法而言,基于剪切干涉的涡旋拓扑荷的检测方案的优点是,该检测方案不依赖于具体的光场产生光路,可以独立构建和使用；所用元器件精简,光路搭建十分方便；抗干扰能力强,因为我们的光路不要求对涡旋光的中心进行对准,各元件的距离也没有特殊要求,只需要依次通过各个光学元件,就可以产生足够区分不同拓扑荷的实验现象；通过这些现象不仅能区分拓扑荷的大小也能区分拓扑荷的正负；并且不需要对CCD所记录的图像进行后续处理,甚至某些情形下,相位拓扑荷可以用肉眼直接分辨出来；此外,该方案中所用核心元器件具有很大损伤阂值,可以用于高功率情况下涡旋相位拓扑荷的检测。我们通过实验验证了所提出的拓扑荷检测方案,并证实该方案对相干光和部分相干光都有效。