圆对称结构光因其独特的场分布及光学特性使其在多个研究领域被广泛关注,例如光镊、粒子操控、光学成像、超分辨、量子信息等。特别是在光通信领域,因其携带的空间模式具有无穷的正交区间,可将不同的数据序列加载到不同的模式信道,实现空间模式复用通信。由于圆对称结构光所携带的模式主要通过空间相位和偏振调控来实现,利用相位型或者偏振型调制器件即可实现圆对称结构光模式的复用及解复用。此外,圆对称结构光模式的变换只需要通过空间相位和偏振调控来进行,有望设计无源光器件来实现不同模式信号间的全光灵活处理。作为新的信息复用维度,圆对称结构光模式可用于容量密度提升以及全光信息处理,实现全光互联以及全光网络。目前在单一圆对称结构光模式的产生及检测等基础研究方面已有大量的工作被报道。在实际应用中,为了提高系统的兼容性及灵活性,往往需要利用单个系统实现多种光束的灵活产生及检测。如何实现多种圆对称结构光束的联合产生、调控及检测是圆对称结构光走向实际应用必须解决的关键问题。在光互联应用中,空间模式复用及全光模式信息处理的核心在于模式的耦合和分离以及模式变换。然而,现有的圆对称结构光模式复用及解复用器件无法同时满足尺寸小、高带宽、任意偏振响应等需求,且矢量模式复用器件的研究仍是空白的。受限于空间模式复用器件,已有的圆对称结构光模式复用通信均存在效率低、系统复杂等问题。圆对称结构光模式变换器件方面的研究也相对较少,光域的全光模式处理技术更是鲜有报道,严重阻碍了圆对称结构光在全光互联以及光子集成中的实际应用。本论文以微纳光学为载体,从圆对称结构光的基础研究入手。针对圆对称结构光束基础研究在产生、检测及灵活调控等关键技术方面存在的不足。首先,通过合理利用超构表面Q-plate的自旋轨道相互作用机制实现了圆对称结构光束的产生及相互转换。进一步通过设计双层超构表面Q-plate的相位延迟及q值实现了圆对称结构光束双偏振基矢的权重及偏振方向调控。为了实现多种圆对称结构光束的联合检测,提出了两种正交偏振分离技术。一种是对线偏基矢进行分离及干涉检测来获取圆对称结构光完整的信息;另一种是对圆偏基矢进行分离,并通过“twisting”相位的像散衍射来提取光束的模态信息。在此基础上,针对圆对称结构光在全光互联应用中存在的模式复用器件带宽小、尺寸大、偏振敏感以及缺乏模式变换器件等问题进一步深入研究。利用Pancharatnam-Berry（P-B）相位,设计了一种超构表面达曼涡旋光栅,可用于高带宽、偏振不敏感的轨道角动量模式复用及解复用;进一步将传输相位与P-B相位结合,实现了超构表面矢量达曼涡旋光栅,可用于矢量模式的复用及解复用。最后,利用P-B相位超构表面Q-plate的自旋轨道相互作用机理,实现了两路圆对称结构光模式的灵活变换,并提出了相应的全光模式信息处理技术。研究结果将为揭示圆对称结构光场与微纳光子器件的相互作用机制提供理论和实验基础,并推动圆对称结构光在光通信及全光互联中的应用。本论文的主要内容及创新点:1)为了实现圆对称结构光束的灵活调控,提出并实验验证了一种基于双层超构表面Q-plate的圆对称结构光场调控技术。通过调控双层超构表面Q-plate的q值及相位延迟,实现了正向及反向非互易的正交圆偏基矢以及线偏基矢的共轭相位调控。该双层超构表面的设计,一方面,将两层结构集成到单块超构表面,有利于系统集成化;另一方面,通过旋转双层超构表面Q-plate便可对圆偏基矢的权重以及线偏基矢的旋转方向进行调控,实现高阶庞加莱球光束灵活的调控,为圆对称结构光束的调控提供了一种新的方案。2)传统的圆对称结构光束检测方法可检测的光束类别较少、功能单一。为了实现多光束的联合检测,设计了一种偏振敏感型闪耀光栅用于将变换后的正交线偏基矢进行分离。经过干涉检测后,可以计算出圆对称结构光完整的模态信息。进一步,为了提高检测方法的实用性以及灵活性,提出基于相位函数构造的可控自旋霍尔效应。利用该工作机理,不仅通过改变入射光的位置偏移可以实现自旋相关分离的灵活调控,并用于光束的偏振椭偏度检测;还可以利用函数构造得到的相位对光束进行调制,实现圆对称结构光束的模态信息检测等其他应用。该方案的系统更简单、应用也更灵活。3)针对现有圆对称结构光模式复用及解复用器件在尺寸、带宽、偏振响应等方面存在的不足,提出并实验验证一种基于P-B相位的等离子体型超构表面达曼涡旋光栅。该器件不仅理论工作波长可以覆盖1000-2000 nm,而且具有偏振不敏感特性。在P-B相位的基础上,结合传输相位提出并模拟了一种基于复合相位的等离体子型超构表面矢量达曼涡旋光栅。利用复合相位调控机制,可以给光束的左右旋偏振分量加载共轭的达曼涡旋光栅相位,进而用于柱矢量光的模式复用及解复用。该器件的提出填补了矢量模式复用通信在复用器件方面的空白。4)为了提高现有全光模式处理器件的兼容性,促进圆对称结构光与全光信息处理的融合,提出并证明了一种可用于圆对称结构光模式信号处理的实验原型器件,即P-B相位型介质型超构表面Q-plate。由P-B相位引入的无色散特性和自旋轨道相互作用,使得介质型超构表面天然具有从C波段到L波段的宽带工作波长,并且能够同时转换轨道角动量和矢量模式。通过设计超构表面的q值来灵活地调控轨道角动量和矢量模式的阶数,不仅实验上成功地实现了两路复用轨道角动量模式信道的全光信息处理（模式交换、还原和转换）,还首次实现了矢量模式的全光信息处理。