光场调控是对光波的振幅、相位、偏振等基本参量实现任意操控的过程,它是当前光子学领域的重要研究热点之一。相比于传统的大体积折射光学元件,近十年来出现并迅速发展的超表面以强大的光场调控能力迅速成为广泛关注的热点课题。超表面是由亚波长金属或者介质结构单元排列成的非均匀各向异性人工表面,通过改变结构单元的尺寸、形状、方位等可以在亚波长尺度范围内实现对光波的操控,其研究为相关物理现象和规律的探索提供了新的途径。目前,具有不同功能的超表面已被成功设计,包括偏振器件、超透镜、超表面全息、光学涡旋发生器以及高维多光子量子源等,这些器件具有超薄化,低损耗、易于操作等优势,促进了光学器件向小型化和集成化发展,并在军事、航空航天、集成半导体器件、精密制造等众多领域中显示了重要的应用前景。作为偏振和空间自由度不可分的典型光场,矢量光场的产生是光场调控的重要研究内容,而高阶庞加莱球概念的建立将矢量光场归结为携带等值反号拓扑荷的正交圆偏振涡旋态的线性叠加,为矢量光场的操控奠定了理论基础。目前宏观尺度的矢量光场已经广泛应用于粒子捕获、超衍射极限成像、激光加工、光学通讯等经典物理和量子科学领域。超表面结构单元所具有的自旋轨道转化能力,使其在光学涡旋和矢量光场操控中具有突出优势,并将光束尺寸延伸到微纳尺度。因此,利用超表面操控圆偏振涡旋态实现微纳矢量光场的产生,已成为光场调控研究中的重要前沿课题,并在微颗粒操纵、精密测量和量子信息等器件的小型化和片上集成方面具有良好的应用前景。为此本学位论文基于正交纳米缝对结构单元组成的等离激元超表面对光场偏振和相位等自由度的操控,通过调整结构单元的几何排布（如阿基米德螺旋线、菲涅尔波带片）对不同圆偏振涡旋态及其叠加进行控制,以此实现了类贝尔态矢量光束、聚焦的高阶庞加莱光束及其矢量晶格光场的产生与调控。本论文首先设计了由旋转的具有四分之一波片功能的正交纳米缝对排列在螺旋线上构成的螺旋超表面,并基于包含入射圆偏振光的手性、缝对的旋转阶数、以及螺旋线阶数在内的三个参数的匹配,实现了微纳尺度的类贝尔态矢量光束;然后,基于菲涅尔波带片原理,设计了集偏振转换和聚焦功能为一体的超表面,此超表面结合菲涅尔波带片引入的传输相位以及纳米缝旋转引入的几何相位,以此实现焦场中入射自旋分量的消除以及转换自旋分量的相长叠加。通过简单的调节结构单元的取向角以及入射光的偏振态,实现了聚焦的高阶庞加莱光束的产生;随后,基于菲涅尔波带超表面构建多个轨道角动量态的叠加组合,实现了晶格光场的产生和调控。这些工作本质上是结合缝对旋转引起的几何相位和光程变化带来的传输相位,进而对矢量光场进行调控。本学位论文共分为五章。第一章绪论部分概述了本论文所涉及内容的相关领域的研究背景。首先对等离激元的定义、基本特性及其应用进行了简单介绍;其次对超表面近年来国内外的研究进展及现状进行了文献综述和概括梳理,系统分析了基于超表面的典型功能器件;随后介绍了偏振态的几种表示方法以及相关偏振器件的琼斯矩阵表示;接下来综述了矢量光场的基本概念、特性、产生方法以及研究进展;最后概述了晶格光场的研究现状。第二章设计了由取向角随空间方位变化的正交纳米缝对排布在螺旋线上构成的螺旋超表面,实现了类贝尔态矢量光束的产生。基于矢量形式的惠更斯-菲涅耳原理,并且将偏振变化过程中由纳米缝对的旋转引起的波场相变与超表面螺旋阶数相结合,推导出了螺旋中心区域波场分布的理论表达式。此外,基于包含入射圆偏振光的手性σ、纳米缝的旋转阶数m、以及螺旋线阶数n在内的三个参数的匹配,实现了两个正交圆偏振涡旋本征模的等权重线性叠加,并分析了纳米缝对的取向角对偏振性能的影响。在模拟计算中,利用设计的样品分别获得了包含径向、旋向矢量光束（|TM＞1和|TE＞1）以及π相位的径向、旋向矢量光束（|HEe＞1和|HEo＞1）在内的类贝尔态矢量光束。不仅如此,通过调整初始纳米缝对的取向角还实现了倾斜偏振的矢量光束,模拟结果与理论分析基本一致。实验上,搭建了一个测量波场强度分布的实验装置。实验结果为多种偏振矢量光束的产生提供了有力的验证。第三章设计了一种基于菲涅尔波带片原理的等离激元超表面,实现聚焦的高阶庞加莱光束的产生。取向角随空间方位变化的的纳米缝被排布在菲涅尔波带片的每一环上,且位于偶数环的纳米缝相对于奇数环有π/2的旋转。该超表面结合了菲涅尔波带片顺序环到焦点处路径增量引入的的传输相位以及旋转的纳米缝引入的几何相位,两种相位的结合是实现聚焦的高阶庞加莱光束的关键。首先,从单缝的透射场出发,基于矢量形式的惠更斯-菲涅耳原理对超表面产生聚焦矢量光束进行了理论分析。当圆偏振光照明超表面时,菲涅尔波带引入的传输相位使得入射自旋分量通过相消干涉被消除;而对于转换自旋分量来说,传输相位和几何相位的结合使其通过相长干涉被精确聚焦。通过控制纳米缝的取向角和调整入射光的椭偏度,可以实现具有相等拓扑荷但符号相反的两个转化自旋分量的线性叠加,从而获得聚焦的高阶庞加莱光束。利用时域有限差分软件我们对超表面进行了优化,并演示了聚焦高阶庞加莱光束的产生。超表面是基于632.8nm的入射波长设计的,并验证了其可以在532nm和473nm波长下工作。实验上,制备了四个纳米缝旋转阶数不同的样品,在三个波长的入射光照明下我们分别实现了矢量光束在高阶庞加莱球赤道和本初子午线的演化。生成的高阶庞加莱光束质量较高,我们期望本研究工作提出的方法对经典和量子物理的相关领域具有重要意义。第四章设计了一种实现晶格光场的等离激元超表面。该超表面由旋转的正交纳米缝对结构排布在菲涅尔波带片的同心圆环上构成,且位于不同环上的纳米缝对的旋转阶数是不同的。与传统的利用多边形缝、分段结构或多孔结构模拟多光束干涉方法不同,我们的超表面设计通过调整缝对的旋转阶数来操纵多个轨道角动量的同轴叠加,从而实现晶格光场的产生。首先,借助M个平面波干涉产生晶格光场的方法,分析得出其本质源于轨道角动量态的叠加,并总结了轨道角动量态的叠加组合对晶格场形态的调控规律。然后基于理论积分计算和模拟仿真分别得到了四种不同形态的圆偏振光学晶格场,即Hexagonal、Hexagonal vortex、Kagome以及Honeycomb晶格场。进一步地,基于R.R.Alfano等人提出的高阶庞加莱球的概念,我们研究了两个具有相反拓扑荷（l=±1）的正交圆偏振晶格光场的叠加,进而获得了|TM＞1、|TE＞1、|HEe＞1和|HEo＞1四种模式的矢量晶格场。实验上搭建了测量光场强度图样的实验装置,通过对实验结果进行分析和讨论,验证了利用设计的超表面产生和调控晶格光场的可行性。第五章我们总结了本学位论文所取得的成果和创新,并对下一步将要进行的工作进行了简单介绍。