携带轨道角动量的涡旋光束在玻色-爱因斯坦凝聚、微粒旋转与操控、光学超分辨成像及大容量空间光通信等领域具有重要的应用价值,已成为信息光学领域非常重要的前沿研究热点。在涡旋光束中,拓扑荷值是一个重要的参数。例如在微粒操纵中,它与光束轨道角动量成正比,而在量子信息编码中,它则代表了信道复用及信息编码能力。因此,对大拓扑荷值的涡旋光束开展研究具有重要意义。然而,利用传统方法获得的涡旋光束其中心亮环半径会随着拓扑荷值的增大而增大。这使得具有较大拓扑荷值的涡旋光束在耦合、传输等场合中的应用变得非常困难。因此,发展一种亮环半径不依赖于拓扑荷值的涡旋光束显得极为必要。完美涡旋光束是一种不管拓扑荷值如何,都能保持恒定的环形强度分布与光束半径的涡旋光束,其峰值强度半径一定,光场中的各个点具有有明确的轨道角动量密度,且相对方位角位置保持不变。因为这些独特的性质,完美涡旋光在光学微粒操纵,光纤通信及量子光学等领域具有重要的应用价值,已成为近年来光场调控领域的研究热点。传统上,完美涡旋光束由高阶贝塞尔高斯光束经傅里叶变换产生,一般需要用到如轴棱锥、螺旋相位板、凸透镜等一系列传统光学元件,不可避免地造成相关系统体积大、结构复杂等问题。此外,传统方法产生的完美涡旋光束在空间中的模式结构单一,往往只有一个圆形亮环,且完美涡旋光的位置固定于凸透镜的焦面。单一的空间能量分布使传统完美涡旋光无法适用于如光学微流分类及加速这类需要多样态结构光束的应用。而固定的轴向产生位置不利于完美涡旋光在光学微操控中实现光学牵引与推动,还在光纤通信应用中难以耦合到光纤端面。这些不足使得完美涡旋光在调控自由度上有所欠缺,在一定程度上限制了它的应用。近年来,光学超表面元件以其紧凑超薄的结构和相比传统的光学元件更易于光学集成的优势引起广泛关注。超表面可通过超薄纳米结构与光的相互作用使出射场产生突变相位来操控光波,它为构建各种超薄光学器件和推进平面光子学的发展提供了关键技术,也为完美涡旋光束的产生和调控提供了新的思路。因此基于光学超表面开展完美涡旋光束及其调控方式的研究具有重要的意义。本文以光学超表面为基础,基于纳米结构引起的相位变化开展完美涡旋光束的空间调控研究。通过设计不同的超表面结构分别实现了对完美涡旋光的椭偏度与焦面位置的调控,为完美涡旋光束提供了在空间结构上提供了新的调控自由度,填补了当前研究领域的空白。本文的主要研究工作包括:1.为解决传统完美涡旋光场能量分布形式单一的问题,设计并制备了一种用以产生椭圆完美涡旋光束的反射式几何相位型超表面。根据几何相位的调制原理,以椭圆完美涡旋光的相位分布为基础对近红外宽带的等离激元超表面进行了设计研究,并搭建了相应的光学测试系统实验验证所设计制备的超表面,实验测试结果与仿真结构相吻合。通过进一步优化,这种超表面有望作为光学微操控及光通信系统的集成器件使用。2.由于完美涡旋光的位置取决于傅里叶变换的位置,针对实际应用中完美涡旋光束的焦面位置不可调的问题,设计了一组旋转调焦的完美涡旋电介质超表面组合。基于传输相位原理设计的级联超表面组合能通过改变相对旋转角实现对完美涡旋光的焦面位置进行调节。并通过综合构建级联超表面上的相位分布数学模型,对传输相位设计方案进行匹配优化。最后转化为光学超表面的单元几何结构信息。使用电磁仿真方法构建超表面模型,并对仿真结果与所设计的理论结果进行对比分析。该超表面旋转调焦方法不需要复杂的透镜组合与机械装置,大幅简化了系统结构且易于集成。