光场调控在光通信,光场结构的改变,激光光束的改变等领域具有广泛的应用,随着人们对不同光场结构需求的增加,单一的光场结构已经不能满足所有领域的需求,使得光场调控的研究变得越来越有意义。本文的研究内容主要包括长焦深矢量光束和单焦点光学涡旋的产生两方面。一方面,具有高横向分辨率和长焦深的光学元件在材料处理、微观粒子的光学引导和等离子体波导的形成等应用中有重要的意义。目前,已经提出许多产生长焦深光束的方法,包括轴锥镜、折衍混合元件和计算机生成的全息图等。本文提出了一种可以产生高强度的厘米级焦深的反射镜,在汤姆逊散射、带电粒子加速等领域具有重要的作用。另一方面,产生螺旋型相位波前结构的涡旋光束也是光场调控的重要组成部分。因其具有特殊的轨道角动量自由度,涡旋光束在粒子操纵、光通信等领域有广泛的应用价值。本文基于两种新型的螺旋波带片对入射平面波进行调制,可以获得具有单级聚焦特性的光学涡旋。本文的主要内容是对具有特殊曲面结构的长焦深反射镜的紧聚焦特性和两种具有单级聚焦特性的螺旋波带片的衍射特性进行了研究,主要工作概括为以下四点:1.首先,介绍了光场调控的研究背景和意义。其次,针对长焦深光束和光学涡旋,介绍了这两种不同光束的产生方式和应用。然后分别详细介绍了标量和矢量衍射理论,这是本文数值模拟的理论支撑。最后介绍了反射镜的设计原理和紧聚焦特性以及单焦点螺旋波带片的设计原理、聚焦特性和实验验证。2.在能量守恒和等光程原理的基础上结合非球面方程,提出了一种新型的大数值孔径反射镜。基于Richards-Wolf矢量积分进行了数值模拟,详细研究了该新型反射镜的紧聚焦特性。该反射镜可用于脉冲宽度为皮秒或飞秒的高功率超短脉冲激光器的聚焦,在强场物理学中具有潜在的应用前景。3.为了得到单级聚焦特性的涡旋光束,提出了一种由无缝密铺的基元构成的准随机点阵螺旋波带片。基元的数密度沿径向实现正弦分布,纬度方向则是准随机分布,基于标量衍射理论,通过数值模拟验证了其抑制高阶聚焦的特性,实验结果也验证了模拟结果的准确性。这种新型元件有望为提高生物医学成像和量子计算提供了新的途径。4.为了得到具有方形对称结构的单级聚焦特性的光学涡旋,提出了二值化单焦点方形螺旋带片,其核心设计思想是实现沿径向呈正弦变化的透过率来抑制高次谐波的干扰。基于标量衍射理论,研究了其聚焦特性,并通过实验进行验证。由于其独特的方形结构,该元件在对准系统中有重要的应用价值。