柱矢量光束是一种偏振态呈柱对称分布的矢量光束,这种独特的偏振特性,使其在亚波长聚焦方面的特性和应用价值受到广大研究者的青睐。按照柱矢量光束电场分量在空间上的分布特点,可将其分为径向偏振光、旋向偏振光和广义柱矢量光束,截止目前科研工作者提出了许多不同的柱矢量光束焦场调控方法,但均存在一定的局限性。如通过高数值孔径聚焦需要较大的数值孔径,且对于从孔径中间部分出射的光束在焦点处的转化效率较低;抛物面反射镜聚焦时,需要在近轴条件下实现聚焦,且入射光和反射光在透镜的同一侧,不能实现异测聚焦;等离激元透镜因其等离激元激发的偏振依赖性,对径向偏振光束有较好的聚焦,形成了对聚焦光束的偏振态依赖性。如何进一步实现柱矢量光束的紧聚焦,突破衍射极限,并突破偏振态的局限性,实现聚焦结构和手段对径向和旋向偏振光同时有效,同时体现结构设计简单,降低工艺成本等优点,是本学位论文工作的主要研究目标。本文系统化地研究了亚波长负折射光栅透镜的柱矢量光束聚焦效应。基于-1级衍射的负折射效应,设计了柱对称的全介质亚波长光栅平凹镜,通过结构参数优化,加入闪耀结构,并进一步探讨高级次衍射的影响,最终全面地探索出优化柱矢量光束聚焦效果的方法和途径。首先,利用全介质光栅-1级衍射的等效负折射效应,在光子晶体负折射平凹镜结构设计的启发下,设计出柱对称负折射率聚焦透镜结构,实现了对柱矢量光束的聚焦,并体现了良好的聚焦效果。其次,分析并优化了基于-1级衍射波的全介质光栅平凹镜。计算了-1级衍射波的等效负折射率,利用等光程原理推导了光栅出射形貌曲线,确定了光栅阶梯的横向坐标和纵向坐标间的关系,并以此为基础设计了具有负折射效应的平凹镜结构,实现了对径向偏振光和旋向偏振光的良好聚焦。通过对入射光束的偏振组分进行调节,不同预设焦距的结构进行组合,调节出射光的偏振程度和在出射面加入闪耀结构,实现了对聚焦焦场形貌的调控,同一结构中两个焦点同时聚焦,增大了纵向焦深和提高焦场的能量利用效率。再次,深入分析了光栅的材料、几何参数等对聚焦效果的影响,并优化参数提升聚焦效果。全面计算分析了不同材料折射率、不同等效负折射率、不同预设焦距,对实际聚焦效果的影响。结果表明,材料折射率较强地影响了焦斑的电场强度峰值,随着材料折射率的增大,焦斑的电场强度峰值越大;随着等效负折射率值的变化,焦点的横向尺寸先减小后增大,且在等效负折射率为-1时,焦点尺寸最小;随着预设焦距的变化,焦点尺寸在也在不断变化,预设焦距越小,焦点尺寸越小。最后,研究了在不同材料折射率条件下,闪耀光栅结构、高级次衍射波和全反射效应对聚焦效应的影响,并在其基础上优化了平凹镜结构。加入闪耀阶梯后的光栅透镜,对焦场形貌的影响较小,但能很大程度提高焦场的能量效率,其电场强度峰值的最大变化量可达不加闪耀阶梯时的1.76倍。高次级衍射波是产生次级焦点的主要原因,对该部分的结构细节进行改造优化可以有效抑制次级焦点,结构优化后的次级焦斑消失,焦场分布变得更加平滑,焦场的场强也有进一步提高,其电场强度峰值的最大变化量可达1.41倍。从理论上推导并验证了全反射发生的可能性,并为光栅形貌的设计提供定量化参数参考。本文的研究结果表明,负折射效应是实现紧聚焦的前提条件,负折射光栅平凹镜可以突破偏振态的局限性,实现对径向和旋向偏振光的同时聚焦,全介质材料的构成简化了结构设计和实际的制备工艺。结构参数的优化分析,闪耀结构的加入,高级次衍射的分析,为进一步优化结构,改进聚焦效应提供了途径和方法。本文的工作将为相关微纳结构的设计提供参考,为矢量光束的聚焦调控手段提供借鉴意义,在光场调控、微纳加工、传感等应用领域也具有潜在的应用价值。