微纳光子学是近二十年来光学非常重要的一个研究领域。微纳光子学研究在波长、亚波长尺度下,光的传播衍化以及与物质的相互作用。对于光学器件微型化、集成化的发展至关重要。近年来基于表面等离激元和超构材料的研究,在光学传感与检测、光学成像、光信息传输与处理等都取得了许多成果。具有代表性的如超构透镜已经发展到实际器件产品,并且局部性能表现已可与成熟的商用物镜相比拟。本论文重点从空间光场与表面光场转换的角度,阐述了几种光场调控、成像与检测的方法和结果,具体内容包括:1、将全息方法引入等离激元波束调控,在金属表面成功实现了蜿蜒振荡的等离激元波束。该方法将等离激元波束看做是由一系列自身携带相位的像点组成。物光重现时,通过点阵横排格点数量调控波束振幅,通过点阵纵向位置调控相位,实现了质量很高的等离激元波束。该全息过程的物光和参考光都是表面波,很大程度地减小了成像系统的空间,符合光电子器件集成化、小型化的发展趋势。2、实现了以表面等离激元波做为参考光向空间辐射的复用全息成像。首先,以表面等离激元波传播路径做为复用通道,实现了四重复用全息成像。该复用方法理论上可实现18个不同路径的无串扰复用全息。然后,利用路径和偏振组合,通过调节入射光偏振和检测时的偏振可以实现四个没有任何串扰的成像态的转换。其次,将思路拓展到介质加载波导中不同模式场做为参考光进行复用成像的设计,成功实现了不同导波模式的复用全息。波导模式具有更小的传播损耗,因此更有利于在如增强现实和虚拟现实等成像设备上的应用。3、提出一种将空间轨道角动量波束耦合成等离激元波束,来检测模式的方法。通过对空间光耦合成表面光场的过程进行波矢分析,得到轨道角动量波束会被周期光栅结构耦合成两个分叉的等离激元波的现象。该分叉角度与拓扑荷数有一一对应的关系,因此通过测量分叉程度可以表征轨道角动量光的模式。由于测量过程无需对准,因此极大提高了检测器件的鲁棒性和准确性。另外使用了组合的光栅结构实现了对于轨道角动量波束拓扑荷数大小和正负号的完全测量。4、对超构透镜阵列的三维光场成像和基于机器学习算法实现透过散射介质成像做了初步探究。在实验上测量了消色差超构透镜阵列拍摄效果与商用微透镜阵列拍摄效果的对比,并用超构透镜阵列实现了三个景深位置处的物体拍摄和重聚焦成像的过程。另外利用基于人工神经网络的深度学习算法对通过散射介质成像做了初步尝试。包括深度学习在内的机器学习应用到光学领域,在大数据量的参数优化、复杂系统中的规律探求等方面都能发挥巨大的作用。