超越衍射极限的聚焦光斑对生物学、医学、材料学等领域的发展具有十分广泛和深远的影响。但德国物理学家阿贝在1873年提出了物镜聚焦的衍射极限,指出光束在聚焦时受到了光的衍射以及光学系统有限的数值孔径（NA）的制约,导致聚焦光斑的半高全宽（FWHM）约为入射光波长的一半。因此,光学研究者们进行了大量的理论和实验研究来实现超越衍射极限的聚焦光斑。在超分辨成像领域,科学家提出并实现了多种绕过衍射极限的方法,但这些方法本质上并没有突破衍射极限的制约。经过数十年的发展,目前,主要利用光瞳滤波器、超表面透镜、超振荡透镜（SOL）等对矢量光束的振幅、相位和偏振状态进行调制,来产生超越衍射极限的聚焦光斑。本论文“超越衍射极限的光场调控理论与实验研究”深入和比较系统地研究了利用光瞳滤波器、超表面透镜和SOL对入射的矢量光束进行振幅、相位和偏振调制实现超越衍射极限聚焦的方法,在现有实现超越衍射极限的聚焦技术的基础上研究了一些创新和改进的方法。本文的研究在诸如超分辨光学成像、精密加工等激光应用领域具有一定的参考价值以及潜在的应用价值。论文主要内容如下:1.对光瞳滤波法的聚焦理论进行了系统的研究,针对目前光瞳滤波法在实现超越衍射极限的光斑的相关文献报道中,聚焦光斑的FWHM最小约为0.4λ,提出了一种中心透光、外环带透光而中间环带不透光的三环分区光瞳滤波器,且外环带对入射光附加π相位调制;利用三环分区光瞳滤波器对波长为532nm的径向偏振光进行调制,透射光场在被高NA物镜聚焦时,光场之间的干涉相消使聚焦光斑的FWHM得到压缩;在模拟仿真中采用德拜-沃尔夫衍射积分计算聚焦光场强度分布;对三环分区光瞳滤波器的结构进行优化,获得了FWHM为0.37λ的超越衍射极限的聚焦光斑,且旁瓣强度低于聚焦光斑最高强度的20%。2.针对受激辐射耗散（STED）显微镜光路复杂、涡旋相位片中心与物镜中心难以对准、双光束聚集后同轴性容易失调的问题,设计了一种用于两束波长不同的圆偏振光同时入射时同轴聚焦的超表面透镜;利用双波长同轴聚焦超表面透镜对其中一束入射的左旋圆偏振光实现球面相位调制,使其聚焦产生实心光斑;对另外一束入射的右旋圆偏振光实现球面相位叠加涡旋相位调制,使其聚焦产生环形光斑;设计方案和微纳加工精度保证了两束光在聚焦后保持严格的同轴,并且环形光斑具有严格的圆对称性;对双波长同轴聚焦超表面透镜的调制效果进行测试,模拟结果和实验结果均表明本文设计的超表面透镜对两束入射光的调制效果符合预期设计。3.针对利用超振荡透镜实现超越衍射极限的光斑时,光斑周围始终存在高强度旁瓣的问题,提出了一种中心遮挡的振幅型SOL,外环部分由二元多环振幅型超振荡结构组成;利用设计的振幅型SOL对波长为633nm的径向偏振光进行调制,挡住入射光的中间部分有利于对聚焦光斑的FWHM进行压缩;利用矢量角谱理论计算中心遮挡的振幅型SOL的聚焦光场强度分布,并采用了快速汉克尔变换对计算过程进行加速;对中心遮挡的振幅型SOL的结构进行优化后获得了FWHM为0.36λ的聚焦光斑,且旁瓣强度低于聚焦光斑最高强度的20%。