光学学科经历了几何光学,波动光学,量子光学到现代光学几个时期。随着人们对光的认识越来越深入,光学发展带来的科技进步正迅速变革人类的生产生活。特别是上世纪下半叶激光的问世以来,光学与光电子学科得到了蓬勃发展,逐步应用于众多技术领域,如光通信、光学度量、光学成像以及激光加工等。基础研究决定了应用研究,光学技术的迅猛发展离不开科研工作者对光基本物理属性与规律的研究与掌握。光的基本物理属性包括光的能量、动量以及角动量等物理量,而就光本身的电磁场自由度而言,包含振幅、偏振、频率(波长)以及相位四大自由度。对于具有一定空间维度的光场,其振幅、偏振与相位又可以随横向空间不同位置而变化。这类光场称为结构光场,例如,偏振取向随空间位置周期变化的矢量偏振光场,相位随空间位置周期变化的涡旋光场,以及更一般的被电介质界面束缚的倏逝场。结构光场会表现出很多不同于传统的平面相位光场的特殊性质,其基本物理量在空间上也呈现多维度特点,特别是其动量与角动量,具有横向与纵向指向性。另外,人们要利用光,必须能任意操控光,掌握光与物质相互作用的基本物理规律。由于光的自由度与基本物理量具有丰富的空间维度,当其与物质互相作用时会表现出很多新的光学效应,例如涡旋光场的旋转多普勒效应,倏逝场的自旋霍尔效应等。具体到本文,第二章首先梳理了与电磁场相关的能量、动量、角动量以及偶极子光力等表达式。然后探索研究矢量场的叠加态产生光学自旋与轨道角动量的物理机制,得到任意平均角量子数,并揭示一种普遍的自旋-轨道耦合效应。最后研究纳米光纤本征矢量模式的横向自旋表现形式,得到了取最大表面横向自旋的极值条件。传统的基于微纳波导自旋-轨道耦合效应开发的光子手性耦合行为,由于存在大量的能力损耗,导致其耦合效率低下。为解决这个问题,本文第三章基于倒拉锥硅基波导的模式转换与干涉原理,设计并制作了一种超高定向性与耦合效率的硅光手性耦合器。其定向性接近?1,耦合效应能达到70%以上。涡旋光束能产生旋转多普勒效应,本文第四章从相位变化、能量转换及动量守恒等不同角度研究了涡旋光束的旋转多普勒效应,揭示了其与传统线性多普勒效应之间的内在联系。在此基础上开发出一种结构光干涉测量法,用于物体多维运动信息的同步测量。光纤中的本征矢量模作为结构光场具有很多特殊性质,本文第五章系统研究了光纤结构光场的导波性质以及耦合特性。首先利用琼斯矩阵展开揭示光纤本征矢量模式与圆偏涡旋模式之间的关系,然后基于耦合模理论发现光纤矢量模耦合内秉的偏振依赖与隔离特性。在此基础上,最后揭示了螺旋光纤光栅对光纤模式轨道角动量的转换原理,并设计了一种基于矢量模辅助耦合的全光纤偏振分束与旋转器。