相干光场中的奇异常被分为两类,一类是标量光场中的相位奇异,另一类是矢量光场中的矢量奇异与偏振奇异,这两类奇异分别与相位和偏振属性有关,在光场中往往充当“骨架”的作用。近年来,人们通过对光场中的精细拓扑结构进行深入研究,发现奇异光束在光学捕获、信息传输、光学编码、高密度存储、高分辨率成像等领域拥有大量独特性质,展现出广泛的应用前景。对于光场奇异的分布特性、形态结构、传输与散射性质、调控与测量等方面的研究成为了本学科的前沿热点,本文针对相关问题从理论与实验角度分别展开研究。本文首先考察了傍轴近似下各类奇异点的形态、拓扑荷、数学表征和判别方法。随后基于入射光在金属微纳结构表面所产生的表面等离激元性质,构造了一种环状亚波长孔阵列结构,这种结构能够增强光学异常透射现象的效果。由于近场衍射不符合傍轴近似条件,因此将关于奇异点的理论研究结果推广至非傍轴近似条件下,结合时域有限差分法的非近似性,计算了环形孔阵列结构衍射近场内的光场分布,对光场中的偏振奇异点进行定位,并通过计算不同衍射距离下的光场分布观测了偏振奇异点的湮灭过程。为实现矢量与偏振奇异点的调控与测量,首先利用一对加载相位涡旋的圆偏振光束作为基底构造出高阶和混合阶庞加莱球,并用这样的结构来表征一系列特殊矢量光束,即全庞加莱光束。在此基础上提出了一种基于正交偏振双光束叠加与相位延迟的任意参数全庞加莱光束调控与测量实验方法,并建立了实验系统。该系统不仅能够调制出任意拓扑荷的矢量奇异点和传统圆偏振奇异点,还实现了暗圆偏振点的调制,继而反向利用实验结果,推导了正交偏振基矢光的参数与调制场中奇异点类别的相互关系。随后,将使用范围极为广泛的标量拉盖尔高斯光束矢量化,所得到的矢量光束正属于全庞加莱光束,以此为研究对象讨论了双光束叠加场在自由空间中的传输特性。详细地分析了共轴叠加场与非共轴叠加场内各类奇异点的类型以及稳定性,并采用数值仿真方法呈现了传播过程中各类奇异点所经历的生成、湮灭或者转化过程,并针对各类奇异点的数量及空间分布规律给出了数学推导式。为进一步提升奇异光束的编码与信息传输性能,本文对奇异光束的散射性质展开了研究。利用实验证实标量涡旋光束散斑场的平均尺寸可用其自相关长度表征,其大小与光束的拓扑荷以及光强分布有着定性联系。为定量排除散射对于奇异光束传播信息的干扰,借助离散化手段,使用随机复矩阵的形式描述随机散射介质的散射过程,并结合光学称重设计测量手段,构造出测量此传输矩阵的实验方法。随后建立实验系统,利用全场相移干涉法成功测得不同颗粒尺度随机散射介质的空域传输矩阵,最后采用时间反演法,利用相位共轭算子,对散射后的相位奇异光束进行波前重构,成功还原了散射前的波前分布,分析了散射介质颗粒尺度对反演结果的影响,完成对空域中传输矩阵的生成与测量理论的有效性验证。本文的研究工作可为今后研究奇异光学的潜在应用提供一定的理论依据与实验支持。