激光作为人类20世纪最伟大的发明之一,已被广泛应用于医疗、工业和激光武器等领域。随着现代光学的发展进步,激光技术日趋成熟,为诸多领域提供了新思想,新原理以及新应用。然而,高斯光束这一激光的基础模式在突破现有激光关键技术面前逐渐显得力所不及。因此,灵活地调控激光以产生结构更加丰富的光场受到了越来越多科研团队的广泛关注。所以,“结构光场”这一概念,应运而生。结构光场,顾名思义,指通过调控光场的振幅或相位等信息,所获得的具有特殊空间结构的一类光场。在过去的几十年时间里,众多具有空间变化相位与光强分布的结构光场逐渐被大众所认知。2018年,斩获诺贝尔物理学奖的光镊技术更加强有力地将一类具有空间螺旋相位结构的涡旋光束推向科普热潮。其他典型的结构光场有:贝塞尔光束、艾里光束、因斯光束、马修光束以及抛物线光束等。这些不同空间模式所展现出独特的物理性质与现象,如无衍射、光自旋霍尔效应、横向自加速等特性,为结构光场在高显微成像、光学计量、非线性光学、量子科学以及光通信等领域的应用打开了新的思路。除了空间模式,偏振态作为光的另一基本属性为光场的调控提供了新的自由度。将空间与偏振自由度以一种不可分离的方式耦合,能够获得一类空间偏振变化的结构光场,由于其横向偏振极化分布的不均匀性,此类光场又称为矢量光场。与矢量光场相对应的是标量光场,即在同一时刻同一波面的任意空间位置偏振状态保持不变。反之,矢量光场在同一波面上不同位置具有空间变化的偏振状态,这样独特的空间-偏振耦合性质为结构光场催生了更加广泛的应用。从量子力学角度出发,这种空间-偏振自由度所构成的不可分离的叠加态恰恰类似经典力学中的自旋-轨道量子纠缠态,因此,矢量光场又被称为经典纠缠光场。矢量光场的出现,不仅为诠释光与物质相互作用提供了一种全新的视角,而且对研究经典量子耦合系统等基础物理效应具有重要价值。目前,对结构光场的研究方兴未艾,无论是标量光场还是矢量光场,都存在着许多未知的科学问题值得深入探索。因此,本论文研究工作将围绕光场调控科学的前沿需求,以结构光场为引线,探索其在激光测速、散斑计量等光学测量领域中的技术与科学问题。首先,在标量结构光场方面,本文对激光散斑尺寸受入射结构光场的空间结构影响情况进行了系统的理论与实验研究;在矢量结构光场方面,提出了利用偏振无源数字全息器件—数字微镜（Digital Micromirror Device,DMD）实现任意矢量光束的动态产生及调控技术。同时,对目前现有数字全息编码方式进行优化,开发一种随机空间复用二进制新编码方式,最大程度利用了DMD的高刷新效率从而实现任意矢量光束的快速产生;基于以上矢量光束产生装置,创建并实验获得了三种新型矢量光束,丰富了目前现有矢量光束的模式种类。同时,对每种新型矢量光束的特性展开相关研究;最后,在实际应用方面,以三维运动物体为具体研究目标,利用单一矢量光场,提出了一种能够实现三维运动物体横向与纵向速度分量同时测量的新技术。本论文具体研究内容如下:1.光场的空间结构对激光散斑尺寸的影响研究在深入研究矢量光场之前,本文首先探索标量光场在散斑计量领域的基础科学问题。自激光被发现以来,围绕粗糙介质在相干激光照射条件下产生散斑现象的基础科学研究备受人们关注,已成为激光学科的重要分支和研究热点。激光散斑目前已成为一种强大的光学工具,在光学计量、图像处理、生物医学及粒子微操纵等领域都有着广泛的应用,尤其在量子通信方面,激光散斑可作为信息载体进行高保真信道传输。近年来,随着人们对结构光场认识的逐步加深,利用特殊结构光场产生激光散斑这一课题也逐渐引起了国内外学者的兴趣。然而,人们往往致力于研究激光散斑的奇异特性,却忽略了另一个非常重要的基本参数—散斑尺寸。因此,本文将围绕入射光场的结构对激光散斑尺寸的影响展开研究,提出了激光散斑尺寸大小只与入射光场的横截面积（也称为“光斑尺寸”）有关,与入射光场的空间复杂结构无关。理论上首次推导出激光散斑尺寸与入射结构光场模式特征参数的广义数学表达式。实验首先测量了具有相同入射光斑尺寸且横截面为圆形的平面波（振幅与相位信息恒定）和拉盖尔-高斯光束（空间非均匀振幅分布）分别作为照射光源时所产生激光散斑的尺寸。同时比较了入射光场横截面为矩形的平面波与厄米-高斯光束在入射光光斑尺寸完全相同的条件下所获得的激光散斑大小。两次对比实验的测量结果与理论仿真的高度吻合充分验证了入射光场结构并不能影响散斑尺寸这一结论。激光散斑的研究对于光通信去噪意义显著,该研究从本质上揭示了激光散斑非常重要的基本特性,同时为结构光场在恶劣环境下高保真多通道信息传输提供了新思路。2.基于偏振无源器件-数字微镜产生任意矢量光束的新方法矢量光场因其独特的空间-偏振耦合方式为光与物质相互作用过程提供多维度调控界面,俨然已成为当下光子学界多个基础及应用研究方向的前沿热点,如光学微操控、光学计量以及经典和量子光通信等。目前,单独调控光场的空间模式或者偏振态的技术已相对成熟,而同时对二者进行联合调控技术相对复杂。矢量光场的产生作为光场调控技术应用的前提和基础,近年来吸引了国内外众多学者的研究兴趣,多种多样的产生方法也逐步被提出,如:干涉阵列法、液晶波片法、玻璃锥法、超导材料法以及数字全息法。目前,大部分光场调控技术旨在快速、高效地多维度调控光场的位相、强度以及偏振等信息,从此种意义上说,数字全息技术具有调控灵活的明显优势,能够不受限制地产生任意空间形状的结构光场。其中,最具有代表性的数字全息器件为空间光调制器（Spatial Light Modulator,SLM）,可以通过相位调制或复振幅调制对光束按需整形,然而电压调控液晶旋向的工作机理限制了其为偏振相关器件,即SLM只能够对偏振态为水平线偏振的入射光进行调制。因此,在利用SLM产生矢量光场时,往往需要借助干涉仪的搭建,使用单一SLM的两个子区域或两个独立的SLM对矢量光场两个正交偏振分量分别进行各自空间模式调制的同时,分别及时调制入射光在入射至SLM前后的偏振状态,这不仅提高了实验成本,而且不可避免地增加了实验装置的复杂性。针对这一背景,另一数字全息器件—DMD的偏振无源特性为实现矢量光束的产生提供了新思路。目前已有相关研究表明:数字全息器件DMD可以产生具有任意空间结构的标量光场,而实现矢量光束的获得鲜有报道。基于这一背景,本文提出了一种利用DMD产生任意矢量光场的新方法。实验的基本思想是首先对矢量光场的两个空间模式基底进行偏振自由度的调制,拟获得偏振状态相互正交的两个子光束;其次分别对两光束进行空间自由度调制。通过计算机投影至DMD屏幕上一组由两个独立的二进制子全息图经权重叠加而成的单一全息图,其中每个子全息图以二进制振幅调制方式编码了两个偏振分量所各自对应的空间模式信息,而且,每个子全息图分别编码了一组可独立调节的线性光栅,这样,根据待调制光束入射至DMD的角度不同,通过调制各自光栅参数可以实现两个子光束的第一级衍射光同时沿着一个共同的轴传输,而此时共轴传输的光束即为目标矢量光束。为了验证该方法的可行性,实验产生了不同模式的柱对称矢量光束,并利用高阶庞加莱球对产生光束进行可视化表征。为了进一步定量分析矢量光束的质量,理论与实验分别对不同模式的相同横截面内每个偏振椭圆的起偏角及椭圆度进行逐一对比,获得两参数的均方根误差值均小于6%。结果表明该方法能够产生高质量的矢量光束。最后,通过引入纠缠度的概念再次对所产生的矢量光束进行表征,理论与实验结果的高度吻合证明了利用DMD能够灵活地产生介于标量与矢量之间的任意高质量光场。近年来,人们对能够高度利用DMD高刷新速率的激光技术兴趣日益浓厚,特别在光场调控领域。目前,为了满足对复杂光场结构整形的需要,DMD已由纯二进制器件升级为能够兼容显示灰度全息图的数字全息器件。但是,在光场调控过程中追求光场复杂结构的同时却牺牲了刷新速度。为了在产生任意矢量光场的过程中充分利用DMD的高刷新效率,基于上述实验装置,进一步将权重叠加编码方式优化为随机空间多路复用二进制编码方式。本研究工作首先从介绍随机二进制编码和空间随机多路复用的基本概念开始,并基于随机空间多路复用原理实现在单个二进制振幅全息图上空间复用两个光束模式,即:随机将DMD全部像素空间分成两部分,每一像素区域分别独立调制各子光束的空间模式,而不是简单的系数权重叠加。这样能够确保最终所获得的全息图仍具有二进制属性,从而在根本上充分利用DMD的高刷新速率。该编码技术能够实现完全独立地调制两子光束的所有信息,如:偏振状态,空间模式,权重分量,功率等,最终实现以仅受特定DMD种类限制的刷新速度限制任意形状的矢量光束的产生。总之,利用DMD产生矢量光束不仅在光场调控过程中不受限于入射光的偏振状态,而且对入射单色光的可调谐波长范围可覆盖整个可见波段,此外,相对低的价格成本以及刷新速率可高达30k Hz的特性也大大增加了DMD的竞争优势和应用前景。3.新型矢量光场的产生矢量结构光束与纠缠的量子态具有许多相似性,主要归因于其空间和偏振自由度之间的经典纠缠,因此也吸引了越来越多的关注。虽然偏振自由度局限于二维空间,但空间模式却具有无限维度,并且可以由近轴波动方程在不同坐标系中的任何一组本征解指定为基底,如柱坐标系下的贝塞尔和拉盖尔-高斯光束（柱对称结构）、椭圆坐标系下的马修和因斯-高斯光束（椭圆对称）、笛卡尔坐标系下的厄米-高斯光束以及抛物线坐标系下的抛物线-高斯光束。然而,目前对于形貌种类丰富的结构光场研究仍主要停留在标量场阶段,而关于矢量光场的研究仍局限于柱对称的空间模式,因此,试想如果可以打破传统结构光场空间模式呈柱对称分布的限制,构造出更多结构的新型矢量光束,揭示更多目前仍被隐藏的新颖物理性质与现象,即可模拟更丰富的粒子纠缠态,开启更多经典量子耦合性质的研究,衍生出更多基于结构光场的新技术,使得发展高维多通道大容量的量子和经典光通信技术成为可能。同时,新型矢量光束丰富的空间形状、奇异的非均匀横向偏振极化分布以及待挖掘的物理特性也将为光学传感以及精密测量等应用领域注入新鲜活力,使得目前所有以光作为传感工具的测量技术不再局限于结构简单的高斯光束。新型矢量结构光场的出现,有望为光学计量等领域带来技术革新。因此,如何产生更多种类的矢量光场,并基于其不同的新颖特性探索更多的应用背景,具有丰富的研究价值。针对以上研究背景,本文首次提出了利用傍轴波动方程在椭圆坐标系和抛物线坐标系下的三组本征解,即因斯-高斯、马修-高斯以及抛物线-高斯光束,构建了三种新型矢量结构光束。并基于DMD产生任意矢量光束的装置实验获得了高质量的因斯-高斯矢量光束、马修-高斯矢量光束以及抛物线-高斯矢量光束,同时通过斯托克斯偏振法对产生的新型矢量光场进行空间结构的偏振重建。最后,基于纠缠度的概念对所产生的光束进行表征,同时借助高阶庞加莱球对每一类结构光束进行可视化表征。实验结果与理论仿真的高度相似不仅验证了产生新型矢量结构光束的可行性,而且再次证明了利用DMD产生任意矢量结构光场装置的可靠性。本文所介绍的三种新型结构光束各自具有独特的物理特性。首先,因斯-高斯矢量光束:通过调节其特征参量-椭球率ε∈（0,∞）,此类光束能够实现在柱坐标系、椭圆坐标系与笛卡尔坐标系之间的任意切换,因此,因斯-高斯矢量光束不仅涵盖了具有椭圆分布的因斯-高斯矢量光束本身,同时还可以通过调节其特有的?实现自身从拉盖尔-高斯矢量光束（ε=0）到厄尔米特-高斯矢量光束（ε=0）的转换。马修-高斯矢量光束继承了标量马修-高斯光束的传输非衍射特性,在自由传播距离[-Zmax,Zmax]之内,其横向光强分布与偏振态分布几乎保持不变。虽然标量马修-高斯光束的非衍射特性已经在许多领域中显现应用价值,但本文提出的马修-高斯矢量光束额外提供了一个新的自由度,有望带来更有价值的应用空间。最后实验产生了从抛物线-高斯矢量光束派生出的一类传输抛物线-高斯矢量光束。这类光束的独特之处在于,在自由空间传输过程中,两自由度之间的不可分离度（纠缠度）,会从完全纠缠动态演变为完全非纠缠。在对此类矢量光束进行斯托克斯参量表征时,光场横向的非均匀偏振分布随着传输距离的增加而趋于区域均匀偏振。为了量化偏振分布的动态传输演化现象,借助纠缠度C的概念,在近场获得最大纠缠度C=1,而在光束传输至远场的过程中,纠缠度逐渐降低至C=0。这种纠缠度随传输距离动态变化的特殊矢量结构光场将为开发新型量子通信应用带来新的前景。4.结构光场在光学计量领域的应用研究光学计量是一个非常广泛的科学和技术领域,涵盖了以光为主要测量工具的所有测量技术,可测量固体、液体和气体的物理性质,如温度、压力、几何特征、距离和速度等。光学测试技术因具有高可靠性、速度快、精度高和非接触测量等优势而广泛应用在军事、医疗和科研等诸多重要领域,然而这些应用技术大多基于模式简单的高斯光束。随着科学的不断发展,现有的激光技术往往因存在难以突破的技术瓶颈而无法满足日益增长的社会需求。结构光场的出现,有望打破这一僵局,为开发新型光学测量技术提供了新思路。比如在激光遥感测速领域,高斯光束只能够测量物体运动的纵向速度却无法测量横向速度,而利用拉盖尔-高斯光束作为探测光束却能够直接获取物体运动的横向速度。目前,绝大部分激光遥感技术主要应用在自然界中物体的二维运动,并不能直接测量三维运动物体全部速度分量。为了解决激光束遥感应用技术中无法同时测量三维运动物体完整速度矢量的问题,本文提出了基于单一矢量光束面向三维运动物体同时实现完整速度分量的激光遥感技术,并首次原理性实验验证了该技术的可行性。首先三维运动速度矢量能够分解为两个正交运动分量,即一个在沿物体纵向传输方向的运动（纵向速度分量）,另一个在垂直于传输方向的圆周运动（横向速度分量）。通过将左旋圆偏振态的高斯光束与右旋圆偏振态的涡旋光束相互纠缠叠加获得一类特殊的矢量光场,并将此单一矢量光束作为探测光束。该探测光场内禀的相互正交偏振态允许其各自携带的空间模式同时独立精准地完成两速度分量的测量,即:基于传统多普勒原理,利用左旋圆偏振态的高斯光束测量三维运动物体纵向速度分量,而利用旋转多普勒效应,具有右旋圆偏振态的涡旋光束?叠加态能够完成物体横向速度分量的测量。这里,具有相反拓扑荷（?）的涡旋光束相互叠加形成光强分布呈花瓣状的标量结构光场,其中拓扑荷+的部分为可看作探测光束,-部分作为参考光束,反之亦然。即在不需要额外参考光束的情况下,单一花瓣状的标量光场即可完成物体横向速度的测量。因此,本文首先理论上验证了利用单一矢量结构光场实现同时测量三维运动物体的完整速度矢量的可行性。实验上,由于利用高斯光束探测物体纵向速度技术相对成熟,本文首先对单一花瓣标量光场能够探测物体横向运动速度进行验证。为此,利用DMD的高刷新速率可精准模拟速度可控粒子的横向圆周运动,并通过SLM编码?涡旋光束相叠加的相位全息图以产生目标探测光束。分别研究了粒子以不同角速度运动以及测试光束加载不同拓扑荷时,实验所获得的傅里叶频谱情况,实验结果与理论预测的高度吻合表明利用单一标量结构光场能够实现物体横向运动速度的测量。在此基础上,再次对单一矢量光束能否同时探测三维运动物体的完整速度分量进行验证。为了模拟更真实的粒子圆周运动,进一步拓展该技术的实际应用范围,此次实验将转速可控的旋转电机置于纵向偏移台上模拟物体三维运动,其中电机的表面粘合有高折射率反光粉以加强散射光中目标信号强度。入射高斯激光束经二分之一玻片与偏振分束片组成的能量调节装置后被分束成能量可任意调节的两束子光束,其中一束经过SLM产生?涡旋光束叠加态,另一束不做任何调制保持高斯光强分布不变,同时分别对两光束进行偏振态调制,最后通过搭建干涉仪对其进行合束产生目标探测光束。值得注意的是,实验过程中可以通过调节二分之一玻片,能够实现两子光束能量比的任意调节。实验过程中,首先研究了测试光束中只含有高斯光束或?涡旋光束叠加态时,所获得的单一频谱情况并从该频谱进行信息读取获得物体运动速度情况;其次研究了同时含有两光束信息的矢量光束作为测试光束时所产生的双频谱情况。实验获得的结果与理论相吻合,从而验证了该技术的可行性。尽管在此次原理验证实验中使用SLM作为结构光场调制器件,但这些特制的结构光束也可以使用体积更小巧且价格低廉的元件（例如q-plate和J-plate）来获得,因此该测速装置仍存在体积优化空间,为实现该激光遥感测速装置的器件化与集成化提供潜在可能。综上所述,光学计量涵盖了很多科学与技术领域,如散斑计量与激光遥感测速等。基于这一背景,本文主要围绕结构光场在光学计量应用领域展开一系列基础与技术研究。分别从标量结构光场在散斑计量领域的基础研究与矢量结构光场的产生、特性以及在激光遥感测速中的应用两个角度出发,系统的综述了国内外相关研究工作进展与现状,分析了目前现有研究中存在的缺点与不足,针对不同问题提出改良技术方案,结合理论分析和实验验证的方法,验证了本论文所提出技术方案的可行性及准确性,所得的具体结论如下:1.理论推导出在标量结构光场入射条件下,所产生激光散斑尺寸与结构光场模式参数之间的数学表达式。通过对比实验验证了结构光场的空间结构对所产生的激光散斑尺寸不影响这一结论。该特性研究有望为结构光场在恶劣环境下高保真信息传输提供新思路。2.提出利用偏振无源器件—DMD实现任意矢量光场产生的新技术。该方法具有成本低、实验装置简单以及适用波长范围宽等优势。通过实验产生柱对称矢量光束验证该方法的可行性。同时提出随机空间复用编码新方法,该方法最大程度利用DMD的高刷新效率,为矢量光场在更多实时应用场景提供了技术支撑。3.创建并实验产生了三种新型矢量光场,分别为因斯-高斯矢量光束、马修-高斯矢量光束以及抛物线-高斯矢量光束。分别通过斯托克斯参量、质量因子以及高阶庞加莱球对产生的光束进行表征。实验结果与理论预期的高度相似不仅验证了利用DMD产生任意矢量光场的可行性,同时也打破了传统矢量光束具有柱对称分布结构的局限。因斯-高斯矢量光束在LG及HG矢量光束之间的无缝转换、马修-高斯矢量光束的非衍射特性以及抛物线-高斯光束的传输特性为新型矢量光束开拓了更多应用领域。4.在激光遥感测速领域,针对目前现有激光技术无法同时测量三维运动物体完整速度矢量的问题,提出了利用单一矢量光束同时实现三维运动物体纵向速度与角速度分量的测量方案,并实验原理性验证了三维运动物体两速度分量同时测量的可行性。同时分别以高斯光束与花瓣结构光束单独作为探测光束,与以二者为模式基底构成的单一矢量光束作为单一探测光束所获得的频谱信息相对比,实验结果进一步验证了该技术的准确性。在单独研究物体横向运动速度的过程中,验证了利用外差探测法所获得的频移量与探测光束的拓扑荷及物体运动的角速度成正比。基于该特性,在同时测量两速度分量时,通过灵活调控探测光空间结构,实现了目标频谱特性识别及区分。本论文工作的创新点如下:1.揭示了结构光场的空间结构与激光散斑尺寸无关特性,为结构光场在恶劣环境下高保真多通道信息传输提供了新思路。2.提出了数字微镜随机空间复用二进制编码产生任意矢量光束的方法,有效提升了矢量光场的产生效率。3.提出了基于矢量光场的三维多普勒测速技术,实现了运动物体横向与纵向速度分量的同时测量。未来工作展望:1.将本文提出的基于DMD产生任意矢量光束技术与光学传感应用背景相结合,基于DMD高刷新效率开发更多新型矢量光束传感技术;2.创建更多新型矢量光束,深入研究不同矢量光束的新特性,同时基于这些独特的新现象、新物理性质在非线性光学、光通信以及光学测量等领域展开相关应用研究;3.在激光遥感测速领域,基于新型结构光束的新特性,深入研究沿不同运动轨迹运动的粒子速度测量情况。