光通过天然材料制成的传统光学元件传输时,沿着传播路径的吸收、色散效应的积累可操控光场的偏振、相位、振幅和频谱,从而使光学元件具有某种特定的功能。天然材料的介电常数和磁导率是有限的,需要利用光学元件的尺度变化控制光波前,因此传统光学元件体积较大。传统光学元件难以满足现代光学技术对集成光学元件的需求,也成为现代光子系统集成和小型化的障碍。探究结构超薄紧凑且易于集成的超表面微光学元件对于促进集成光学和光子学的发展具有重要的意义。超表面是指具有超薄结构、易于集成和灵活操纵光场的二维超材料,它可以由阵列纳米孔、纳米缝或纳米突起等微结构构成。超表面可通过纳米结构与光的相互作用精确操控光场。各向异性纳米结构的转动与形状的变化可以调控光的相位、振幅与偏振等信息,进而获得超透镜、光束偏转器、等效波片等光学功能器件。基于超表面设计的光学功能器件可在超分辨成像、光学微操控、光通信以及光学集成等方面具有潜在的广泛应用。本论文以光学超表面为基础,通过调节纳米结构单元的参数实现对光波前和偏振态的有效调控,设计实现多种超表面微光学器件。论文的创新性工作包括如下几个方面:一是基于超表面光波前调控功能设计了双焦点超透镜,能够得到具有不同强度比的聚焦焦斑,该元件可应用在光通信、微粒捕获、光学集成和微操纵等领域;二是基于偏振基变换理论设计了任意阶的超表面矢量光发生器,它可将线偏振入射光和圆偏振入射光转换为矢量偏振光,该元件在超分辨显微术、粒子捕获和微操纵以及高密度光学存储中具有潜在应用;三是基于旋转对称结构设计了单层超表面圆偏振器,该圆偏振器制作简单、结构紧凑且有较高圆偏振转换效率,可应用于光通信、光学遥感和光显示器等领域。本文基于超表面提出的微光学器件具有结构简单紧凑且功能灵活可控的优势。论文的工作内容分为五章,具体安排如下:第一章是论文的绪论部分。超表面对光场的强大调控能力为开发微光学器件提供有力条件。绪论介绍了超表面的研究背景、超表面调控光场的原理、超表面应用以及本论文要展开的工作。该部分通过建立光场与超表面相互作用的表达式,描述了光偏振转换、相位调控等光学过程,在此基础上介绍了利用超表面实现的几种功能器件,为本文的研究工作奠定了基础。第二章提出了一种强度比可控的双焦点超透镜。该超透镜是基于刻蚀在银膜上的两个梯度相位超表面并通过分割和组合操作来完成的。构成光学超表面的光栅具有较大的透射,保证了提出的超透镜具有较高的聚焦效率。超表面空间均匀的分割和组合方式实现了高质量的轴上焦斑和离轴焦斑。调节两个梯度相位超表面结构在复合超表面中的面积占比,实现了不同强度比的聚焦焦斑。数值模拟和实验测量验证了所提出的超透镜的可控聚焦性能。多焦超透镜具有设计简单、结构紧凑、传输效率高和强度分配可控的优点,这对于促进多焦超透镜在波前整形、光学成像、光学集成和光学微操控等领域的灵活应用是非常有益的。相应的设计方法也可用于强度可控的聚焦涡旋超透镜的设计中。第三章提出了一种超表面柱状矢量光发生器的设计方法,设计了两种矢量光发生器。这两种矢量光发生器是由蚀刻在银膜上的纳米孔组成,可在纳米尺度上控制光的偏振态。第一种矢量光发生器工作在圆偏振光照射下,它可获得零初始相位的径向和角向矢量光。第二种矢量光发生器则工作在线性偏振光照明下,它可产生任意阶和任意初始相位的柱状矢量光,柱状矢量光的阶数由孔的旋转情况决定,相应的偏振态随入射偏振改变发生变化。数值模拟结果验证了理论预测的正确性,并为实际的超表面器件提供了可用的参数。实验结果验证了这两种超表面矢量光发生器的光学性能。结构紧凑、偏振复用、制造方便和操作灵活等优点可促进超表面柱状矢量光发生器在光学集成和光学微操控中的应用。第四章提出了一种基于超表面的圆偏振器。该超表面圆偏振器由刻蚀在银膜上的单层孔结构构成,孔结构在空间的排列具有旋转对称性。该超表面圆偏振器可工作于线偏振光和圆偏振光照明的条件,它对线偏振光具有圆偏振起偏功能,且对不同手性的圆偏振光具有良好选择透过性。文中利用矩阵光学原理分析了产生圆偏振器的条件,利用有限时域差分法优化纳米结构参数,提出了超表面圆偏振器的超表面结构设计。对设计的超表面圆偏振器的光学性能的模拟实验充分验证该圆偏振器具有很强的圆二向色性。文中基于圆偏振器设计提出了偏振可控的方向性光传输,这表明圆二向色性的超表面可用于复杂画面的设计,进而拓展在光通信、光学遥感器和液晶显示器领域的应用。第五章为论文的总结。本章总结了论文的主要内容与创新点,说明了论文存在的不足与未克服的困难,并对接下来的工作计划进行了阐述。