采用具有模式转换和无损传输特性的三模非模式选择光子灯笼（PL）实现了976 nm波长的半导体激光的相干合束。相对于半导体激光常规空间孔径相干合束的方式，所提合束光场不会产生旁瓣，且能拥有较高的光束质量。通过仿真PL合束特性，搭建合束实验系统，最终976 nm波长的半导体激光基模输出功率达99.7 mW，转换效率为33.2%。实验结果表明，此合束系统实现了模式转换，使半导体激光能够以基模输出，展现了一种有潜力的半导体激光相干合束的方法。

超构表面是人工设计的二维平面结构，可为光学器件的小型化和集成化提供新的思路。近年来，随着这一领域的不断发展，基于超构表面光学的各种光场调控机理和功能器件被提出。本文以光场操控的琼斯矩阵自由度为出发点，对近十年来的超构表面光学进展进行归类和综述，总结不同自由度琼斯矩阵的设计方法和相应的应用，并展望多自由度的超构器件研究的发展趋势。

超表面是一种人工制造的亚波长结构阵列平面, 重量轻, 易集成, 可实现多种功能, 被广泛应用于诸多领域。 传统光谱成像系统依赖于色散元件及光程累积相位差实现不同波长的色散与聚焦, 无法满足系统集成化需求。 不同于传统光学元件依赖电磁波在介质中传播累积相位差, 超表面依靠界面相位变化来进行相位调控, 可实现十分轻薄的光学系统。 研究传输相位型超表面, 使用时域有限差分算法(FDTD算法)优化单元结构。 将超表面引入光谱成像系统中, 通过优化亚波长结构尺寸, 进行结构排布, 开展超表面光谱成像系统研究, 实现多波长色散与聚焦独立调控。 利用该方法, 扫描不同单元结构参数对相位的影响, 依照聚焦的相位分布针对不同波长设计对应的位相分布, 仿真实现了一个波段范围为510~720 nm, 焦距为2 mm, 谱段数为八个的超表面多光谱成像系统。 通过电磁仿真软件FDTD solutions和数据处理软件计算全模结构电场的远场分布, 并分析了系统的成像性能。 相比于传统光栅或棱镜分光结构, 超表面光谱成像系统可有效减小系统体积, 其超轻、 超薄、 便携特点解决了现有光谱成像系统的应用局限性, 为小型化、 轻量化光谱成像系统的研制提供了一种新的解决方案。

随机并行梯度下降（SPGD）算法是一种应用广泛的最优化算法，在光学相控阵的多光束相位调控中具有重要作用。常规的SPGD算法在光学相控阵单元数目较大的应用场景下存在着迭代步数多、收敛速度慢等缺陷。为此提出了一种分级SPGD算法，将多光束进行分级，通过在多级使用SPGD算法对光束的调控来实现快速收敛和稳定维持。介绍了该算法的理论模型和流程，运用数值仿真的方式与传统算法进行了性能比较，结果表明，分级SPGD算法能够在大规模光学相控阵中显著提高收敛速度。搭建了光学相控阵实验系统进行分级SPGD算法的原理和可行性验证，在不同光束数目条件下实现了分级SPGD算法的闭环锁相，验证了算法的优越性，结果显示分级算法在32路光束时可以将迭代次数降低到常规算法的59.6%。

从分析超构单元的相位调控原理入手，讨论如何利用多个光学自由度实现多功能的光学响应。作为验证，以非晶硅矩形纳米柱组成的超构表面为例，展示了不同相位机制对光场的多维度调控能力。该研究为超构表面的灵活设计提供理论支持，同时对多功能超构器件的研究进展进行介绍和展望。

基于二氧化钒，提出了一种可以动态调控太赫兹波相位的复合超材料结构。仿真模拟结果表明：当二氧化钒由绝缘态相变为金属态时，结构可以在1.15～1.65 THz带宽范围内实现超过140°的相移。通过引入多极子散射功率的计算，结合谐振中心频率处的电场和表面电流分布，深入研究了相移产生的物理机制。所提出的结构具有应用于太赫兹无线通信、传感以及太赫兹安检成像等领域的潜力。

超表面可被设计应用于波前的空间变换,二维周期性光学超表面结构的研究主要集中于调控光在自由空间中传播的波前。为了操控片上光信号传输的自由度,实现小尺寸、宽带以及低损耗的片上集成光子计算芯片,发展了一系列一维片上超表面的设计工作。对近几年来基于介质超表面的片上集成纳米光子器件的相关工作进行综述,从片上超表面的物理机制、片上超表面的实现方法以及片上超表面在集成纳米光子器件中的应用几方面出发进行了回顾和讨论。同时也对潜在的挑战进行了总结,对片上超表面在集成纳米光子器件中的进一步应用研究进行了展望。