本文提出了一种基于相变材料Ge₂Sb₂Te₅ (GST)的圆二色性可调谐外在手征超表面，该超表面由两层对称的银(Ag)方形开口谐振环和GST中间层单元周期排列而成。结合斜入射光线，该超表面能实现与手征结构相同的电磁特性。数值模拟结果表明：该超表面在50 THz~300 THz的频率范围内，GST为非晶态时，圆二色性(CD)值最大为0.85；GST为晶态时，CD值最大为0.52。当GST在两种相态(非晶态-晶态)之间切换时，实现了70 THz左右的频率调谐。通过研究电场分布，解释了圆二色性产生的原因；还研究了入射角和结构参数对该超表面圆二色性的影响。这项研究在光频段高效偏振调制器件、圆偏振器和偏振滤光器等方面有潜在的应用价值。

作为三维超构材料的衍生物，具有亚波长厚度的人工超构表面结构能够在紧凑的平台上灵活操纵光与物质的相互作用，有利于多功能、超紧凑光子器件的研发，对于微纳光子学和集成光子学具有重要意义。铁电晶体铌酸锂凭借其跨越可见光至中红外波段的宽透明窗口以及较大的非线性光学、电光系数，被认为是最有前途的多功能集成光子平台之一。近年来，基于铌酸锂薄膜(lithium-niobate-on-insulator，LNOI)的集成光子学器件研究也得到了迅猛发展。本文总结了几种有潜力制备高质量铌酸锂超构表面的微纳加工技术，同时介绍了近年来铌酸锂超构表面结构的研究进展，并对其未来的研究方向进行了展望。

表面等离激元(Surface plasmon polaritons, SPPs)定向激发是片上集成光子系统研发的基础，利用悬链线超构表面来实现SPPs的定向激发调控是近年来的热点和前沿领域，但现有研究多针对圆偏振光，线偏振光SPPs的定向激发相对较少。本文设计了一个基于悬链线纳米粒子的超构表面来实现线偏振光SPPs定向激发。采用时域有限差分法计算了x偏振光入射下的光谱消光比曲线和电场分布，根据多级散射理论和惠更斯-菲涅尔原理解释了定向激发的物理机制。仿真结果显示，悬链线纳米粒子超构表面对线偏振SPPs的定向调控是有效的，峰值消光比可达27 dB(对应入射波长820 nm)，10 dB以上带宽约为47 nm (798 nm~845 nm)，该结果有助于悬链线多功能器件的研究与开发。

得益于体积小、结构紧凑、易集成等优势，基于超构表面的微型光谱探测技术近年来被广泛研究。然而，现有基于超构表面的微型光谱探测系统设计过程中，通常缺乏对超构表面透射光谱相关性均值与重建质量的定量分析。现有设计过程中采用随机选择方法，无法保证重建质量最优。本文定量分析了超构表面透射光谱的相关性均值与重建质量的关系，提出了一种用于微型光谱探测的超构表面设计方法。此外，本文还验证了基于超构表面的微型光谱探测技术的光谱特性，相较于随机选择设计方法，本文所提出方法可提高宽带光谱和图像光谱的重建质量。

近年来，超构表面(metasurface)作为一种人工二维结构由于其超薄的几何结构以及灵活的电磁调控能力受到了学界的广泛关注，如何进一步提高超构表面器件的性能成为了该领域的研究热点。悬链线电磁学(catenary electromagnetics)作为一类新兴的超构表面设计原理为设计高效率超构表面器件提供了新的思路和方法。本文提出了一种基于扭转悬链线结构的超构表面，其能够实现对不同旋向入射的圆偏振电磁波的高效选择性吸收。仿真结果表明所设计的器件在工作波长处对左旋圆偏振电磁波吸收率接近于1，而右旋圆偏振入射时吸收率小于22%，其对应的二向色性大于78%。同时，文章分析了产生高效率手性吸收的物理机制并且提出了一种基于该类结构的信息加密方法。该工作在手性成像与手性探测等领域具有一定的应用前景。

本文利用准连续纳米带组成的超表面设计了一种光学微分器件，并实现了对光学图像的一维边缘检测。该器件通过改变准连续纳米带的空间取向实现0~2π的几何相位调控，且能在较宽的波段范围内保持较高的能量效率。仿真结果表明，当照明波长从400 nm增加至1000 nm时，该准连续器件均能实现清晰的边缘检测效果。其能量效率最高为90.27% (600 nm波长处)，平均能量效率为64.57% (400 nm~1000 nm)。可以预期，本文所提方法能促进准连续超表面在图像信息处理、超快光学模拟计算等方面的应用。

片上超表面是将超表面引入到集成光波导上以实现对导波的任意调制，它为导波与自由空间光波之间的转换提供了一个方便且通用的平台。尽管之前在片上全息方面已经做出了一些探索，但在扩展编码自由度和多路复用方面仍需突破。本文提出并实验验证了一种基于片上超表面的多路复用全息显示器件。通过迂回相位和几何相位的融合,使片上超表面将导波以圆偏光的形式耦合到自由空间中，以打破此前片上超表面沿传播方向上相位简并的局限性，进一步扩展了编码自由度。同时使用模拟退火相位优化算法和多路复用技术，实现了可独立编码的四通道远场全息显示复用。本文的设计方法以片上超表面的多功能集成，为具有高信息存储容量的集成光通信提供了一种新的途径。

对实时彩色三维动态显示的追求激发了学术界和产业界巨大的研究热情。随着“元宇宙”概念的提出，对高性能三维显示设备与技术的需求越发迫切。全息术是一种理想的三维显示方案，但传统光场调控器件却存在视场角狭窄、信息容量小等问题，阻碍了全息技术的进一步发展。而超表面作为一种新型光场调控器件，有望利用其像素尺寸小和光场调控能力强的特点在全息技术领域实现新的突破。本文主要从超表面全息器件的设计流程、调制方式、动态实现、制造技术四个方面给出了超表面全息十余年的概貌，并提出该领域未来发展的方向。