传统光学器件,依靠光波在介质中远超波长的传播距离来积累相位并重塑波前,造成器件的体积大、结构复杂,因此不利于光学系统的微型化和集成化。随着大规模大容量的光信息传输、处理和存储技术的快速发展,人们对在微纳尺度下,实现光场有效调控的需求越来越迫切。人工微纳结构,是利用微纳加工技术将材料制备成特定设计形状、尺寸和排布方式的微纳结构,具有与波长相当或亚波长的结构尺寸,能够对电磁波的振幅、相位和偏振进行有效调控。基于人工微纳结构设计的光学器件,可以实现传统光学器件难以完成的功能。近年来,以人工微纳结构为基础的渐变折射率光子晶体（GPC）和超构表面,由于具有优异的光场操控能力和超薄、超轻的二维平面结构特点,为微纳尺度下的光场调控提供了新的解决途径,从而为光学器件的微型化、集成化提供了巨大的潜力,也为未来集成光路的发展创造了积极的条件。目前在光学波段的GPC和超构表面研究已经取得了众多的研究成果,但是在GPC的理论设计和实验制备、超构表面波片的偏振转换以及多功能超构透镜等方面仍有待进行深入的研究。本文以微纳结构单元的相位响应为对象进行人工设计,围绕GPC和超构表面,开展了光场聚焦和偏振转换的调控研究。主要研究内容和成果如下:（1）由于GPC结构参数的渐变调制增加了制作过程的复杂性和难度,使得传统的光子晶体（PC）制作方法不再适用,本文提出了利用双参数无顶六棱镜构建双锥干涉模型,实现设计和制作GPC透镜结构的新方法。首先,基于自主设计的双参数六棱镜构建多光束双锥干涉模型,通过调整双锥干涉模型的参数设计GPC结构。然后,以GPC结构为基础,设计从中心到边缘的介质柱尺寸渐变,进而渐变调控透镜有效折射率（调控相位）的分布,研究其聚焦性能,实现了15.8倍波长的长焦深聚焦和可见光波段具有超过86%的透射率;在双锥干涉模型的增量角为固定值时,主角大小是决定GPC透镜聚焦性能的主要因素。最后,在实验室搭建了双参数六棱镜双锥干涉装置,实现了亚微米尺寸晶格周期GPC结构的快速制备。（2）针对金属超构表面波片在可见光波段偏振转换效率不高的问题,利用低损耗的TiO2材料,设计了两种透射式、全介质超构表面波片,实现了光场的高效偏振调控功能。基于TiO2椭圆柱单元结构及双折射理论,通过优化椭圆长短轴尺寸,调控结构的偏振转换特性,设计了四分之一波片和半波片,研究了其偏振转换效率、电磁谐振特性及入射角敏感性。波片在波长532 nm的偏振转换效率均超过90%,并有一定的宽带工作能力,其中四分之一波片带宽达77 nm。同时,四分之一波片和半波片的光束斜入射角度分别在30°和28°以内变化时,波片的偏振转换性能保持稳定。（3）针对单层几何相位超构透镜对入射光偏振敏感的局限,基于传输相位理论和方形TiO2介质柱单元结构,优化介质柱横截面尺寸和高度实现0~2p相位突变,设计了针对左旋圆偏振（LCP）和右旋圆偏振（RCP）入射光偏振不敏感的超构透镜,实现了亚波长聚焦性能。同时,以此透镜为基础,增加振幅调控层,提出双层传输相位理论模型,超单元结构的总相位可由上层亚单元结构调控,总振幅可由下层亚单元结构调控,实现振幅和相位的双参量同时调控;优化振幅调控层单元结构尺寸以实现透射率0~1的调节,设计了振幅和相位双参量同时调控的多焦点透镜阵列,实现不同分束比的多点聚焦特性。（4）针对单层空间复用超构表面存在多余衍射级次和性能降低的问题,基于几何相位原理和联合琼斯矩阵理论,以矩形TiO2纳米柱为单元结构,通过优化上下层单元结构尺寸并设计旋转角度,提出一种双层几何相位超构表面理论模型;利用该模型,设计两种工作波长（532 nm和632 nm）和两种偏振模式（LCP和RCP）可任意调控的透镜结构,并对其聚焦特性进行研究,实现了对双波长、双偏振态的多维调控。同时,基于几何相位和传输相位的联合优势,提出一种复合相位调控的设计方法,通过对纳米柱的长度、宽度尺寸以及旋转角度三个参数的联合设计,满足LCP和RCP光的相位需求,实现每个单元结构能同时调控LCP和RCP光的分离和聚焦,利用单层超构表面解耦了LCP和RCP光的自由调控;并设计了可以将线偏振光中LCP和RCP分量同时聚焦在对称、非对称和轴向位置上的三种双焦点单层超构透镜;设计的透镜具有偏振敏感的调控功能,可以根据入射光的偏振态来调节焦点的位置和偏振态。