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基于局域共振效应的光学超表面是一种人工构造的且能对外界入射光作出响应的具有特殊功能的器件。局域共振效应是这种超表面的根本工作原理。在光与物质的强烈相互作用下，基于局域共振效应的光学超表面可以对入射光的相位、振幅等进行精确的调控，使其散射、反射、吸收谱等能够按照所需求的功能来设计，而且这个过程通常伴随着强烈的场增强效应，场增强效应在显示、能源以及生物等方面具有重要的应用。等离激元超表面和基于高折射率材料的介质超表面是很重要的两种基于局域共振效应的光学超表面，在生物检测、表面增强拉曼散射、表面增强荧光、光学透镜以及结构色等领域具有重要的应用价值。合理的设计与调控基于局域共振效应的光学超表面可以丰富其功能以适应更多的需求场景。目前在设计与调控和方面仍然存在着一些挑战。一方面，现有金属等离激元超表面具有较高的损耗，会使超表面的性能降低。另一方面，现有的光学超表面大多是采用面内耦合设计，对于可能提供更强场增强效果和新的调节自由度的具有面外耦合效应的超表面的设计及其调控还有待开发。此外，超表面根据设计好的参数制备后，其结构单元的参数不能再被改变，工作波长一旦改变，复杂超表面的重新设计和制备都会消耗大量的时间和物资，开发具有更多调节自由度的结构与调节方式就显得尤为重要。
本论文中，提出了基于高折射率材料的介质硅圆环超表面和基于面外耦合设计的双层金纳米条带的柔性光学超表面，对这两种超表面进行了制备与表征，对其调控进行了研究，可以解决上述的问题。论文从理论、仿真和实验等方面展开，主要内容包括：
(1)设计了一种可以应用于结构色超表面的基于高折射率材料的全介质硅圆环超表面。论文对硅圆环超表面的设计以及仿真设置进行了阐述，对硅圆环超表面中可以激发出的局域共振模式进行了研究，对硅圆环超表面的圆环外径、圆环内径、圆环间的间隔以及圆环层的厚度等四个结构参数对超表面反射谱的影响进行了仿真和实验研究。研究表明，硅圆环超表面中可以激发出一个电响应的共振模式和两个磁响应的共振模式。圆环外径的增加可以使反射谱的共振波长发生红移，圆环内径的增加可以使共振波长发生蓝移。圆环间隔对反射谱的影响比较复杂，随着圆环间隔的增加，可以使电响应模式发生红移，磁响应模式由一个峰劈裂为两个峰。对于分裂后的两个磁响应的峰，随着圆环间间隔的增加，低频磁响应模式发生较大程度的红移，高频磁响应模式发生较小程度的蓝移。通过超表面的反射谱表征和对色度计算处理后的颜色的色品图表征，展示出该设计理论上可以实现超过标准RGB范围的色域，覆盖范围约为标准RGB范围的1.15倍。
(2)提出了一种面外耦合设计的双层金纳米条带的等离激元超表面。论文对双层金纳米条带超表面的面外耦合设计以及仿真设置进行了阐述，对面外耦合设计的双层金纳米条带超表面中可以激发出的局域共振模式进行了介绍，并将产生的局域共振模式与具有相似结构的面内耦合设计的超表面中激发的模式进行了对比。通过仿真和实验研究了超表面中的结构的周期、上下两层金纳米条带间的分离高度以及入射光的角度等三个参数对超表面反射谱的影响。研究表明，面外耦合设计的双层金纳米条带的等离激元超表面中可以激发出一个电响应的反键模式(antibonding mode)，所产生的局域共振模式与具有相似结构的面内耦合设计的超表面相比，面外耦合设计可以产生高达1293的最大场增强因子，约为相似结构的面内耦合设计超表面所能产生的最大场增强因子的31倍。在调控方面，周期更大的超表面，其工作波长更长，因为周期的增加会使反射谱中的共振波长发生红移。上下两层金纳米条带间分离高度的增加，也会使共振波长发生红移，且分离高度的增加使面外耦合强度减弱。入射光角度的增加也可以使面外耦合设计的双层金纳米条带超表面的共振波长发生红移。
(3)对硬基底上高折射率介质超表面和柔性基底上双层金纳米条带超表面的制备工艺进行了探索。本文探索了通过微纳加工工艺实现硅圆环结构色超表面的中所涉及的一系列工艺参数问题，包括设计曝光版图的大小、电子束曝光过程中的最小分辨率与电量的选择、显影与定影时长的选取、刻蚀深度与时间的长度的选择。传统的涉及电子束曝光的微纳加工工艺需要基片表面保持平整且具有一定的导电性，来减小电子束的聚集，避免影响超表面的分辨率和形貌的准确性。对于不能用传统微纳加工工艺制备的柔性基底上双层金纳米条带超表面我们提出了一种适用的模板法，这种方法可以应用于一部分不导电的柔性基底上面外耦合设计的超表面的制备。在对两种超表面及其光学特性的表征方面，本论文借助了扫描电子显微镜、原子力显微镜和反射光谱测试等手段。
(4)首次提出将基于面外耦合设计的超表面与柔性材料相结合，对制备在柔性材料聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)基底上的面外耦合设计的双层金纳米条带的超表面进行了研究。通过力学仿真研究了拉伸应变下超表面的结构单元发生的几何形貌的变化，并提出了一种简化的模型用来拟合有拉伸应变时的结构单元形貌。通过实验与仿真阐述了拉伸应变对双层金纳米条带的反射谱的调控作用。研究表明，拉伸柔性基底可以使双层金纳米条带结构的周期变大，使上下两层金纳米条带间的分离高度减小。周期的增加会使反射谱中的共振波长发生红移，这是对面内耦合效应的调节，上下两层金纳米条带间分离高度的减小，会使反射谱中的共振波长发生蓝移，这是对面外耦合效应的调节。拉伸会对两种耦合效应同时调节，而在竞争关系下，周期对共振波长的调控占据的影响因素更大，这是由实验中反射谱中的共振波长最终为红移所得到的。研究中对超表面的归一化的共振灵敏度进行了分析，发现与目前的柔性超表面的调节性能是可比拟的。论文表征了双层金纳米条带柔性超表面具有可重复拉伸性和长达一年的稳定性。
本论文中，提出了基于高折射率材料的介质硅圆环超表面和基于面外耦合设计的双层金纳米条带的柔性光学超表面，对这两种超表面进行了制备与表征，对其调控进行了研究，可以解决上述的问题。论文从理论、仿真和实验等方面展开，主要内容包括：
(1)设计了一种可以应用于结构色超表面的基于高折射率材料的全介质硅圆环超表面。论文对硅圆环超表面的设计以及仿真设置进行了阐述，对硅圆环超表面中可以激发出的局域共振模式进行了研究，对硅圆环超表面的圆环外径、圆环内径、圆环间的间隔以及圆环层的厚度等四个结构参数对超表面反射谱的影响进行了仿真和实验研究。研究表明，硅圆环超表面中可以激发出一个电响应的共振模式和两个磁响应的共振模式。圆环外径的增加可以使反射谱的共振波长发生红移，圆环内径的增加可以使共振波长发生蓝移。圆环间隔对反射谱的影响比较复杂，随着圆环间隔的增加，可以使电响应模式发生红移，磁响应模式由一个峰劈裂为两个峰。对于分裂后的两个磁响应的峰，随着圆环间间隔的增加，低频磁响应模式发生较大程度的红移，高频磁响应模式发生较小程度的蓝移。通过超表面的反射谱表征和对色度计算处理后的颜色的色品图表征，展示出该设计理论上可以实现超过标准RGB范围的色域，覆盖范围约为标准RGB范围的1.15倍。
(2)提出了一种面外耦合设计的双层金纳米条带的等离激元超表面。论文对双层金纳米条带超表面的面外耦合设计以及仿真设置进行了阐述，对面外耦合设计的双层金纳米条带超表面中可以激发出的局域共振模式进行了介绍，并将产生的局域共振模式与具有相似结构的面内耦合设计的超表面中激发的模式进行了对比。通过仿真和实验研究了超表面中的结构的周期、上下两层金纳米条带间的分离高度以及入射光的角度等三个参数对超表面反射谱的影响。研究表明，面外耦合设计的双层金纳米条带的等离激元超表面中可以激发出一个电响应的反键模式(antibonding mode)，所产生的局域共振模式与具有相似结构的面内耦合设计的超表面相比，面外耦合设计可以产生高达1293的最大场增强因子，约为相似结构的面内耦合设计超表面所能产生的最大场增强因子的31倍。在调控方面，周期更大的超表面，其工作波长更长，因为周期的增加会使反射谱中的共振波长发生红移。上下两层金纳米条带间分离高度的增加，也会使共振波长发生红移，且分离高度的增加使面外耦合强度减弱。入射光角度的增加也可以使面外耦合设计的双层金纳米条带超表面的共振波长发生红移。
(3)对硬基底上高折射率介质超表面和柔性基底上双层金纳米条带超表面的制备工艺进行了探索。本文探索了通过微纳加工工艺实现硅圆环结构色超表面的中所涉及的一系列工艺参数问题，包括设计曝光版图的大小、电子束曝光过程中的最小分辨率与电量的选择、显影与定影时长的选取、刻蚀深度与时间的长度的选择。传统的涉及电子束曝光的微纳加工工艺需要基片表面保持平整且具有一定的导电性，来减小电子束的聚集，避免影响超表面的分辨率和形貌的准确性。对于不能用传统微纳加工工艺制备的柔性基底上双层金纳米条带超表面我们提出了一种适用的模板法，这种方法可以应用于一部分不导电的柔性基底上面外耦合设计的超表面的制备。在对两种超表面及其光学特性的表征方面，本论文借助了扫描电子显微镜、原子力显微镜和反射光谱测试等手段。
(4)首次提出将基于面外耦合设计的超表面与柔性材料相结合，对制备在柔性材料聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)基底上的面外耦合设计的双层金纳米条带的超表面进行了研究。通过力学仿真研究了拉伸应变下超表面的结构单元发生的几何形貌的变化，并提出了一种简化的模型用来拟合有拉伸应变时的结构单元形貌。通过实验与仿真阐述了拉伸应变对双层金纳米条带的反射谱的调控作用。研究表明，拉伸柔性基底可以使双层金纳米条带结构的周期变大，使上下两层金纳米条带间的分离高度减小。周期的增加会使反射谱中的共振波长发生红移，这是对面内耦合效应的调节，上下两层金纳米条带间分离高度的减小，会使反射谱中的共振波长发生蓝移，这是对面外耦合效应的调节。拉伸会对两种耦合效应同时调节，而在竞争关系下，周期对共振波长的调控占据的影响因素更大，这是由实验中反射谱中的共振波长最终为红移所得到的。研究中对超表面的归一化的共振灵敏度进行了分析，发现与目前的柔性超表面的调节性能是可比拟的。论文表征了双层金纳米条带柔性超表面具有可重复拉伸性和长达一年的稳定性。