超表面是一种可以灵活调控电磁波的平面薄膜结构,由亚波长尺寸的周期性谐振微元构成。当电磁波入射该谐振微元时,可产生异常的相位突变。通过设计不同的微结构以及微结构的旋转角度等,可以实现对电磁波振幅、相位、偏振的调制。本文旨在研究光场经由超表面后的聚焦特性,以及探讨该超表面对光场调控的普遍规律。首先,在第一章和第二章中对超表面进行了光学原理和设计方法的介绍,对其研究发展历程及相关应用进行了概述,同时对不同类型的几何相位型超表面的设计原理进行分析说明。其次,第三章以亚波长六边形Ti O2椭圆柱为几何相位型超表面的基础结构,研究了宽波段下实现高效率聚焦的超表面,也是本文设计多焦点超表面的基础。利用FDTD等有限时域差分软件仿真,结合几何相位的聚焦理论优化初始结构,得到的超表面对532nm的光可实现良好的聚焦功能,聚焦场光强归一化后的中心半高全宽约为428.6nm,工作的波长范围在480nm至580nm之间。基于此,第四章结合Richards-Wolf矢量衍射积分理论和光瞳滤波方法,深入研究了532nm波长下,超表面对柱对称矢量光场、高阶Ince-Gaussian矢量光场等复杂光场的调控和聚焦特性。对于振幅滤波的柱对称矢量光场,通过入射光场和超表面的有效环带设计,实现了聚焦场区的轴向多焦点分布,得到四个焦点光强的半高全宽分别为206nm、258nm、242nm、277nm。在第五章节中,3阶和4阶Ince-Gaussian矢量光场的超表面聚焦研究结果表明,该复杂矢量光场经由超表面得到的聚焦场能保持原有的基本空间结构。若存在涡旋相位,矢量涡旋光场的聚焦场将会出现空间结构对称性的破缺。因此,矢量光场聚焦时,聚焦特性不单单和超表面结构有关,还和入射矢量光场的空间结构有关,在进行相关超表面设计时,需同时考虑超表面聚焦性能和入射光场的矢量结构。聚焦超表面对电磁波的灵活调控及其相比于传统光学器件的轻量化、微型化等特点,可实现更丰富的功能,随着研究深入及相关制造工艺的突破,有望在超分辨成像、光刻技术等诸多领域获得应用。