偏振是描述光的重要物理量,体现了光作为横波的振荡特性。作为一种重要的信息载体,偏振特性在通讯、加密、成像、显示、遥感等领域中有广泛的应用。然而传统的偏振调控光学系统往往体积庞大而且加工工艺复杂,无法满足当今器件高密度片上集成以及多功能的发展趋势。近年来,随着微纳加工技术以及方法的进步,构筑具有新颖偏振特性的微纳结构成为解决复杂片上偏振技术难题的关键突破口。近年发展起来的光学超表面是利用人工亚波长微纳结构调控电磁波的重要手段,具有超越自然材料的调控能力,他不仅能大幅减小器件体积,还可以实现前所未有的物理现象并拓展相关的应用领域。本文针对金属和介质材料体系,利用具有自主知识产权的微纳加工技术,设计制备了具有特殊偏振选择或转换特性的超表面,并研究了其内在物理机制、调控特点以及潜在应用领域;此外,本文还发展了一种三维微纳应变结构的直写技术,可以应用于二维谷极化材料,为研制基于可控能谷态应变编码与操纵的新一代量子信息器件奠定了基础。论文主要内容如下:首先,针对金属纳米体系,通过聚焦离子束辐照诱导,研制了一系列具有偏振选择特性的三维纳米等离激元超表面。其中,三维双鳞片和开口谐振环超表面突破了传统平面等离激元体系近场耦合的空间维度限制,分别在近、中红外波段实现了具有灵敏度可调的双Fano谐振以及环形磁偶极子谐振的偏振选择性激发。通过调节单元空间对称性,三维双鳞片超表面对线偏振光的二向色性吸收可以激发双Fano谐振,并且每个谐振可以实现独立调控并用作环境折射率传感器,最高灵敏度达2703 nm/RIU。三维开口谐振环超表面在对45°线偏振光的选择吸收中展现出出色的磁场局域能力,首次在中红外波段实现了环形磁偶极子的激发,显示出在三维天线、光调制器以及逻辑器等领域的应用潜力。其次,利用全介质材料,设计制备了一系列高效、宽波段的交叉纳米鳍型波片,在亚波长尺度范围内实现1/2波片、1/4波片以及频分复用波片的功能。通过将各类纳米鳍波片编码组合,实现了单偏振通道的高清灰度图像加密存储、双偏振通道独立编码图像存储以及四偏振通道快速偏振检测功能,存储的图像信息分辨率高达35219,在防伪、信息加密等领域具有重要的实用价值。同时,由于采用简单的平面微纳加工工艺,交叉纳米鳍型波片还可以方便的与其他光电器件集成,在器件小型化、量子通讯以及偏振成像等应用中同样前景广阔。此外,在二维半导体材料体系中,利用电子束诱导应变直写新方法,实现了二维能谷材料复杂应变结构的设计与制备。该方法可以精确设计材料应变程度、应变范围以及形状,为应变调控与光偏振相关的能谷态以及新一代量子器件设计与制备,特别是量子态的相干操控、量子信息编码及传输提供了新的思路。