微纳加工技术近年来发展迅速,科技发展对器件集成化的要求也越来越高,这使得科研人员对微纳器件的研究也重视起来。微纳器件拥有轻量化的质量和极高的集成度,非常有利于器件的集成化。超构表面就是一种由人工设计而成的具有二维平面化结构的高度集成化的亚波长光学器件。超构表面有着传统光学器件所不具备的独特光学特性。通过对超构表面的单元进行设计,能够使其对光波波前的相位、振幅以及偏振产生任意的调控。因此,超构表面能够在实现传统光学透镜功能的基础上产生更多有趣的光学现象,这使它拥有了代替传统光学透镜的潜力。超构表面光场调控能力及应用的研究对促进超构表面代替传统透镜,实现光学仪器的高度集成一体化具有重要意义。然而,当前超构表面的单元结构大多采用矩形天线等较为简单的结构,这使得单元可设计的结构参数较为单一,限制了单元结构设计的灵活性。并且大多已被提出的超构表面通常仅能够在设计波长下工作,限制了超构表面的应用场景。本文设计了两种全介质超构表面来解决上述问题,并对设计的超构表面的光场调控能力以及其在成像领域的应用进行了研究。本论文采用理论仿真的方式对提出的超构表面的性能进行了验证。本论文研究的主要内容以及创新点如下:1.设计了一种以硅基四棱台结构作为单元的超构表面用于多焦点聚焦。该超构表面采用了一种四棱台结构作为超构表面的单元用以实现相位调控。相较于简单的矩形或圆柱形纳米天线,四棱台结构拥有更多的结构参数可作为设计变量,进而产生更有趣的相位调控方式。在入射波长固定的前提下,通过设计四棱台单元的底边边长和单元的空间取向角来调控单元的传输相位和几何相位。文章采用了有限元法对上述单元的结构参数进行扫描,筛选出了用于组建超构表面的十二种结构参数的单元。筛选出的每个单元之间依次存在π/6的相位差,因此仅用该单元组就能实现一个周期的相位调控。此外,本文对单元不变的结构参数也进行了优化,使得每个单元能够在较高透射率的前提下实现相位调控。文章中以筛选出的单元组为基础,按照透镜聚焦的相位分布,先后设计了一维和二维单焦点聚焦的超构透镜阵列,以及一维面内和面外双焦点聚焦的超构透镜阵列。借助基于有限元法的电磁场仿真软件模拟验证了设计的单焦点和双焦点超构透镜阵列的聚焦效果。2.利用卤素钙钛矿设计了基于矩形纳米天线结构的透射式超构表面。由于矩形纳米天线的长轴和短轴有着不同的有效折射率,因此每一个纳米天线可以被视为一个波片,这使得设计的超构表面时能够实现对入射光相位和偏振态的同时调控。文章采用改变纳米天线旋转角的方案来实现对几何相位的调控,并设计了具有偏振转换功能的聚焦超构表面。超构表面在左旋圆偏光的入射条件下,能够在设计的焦距处产生右旋圆偏振的焦点。此外,卤素钙钛矿材料中的卤素原子可以通过化学法进行置换,卤素原子的置换可以对材料的带隙产生影响进而影响材料的光学性质。基于此,设计了卤素钙钛矿可调谐全息超构表面,通过调谐卤素钙钛矿带隙,来控制超构表面的光学功能。文章中设计的可调谐超构表面能够调谐图像的显示与消失以及改变成像的具体图案。此外,文章中用三种卤素钙钛矿设计了一种可用于彩色全息成像的复合超构表面。利用三种卤素钙钛矿的单色透过性,将三种卤素钙钛矿设计在同一个超构表面中,结合Gerchberg-Saxton（G-S）算法将彩色图片的RGB色彩通道对应的相位信息设计在独立的单色成像通道中,从而实现了基于卤素钙钛矿超构表面的低颜色串扰的彩色全息成像。