超材料和超表面作为人工电磁材料，具有自然介质所不具备的新颖电磁特性。其利用微结构阵列与电磁波的相互作用可以实现对电磁波振幅、偏振和相位等特性的有效操控。相比于传统光学元件，超材料和超表面在光场调控方面具有结构紧凑、调控灵活、功能新颖等特点。此外，由于光强、偏振和相位作为光波的基本参量均可由被测信息加载或调制，因此光能够为人们提供一种多维度的信息探测手段。然而传统的偏振和相位探测方法通常光路复杂、分立器件较多且不易集成，超材料和超表面在光场调控方面的独特优势则为设计结构简单、集成度高的光学多参量探测系统提供了新的研究思路。
　　本论文围绕超材料和超表面在光场调控和光学多参量探测方面的相关理论和技术展开研究，主要研究成果和创新点如下：
　　(1)研究了金属螺旋超材料对透射圆偏振光的相位调控能力。首次理论上系统研究了螺旋超材料各个结构参数对透射圆偏光相位的影响，发现了一种简单有效的相位调控方式。并提出了一种复合螺旋超材料结构，在保持相位调控能力的同时具有较高的圆偏光转换率。
　　(2)首次设计并实验验证了一种能够实现光学多参量同时探测的超表面透镜阵列。该超透镜阵列工作在1550nm波长，能够将透射光中6种不同的偏振分量汇聚在焦平面上不同焦点处，通过测量聚焦光斑的强度以及质心位置信息，能够得到光束的偏振和相位分布。实验结果显示该透镜阵列的平均聚焦效率可达28%，偏振态、波前相位探测相对误差分别可达4.83%、8.0%。
　　(3)深入开展了超表面透镜阵列的优化设计与实验研究。通过将超表面透镜阵列中子透镜个数由6个减小为4个，对组成超表面透镜的单元结构选取方案进行优化，使得透镜阵列结构空间分辨率提高了近1.5倍，聚焦效率也进一步提升。实验结果显示，优化后超透镜阵列的平均聚焦效率可达48%，偏振态、波前相位探测相对误差分别可达4.24%、6.4%。
　　(4)基于优化后的设计思路，分别给出了中波红外4μm和长波红外10μm的超表面透镜阵列的设计方案，仿真结果显示其具有良好的光学特性，平均聚焦效率分别为69%和77%，偏振态测量相对误差分别为0.47%与0.024%。这一研究结果表明，本论文中提出的光学多参量探测方法适用于光波的任意波段，该方法的提出对光学的诸多领域都具有较高的科研意义与应用价值。