电磁波作为现代信息传递的载体,在通信,成像,以及医疗等方面都具有重要作用。可见近红外光由于其高频率以及强抗干扰力等特点,成为当前光控研究领域的热点之一。传统的光学元件主要是通过传播过程中相位的累积实现电磁波的操控,例如,利用曲面透明材料制成的光学透镜实现光束聚焦、基于双折射材料实现偏振转换等,但是,其通常具有体积庞大、结构厚重等缺点,难以实现集成化和小型化的器件发展需求。而基于亚波长纳米结构的光学超表面有望突破传统光学元件的局限性,为器件的智能化、集成化以及小型化提供一种有效的技术方案。目前,利用亚波长尺寸的平面结构在微观区域对电磁波的灵活操控特性,研究人员已经设计并实现了各种工作波段的功能各异的超表面器件。但在可见及近红外区域,纳米结构的特征尺寸在百纳米量级,超表面面临着设计复杂、制备困难、有效工作区域小、功能单一以及难以动态操控等问题。为了解决上述问题,满足现代光学器件的发展需求,本论文以具有亚波长尺寸的纳米结构为研究对象,在可见以及近红外的工作波段,围绕各种光学超表面展开了一系列的研究工作。针对目前光学超表面存在的问题,设计实现了具有不同功能的光学超表面器件,并对其设计机理以及光学性能进行了系统的研究。此外,结合实际应用需求,进一步探索了光学超表面的应用性能。本论文的主要研究内容和结论如下:（1）基于目前消色差超透镜工作范围较窄、器件设计复杂等现状,针对色差的问题,提出了一种偏振不敏感的超宽带消色差超透镜的设计方法,实现了从紫外到近红外光的超宽带消色差聚焦。利用紫外透明的Hf O2材料设计具有圆形横截面的纳米柱作为基本结构单元,具有偏振不敏感以及结构设计简单等特点。通过垂直堆叠的方式,利用多层纳米结构的设计在超宽带光谱范围内实现多波长的全相位覆盖,避免了制备大高宽比结构的难点。与色差超透镜相比,设计的多层超透镜具有良好的宽带消色差效果。在波长355、450和785 nm处观察到了近衍射极限的聚焦点,其聚焦效率分别为12%、30%和58%,为光学超表面的宽带性能研究提供了一定的理论指导和实践方案。（2）针对静态超表面功能固定,以及目前动态光学超表面在高频区域设计复杂、操控困难等难题,基于全局操控的方式提出了一种动态光学超表面的设计方法,实现了在近红外波长的动态调谐功能。将相变材料VO2集成到具有圆形横截面的纳米圆盘中,通过改变结构半径提供具有不同相位以及幅值的可调谐单元。基于菲涅尔波带片的设计原理,将两组可调谐的纳米单元分别放置在波带片的奇数环和偶数环中。通过操控材料相变性质改变奇偶环中相位以及透射性质,设计了动态可调谐的超透镜,实现了中心聚焦强度变化可达～12倍的开关聚焦效果。此外,通过建立图片明暗状态和二进制编码之间的关联,利用四组结构单元代替由00、01、10以及11二进制编码序列表示的可调谐光学状态。设计了一种可切换数字图片编码超表面器件,可以实现任意数字或者字母等图案的动态切换。（3）针对目前纳米结构制备工艺以及区域的限制,提出了一种设计厘米级大尺寸的可调谐超表面的方法。利用静电作用力将溶液中的胶体金属纳米颗粒转移到基片上,能够制备尺寸面积可达厘米级的器件。基于金属纳米颗粒局域表面等离子体谐振对环境的敏感性,系统的研究了VO2薄膜包覆的单层金纳米棒的等离子体共振特性。通过控制VO2的相变过程,实现了共振峰在618到685 nm之间的可逆调谐。此外,通过分析热诱导以及激光辐照诱导的相变过程,研究了由金属纳米颗粒的光吸收效应和光热效应促进的薄膜相变过程。一定功率照射下,Au/VO2薄膜的相变温度较纯VO2薄膜的相变温度低。室温激光照射下,Au/VO2薄膜相变的激光功率比纯VO2薄膜低28.6%左右。（4）基于频率梯度超表面,提出了一种具有高速和广角特性的动态光束扫描系统的设计方法。通过分析衍射光栅和聚焦透镜的工作原理,结合具有光学频率梳的光源,构建了频率梯度超表面,设计了动态光束扫描系统。通过建立光束扫描距离、扫描角度以及扫描时间的关系,分析了光束扫描现象与频率梯度的关系。随着透镜焦距的减小以及光束入射角的增大,频率梯度增大,光束扫描视场以及扫描速度增大。透镜焦距为20 mm,入射角为67°时,得到了扫描视场为53°×23°、扫描速度为0.66°/ps的光束扫描系统。根据系统对目标轨迹、速度以及距离等信息的探测,展示了系统的应用性能,进一步探讨了其在激光雷达中的应用研究,提出了一种基于频率梯度超表面实现三维全固态激光雷达的设计方案。同时,由纳米压印技术制备的衍射光栅,能够有效的改善由EBL及FIB等技术制备大面积纳米结构的问题,为下一代低成本、大产量的三维全固态激光雷达的发展奠定了基础。综上所述,本论文针对现代光学器件智能化、集成化以及小型化的应用需求,重点针对目前光学超表面器件存在的加工难、动态调控难等难题,对基于亚波长纳米结构超表面的物理机理、调控特性、光学性能以及应用研究等进行了深入的分析讨论,探索了具有宽带、大区域、多功能以及动态调谐特性的光学超表面。通过对器件设计原理以及形成机制等研究,提出了简化结构以及器件设计的方法,减小了光学超表面的设计难度,为设计工作在高频段的平面光学器件提供了技术指导。