电磁超材料和超表面因其在微波、太赫兹、光波等频段独特而新颖的响应特性，具有非常广泛的应用。其原因在于，相比自然材料，超材料和超表面的电磁响应特性不仅与其构成物质本身的物理化学成分有关，更与单元结构的构造和排布方式有关。通过结构的特殊设计，超材料和超表面几乎可以实现电磁波的振幅、相位、偏振等的任意控制。相比三维结构的超材料，二维结构的超表面集成度更高、制备工艺更简单，因而成为该领域的研究热点。超表面从功能上主要分为梯度超表面和共振超表面两类，以光波频段为例，梯度超表面主要用于对传播光束的波前进行灵活调控，丰富光束的传播形态；共振超表面主要用于对局域光场进行亚波长尺度的共振增强，促进光与物质的相互作用。特别地，将共振超表面与有源发光物质相结合，不仅能够利用局域的场增强提升发光强度、降低激射阈值等，而且能够一定程度上调控光场的辐射特性，例如实现定向出射、远场偏振调控、矢量光束产生等，实现超薄的、多功能化的新型LED、激光器件。
　　本论文主要围绕有源发光材料制备的共振超表面发光、激光器件开展一系列的理论研究和实验探索。基于硅基Ge量子点、GaAs基InAs量子点等有源发光材料，利用介质微纳结构中的米氏共振及其多极子相互作用形成的Fano共振、环形偶极子共振和无极子模式、BIC模式、Kerker效应、阵列效应等，实现高Q值、特定远场辐射的共振超表面设计，并应用于实现相应的发光、激光器件，具体成果总结如下：
　　(1)设计并制备了一种基于非对称超表面中Fano共振的硅基Ge量子点发光器件。从圆盘结构出发，通过引入空气圆孔打破结构的对称性激发其中的Fano共振模式，从而实现了工艺容差度较高的共振超表面设计。Fano共振的实验Q值为1946，在该研究领域处于领先水平。利用Fano共振实现的Ge量子点自发辐射提升与出射方向调控，实现了1472倍的荧光信号增强。同时，共振模场的非对称分布对发光的偏振特性也有一定的调控。通过可控地移动空气圆孔，不同共振模式之间能够实现光谱重叠，展现了进一步调控发光的近场、远场特性的能力。
　　(2)设计并制备了一种在近红外波段同时支持磁环形偶极子共振和电环形偶极子共振的超表面发光器件。从圆盘结构出发，通过在直径方向引入一定宽度的空气缝隙，使得结构在不同偏振光入射下分别激发起强烈的磁环形偶极子和电环形偶极子共振模式。利用环形偶极子这种特殊的电磁振荡形式，实验上实现了Ge量子点荧光的两个量级增强，其原因在于环形偶极子共振更强的光场束缚能力提升了发光强度，与阵列效应带来的准直出射提升了提取与收集效率。另外，缝隙宽度的变化还能一定程度上调控远场辐射的偏振特性，通过在面内对缝隙分布作差异化调控，可能应用于实现特定偏振态出射的LED、激光器件。
　　(3)探索并优化了硅基Ge量子点、GaAs基InAs量子点等有源发光材料制备的共振超表面器件的微纳加工工艺。对硅基嵌入式自组装Ge量子点的MBE工艺进行摸索，生长出发光性能优于国际同行的高密度Ge量子点外延片。基于GaAs基InAs量子点有源发光材料，探索了腐蚀悬空与高温氧化两种工艺，以提高超表面所在的有源层与下方衬底层之间折射率差。探索了制备共振超表面这种要求大范围内的单元结构之间尺寸均一、形貌一致的器件的微纳加工工艺。
　　(4)设计并制备了一种对称破缺激发的BIC模式超表面激光器件。从正方晶格的二维圆孔结构超表面出发，分析了结构的对称特征导致的模式对称属性，阐明了由于对称性失配导致的结构中BIC模式的形成。通过引入微弱的对称性扰动激发准BIC模式，并利用非对称程度进一步调控模式的Q值。基于GaAs基InAs量子点有源材料，利用这种Q值受对称性扰动调控的准BIC模式，实验上实现了连续激光泵浦下受激辐射光束的产生，因而相比相关研究中以纳秒甚至飞秒脉冲激光泵浦的方式，器件性能得以提升。另外，对阵列效应导致的共振Q值变化也进行了实验测试和分析。