作为一种特殊的超颖材料,超颖表面可以通过人工设计的二维平面结构实现自然材料所不具备的特殊物理性质。随着设计方法和调控机制的不断提出,超颖表面的应用领域不断扩展,在波前整形、全息显示、轨道角动量操纵等方面表现出强大的波前调控能力。在近红外和可见光波段,光学响应往往需要通过更小尺寸的结构单元来实现,因此,实际微纳加工过程需要更简明的结构设计。对于彩色全息显示、表面等离激元集成回路、复杂光场生成等更广泛的应用领域,需要实现超颖表面的可调控设计、宽带无色散特性以及不同光学参量的综合调控。本文首先介绍了超颖材料和超颖表面的基本概念和发展过程,介绍了现有的光学超颖表面的调控机制及超颖表面波前调控的应用方向,通过对相位和振幅调控基本理论的分析和扩展,针对空间传播光场和表面等离激元的调控提出了多种设计方法,并结合三维涡旋阵列,二维衍射级次的选择性激发,可调控多端口表面等离激元激发和聚焦,表面波艾利光束等具体应用进行了模拟分析、样品加工和实验验证,具体研究内容包括:1.基于介质材料纳米柱结构的超颖表面,设计实现了达曼涡旋光栅、涡旋达曼波带片以及透镜因子相位分布,通过三者相位的结合,利用单一平面器件的亚波长像素尺寸相位调制实现了三维空间涡旋阵列的生成。根据贝里相位原理,传播光束经过不同的偏振态改变过程达到相同的最终偏振态时会产生不同的相位变化,当圆偏振光入射时,利用金属或介质材料的超颖表面单元结构的方位角变化生成不同的线偏振响应,则相反旋向的出射圆偏振光可以实现相位的连续调制。利用介质硅材料进行了超颖表面的样品加工和实验验证。三维涡旋阵列中的各聚焦节点拓扑电荷数可以通过超颖表面的相位设计进行独立的控制,并可通过调节入射光的轨道角动量进行调节。2.将贝里相位的调制方法拓展至振幅和相位的复振幅调制。在利用超颖表面纳米单元结构的方位角进行相位调制的基础上,利用其几何尺寸的变化进行振幅值的调控,并通过额外的方位角变化对这一过程产生的相位变化进行补偿,从而实现振幅和相位的同时调制。针对自由空间的传播光场,利用复振幅调控方法提出了一种二维衍射级次独立可选择性激发的设计,在激发选定级次的同时,对未选定的衍射级次进行充分的抑制。通过介质材料的超颖表面进行了样品加工,对衍射级次的生成结果进行了测量,并对不同级次衍射角度的实验测量结果与理论计算值进行了比较。同时,对应的纯相位调制设计也进行实际加工和实验测量,并进行了对比分析。3.根据表面等离激元激发的动量匹配条件,偏振选择性及表面波全息调控的方法,分别提出了两种能够实现可调控多端口表面等离激元激发和聚焦的设计。利用入射光的波长和偏振态的变化,可以实现对表面等离激元传播和聚焦方向的控制。利用定量分析的方法对两种结构在不同入射条件下的聚焦效率进行了比较,并分析了径向偏振光入射的特殊情况。4.将基于贝里相位的复振幅调制方法应用于表面等离激元场分布的调控。基于矩形纳米孔径结构的超颖表面,提出了一种适用于近场的波前调控设计方案,在实现表面等离激元激发的同时,可以通过复振幅调制完成表面等离激元的光场分布。为了验证表面等离激元复振幅调控的方法,分别设计了用于生成表面波的艾利光束及轴对称艾利光束的超颖表面结构,并进行了样品的实际加工以及近场光场分布的测量。在数值模拟中,除三维全波模拟外,为减少运算量和计算时间,还采用了的二维等效偶极子模拟的方法,理论与实验结果相吻合。