随着光学仪器技术的快速发展与广泛应用,传统光学镜头已成为制约光学仪器向微型化、集成化、阵列化、轻量化发展的技术瓶颈。如何从原理入手,深入研究能够突破衍射极限,实现微纳尺度上的光信息传输与处理,及相关的微纳光学器件制备技术,对于光学仪器的微型化、集成化发展具有十分重大的科学和现实意义。论文在国家973计划和国家自然科学基金等项目的资助下,对基于表面等离子体的超表面聚焦透镜原理及制备技术进行了较为深入的研究。针对传统矢量偏振光束聚焦系统存在体积庞大、笨重的缺陷和透射式等离子体超表面器件调控效率不高及其加工成本高、效率低等问题,开展相关研究,完成的主要工作如下:(1)首先综合分析紧聚焦的矢量偏振光场所具有的独特性质和广阔的应用前景,同时对利用结构变化的金属弧形天线和表面等离子体局域共振调制交叉线偏振光,及其相位特性的原理进行较为深入的研究。提出一种矢量偏振聚焦透镜设计原理,并设计出超薄的径向和角向偏振超表面透镜。透镜在角向和径向偏振光入射时分别得到紧聚焦点和环形焦斑,而且在300THz-400THz范围具有宽带的频率响应。通过引入切趾因子,得到超越衍射极限的焦斑(0.47λ)。与传统透镜相比,超表面透镜厚度超薄(λ/20),无像差,易于集成和实现超分辨聚焦。(2)提出一种新型的、直接转化聚焦的径向偏振透镜设计原理,设计出在圆偏振光入射时可同时产生并聚焦径向偏振光的超表面透镜。通过变化金-硅光栅的周期和占空比调制TM(Transverse Magnetic)偏振光相位的同时,提高TM偏振的透过率及偏振消光比,然后通过分区域方式对偏振和相位进行局部控制,实现产生并聚焦径向偏振光。这种超表面透镜具有数值孔径大和易于集成的特点,而且无需通过液晶偏振转换器或空间光调制器来产生径向偏振光源和额外准直系统来保持径向偏振光的中心与透镜的中心对齐,大大简化了传统径向偏振聚焦所需的辅助系统。(3)针对太赫兹波段缺乏有效的波前调控器件的问题,提出一种金属-介质-金属-介质-金属的多层单元结构,并分析其内在的电磁谐振和耦合机理,实现高效率的偏振转换和波前调控。基于Pancharatnam-Berry(PB)相位原理,采用离散相位方法设计和排布阵列天线,实现高效率、大角度的异常折射和大数值孔径、高效率的太赫兹平板超表面透镜。该透镜具有很好的聚焦性能和较薄的厚度(λ/5),可应用于微型化、集成化的太赫兹成像、探测等光学系统中,同时为设计其它类型和其它波段的光学器件提供理论依据。(4)针对超表面波前调控器件加工成本高、效率低的问题,提出一种低成本、高效率的制备超表面器件的方法,即反射式表面等离子体成像光刻,克服了超表面器件或透镜加工成本高、效率低的问题。利用反射式的等离子Ag层放大和补偿倏逝波,进而解决传统近场光学光刻中保真度差,对比度低,曝光深度浅等问题。通过优化曝光、显影、刻蚀工艺,制备出各向异性阵列的纳米孔超表面透镜。(5)搭建光学测试系统,在可见光频率实验验证了超表面透镜聚焦性能,得到的实验结果与仿真结果一致。提出的等离子体成像光刻方法利用了传统I线光刻设备及汞灯光源,具有加工成本低的优势,而且掩模可以多次使用,大面积的功能结构可一次曝光完成,具有效率高的特点。