超材料是一种具有超常物理特性的人工设计复合材料,它的出现拓展了人们对于传统材料性能的认识,提高了结构对光在微纳尺度下操控的自由度。然而在现有的研究中依然存在着许多需要解决的问题和有待进一步发展的内容,本论文设计了多种超材料结构对光场的性质进行有效调控,分析调控机理并对相应的光学性质进行深入的研究。主要内容如下:1.设计部分缺口的金属圆环结构,在角向矢量光束的入射下产生电场和磁场的同时局域增强现象。矢量光束与标量光束相比能够更加充分的与结构相互作用,因此可以产生强度更大的局域增强。通过对结构的设计,这种局域增强现象可以通过两个完全不同的共振模式来分别产生。同时,这种增强方式还可以通过外加金属环组成复合结构得到第二次增强,拓宽了结构在不同领域的应用范围。2.通过在传统的等离子激元透镜中部分嵌入相变材料二氧化钒,实现了径向矢量光束聚焦的动态调节。由于径向光聚焦后的光斑可以轻易超越衍射极限,因此在聚焦方面有着广泛而重要的应用。但是现有研究中,在不改变结构参数或材质的情况下,径向光聚焦光斑的位置不会发生变化。我们提出了焦距可以动态调控的等离子激元透镜,仅通过调节环境温度就可以对径向光聚焦光斑的位置在近场和远场之间进行灵活的切换。此外,改变金属环或者二氧化钒环的个数还可以对聚焦强度和焦距调节范围进行进一步的操控。3.设计双层超表面结构生成微纳尺度下的矢量光束。宏观上,人们使用空间光调制器来生成矢量光束,这种方法对光的偏振和相位操控是独立的,因此使用到的光学器件较多,装置体积庞大,无法生成微纳尺度下的矢量光束。另一方面,对于一般的超表面来说,结构对光相位的控制程度不能达到完整的2π范围。我们针对这个问题设计了双层矩形镂空超表面,实现了结构对出射光偏振和相位的同时控制,生成得到任意偏振和相位分布的矢量光束。4.研究超表面产生可调谐的线偏光旋光现象。传统的旋光依靠双折射材料或者手性结构产生,这种方式对于旋光程度很难进行定量的控制。我们脱离传统方式,提出了一种全新的旋光机理,通过设计超表面结构对左旋和右旋圆偏光产生不同的相位延迟,从而产生线偏光的旋光。我们选择十字镂空超表面结构分别从理论和实验两个方面验证了理论的正确性。另外,旋光的程度可以通过调节结构参数直接对光相位进行操控。这种新的理论机制的提出,使人们对旋光的操控有了更高的自由度。5.设计多功能超表面,使同一种结构在不同波段分别实现完美吸收、四分之一波片和二分之一波片的效果。通常情况下,一种结构只在实现某一种光学现象上有较好的性能,很难在不改变结构参数的情况下同时实现多种功能。我们利用矩形天线超表面与入射线偏光的相互作用,通过精确设计并优化结构参数,在不同波段下充当不同的光学器件。