超表面是一种由不同形状大小亚波长单元（超原子）组成的阵列结构。在电磁波领域,超表面主要用来调控电磁波的振幅、相位及偏振。超表面与传统的光学器件不同,具有超轻薄、易加工、集成度高等特点,自其被提出以来,已经吸引了许多研究者的关注。到目前为止,在光束制造调控、量子通信、信息加密、全息成像显示等领域,超表面表现出了强大的性能和巨大的应用潜力。随着科学技术的不断发展,超表面将出现在生活的方方面面,如医疗设备、智能驾驶、光学通信及航空航天领域。其中,使用超表面将电磁波聚焦和产生特殊光束具有重要的应用价值。本文使用超表面产生了聚焦光束、聚焦光涡旋以及艾里光束,具体研究内容如下:1、研究了基于几何相位原理,在电磁仿真软件中采用粒子群优化算法构建了一种拥有多个几何尺寸的超原子模型。使用这种超原子模型,设计了两种超表面,一种是使光束聚焦的超表面透镜,简称超透镜,一种是产生聚焦光涡旋的超表面。这两种超表面使用在可见光波段具有低损耗的二氧化钛纳米柱作为构建材料。超透镜的数值孔径被设为0.45,由于所要构建的相位具有旋转对称性,整个超透镜阵列布置上具有旋转对称性,其聚焦效率约为60%。由于几何相位的特殊性,我们研究了该超透镜在蓝光、绿光和红光照射下聚焦情况,结果表明该超透镜具有宽波段的聚焦能力。进一步的,将涡旋角动量与超透镜结合,超表面就具备了产生聚焦光涡旋的作用。我们设计构造了能产生不同拓扑荷数聚焦光涡旋的超表面,其光束产生效率约为55%。该研究丰富了超表面设计的方法,为开发更多新功能的超表面提供了研究思路。2、研究了基于传输相位原理,选择方型纳米柱构建超表面产生艾里光束。艾里光束是一种无衍射,自弯曲,会自愈的特殊光束。我们设计了一种超表面,产生出一维的偏振不敏感性艾里光束。同时,我们的研究验证了艾里光束的无衍射、可自愈和自弯曲的特性,进一步的,将两个相同的超表面相对排布形成了新的超表面,验证了艾里光束的自聚焦性。该研究有效避免了由于光与金属作用产生的欧姆损耗,提高了超表面产生艾里光束的效率。同时,该超表面对光偏振不敏感的性质具有巨大的应用潜力。本文中三种不同类型的超表面具有体积小、重量轻以及超薄的特征,可以对光场进行灵活的调控,产生特定的光束,为未来光学设备的小型化,功能化提供了研究思路。