如何自由操控光/电磁波的传播、散射和波前等,以及揭示光与物质相互作用的新机理,一直是光学基础研究领域的前沿热点之一。在过去数十年中,超构材料/超构表面为实现这一目的提供了新的思路和材料基础,为新型波场调控研究开辟了新的天地。特别是“渐变超构表面”,其核心思想是在界面上引入随空间变化的局域“突变相位”,使光在界面上发生反射/折射时满足“广义斯涅尔定律”。突变相位概念为操控光的传播提供了新的维度。然而,由于始终存在阻抗不匹配的问题,因此大部分基于广义斯涅尔定律的新型光学器件的目标功能(如异常折射)效率不高。同时,在诸多相位梯度超构表面中也都观察到了高级次衍射现象,但是其遵循的衍射规律和物理机制尚不完全清楚。针对前沿研究中存在的诸多问题,本论文重点围绕“相位梯度超构光栅”(Phase-gradient metagrating,PGM),开展深入而系统的研究。PGM 是一种厚度为 一个波长左右的非超薄超构表面,在一定程度上避免了阻抗不匹配的问题。同时和超构表面相比,PGM结构相对简单,便于理论解析,为研究相位梯度超构表面中高级次衍射规律、揭示内在的物理机制,提供了一个很好的研究对象,也为操控光的传播提供了新的思路。本论文从构建PGM出发,研究和揭示了 PGM中新的衍射规律和物理机制,进而发现了新的自由度来操控电磁波的异常衍射特性。在此基础上,构建了一系列基于PGM的新型光学器件,实现了一系列光学新现象。具体内容如下:一、奇偶性相关的异常衍射规律及物理机制设计并研究了透射型的PGM,发现在较宽的入射角范围内,PGM均具有近乎完美的异常透射/反射特性。从多重反射的效应出发,揭示了 PGM中复杂的衍射机制,发现了一种全新的光栅衍射规律。这一新的衍射规律可以解释之前的研究中观察到的高级次的衍射现象。研究发现PGM的超晶胞内单元个数m可以作为一个新的自由度来调控电磁波的传播,通过改变单元个数m的奇偶性,可以使得高级次的出射波在异常透射通道和异常反射通道之间进行转换,并且这种现象具有很强的鲁棒性。在实验上也验证了这一新的衍射规律的正确性。二、整数m相关的损耗诱导的角度不对称衍射及物理机制研究对象从厄米光学系统(无损耗)到非厄米光学系统(有损耗)。在前面揭示的新的衍射规律的基础上,发现有损耗的PGM中存在角度不对称吸收现象,且不对称吸收的程度与超晶胞内单元个数m有关。我们建立了一个直观的物理图景,得到了角度不对称吸收特性关于m的半解析表达式,并且解释了角度不对称吸收现象的物理机制:在高级次衍射时,界面突变相位会导致电磁波在PGM内部发生多次的全内反射,一旦PGM中存在损耗,那么多次的反射会引起更多的能量耗散,从而导致不对称衍射现象。三、新型相位梯度超构光栅器件的设计及物理特性利用发现的新规律、新物理,设计了一系列新型光学功能器件。本章重点介绍两个例子。(1)基于局域法布里-珀罗(FP)共振的新型介质超构光栅。在亚波长金属槽阵列中填充不同高度的同种电介质材料,研究发现:当电磁波在介质内部发生局域FP共振时,相邻单元的透射相位差相等并且自动满足PGM所需的突变相位。同时透射相位差与介质材料的介电常数之间也存在一一对应的关系。我们验证了该器件的性能,可以实现高效率的波前调控。(2)特定入射角度选择透射的新型超构光栅。把突变相位概念引入零折射率材料中,构建新型波场调控器件。研究发现:在某些情况下,只有当入射光以特定的倾斜角度入射时,才能发生透射,具有高效率的单角度选择透射特性。由于零折射率材料的特殊性,该器件还可以实现单角度的电磁波聚焦和多端口单角度的波束发射。四、多功能相位梯度超构光栅器件的设计及物理特性基于PGM中异常衍射和不对称衍射的规律,设计了两种新型多功能相位梯度超构光栅器件。(1)多功能回射器件。经过数值模拟,我们验证了该器件可以实现高效率的三通道回射功能、准回射功能和镜面反射功能。通过改变器件的周期可以调整回射角度,以及准回射和镜面反射的入射角范围。(2)多功能多通道涡旋波轨道角动量转换和吸收器件。通过理论解析和数值模拟,我们发现对于拓扑荷数为l的入射涡旋波,该器件可以使反射涡旋波的拓扑荷数转换为σ;而对拓扑荷数为-l的入射涡旋波,又可以实现高效率吸收,并且该器件对多个不同的l和-l都有类似的效果。我们也得到了l与σ之间的关系式。