基于控制光波波前的超表面研究近来受到了广泛的关注并得到了长足发展。相对于传统光学元件,超表面具有以下优点：第一,可以在亚波长厚度内控制波前；第二,可以将能量全部集中到所需的单个衍射级；第三,可以独立控制光波的磁场分量,使其与真空阻抗匹配,实现无反射、高效率的光学器件；第四,易于同增益介质、非线性材料和电学器件集成。超表面的设计基础源于推广的惠更斯原理(表面等效原理),其主要理念是利用纳米共振结构构建“惠更斯点光源”。通过调节共振强度和共振引入的突变相位(散射光与入射光的相位差),实现对波片上任一点光源振幅和相位的调节,从而控制光的传播、偏振、光束形状等性质。由于贵金属和高折射率介电介质的纳米结构支持光学波段的共振,可以产生强烈的光散射、吸收和局域场增强,所以在纳米光子学、超材料、光电器件、光谱学、光学传感器等领域得到了广泛应用。在本博士论文中,我们基于贵金属纳米结构的局域等离激元共振和高折射率介电介质的纳米结构的米共振,开展了可见和近红外波段的高效率半波片和1/4波片、单向的表面等离激元耦合器的设计和研究,主要内容如下。在第一章中,我们主要介绍了局域等离激元和表面等离激元的基本性质；分析了贵金属纳米结构的光散射特性,包括散射强度、散射光角度分布及散射过程中引入的突变相位等；简要介绍了超表面的设计理念和最新进展；最后,我们介绍了基于时域有限差分法的数值模拟及若干模拟中需要考虑的问题。在第二章中,基于金属纳米阵列／间隔层／金属薄膜结构,我们设计了可见光波段的反射式半波片。我们发现,通过合理地设计和调控结构参数,可以使得波片的工作波段覆盖整个可见光波段。我们还发现超晶胞设计可以进一步提升半波片的工作带宽,并提出平均响应理论解释此现象。超晶胞设计可以用于拓宽其它光学器件的工作波段。在第三章中,基于推广的惠更斯原理(表面等效原理),我们设计了由单层Si纳米线阵列构成的高效率透过式1/4波片。我们分析了亚波长的Si纳米线所支持的电偶极和磁偶极共振模式,并分析了这两种共振模式在高透过率的超表面中所起的作用。利用共振过程中引入的突变相位及其对不同偏振入射光的依赖特性,我们设计了工作在通信波段的高效率的1/4波片。在第四章中,我们设计了基于直立L型天线阵列的SPP耦合器。在圆偏振光的照射下,该耦合器可以激发单向传播的SPP,并且借助入射光的偏振(左旋、右旋圆偏振光或线偏振光)可以调控SPP的传播方向。我们介绍了近场耦合法激发SPP的基本原理以及若干实现单向SPP激发的方法,并着重介绍了圆偏振偶极激发单向SPP的原理,进而分析了L天线的共振模式及感应电偶极矩在单向SPP激发中所起的作用。最后,我们设计了偏振调控的单向SPP耦合器。此外,我们提出了SPP的干涉模型,利用此模型可以快速得到入射光的偏振态,使得激发的SPP在设计波长处的单向性最优。在第五章中,我们展望了超表面研究中的挑战和发展趋势。