颜色和装饰对于感知和识别自然和人造物体至关重要。颜色是由光与最小物质(原子和分子)的离散谐波能量状态相关的共振相互作用产生的。与颜料颜色相比,结构颜色具有色彩饱和度高、色彩美观、不易褪色等优点,受到了学者们的广泛研究。纳米结构颜色是可见光与纳米结构相互作用产生的颜色。基于等离子体结构的印刷技术以其相对于有机颜料和染料的巨大优势得到了广泛的研究。然而在实际中,只有少数几种金属可以用于等离子体结构显示屏,因为金属在可见光区域的损耗很高。另外,金属纳米粒子由于其固有的等离子体阻尼特性,产生的颜色光谱覆盖度较小,加上金属粒子主要具有类电共振,因此迫切需要另一种程度的磁共振模式来控制产生的结构颜色。本文以全介质超表面为研究对象,重点研究了全介质超表面的分析理论和设计方法,完成了基于Mie磁共振的全介质彩色超表面设计。具体研究内容和创新成果如下:本文提出了一种基于磁Mie共振的圆台超表面,并对其结构进行了数值仿真模拟。详细的数值分析表明,硅圆台超表面中的电共振和磁共振产生了清晰的结构颜色。但是磁共振是主要的模式,电共振的强度与其相比小到可以忽略不计。且由于磁共振独特的性质,反射峰的强度几乎达到了 90%,半峰宽(FWHM)为43nm左右。本文提出的结构模型的高宽比仅为0.46,大大降低了工艺制造的难度,提高了实体结构的可制造性。更详细的数值分析表明,在85000dpi左右的分辨率下可以得到清晰的结构颜色。由于Mie共振的优良性质,通过选择合适的几何尺寸和周期,可以获得高质量、高色相和高饱和度的结构颜色。除了偏振无关性这个优点之外,本论文设计的超表面的另一个突出的特征是能够使用具有成本效益的、稳定的、可持续的以及CMOS相容的材料来产生覆盖整个可见光谱的清晰的结构颜色。