光场调控一直是重要的基础光学研究领域之一,在光信息、激光领域具有重要应用。其研究内容涵盖对光场相位、振幅和偏振调控的新机理和新方法。纳米科学和纳米加工技术的进步提供了丰富多样的微纳结构,极大地促进了纳米尺度光场调控的研究。由于金属表面等离激元共振具有强的局域电磁场增强效应,利用金属微纳结构对光波的电共振响应所开展的光场调控研究已经取得了丰富的研究成果。但是,受限于金属固有的欧姆损耗,基于金属结构的光场调控器件一般损耗大、调控效率低。近年来,高折射率介质微纳结构在光场调控领域受到了越来越广泛的关注。除了具有低损耗特性外,高折射率介质微纳结构对光波的磁响应特性为光场调控提供了一个额外的维度,从而提升了对光场调控的能力。本论文主要围绕高折射率介质微纳结构的光场调控开展研究工作:从单个介质颗粒的光场调控特性入手,然后拓展到颗粒阵列构成的超表面。本论文的主要研究工作如下:1.研究了单个介质纳米立方体的散射特性,明确其内部的电偶极共振和磁偶极共振。通过选择合适的工作波长使得电偶极模式和磁偶极模式等振幅等相位来实现单向散射。通过改变颗粒的几何尺寸来使得电偶极峰和磁偶极峰重叠达到在共振位置处的单向散射。进一步地,通过将上述颗粒串成链可以实现宽谱的单向散射。2.基于偶极-偶极相互作用模型,研究了硅纳米二聚体在高斯光入射下的散射特性。该远场散射场是由颗粒内部感应的电磁偶极子的辐射场的干涉引起的,与二聚体相对高斯光束的位置有关。通过改变二聚体与入射场的相对位置可以实现对远场散射的调控进而实现单向散射。反过来,通过测量远场散射场的横向对比度,可以确定颗粒相对于入射场的位置。基于此,我们提出了一种新型的光学校准和纳米尺度的位移测量手段。3.基于琼斯矩阵研究了由不同尺寸以及不同旋向的硅颗粒组成的超表面的透射特性。给出两种方法分别基于极化率张量半解析方法和时域有限差分数值方法用于获取超表面的琼斯矩阵。通过选取合适的颗粒以及相应的面内排布,实现了任意的波前分布。基于此设计了两类超表面分别用于生成径向/角向偏振光(偏振调控)和Airy光束(相位调控)。4.基于结构的对称特性,系统地将超表面进行了归类并关联其对应的琼斯矩阵以及其独有的本征矢。基于此,我们设计了一种双层超表面,其本征矢为圆偏振光,用于实现旋光效应。不同于传统旋光材料通过增加传播方向的长度来增大出射偏振角的旋转,该双层超表面结构可以通过改变结构的横向尺寸实现出射偏振角的旋转,其角度偏转可以从-90°变化到90°。这项工作提供了一种新型偏振转化器的设计思路。本论文的创新点和特色:1.发展了一种基于极化率张量的半解析的方法用于分析纳米结构的散射特性以及该结构组成的超表面的透射反射特性。该方法适用于颗粒的结构尺寸远小于入射光波长。2.提出了一种基于介质纳米二聚体和高斯光束相互作用的纳米位移测量方法。通过测量横向散射场的对比度,就可以确定该纳米二聚体相对于入射场中心的位置。该方法的测量精度可以达到十纳米左右,并且可以通过使用HG10模高斯光入射来增加。3.基于超表面的对称特性,对超表面进行了系统的分类并关联其独有的琼斯矩阵,提出并设计了介质双层超表面实现了巨大的旋光效应。不同于传统旋光材料通过增加传播方向的长度来增大出射偏振角的旋转,该超表面可以通过改变结构的横向尺寸实现出射偏振角的旋转,其角度偏转可以从-90°变化到90°。