近年来,光学超构材料作为一种新型人工材料引起了人们的广泛关注。光学超构材料在组分仍为传统材料的基础上,通过人工设计亚波长尺度的单元结构(或称“超构原子”)来控制材料的有效介电常数和磁导率,从而表现出超越传统材料的电磁响应。尽管超构材料为光学器件的设计提供了全新思路和实现方法,但由于其结构复杂受限于纳米加工技术,且在可见光范围内存在高损耗等问题,三维超构材料很难在光学波段得到实际应用。针对这些问题,超薄的光学超构表面应运而生。光学超构表面继承了超构材料亚波长单元设计的优点,仅利用一层超构原子即可灵活自由地调控光的振幅、相位、偏振、自旋和轨道角动量等性质。光学超构表面结构简单、设计直观、易于加工、利于集成,极大地推动了新型光学器件的发展。在线性光学领域已实现光学聚焦、全息成像、光束整形等形形色色的功能。超构表面在非线性光学领域也获得了广泛关注。非线性超构表面由于其超薄特性而免于苛刻的相位匹配条件。同时,非线性超构表面能够通过设计每个单元,实现对产生的非线性光的相位、振幅和偏振进行操控,实现多种多样的光学功能。该领域中,如何在超构表面有限的厚度内提高非线性转换效率一直是相关研究的热点。本论文设计了一个由亚波长尺寸的光学谐振腔组成的非线性等离激元超构表面,以实现在近红外波段对二次谐波产生效率的增强。同时,通过改变超构表面周期的方式来改变超构表面在所设计二次谐波频段的电磁环境,进而探究该变换对二次谐波效率的影响。本论文提出的非线性等离激元超构表面由亚波长尺度的金开口谐振环、二氧化硅间隔层、金反射面三层结构组成的微腔构成。金开口谐振环是一种具有优良二次谐波产生特性的超构原子,在和二氧化硅及金反射面构成微腔之后,微腔的能量局域特性和场增强效应可以显著地提高超构表面的非线性转换效率。本论文首先根据光学谐振腔理论设计了纳米腔超构表面,并利用基于有限元法的商业仿真软件COMSOL Multiphysics,在频域模式下研究了上述超构表面的线性响应,并结合金属电子的非线性流体模型,对超构表面的二次谐波产生效率进行了数值仿真分析及优化。模拟结果表明,相比于只由单层开口谐振环构成的超构表面,本文所提出的纳米光腔构成的超构表面能提高二次谐波产生效率约13倍。本论文中通过先进的纳米加工及表征技术制备了该超构表面样品,进行了形貌表征,并详细介绍了制备流程和表征方法。本论文中也对该超构表面样品的线性及非线性光学特性进行了实验测量,测得其在基频波段的反射率和相应的二次谐波产生效率。实验和理论都证明,超构表面周期的变换能够改变二次谐波频率处电磁环境,进而显著改变二次谐波转换效率。同时,本论文的实验和理论表明,该纳米光腔超构表面能够有高的有效二阶非线性极化系数,这种腔结构的设计方案为提高二次谐波产生效率提供了一种行之有效的方法,在集成非线性光学器件方面具有潜在的应用价值。