激光光束的聚焦、准直以及偏转在精密激光打孔,自由空间光互联,激光雷达等方面有着重要的应用价值;无衍射贝塞尔光束、涡旋光束以及全息显示在光通信、微粒操控、自成像、量子通信及3D传感等领域具有重要应用前景。通常,为了获得这些特殊用途的激光光束,需要将光源通过复杂的光学系统进行波前整形获得,这些由多个光学透镜或反射镜构成的光学系统,往往体积庞大,不利于器件集成和微型化发展。小体积、紧凑型、高密度的光源设计为光学元件及光学器件带来了新的挑战。超构表面（Metasurface）具有设计灵活,半导体工艺兼容,体积轻巧,易于集成且调控效率高等优势,在光学通信、共形天线、雷达隐身等多功能器件设计领域具有重要的应用价值。垂直腔面发射激光器（vertical cavity surface emitting laser,VCSEL）具有低功耗,圆形光斑输出,平面工艺兼容,易于集成等特点,被广泛应用于光通信、光互连、距离传感、激光雷达及人脸识别等领域。本论文提出一种超构表面垂直腔面发激光器（metasurface integrated vertical cavity surface emitting laser,MS-VCSEL）的设计。该器件结合了Metasurface与VCSEL的优势特点,以Metasurface直接刻蚀集成在VCSEL出光端面的方式,实现了直接出射多种特殊光束的功能。本论文针对实现多种激光光束输出的MS-VCSEL进行了细致研究,系统分析了Metasurface对电磁波波前的调控机理,以及MS-VCSEL的结构设计、器件制备和性能表征。这种集成化的结构设计避免了不利于微型化的光学系统组件的加入,有效地减小了特殊光束输出光源的体积,拓展了其应用范围,为实现光源的微型化设计提供了新技术和新方法。具体工作如下:1、MS-VCSEL的工作机理、结构化设计及制备工艺研究MS-VCSEL是以背发射的VCSEL为基本光源,通过微纳结构的Metasurface进行波前调控,实现多种激光光束输出。我们主要分为两部分进行研究,首先,研究并制备出符合要求的背发射VCSEL。通常基于超表面的设计,我们需要通过控制氧化孔的大小来实现基本光源模式的控制,氧化孔约为3μm时激光器出射单模高斯光束;当氧化孔大于3μm时,随着不同大小电流的注入,激光将出现多模激射,此时针对Metasurface的设计将变得更加复杂。此外,需要设计并优化Metasurface基本单元结构参数。满足MS-VCSEL激光芯片输出光束的特异性,实现高调控效率的输出,需要设计并优化不同纳米结构参数,如刻蚀深度、周期、直径等,并选取具有相位跨度范围大、透射率高、制备工艺允许的纳米结构单元。我们最终确定了基本单元尺寸半径分别为56 nm、82 nm、98 nm、116nm的4阶纳米柱,纳米柱周期P=260 nm、刻蚀深度H=500 nm。最后,我们对不同功能相位调控函数进行离散化设计,将4种基本单元尺寸的纳米柱结构按要求进行匹配替换,最终得到能够实现特定光束操控的Metasurface。2、可寻址定向发射的MS-VCSELs阵列芯片研制根据小氧化孔径单模输出的背发射VCSEL有源区到出光端面波前符合双曲相位轮廓分布,我们提出通过超表面设计,以一个双曲相位函数对激光光场进行调控补偿,制备出能够实现准直与聚焦功能的MS-VCSELs。采用聚焦长度为630μm的准直Metasurface透镜设计,实现了光束的准直输出;采用580到616μm的超表面透镜焦距,实现了光束的汇聚。将制备的器件以10×10的阵列布局封装在PCB上,实现了可寻址的准直与聚焦输出激光阵列芯片研制。采用偏转相位函数叠加焦距630μm的准直相位函数设计,集成在8×8的VCSELs阵列上,可实现多角度偏转激光光束阵列芯片研制,偏转角度覆盖0°到60°。这种集成式非机械控制的光束偏转器件,为实现光束扫描装置的小体积、轻量化提供了一种新方法。此外,我们还将多通道分束相位函数与准直相位函数叠加并集成到VCSELs上,实现了多通道光束阵列的产生,实验制备了具有1×3,3×1和3×3分束功能的激光芯片。MS-VCSELs的可寻址定向发射激光阵列芯片设计,将拓展其在激光雷达、光通信、多通道激光传输等领域的应用。3、特殊光场分布的结构光输出MS-VCSEL芯片研制在本论文中特殊光场分布的结构光主要包括涡旋光束、无衍射贝塞尔光束和全息成像光束。通过设计准直函数叠加轴棱锥延迟函数的Metasurface,集成到单模输出的VCSEL上,实现了激光芯片直接输出零阶无衍射贝塞尔光束（半高全宽（FWHM）=1.4μm）;通过将准直函数叠加轴棱锥函数的Metasurface集成到大氧化孔径多模VCSEL上获得了电控可调阶数的贝塞尔光束输出。不同拓扑荷数的轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）延迟函数与准直相位函数叠加,研制出了多种携带不同拓扑荷数（l=-2,-1,0,1,2,5）的轨道角动量涡旋光束（Vortex Beam）输出的MS-VCSELs激光芯片。以计算全息中相位恢复法--GS（GerchbergSaxton）算法对全息图相位进行构建,并叠加准直相位函数,制备出全息成像MSVCSEL,获得直接输出大视场（124°）的全息显示光束。相关研究成果在三维成像、显示、机器人视觉、人机交互和AR/VR,身份验证和加密传输等领域具有广泛的应用潜力,将推动结构光束紧凑型系统的发展。