当前超构材料是构建新型光子器件的基石,是光学领域的前沿热点之一。特别是“相位梯度超表面”,其核心思想是在界面上引入随空间变化的局域“突变相位”,使光在界面上发生反射/折射时满足“广义斯涅尔(Snell)定律”。突变相位这一概念为操控光的传播提供了新的维度。在过去的数十年中,尽管人们提出了各种各样的新型光子器件,例如超构透镜、偏振转换、异常波前调控等,但是如何利用超表面实现光的回射现象,即让入射光原路返回,还存在着诸多问题,如效率不高、角度响应较窄等。围绕存在的问题,本论文开展高效率光学回射器件构建及物理特性的研究。基于突变相位的概念,我们利用金属亚波长光栅结构构建了工作波段从红外到可见光的回射器件。所设计的器件具有结构简单、转化效率高、多通道、不对称回射等特点。具体内容如下:1、基于亚波长金属超构光栅的中红外大角度高效率回射器。基于超构光栅的异常衍射规律,本文设计和研究了一个结构简单容易制备的双通道中红外平面超构光栅器件。为了减少系统的复杂性以及单元个数多所导致的损耗,该器件一个周期内仅包含2个单元。数值计算和仿真模拟结果表明:该超构光栅可实现接近100%的回射效率,即使在大角度时,仍可达到近完美的回射效率。此外,可以通过调节几何结构,设计回射的工作角度,理论上可以从0到90度覆盖。2、可见光波段高效率回射器及物理特性。在上面内容的基础上,把构建的回射器件从红外波段拓展到可见光波段。利用表面等离激元,我们设计和研究了介质-金属结构、纯金属结构等。通过研究其衍射特性揭示其波前调控性能。数值计算和仿真模拟结果表明:所构建的器件可以用来实现高效率双通道回射。通过改变单元结构的宽度,深度和周期,实现了对回射效率和回射角度的调节。3、角度不对称金属超构光栅回射器。利用揭示的有损耗相位梯度超表面中异常衍射特性,我们构建了纯金属结构的相位梯度超构光栅。由于金属自身的损耗,该器件可以实现角度不对回射现象,例如当入射角度为-30度时,可以实现高效率的回射,而当入射角度为30度时,入射光被全部吸收,导致回射消失。此外,我们还研究了该器件的衍射特性、回射转化效率、角度不对称程度随相位梯度超构光栅超晶体内子单元个数m的关系。