近些年来,超材料和超表面由于其独特的电磁响应特性,在微波、太赫兹以及光学领域的应用十分广泛。与自然界中的天然材料不同,超材料和超表面中的光学响应主要由构成其结构的微单元的形状、尺寸以及排列方式等决定,因此通过合理的结构设计,人们几乎可以自由地操纵光,调控其相位、振幅和偏振特性。比起三维结构的超材料,二维超表面制备工艺简单、体积小、集成度高,且设计十分灵活,逐渐成为纳米光子学研究领域的热点。早期关于超表面的研究工作主要集中在基于金属材料的表面等离子体器件,而随着工作波段的蓝移,特别是到了近红外和可见光波段,金属的欧姆损耗带来的一系列负面效应难以忽略,严重影响了器件的工作效率。此时研究人员开始将注意力转向低损耗的介质材料,关于介质超表面的研究开始成为超材料领域的重点方向。介质超表面器件的设计原理是以米氏散射理论为基础,按其功能划分大致可分为两类,一类是对光场波前进行调控,这一类超表面遵循广义斯涅尔定律,通过在光场的入射面上引入相位梯度,从而实现光束偏转,聚焦以及涡旋光等功能。另一类是以增强超表面中电磁场场强为主的谐振型超表面,利用所有谐振单元的的群体谐振效应形成高品质因子的共振模式以及电磁场热点来增强结构中的光与物质的相互作用。本论文主要围绕硅基谐振型介质超表面开展了一系列理论研究和实验探索,设计并制备了不同结构的高品质因子硅基超表面结构,并将它们与有源材料结合,实现了大幅度的发光增强以及窄线宽激光出射,具体成果可以总结为以下几个方面:(1)提出了一种非对称空气孔阵列结构的高品质因子硅基超表面的设计,分析了结构中法诺谐振模式的产生机制以及限制品质因子的主要因素,利用结构中电磁偶极子辐射的相消干涉来减小结构的辐射损耗,从而提高了器件的品质因子,利用超表面所有结构单元中的电场和磁场偶极子群体共振效应以及它们之间的近场耦合作用强化结构中的谐振,进一步提升器件的品质因子。(2)设计并制备了一种非对称法诺谐振谐振超表面量子点发光器件,利用超表面结构中的高品质因子谐振和极小的等效模式体积增强自组装锗量子点的发光,在低温光致荧光谱测试中观察到了三个数量级的发光增强,器件性能在国际上处于领先水平。此外,我们还探索了器件发光的偏振特性以及与谐振单元数量的关系,确认了超表面结构中的群体共振效应。(3)探索并揭示了非对称结构超表面中的高品质因子的法诺谐振模式与连续域束缚态之间的联系,利用格林函数本征模展开描述了被超表面单元阵列散射的光场特性,证明了系统的反射和透射系数与传统的法诺公式相关。当系统的非对称参数为零时,这种高品质因子谐振模式会消失,此时结构中产生的是对称保护型连续域束缚态模式。由于人为引入的微弱不对称性,系统中的对称保护型连续域束缚态模式退化为准连续域束缚态模式,且模式的品质因子仍旧非常高。在此基础上,我们用准连续域束缚态模式增强硅材料中缺陷的发光,并在功率依赖测试中观察到缺陷中出现了明显的局域受激辐射现象。(4)基于超表面中法诺谐振的产生机理,设计并制备了一种新型的高品质因子的浅刻蚀小孔阵列超表面,这种结构的占空比极小,在工艺上避免了邻近效应导致的阵列结构不均匀的问题,极大地提升了器件的完成度。我们将制备的高品质因子超表面用作光纤激光器外腔反射镜,实测反射带宽约60 pm,消光比约为6.2 dB,激光激射时边模抑制比高于70 dB,线宽约600 Hz。(5)在高品质因子浅刻蚀小孔阵列超表面设计原理的基础上,通过改变小孔阵列不同方向上周期,设计并制备了一种高反射率的窄带双波长反射镜,并将制备好的超表面外腔镜应用于环形腔的光纤激光器结构中,实现了双波长激光的稳定出射,边模抑制比大于60 dB,线宽为1.2 kHz,且稳定性良好。