现代生产生活中,光学器件和光学系统处处可见。二十世纪激光的发明极大地丰富了光与物质相互作用的研究,而近几十年来,得益于纳米技术的发展,超构材料又让光学系统的设计和应用重焕新生,极大地丰富了光学的内涵。光学超构材料是指一类由尺度远小于其工作波长的功能单元构成的结构化材料,虽然它仍以自然界中存在的材料为基础,但其亚波长的人工设计让诸多在传统材料看来“绝无可能”的光学现象成为现实,也为新颖光学器件的设计提供了前所未有的手段和自由度。近年来,为解决三维超构材料中损耗大、加工难的问题,二维光学超构表面应运而生。光学超构表面是一种准二维的超构材料,在二维尺度上由亚波长超构功能单元构成,能灵活有效地实现对光偏振、振幅和相位的调控,实现特定的光学功能。传统光学器件对光相位的调控依赖于光通过块状光学器件时累计产生的光程差异,而光学超构表面利用亚波长功能单元的共振及贝里几何相位等原理,能在二维界面上引入突变的相位,由此实现对光波的调控,为设计和实现平面光学元件带来了广阔空间。本论文结合金属等离激元理论、电介质谐振理论和贝里几何相位理论等,分别用金属铝和电介质氮化硅设计和实现了彩色显示超构表面和超构透镜,并对其光学性能进行了实验测量。超构表面彩色显示相较于传统染料的显著优点即其颜色鲜艳而持久。本论文利用铝纳米棒-二氧化硅-铝三明治反射式结构实现超构表面彩色显示。首先,结合金属等离激元理论,利用FDTD电磁仿真软件针对红(630 nm)、绿(540nm)、蓝(450 nm)三个波长优化设计了三组具有窄带响应的超构功能单元,并分析超构功能单元的几何参数变化对其光学转换效率的影响。然后,根据目标彩色图片的三个颜色通道和对应强度,结合马吕斯定律和贝里几何相位原理,将三种超构单元组合排布生成超构表面。最后,制备该光学超构表面并实验验证了其彩色显示功能。超构透镜可用平面结构取代厚重的传统透镜,其灵活的设计和易于集成的天性使其具有极高的应用价值。本论文用介质材料设计实现了一个透射式超构透镜,其功能单元由氮化硅纳米柱组成。超构透镜直径为500 m,数值孔径0.05,焦距5 mm,工作波长为532 nm。首先,结合电介质谐振理论,利用FDTD软件针对532 nm工作波长优化设计了具有高转化效率的氮化硅纳米柱单元,并分析其几何参数对光学转化效率的影响。然后,基于惠更斯原理和费马原理计算超构透镜所需的相位分布,利用贝里几何相位设计超构表面来实现该相位分布。最后,制备该超构透镜并实验表征了其聚焦特性。本文详细阐述了上述两种超构表面的制备方法并分析了工艺参数对样品结构的影响。首先利用电子束蒸镀制备铝膜和二氧化硅薄膜,等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备氮化硅薄膜,并用椭偏仪标定其厚度和折射率。然后利用电子束曝光技术实现超构功能单元排布图案的转移。最后,利用剥离技术或者感应等离子体刻蚀技术(ICP)刻蚀完成超构表面的制备。