折射、衍射和偏振等经典光学效应通常需要借助透镜、波片和偏振片等传统光学元件完成在光传输路径上的光场相位、偏振和振幅的积累实现。为达到光场调控的目的,传统光学元件通常体积比较大。大尺寸的传统光学元件显然无法满足现代光学对于元件小型化和集成化的需求。而结构超薄紧凑的超表面光学元件有着相比传统的光学元件更易于集成的优势。超表面可在界面上引起相位的突变,这使得在界面上操控透射光或反射光的相位、振幅和偏振成为可能,这也为设计和制造新的平面光学元件打开了大门,因此超表面光学元件的研究引起广泛关注。超表面有着超薄紧凑的结构、强大的光操控能力和自由度高的优点,在电磁隐身、超分辨成像、光学微操控、光学加工等方面有广阔的应用前景。为此超表面功能元件的设计现已成为纳米光子学领域的研究热点。基于超表面设计各种微光学元件对促进超表面的广泛使用有着重要的科学意义和应用价值。本论文以光学透射超表面为基础,基于超表面相位调制设计了多种超表面微光学元件,研究实现超表面对光场波前的有效调控。论文的创新性工作包括如下三个方面:一是提出了指导超表面等离涡旋发生器设计的理论;二是设计了基于Fresnel全息的超表面阵列照明器;三是设计了基于全息超表面的涡旋结构光发生器。本文设计的透射超表面微光学元件具有结构紧凑、制作方便、使用简单和功能灵活可控的优势,对拓展超表面光学元件设计及其应用产生重要影响。论文的具体内容安排如下:第一章是论文的绪论部分。绪论介绍了超表面的研究背景和现状以及本论文要展开的工作。由于超表面光学元件的设计主要依赖于超表面对光场的相位调制,本章首先根据相位调控手段的不同介绍了各类光学超表面,分析了包括超透镜、超表面涡旋光发生器以及超表面全息图等由超表面构建的光学功能元件的设计及其光学性能,超表面微光学元件的优异性能充分说明设计与研究超表面微光学元件的物理意义。第二章介绍了提出的基于纳米孔设计等离涡旋发生器的统一理论。鉴于表面等离涡旋在超分辨成像和光学微操控中的广泛应用,为了给出超表面等离涡旋发生器设计的理论指导,本章通过偶极子的辐射模型对表面等离子激元的传播进行了理论分析,给出了线偏振光和圆偏振光照明下各向异性单元的透射场的解析表达式,形成了设计表面等离涡旋发生器的统一理论。多种表面等离涡旋发生器的实例验证了所提出的理论的有效性。该理论也可推广至反射型等离涡旋发生器的设计,因此这一工作对高效等离涡旋的产生和应用推广奠定了坚实基础。第三章介绍了基于Fresnel全息原理设计的超表面阵列照明器,并由此调控光场的空间分布形成可控阵列光斑输出。鉴于阵列照明器在光功率分配、光计算、光互连和光通信中的实际应用,为获得高精度的阵列光斑,本章基于全息超表面设计了超表面阵列照明器。超表面全息的信息来自目标图案二值化后的Fresnel全息图,超表面对光场的相位调控源自于转动的纳米矩形孔引入的几何相移。通过合理的空间布局,构建阵列照明器的超表面结构,并在圆偏振光照明下形成微米尺度的阵列光斑。我们提出的超表面阵列照明器具有超薄的厚度、紧凑的结构、较高的分辨率和易于制作等优点,为集成化阵列照明器的应用提供了重要依据。第四章介绍了基于全息超表面设计的涡旋结构光发生器,可实现复杂螺旋相位波前与偏振可控输出。类似于拉盖尔-高斯光束的光场振幅和相位分布,涡旋结构光场也是由多个同心的圆环组成,各区域内相位沿角向线性增加2π的整数倍。不同的是各区域内相位增加的2π的整数可以是相同的,也可以是不同的。本章介绍了这种涡旋结构光的分布特征,基于菲涅尔全息技术设计的超表面结构以及产生的多种涡旋结构光。涡旋结构光具有特定的振幅与相位分布,对光学超表面设计提出了很高的要求,但仿真和实验结果有力的验证了我们设计的结构光发生器良好的光学性能。这种涡旋结构光发生器为设计结构光场提供了有力工具,可用于光学微操控和粒子筛选。第五章是论文全文的总结和展望。本章总结了论文的主要工作以及利用相应方法开展的其他工作,指出了创新点和论文中存在的不足。最后给出了论文下一步的工作计划。