电磁超表面因其具有新颖的、自然界里不易观察到的电磁特性,成为光学和人工材料学科的热门研究课题之一。超表面的光学特性主要取决于其基本单元的光学共振,通过调节基本单元的几何特征及组分变化,可以表现出负折射率,完美吸收和增强的光学非线性等特性。在这些特性的驱动下,人们提出了很多新的应用,包括反常折射和透射,光束整形,传播波与表面波的转换以及全息应用等。因此,对基本单元光学特性的研究（如近场增强性质,相位产生机理等）是设计功能性超材料与超表面的必要前提。此外,考虑到基本单元的高维结构参数空间和实验上的技术限制,优化算法的引入为快速,高效地选取适合且实验上可实现的结构参数提供了可能。基于此,本论文从人工电磁微结构的光场调控入手,对面向不同应用的几种超表面功能器件进行设计和优化,主要研究内容如下:（1）超表面的性质由其基本单元的物理特性决定,而其基本单元又可以看作是纳米天线。在此背景下,对圆盘型金属-介电多层贴片型纳米天线的散射能力进行了研究。结合多极子展开方法和模场性质,发现该纳米天线结构支持电偶极子（electric dipole,ED）或电多极子和磁偶极子（magnetic dipole,MD）模式,并且通过调节该结构的几何尺寸和介电材料,该结构支持的多种模式之间可以发生耦合作用从而实现低损耗的定向散射。进一步提出了基于参数优化算法来实现一个或多个波长下低损耗定向散射的方法。结果表明,将数值计算方法与优化算法相结合可以自动并高效地获得满足预定波长下的Kerker条件或anti-Kerker条件的结构参数,来实现单波长或不同波长下的不同方向的低损耗定向散射。在此研究结果的基础上,进一步研究了基底对金属-介电多层贴片型纳米天线中定向散射的影响。结果表明基底虽然会对纳米颗粒的散射方向有实质性的影响,但是并不会从根本上改变该纳米颗粒的散射特性。之后,利用优化算法对基底上的纳米颗粒的定向散射进行了优化。（2）对波纹状金属圆盘中的模式性质进行了研究,并根据其电磁响应特性设计了一种惠更斯超表面。这种超表面的基本单元由上下放置的两个半径相同的波纹状金属圆盘组成,通过调节结构的几何尺寸和填充介电材料,可以使其中一个圆盘的ED共振峰与另一个圆盘的MD共振峰重合。结果表明当这两个波纹状金属圆盘之间的垂直距离较小时,其中一个圆盘会诱导另一个圆盘共振从而发生相同模式之间的模式杂化现象。这种模式杂化现象会使ED和MD模式的共振频率发生偏移,导致无明显定向散射现象发生,由此基本单元组成的超表面的透射效率较低。当两者之间的垂直距离足够大时,近场区域模式杂化现象消失而远场区域由于ED和MD模式的相干作用发生近似完美的前向散射现象,由此基本单元组成的超表面的透射效率近似为1。（3）提出了一种利用优化算法和多种频率选择表面（frequency selective surface,FSS）自动设计来实现任意形状物体隐身的方法。通过几种方法的对比进而证实了该设计方法的准确性和高效性。研究表明,无限长圆柱体的散射透明隐身衣的解析解与该优化结果相差无几;对于无解析解的随机二维物体,该优化结果与基于数值参数扫描的结果一致,且其计算效率要远远高于使用参数扫描方法的效率。随后,通过较为复杂的几个二维（三维）物体设计散射透明隐身衣的案例验证了该设计方案的通用性。（4）提出了一种基于几何相位超表面的彩色全息成像技术。从琼斯矩阵的相关概念出发,探讨了几何相位超表面的基本原理,重点优化了其基本单元的透射性质。采用夫琅和费衍射定理计算了单色图像的全息图样,并通过与相位调制的对比强调了相位与振幅共同调制的重要性。进一步基于全息多路复用的方法,以入射光的偏振状态、图像位置、角度做为通道的钥匙,研究了二维和三维彩色图像的全息成像。研究表明,基于波分复用方法的彩色全息成像设计,完美地实现了原物体的重建且不会增加设计和制作的复杂性。综上所述,本论文从超表面基本单元的共振特性优化入手,综合考虑阵列左右效应,提出了基于贝叶斯优化算法的面向特定超表面功能的结构优化方法,证实了该类方法在超表面的透反射效率提升、全息超表面研究以及用于散射透明隐身衣的FSS设计方面都具有很好的应用。这类优化算法可以进一步推广到更多功能性超表面的快速和高效设计方面。