在小型化和系统集成化的发展趋势下,光学系统迫切需要超薄且多功能兼容的光学元件。作为一种可在亚波长尺寸下局部灵活调控光束相位、振幅和偏振状态的人工结构,超材料是携带多重信息并实现多功能光学器件的理想结构。本文重点研究了具有亚波长结构的超材料实现聚焦和圆偏振二向色性双重功能的偏振器件,进行了理论设计与实验研究,具体研究工作如下:(1)提出了一种基于亚波长三维螺旋面手性结构的圆偏振二向色性超透镜。该结构由二氧化硅基底上镀金并且方位角渐变的圆柱螺旋面阵列组成。理论研究表明,通过改变圆柱螺旋面结构单元的方位角旋转度数,可以获得全相位延迟(0-2π)。利用这一特性设计了应用于中红外波段的具有圆偏振二向色性的超透镜,可同时实现对左右旋圆偏振光的偏振态选择以及聚焦成像选择。该结构在3-5μm的宽工作波段下具有70%以上的圆偏振二向色性(CD=TRCP-TLCP)。设计焦距和模拟焦距高度吻合,焦斑大小接近衍射极限理论值。(2)进行了三维螺旋面梯度结构的实验制备并进行了实验验证。采用三维激光直写技术和电子束蒸发技术制备了基于亚波长螺旋面梯度结构的全金属覆盖的超透镜,实际加工结果与理论设计的结构形貌完全一致。搭建了圆偏振二向色性检测装置和手性聚焦成像检测光路。实验测得的圆偏振二向色性最大值为40%,在3-5μm工作波段的圆偏振二向色性与理论模拟结果趋势一致。利用锁相成像技术成功获得了手性聚焦,验证了器件的聚焦性能,实验结果与理论模拟结果非常吻合。(3)提出了一种基于二维亚波长多尺寸组合手性狭缝结构的超表面圆偏振二向色性器件。该结构由在二氧化硅基底上面的硅层中刻蚀多尺寸组合的二维狭缝阵列组成。理论研究表明,通过调节同一单元结构中不同尺寸狭缝的比例大小可以在特定波长获得高效的圆偏振二向色性。另外,通过改变单元结构中不同尺寸狭缝的相对位置可以控制共振峰的个数,以满足多波段工作的需求。基于以上光学特性,设计了具有多尺寸组合的狭缝结构的圆偏振二向色性器件。数值仿真结果表明,该器件在1500-1550nm范围内有较高的圆偏振二向色性,在共振波长1540nm处,最高圆偏振二向色性(CD=TRCP-TLCP)达 97%,消光比(ER=TRCP/TLCP)高达 1999:1。本论文提出的基于亚波长三维螺旋面手性结构同时具有圆偏振二向色性和透镜功能,可以对透射场或反射场中的电磁波的相位进行灵活地调控,用单个器件同时实现了成像和圆偏振二向色性,这为亚波长功能复合型器件的研究提供了新的思路。提出的基于亚波长二维多尺寸组合超表面结构的圆偏振二向色性器件可以根据应用需求灵活调节工作波段,并具有较高的圆偏振二向色性,易于制造且与线性偏振元件高度兼容,为像素式的全斯托克斯偏振成像提供了解决方案。