光学和纳米光子学研究的核心问题之一可归结为对光与物质相互作用物理机制的理解以及如何构建新颖的器件对光进行有效操控。人工微结构超材料作为一种新型的材料结构,通过对结构几何自由度的人工调控可实现对电磁波的定制化操控。超构表面,即二维的超材料,是由亚波长尺度的超构单元构成的人工微结构阵列。通过对超构单元电磁特性和空间排列序的有效人工构造,超构表面能以超薄、平面可集成的独特几何构型在亚波长空间尺度上实现对光场多维度的灵活操控。正是由于丰富的人工可调自由度和多参量操控的物理机制,光学超构表面被预言有可能产生颠覆性的应用技术。面向具有诸多光电技术重大应用的红外光学,基于人工微结构超表面强大的光场操控能力,发展应用于红外波段的小型化、高效和多功能集成的光子操控器件具有非凡的意义。本论文基于超构表面光场调控物理,着重研究具有光子轨道角动量、偏振和宽带色散操控功能的透射型硅基超构光学器件,主要研究内容如下:1.研究了基于高对比度超构表面（Si/SiO2）的高效聚焦光学涡旋的产生和轨道角动量光束的检测方法。通过研究聚焦光学涡旋波前阵面的演化形式,并对超构单元的电磁响应参数（透射振幅和相位）进行优化设计,引入超构表面的相位梯度分布重构波阵面,产生了近红外波长（1550nm）的轨道角动量光束,获得了70%-80%的聚焦效率。研究了光学涡旋与超构表面的相互作用,从轨道角动量湮灭的角度出发,利用干涉全息原理和离轴构型研究了基于超构表面的多通道聚焦光学涡旋的产生和光子轨道角动量的检测。2.提出了偏振和相位色散的多参量联合调控理论模型和多功能宽带消色差超构器件的新思路,并进行了实验验证。利用双面抛光的硅片加工了两种工作于中波红外的宽波段（3.5-5μm）偏振调控消色差聚焦超构器件（BAFOV-metasurface和BAFS）,器件具有较大的数值孔径（NA=0.45）。首先,研究了BAFOVmetasurface对宽带光束的波前整形、消色差聚焦和偏振操控性能,将不同偏振态的宽带入射光调制成携带不同轨道角动量的消色差聚焦光学涡旋。另外,通过引入离轴相位梯度,构造了一种偏振操控的宽带消色差聚焦分束器（BAFS）。BAFS在连续带宽内可选择性地将不同偏振态的光子汇聚到焦平面上设定的不同位置,聚焦光斑具有接近衍射极限的特征。3.基于几何相位的宽带消色差超构透镜对入射光的偏振特性具有依赖性且功能单一。这里基于全硅基超构表面,在中波红外3.5-5μm实现了具有高数值孔径（NA=0.45）的偏振不敏感宽带消色差超构透镜。实验上验证了所构建超构透镜的宽带消色差的衍射极限聚焦和中波红外宽带成像性能。成功实现了偏振可控的变焦消色差超构透镜和宽带消色差聚焦涡旋光束的产生,进一步开发了宽带消色差超构透镜的光子操控维度。4.基于Si3N4/Si的复合双层异质超构表面构型,提出了中波红外的高效波长色散调控超构表面设计新思路。揭示了在宽带和多波长消色差超构透镜设计过程中自由谱参数的物理机制。通过在全硅超构表面上构造一层亚波长厚度的Si3N4薄膜形成复合双层异质超构表面,有效拓展了全硅超构表面的可调自由度。基于这种异质超构表面构型,在整个中波红外3μm到5μm（中心波长50%的带宽）的连续波长范围,研究了具有高效聚焦性能的宽带消色差超构透镜,构造的两个消色差超构透镜（NA=0.24,NA=0.45）分别实现了约70%和62%的宽带聚焦效率。另外,通过灵活地操控不同离散波长的相位轮廓,构建了波长调控的离散多功能超构光学器件。实现了对多个离散波长的消色差聚焦分束操作和波长调控的聚焦光学涡旋的产生（λ1=3.5μm L1=-1,λ2=4.25μm L2=0,λ3=5μm L3=1）。