超表面是一种人工设计的二维复合结构，其电磁特性主要取决于人工设计的单元结构和结构尺寸，具有与自然材料显著不同的新颖电磁特性。基于超表面结构设计的功能器件具有体积小、易集成的优点，在光电系统集成化、微型化应用中极具潜力，是近年来多学科的研究热点。现有的超表面结构多以金属作为基础材料以便于高效的激发表面等离激元，然而由于金属材料对电磁波存在固有损耗，限制了器件对能量的利用效率，因此使用低损耗材料来设计高效超表面器件是目前的重要研究方向之一。
　　本论文主要讨论利用低损耗相变材料GST来设计超表面光子器件的原理和方法，以期实现功能动态可调、体积微型可集成的高效率红外光子器件设计，主要开展的工作如下：
　　1.矩形单元结构的GST可调超表面波片设计。研究了矩形单元结构GST超表面实现可调波片的原理和方法，对超表面结构进行了设计和优化，实现了四分之一波片和半波片的动态可调。当GST为非晶态时在波长10.0-11.9?m为四分之一波片，当GST相变为结晶态后在波长10.3-10.9?m为半波片。该可调波片具有较好的光学特性，当为四分之一波片时，交叉极化透过率和极化转化效率PCR分别在85%和99%以上；当为半波片时，交叉极化透过率和极化转化效率PCR分别在90%和99%以上。对波片的工作机理进行了解释并简要分析了角度敏感特性。
　　2.悬链线单元结构的GST可调超表面波片设计。基于悬链线单元结构的在x和y方向上的各向异性，优化设计了不同于矩形单元结构的红外动态可调波片，此可调四分之一波片和半波片分别工作在不同的波长区间。当GST为非晶态时在波长8.1-9.0?m为四分之一波片，交叉极化透过率和极化转化效率PCR分别在80%和99%以上；当GST相变为结晶态后在波长9.3-10.7?m为半波片。对波片的角度敏感特性进行了简要分析，并对该类连续面型器件的加工方法和加工误差容忍度进行了讨论。
　　3.基于GST超表面的波长可调偏折器设计。通过分析矩形单元结构的各向异性电磁特性，然后利用各向异性单元结构的PB相位并结合广义斯涅尔定律设计了一种波长可调的异常光束偏折器。当GST为非晶态时在波长8.18?m处为偏折器，当GST相变为结晶态后，在波长9.56?m处为偏折器，异常折射角应分别为20.2°和24°，通过改变GST的相变可以实现光开关作用。
　　4.基于GST超表面的可调全息器件设计。仍然利用矩形单元结构的各向异性特性来实现，经过参数优化得到在同一波长(10.6?m )处两个光学特性完全相反的各向异性单元结构，然后利用各向异性单元结构PB特性，结合矢量衍射理论和GS算法建立全息器件的结构模型，使用CST软件和matlab联合仿真验证该器件功能，在波长10.6?m处当GST为非晶态时可再现字母“I”的全息图像，当GST相变为结晶态时可再现字母“E”的全息图像。