随着半导体行业加工精度的不断提高,对应核心芯片尺寸的不断减小,光学仪器也从一个庞然大物不断的向小型化、集成化、一体化的趋势发展。对于传统光学而言,基于折反射原理设计的光学元件,如透镜、棱镜等,都是通过机械加工的铣、磨、抛光等手段制作的,其制造工艺复杂,获得的光学元件尺寸和重量都比较大,而且受限于其设计原理,难以通过优化设计的方法进一步降低其尺寸和重量。基于衍射光学(如光栅、菲涅耳透镜)和薄膜光学(如介电滤波器、布拉格反射器)的平面光学元件已经存在了几十年;然而它们可以实现的功能有限,并且与电子学后端集成难度较大,这两点一直被认为是限制其进一步发展的关键。近几年超表面的出现,让人们看到了光电子领域更进一步发展的希望。超表面是指在平面空间的许多个单元按照亚波长间隔密集排布的人工微结构阵列。与传统光学元件不同,超表面单元的相位几乎不依赖于光在传输介质中路程的累积,这使得其在传播方向上的长度可以缩减至十几微米甚至更低。并且,由于其相位与单元的形状、尺寸、位置和方向有关,因此通过改变上述参数可以控制光的基本性质(相位、振幅、偏振),从而自由地设计其波前。由于其具备垂直集成的潜力以及显著的设计灵活性,超表面被认为具备克服传统和二元光学存在缺陷的能力,这极大地扩展了光学设计的前沿领域,能够有效减少多功能组件厚度、尺寸,降低其复杂性。近年来,超表面的制备技术、理论和设计方面的进展为基于超表面的新型光学元器件取代传统光学元器件提供了希望。然而在这一过程中,研究者逐渐将目光集中于几个领域,比如,目前超表面设计方法仍未彻底完善,超表面的设计理论中单元和整体缺乏明确的联系,以至于单元的整体化设计结果往往需要借助于电磁计算软件的帮助才能得到一个准确的结果。在较大口径或者是极复杂的设计要求下,电磁仿真的计算需求无疑会产生指数级别的增长,毫无疑问在这种情况下需要寻求更加优秀的解决方法。此外,超表面的设计自由度主要来源于其单元结构,通过对单元结构的进一步设计以实现更加复杂功能的超表面也是目前的研究热点之一。本论文以相控阵天线理论为基础,针对超表面透镜的远场光场分布问题进行研究,并且探讨了近红外变焦超表面透镜的设计方法以及长波红外大口径超表面加工工艺。论文的主要研究内容及取得的成果如下:1.基于相控阵理论对超表面的光场调控模式进行分析,利用理论计算以及仿真实验对比的方法验证了超表面单元可以在一定程度上等效为相控阵天线线元。并利用相控阵理论中两种辐射场计算方法——合成孔径法和相位因子法分别给出了特定波长下,一定焦距的超表面透镜焦点所在平面内的电场强度分布公式与单元相位参数的关系,并利用公式对该条件下的焦斑半径以及焦点深度进行了描述。通过时域有限差分软件对计算结果对应的超表面透镜模型进行了仿真计算,对比了仿真结果与理论计算结果之间的差异,分析了理论计算中误差的产生原因,验证了理论计算的可靠性。2.结合电控可变参数结构,设计出了近红外可变相位的超表面结构单元。基于半导体硅材料本身具有的等离子体色散效应,通过改变半导体硅PN结两级的电压会使得半导体硅结构中载流子浓度产生相应改变进而产生折射率变化。但是这种电致折射率变化是一种二次效应,其影响范围很小,为了放大这种折射率变化引起的相位变化,本论文引入法布里帕罗谐振腔结构,通过在半导体硅膜上下方加入多层分布布拉格反射膜的方式形成法布里帕罗谐振腔。通过在共振相位超表面单元下方建立级联的法布里帕罗谐振腔获得了其电控相位满足0-2的相位分布,从而构造出了具备电控相位能力的超表面透镜。通过时域有限差分软件的模拟,结果显示其具备1/4焦距范围的连续焦距调控能力。3.完成了对长波红外大口径超表面透镜的加工工艺以及相关光学参数测试。长波红外超表面透镜的加工流程如下:首先在硅基底上镀一层厚度为200nm的铬薄膜,并在其上涂盖光刻胶;利用激光直写技术在光刻胶上进行无掩模图案曝光,显影后利用湿法刻蚀将图案转移到金属Cr层上,然后以Cr层为掩膜对硅片进行干法刻蚀,刻蚀完毕后再次利用湿法刻蚀去除剩余金属Cr层,得到超表面透镜样品。本论文利用该方法完成了直径为25mm和50mm的大口径超表面透镜的加工,并且对其焦点位置以及焦斑形状进行了测试。同时,对于25mm口径超表面透镜,通过替换红外热像仪的传统透镜完成了红外成像实验,获得了较好的成像效果。