超表面(Metasurfaces)因其在光处理方面的优秀性能和在超薄光学应用方面的多功能性而成为一个快速发展的研究领域。相比传统的光学组件，超表面器件通过沿垂直于光传播方向上的相位变化积累实现波前调制。超表面提供了新的自由度去调控相位和振幅，它同时还具有亚波长分辨率的极化响应，以及在远小于波长的范围内实现波前整形的能力，使其发展成为一类多功能超薄光学器件。在最新的研究中，复合超表面的概念被提出，它是一类将传统单一超表面与其他结构相结合的超表面。通过复合超表面可以很好地实现一系列传统超表面不易实现的功能，如非线性波前调控。本论文立足于超表面的基础上，设计并制备了金-二硫化钨复合超表面。通过巧妙地在金纳米孔阵列上贴合一层二维材料构成复合超表面的方式，利用二维材料本身较高的非线性极化率实现了高效的非线性波前调控，如二次谐波涡旋光束产生，以及二次谐波全息成像及其优化。在金纳米孔阵列设计中，本文采用Pancharatnam-Berry相位(P-B相位)，这极大地简化了器件的设计难度，便于多功能集成，充分利用了二维材料的高非线性极化率，为后续更多的非线性调控功能的实现提供了一种新的途径。
　　全文的主要内容如下：
　　(1)设计并制备了一种基于Au-WS2的复合超表面器件。通过P-B相位设计了金纳米孔阵列，采用聚焦离子束刻蚀手段制备了金纳米孔阵列，并通过湿法转移将阵列与二维材料相贴合形成复合超表面器件。实验表征了复合超表面器件的光学性质，研究了纳米孔对光场的局域场增强作用，通过实验和仿真计算验证了复合超表面对二次谐波(Second-harmonic Generation，SHG)增强的特性。
　　(2)设计并实现了复合超表面器件上二次谐波涡旋光束的产生。本文提出并实验证明了具有准非线性自旋轨道相互作用(Spin-orbit Interaction，SOI)的任意阶次拓扑荷数(Topological Charge，TC)的二次谐波涡旋光束的产生。在实验中实现了具有高阶拓扑荷数的高质量二次谐波涡旋光束，其阶次高达28阶，并且从理论上表明了任意阶次拓扑荷数的二次谐波涡旋光束都可以产生。这表明具有准拓扑荷数为q的等离子体螺旋相位板在激发波长处的准角动量可以刻印在附着的WS2单分子层所产生的谐波信号上。其所产生的谐波涡旋光束的拓扑荷数为ln=2nq(n为谐波的阶数)。这一结果可能为产生用于光通信的谐波光学涡旋开辟新的途径，并使新型多功能复合超表面器件能够操纵谐波光束成为可能。
　　(3)提出并实验证明了基于金-二硫化钨复合超表面的具有手性选择特性的二次谐波全息成像。它是利用非线性几何相位控制下实现的亚波长分辨率超表面器件。此外，通过将特定的矩形纳米孔替换为正方形纳米孔，引入了二元振幅调控。结果表明，与纯几何相位调控相比，引入二元振幅相位调控的全息图平均强度提高了39%，全息图变化系数降低了44%。此外，在金纳米孔中被局域场共振进一步增强的基频光信号泵浦到具有较大二阶非线性极化率的单层二硫化钨薄膜上产生二次谐波信号，使得二次谐波转换效率高达10-6量级。因此，它为实现多功能二次谐波全息提供了重要的基础，在非线性信息编码和处理方面具有潜在的应用前景。