光学系统依赖于多种元件对光的调控。从一个多世纪以前对衍射光栅的研究到如今光谱学、成像、超快光学、全息和集成光子学等多个领域的蓬勃发展,周期性结构都扮演着无可替代的角色。理论的发展和技术的革新改变了人们的生活方式,而人们对小型化紧凑化器件的需求又反过来推动着平面微纳光学元件研究的深入和工艺的进步。近年来,增强现实（Augmented reality,AR）和虚拟现实（Virtual reality,VR）等产业蓬勃发展,对紧凑化和轻型化显示系统的需求达到了前所未有的高度。目前,可穿戴近眼显示系统面临着光源功率低、显示模组效率低、视场角小、体积笨重等缺陷,因此对优化方案提出了统筹多个优化目标的要求。据此,本论文提出了一种超紧凑大角度偏转光源的方案。根据周期性微纳结构的工作原理,该方案分为面发射光源和平面异常折射器件两个方面进行研究。在研究过程中,为了实现高效率光束偏转,本论文开发了倾斜TiO2微纳结构的加工工艺,对TiO2超构表面的研究具有重要意义。本论文的研究内容和成果如下:（1）设计并制备了面发射钙钛矿随机激光器。将周期性介质结构—分布式布拉格反射镜（Distributed Bragg Reflector,DBR）和MAPb Br3（MA=CH3NH3）钙钛矿材料相结合,获得了绿光波段工作的垂直腔面发射随机激光器。该激光器发散角仅有3-5°,具备无散斑高质量成像、大面积制备友好、成像光路体积紧凑等优势,是一种理想的近眼显示系统光源。（2）开发了角度可控的倾斜TiO2结构干法刻蚀工艺。针对现有的超构光栅在可见光80°以上异常折射效率低的缺点,本论文引入了结构倾斜角作为新的可控参数。本论文根据模拟得到的刻蚀设备腔体内部电位分布,设计了一种直接放置于设备下电极上的载件,开发了角度可控的倾斜刻蚀工艺。该刻蚀工艺与互补金属氧化物半导体（CMOS,Complementary Metal Oxide Semiconductor）加工工艺兼容,具备产业化的潜力。（3）实现了在绿光工作波长下80°异常折射效率达到83.6%的倾斜超构光栅。此外该倾斜超构光栅的一阶衍射相对效率达到了93.98%,真正实现了平面结构大角度光束偏转。超构光栅的设计与优化结合了粒子群算法和波导模式的横向散射原理。在倾斜TiO2周期性结构制备工艺的支撑下,该倾斜超构光栅在实验上获得了当前报道的可见光最大角度、最高绝对衍射效率、最高相对衍射效率的异常折射,为超紧凑光源增添了大角度高效率偏转功能。综上所述,本论文基于两种自然界广泛存在的介质材料—TiO2和Si O2,成功研发了面发射随机激光光源和倾斜超构光栅两种平面器件,提供了一种同时具备无散斑高质量成像能力及高效率大角度（80°）偏转出射的超紧凑光源的解决方案。该研究成果将推动基于TiO2周期性微纳结构的光学元件在全息投影、AR/VR等前沿科技领域的实际应用。