人工微结构是一种人工设计的微纳材料,其结构尺寸小于或等于入射电磁波波长。与传统体材料不同,人工微结构材料的物理性质并不取决于其组成分子或者原子,而是决定于所设计的人造“原子”,通过任意设计人造“原子”的单元以及排列方式,可以实现种种新颖的材料功能。本文研究了人工微结构光场偏振及相位维度的调控方式,利用微结构几何参量的定量化表示,给出了人工微结构在动量空间的光场行为解析表示,并首次提出利用电介质波导的模式保护特性来实现弱角度依赖的传输相位,进而实现了突破傍轴条件的傅里叶微透镜。本文在THz波段提出一种透射式正交偏振转化超表面,利用双“F”结构所激发的局域表面等离子极化,可以有效地增强光的正交偏振分量同时抑制原有的偏振分量,从而可以实现正交偏振转化。这种偏振转化特性依赖于所设计的结构的整体不对称性,同时又由于所设计的结构具有局部对称性,使得近场电场的相干相消具有较宽的频率响应,从而使该偏振转化器成为宽带器件。这将为超表面的偏振与相位调控提供新的指导。本文提出了一种解析的方法来定量化表示人工微结构单元,通过引用傅里叶动量分析的方法来实现人工微结构功能在动量空间的表示。通过计算实空间与动量空间的场分布,我们提出了四条人工微结构设计指导定理,尤其是收敛性条件填补了之前非连续人工微结构设计原理的部分缺陷。在此基础上,提出了多焦点透镜、凹凸双透镜、无高阶衍射大数值孔径微透镜等多种功能性设计。这种设计方案不限于透镜设计,在其他可定制及多功能人工微结构器件的设计方面均有重要指导意义。本文提出了高折射率、高宽高比的电介质波导具有的模式保护特性,并借此特性实现了弱角度依赖的传输相位,进而在1100 nm到1700 nm的宽波带范围设计了效率50%以上的高数值孔径傅里叶微透镜。这种微透镜可以在0-60°入射角度范围实现傅里叶变换,突破了传统透镜的傍轴约束条件,成为微光学系统的建设的重要基础设计。本文提出了基于各向异性电介质人工微结构的多功能设计,实现了平面波以及多束涡旋光的并行同时传输以及在动量空间的功能区分。通过引入强度与相位的联合调控,实现了不能功能的能量再分配,对于不同功能的能量占比选择输出实现了可控操作。此外,由于所选择的人工微结构各向异性的特点,该设计具有明显的手征性,为进一步发展手性相关的多功能光学器件奠定了基础。