超表面是一种特殊的二维平面超材料,通过在超单元的两侧引入不连续变化的电磁波响应,可以高效地按照预想来操控反射和透射波的相位、振幅、以及极化。相比于传统三维超材料,亚波长超表面具有更短传播距离因而其吸收损耗小、重量轻体积小更易制作和集成。超表面已经在天线、传感、主动元器件、以及集成技术等方面展现了巨大应用潜力。高频段特别是光波段的金属超表面存在着很高的本征欧姆损耗,而电介质材料则展现了更小的损耗,因此高性能的电介质超表面得到了快速发展。通过调节亚波长高折射率电介质超单元的几何参数,可以提供丰富而强度相近的电和磁Mie共振。将由电介质超表面激发的不同电磁共振散射模式在空间中进行相长或相消干涉,从而进行电磁波相位、振幅、极化的操控。因此,电介质超表面在拓扑光子学、光学天线、以及许多新奇的光子功能元器件和设备中有大量研究和应用。光学诱导的磁镜在不同波段都获得了显著突破。基于电和磁的Mie共振是产生电介质超表面磁镜的主要途径之一。磁镜的界面零反射电场相位变化使得磁镜可以消除在金属电镜中普遍存在的半波损失,从而增强了磁镜表面附近的电场,可以用于增强界面附近的光与物质相互作用,推动生物传感、天线、光学元器件的发展。虽然目前电介质超表面磁镜研究成果丰硕,磁镜的物理产生机制、可调谐可逆反射的完美磁镜以及周期无序超表面磁镜等方面还待进一步的深入探索。本文主要是针对上述磁镜存在的不足来进行研究。论文主要研究内容包括:1、基于LiTaO3二维球形阵列的磁四极散射共振,实现了在15.50 THz的磁镜响应。从Mie散射理论出发分析构建超表面的电介质球体的散射特性,得出完美磁镜响应的物理起源是在15.50 THz激发了超表面的磁四极散射共振。分析了完美磁镜界面附近的零反射电场相位变化,得到了明显的电场增强现象。通过调控超表面的周期,完美磁镜响应频率不变,并优化得到更高的反射率。2、太赫兹波段多频多角度入射可逆反射的可调谐完美磁镜。将一维亚波长的LiTaO3圆柱体周期排列在特氟龙与金属的基底上组成电介质反射超表面。研究发现在0.29 THz圆柱体激发了磁偶极共振,超表面获得了正入射的可逆反射完美磁镜,反射率达到0.97。在相同的超表面上,基于一维光栅的调制作用,实时变化入射波为0.38 THz、入射角度为28.45?,可以获得斜入射的完美磁镜响应,反射率高达0.99。同时在该斜入射条件下,满足光栅方程的可逆反射条件,因此,获得了可逆反射完美磁镜响应。该可逆反射完美磁镜响应的THz超表面在新型光子设备和传感方面有潜在应用。3、Anapole模式调制的太赫兹周期无序超表面磁镜。一维Cu-LiTaO3核壳复合圆柱体排列在金属平板上形成反射超表面。基于Mie理论分析,超表面在anapole模式的调制下结合磁偶极共振、电偶极共振、电四极共振多模式,实现了全2π反射相位变化。获得了0.38 THz的零反射电场相位变化和反射率为0.85的超表面磁镜。分析发现由于存在固定无辐射的anapole模式,超表面的反射电场相位变化和反射率曲线几乎不受周期变化影响,展现了良好的周期无序免疫效果。通过对比没有anapole模式参与的超表面,发现有anapole模式参与的周期无序超表面能获得稳定的完美磁镜响应。该工作突破了只有固定周期的磁镜结构限制,方便了磁镜设计和制作,有利于磁镜的实际应用。