涡旋光束也称为轨道角动量（Orbit Angular Momentum,OAM）光束,是以e^il?形式绕其光轴以奇异性传播的光子束,其中φ是方位角,l是拓扑荷,表示每个光子携带的OAM值为l。光束具有螺旋波前和空心环状强度分布,并且载有不同拓扑荷的涡旋光束彼此独立传输。这些特性使得涡旋光束在光学微粒操控、光学通信、超分辨成像、光学测量、量子信息处理等领域具有重要应用前景。产生涡旋光束的传统光学器件有螺旋相位盘、空间光调制器等。随着集成光学系统的不断发展,对器件的要求也日趋小型化、轻量化、平面化。但是,现有的涡旋光束转换器件体积较大、非平面化,在很多应用场合不易实现光学集成,因此迫切需要研究和开发能够高效率转换高斯光束为涡旋光束的灵巧型超薄器件。近些年,具有多种光学功能的超材料（Metamaterials）的理论设计、制造及其应用技术的研究引起了物理学诸多领域科学家们的瞩目。本论文所涉及的超表面（Metasurfaces）是指由周期性的亚波长结构单元组成的二维超材料,其可以在比工作波长尺寸还小的厚度内引起光波的相位突变。因此,它可以在亚波长范围内调制光波的强度、相位以及偏振态等参量,非常适合构建新型光子器件,解决传统光波转换器件中存在的诸多问题。本论文基于几何相位理论,对超表面材料的结构设计、利用超表面材料作为半波板和涡旋光束转换器,以及多功能器件应用的可能性展开系列研究,取得的主要成果如下:1.基于几何相位理论,设计了一种由超薄金膜上刻蚀环形分布的矩形孔组成的新型等离子体超表面。理论研究及仿真结果证明该超表面在近红外波段的圆偏振光束垂直入射时,既可以产生拓扑荷为±2的标量涡旋光束,也可以产生偏振级数为±1的矢量涡旋光束。理论分析预见了该超表面具有良好的加工容差,采用模板转移方法研制成功了该超表面样品。在自搭光学检测平台对该样品进行检测,其结果与理论、仿真结果有很好的一致性。该超表面对波长1550 nm红外光的透过率大约40%,作为标量涡旋光束转换器,产生涡旋光束与输出光束的强度比为0.5087;作为矢量涡旋光束转换器,涡旋光束的强度比为0.9935。虽然透射率、波长色差性能有待进一步提高,但是该成果为研究新型高效涡旋光束转换器提供了一种新思路。2.基于几何相位理论,设计了一种全介质超表面,该超表面以二氧化硅作为衬底材料,硅纳米柱作为发射单元并排列成21×21阵列。该器件工作在近红外波段1.5～1.6μm。在1550 nm,圆偏振光束垂直入射下,可以产生拓扑荷为±1的涡旋光束,涡旋光束的模式纯度达到90.66%。线偏振光束垂直入射下,该超表面可以产生径向和角向偏振光束。其中角向偏振光束的模式纯度达到92.52%,径向偏振光束达到91.02%。并且引入相位梯度后,该超表面可以作为双通道数据编码/解码器件。以上理论研究结果均与数值仿真结果一致。这样的新颖超表面器件在未来光通讯、光学操控等领域具有潜在应用价值。3.设计了一种排列成11×11阵列形式的金属间隙结构超表面。每个超表面单元包含三层结构,顶层由两个椭圆形的银纳米柱组成L型发射天线,中间介质层为二氧化硅,底层为银薄膜。器件的工作波长位于近红外与中红外波段之间2.7～4.2μm。在线偏振光和圆偏振光入射时,超表面可以作为宽频、无色差的半波片,偏振转化率达到85%。将设计单元按方位角旋转后,基于几何相位理论,在圆偏振光入射时,该超表面又可以产生宽频、无色差的拓扑荷为±1的涡旋光束,涡旋光束的模式纯度大于80%。将相位梯度引入该超表面结构,产生的涡旋光束能与入射光束分离,使其更具有实际应用价值。数值仿真结果与理论计算结果吻合得很好,该研究对于发展近红外波段无色差的光子器件具有理论指导意义。