超表面是一种二维新型人工电磁材料,可以在亚波长尺度内实现对电磁波相位、振幅、偏振等特性的自由调制。相较于传统电磁器件,超表面具有轻质、平面化、调控灵活等优势,为实现小型化和集成化电磁波调控系统提供了全新的技术途径。相位是电磁波的基本物理参量之一,近些年来,利用超表面调控电磁波相位实现了一系列新奇的功能及现象,如光自旋霍尔效应、涡旋光束产生与调制、全息显示、虚拟赋形等。在各类相位型超表面器件中,几何相位型超表面由于工作波段宽、设计简单、容差大等优势受到了广泛的关注与研究。目前,基于几何相位的超表面依然存在着一些问题,如理论体系不够完善,调控效率低,工作谱段和功能单一等等。针对这些问题,本文开展了基于超表面的几何相位调控原理及技术研究,重点研究金属型超表面,主要内容包括:1.将具有高阶旋转对称性的亚波长结构,如正三角形、正五边形等引入到线性光学超表面中,研究了它们与电磁波的相互作用,发现这些结构同样能够产生宽带无色散的几何相位,并且相位梯度与结构旋转对称性有关,从而总结出线性光学超表面中几何相位与单元结构对称性的关系,提出一种广义几何相位。2.提出一种全金属反射型超表面,相比于常见的金属-介质-金属构型,具有更小的欧姆损耗,从而能够实现更高的效率。基于此想法,首先设计了一种由离散单元结构组成的超表面,实验测得的能量利用率达到84%。随后,为了进一步提高效率,利用准连续的悬链线结构设计了一种圆偏振波分束器,测试的分束效率达到92%,在此基础上,通过向金属沟槽内注入酒精,并控制液面的高度,实现了工作频率的调节。此外,基于亚波长结构间的悬链线光场和色散,建立了相应的数理模型,明晰了亚波长金属柱和光栅等结构中的电磁耦合机理。3.将全金属超表面应用到虚拟赋形技术中,实现了多谱段兼容的目标特征信号控制。首先,利用相位控制使得激光发生异常反射,并结合金属材料的红外低辐射特性实现了激光与红外兼容的特征控制。随后,将全金属结构拓展至微波波段,用于实现微波与红外兼容调控,并建立了悬链线色散模型对带宽进行优化。这种全金属超表面相比于以往的金属介质复合结构,具有更好的耐高温、抗腐蚀等性能。最后,将全金属超表面与超材料微波吸收器集成,实现了激光-红外-微波三者兼容。值得一提的是,研究中还设计了一种单层的介质超表面,实现了跨波段和超宽带的红外虚拟赋形。