目前亚波长结构两色光变防伪技术广泛应用于护照、身份证等全息防伪领域,但防伪有效性受到了严重挑战,迫切需要进一步提高防伪性能。利用在基于微纳结构调控波前偏振、相位和振幅获得如菲涅尔透镜、涡旋光、全息图等相位型功能器件的超表面技术或许是一种解决办法。为解决两色光变器光学防伪性能不足的问题,本文基于实验室提出的亚波长结构三色光变器,设计并获得了一种集成三色光变器与偏振复用超表面技术的新型光学防伪器件,实现了自然光入射时在不同的反射方位角方向上的高衍效的红、绿、蓝三色光变输出;在X、Y线偏振光入射时,在同一观察面上分别获得不同的字符显示,突破目前两色光变技术局限性。本文的主要研究内容如下:1.设计了基于简周期亚波长结构的三色光变器,实现了自然光入射时,分别在不同的反射方位角方向上的高衍效的红、绿、蓝三色光变输出。本论文基于严格耦合波理论,在光入射简周期亚波长结构条件下,设立了科学的评价函数,自编程序优化亚波长光栅的周期、槽深和占空比,分别在反射方位角为12°,67°,90°时,获得蓝、绿、红三色的高衍射效率输出,其零级反射效率分别达到85%、86%、99%。最后利用商用的Rsoft软件验证了设计结果。结果表明,本文自编程序优化得到的设计结果与Rsoft结果相同,验证了本文设计结果的正确性。2.设计了基于ZnS矩形柱微元的偏振复用超表面器件,实现了X和Y线偏振入射下,在同一观察面上分别获得不同字符显示。采用等效介质理论分析了超表面微元产生相位差的机理,仿真分析了ZnS矩形柱的高、长和宽对微元相位的影响,最终获得高度为600nm的微元柱以实现高衍射效率的0-2?的相位调制。为在输出面上获得字符像输出,首先通过改进菲涅尔的相位恢复算法获得超表面的连续相位面,然后建立评价函数以优化微元相位值和透过效率,用不同尺寸的微元实现超表面的相位,最后利用FDTD法进行仿真。仿真结果表明,X线偏振光入射时,可在输出平面上观察到“SZU”的字符;Y线偏振光入射同一超表面时,在同一输出平面上获得“CET”的字符。仿真结果与理论结果一致,证明了本文设计的可行性。3.搭建了X、Y线偏振光复用超表面的实验光路系统,实验验证了该超表面的偏振复用字符显示功能。设计实验光路,在SLM上分别加载相位恢复算法计算的理想相位面、不同评价函数选取的微元排列相位面。CCD探测可清楚地观察到X偏振的相位面输出的“SZU”的字符,Y偏振的相位面输出的“CET”字符,这与设计结果一致。4.设计了嵌入式光栅结构的三色光变器,并将其与偏振复用的多字符显示超表面技术集成获得新型光学防伪器件,实现了多色光变显示和偏振复用多字符显示。本文设计结果可获得具有偏振复用的字符显示与三色光变功能的高衍效防伪器件,大大提升光学防伪的性能,突破了两色光变防伪技术的局限性,可应用于全息光变图像防伪领域。