超表面作为一种新兴的二维平面光学器件,其主要原理是利用界面上的亚波长尺寸的散射单元构成的结构对入射光的振幅、位相或偏振进行调控,相比于传统的光学器件,超表面具有超薄、尺寸小、平面化、多功能、易集成的优势。超表面对光场的独特、强大的调控能力使其成为光学领域的热门研究方向之一,为集成光学器件提供了一个全新的、多自由度的微纳操控平台。高折射率纳米结构的全介质超表面相比于表面等离激元超表面损耗小,在实用型光子器件方面有着巨大的发展潜力。特别是,基于硅材料构建的超表面光子器件,因其制备可以与半导体工艺兼容,近年来得到了极大发展,实现了如超透镜成像、全息、显示、偏振控制、新型光场生成等功能。由于硅基超表面的独特优势、可集成的多维光调控能力,人们越来越关注其在集成多功能复用及实际应用方面的研究。本文主要面向受激发射损耗显微成像、全光磁存储以及偏振集成成像、测量等实际应用的需求,以替代多个传统功能性器件为目标,开展硅基超表面多功能集成复用光子器件研究。论文取得的主要研究成果如下:1.针对受激发射损耗（Stimulated emission depletion,STED）显微系统,利用超表面多自由度位相调控的特点,设计了在两个波长可分别生成实心焦斑和空心焦斑的集成式单一超透镜。并针对实际应用中需合理配置两种焦斑聚焦强度比的需求,提出了一种调控两种焦斑的聚焦效率的方法,通过增大散射单元提供的位相与目标位相的差值,有效调控了两种焦斑的聚焦强度比。2.提出了一种面向全光磁存储系统的三合一超透镜,集角向偏振片、螺旋位相片和聚焦透镜三种光学器件的功能于一体,实现了角向偏振涡旋光束的生成和聚焦。实验中,633 nm的线偏振光通过该超透镜生成了近乎完美的圆偏振焦斑,证实该超透镜可以产生纯纵向的磁化场。这是第一个面向全光磁存储系统的紧凑型超表面光学器件,在高密度全光磁存储系统中具有潜在的应用前景。3.针对全光磁存储中需上下交替改变纵向磁化场方向的实际需求,以四单元超元胞为基本结构,利用超元胞内部散射单元之间的干涉调制长轴和短轴的透过率和位相延迟,设计并制备了一种纵向磁化场方向手性可调的三合一超透镜。该超透镜同时具有角向偏振转换、正负一阶涡旋位相切换和聚焦透镜的功能。实验结果表明该超透镜可产生手性可调的纯纵向磁化场。4.为发展集成式全斯托克斯参数测量仪,结合超表面独特的偏振调控能力和光栅的衍射特性,设计并制备了硅基超表面矩阵光栅偏振测量仪。利用该测量仪测量了亚波长金属狭缝散射场的斯托克斯参数与狭缝宽度的依赖关系。进而,提出了一种通过测量纳米狭缝远场散射场的斯托克斯参数来确定狭缝宽度的方法,该方法可绕过衍射极限对光学显微镜成像分辨率的限制,实验结果表明在633 nm波长处可分辨出宽度为68 nm的金属狭缝。本论文的创新点主要包括:1.针对全光磁存储系统小型化、集成化的需求,设计并制备了一种应用于全光磁存储系统的三合一超透镜,集成了角向偏振片、螺旋位相片和聚焦透镜三种光学器件的功能。这是第一个面向全光磁存储系统的复合超透镜。2.针对全光磁存储中需上下交替改变纵向磁化场方向的实际需求,设计并制备了一种纯纵向磁化场方向手性可调的超透镜,通过改变入射圆偏光的手性可以动态调节聚焦光斑的纵向磁化场方向。相比于生成单一磁化场方向的超透镜,该超透镜可以满足全光磁存储系统对紧凑型、便捷型光学器件的实际需求。3.针对偏振测量系统紧凑化、集成化的需求,设计并制备了一种超表面矩阵光栅偏振测量仪,并提出了一种通过测量纳米狭缝远场散射场的斯托克斯参数来确定狭缝宽度的方法,该方法可绕过衍射极限对光学显微镜成像分辨率的限制。