基于氮化镓（GaN）基发光器件（如LED、LD）的研究及应用已经取得了很大进展,面向未来新型显示（如AR/VR显示、可穿戴显示）技术,对由发光器件与光学元件组成的成像系统提出了更高的要求。例如要求发光芯片的尺寸更小、光学集成系统更薄、可与柔性等多功能基底集成等。传统光学元件通常都在毫米以上级别,大大限制了在微型/可穿戴光学显示集成系统中的应用。因此,发展新型光学元件以及易于与GaN发光器件集成的成像系统显得尤为重要。采用微纳米超结构实现光场调控为上述问题的解决提供了新的思路。近几年基于GaN材料发展起来的纳米超结构取得了一定进展,由于与GaN光电器件集成时不存在键合及耦合效率降低等问题,且制造工艺可在传统的半导体工艺基础上拓展,因此在高度集成光电子器件、新型光显示技术等领域有着巨大的应用前景和研究价值。本论文主要开展了基于GaN纳米结构与阵列实现对光场的特定调控,如偏振转换、聚焦、成像和准直等特性的调控,并与GaN基光子器件（如激光器、LED等）集成,形成了具有特殊光学效应的有源光子器件。旨在突破传统体光学元件“单一”的局限,实现传统上只有光学元件与发光器件组成的光学系统才能获得的高效光学特性（如偏振转换、聚焦、成像与准直等）。具体研究内容及创新成果如下:（1）创新提出了一种基于GaN基绿光激光器的高效圆偏振出光光源。通过设计特定的GaN纳米光栅超表面结构并与激光器集成,实现了将激光器线偏振发射光转换为圆偏振光的功能。实验结果表明:该集成器件的圆偏振光转换效率高达80%,偏振度保持在0.99左右。（2）创新采用GaN纳米光栅超结构与GaN超透镜组合的方式实现了 GaN绿光激光器的微米级高效聚焦功能。GaN组合式超结构中的纳米光栅首先将激光器线偏振光转换成圆偏振光,然后在通过基于几何位相排布原理设计的GaN纳米结构超透镜将圆偏振光高效的聚焦在设计的焦点处。最终在单一元件上实现了传统需要两个或多个光学元件集成一起才可以达到的光学调控目的。实验结果表明,所设计的集成激光器焦距为1490 nm,聚焦效率为72%。（3）针对LED的三基色,分别设计了偏振不敏感的GaN超透镜及其阵列,创新提出通过增加调节GaN纳米结构参数的维度来降低制备难度,在宽波段内实现任意偏振态入射光均可以高效聚焦与成像功能。聚焦测试结果显示蓝光聚焦效率为57%;绿光聚焦效率为62.3%;红光聚焦效率为75%。衍射极限分辨率均能达到1.29μm。最后,基于合成孔径光学透镜理念我们在可见光波段设计并制备了由GaN纳米块结构阵列组成的扇形合成孔径GaN超透镜,有效孔径为0.72 mm。实验结果表明,所设计的扇形合成孔径GaN超透镜在红光632.8 nm任意偏振态入射下,衍射极限分辨率均达到了 5.47 μm,与全孔径超透镜的分辨率接近。值得注意的是该超透镜的有效孔径仅为加工同等孔径超透镜面积的1/3,有效缩短了加工时间,降低了制造成本。（4）针对自发光为偏振光的LED,创新设计了一种全介质纳米结构,主要包括由周期性堆叠Al2O3/SiO2薄膜组成一维光子晶体以及集成在顶部的TiO2纳米光栅。Al2O3和SiO2交错沉积在p型GaN表面。计算结果表明,所设计的全介质纳米结构可以将偏振蓝光LED的77%光谱辐射能量集中在±5.5°的范围内;将绿光波段偏振LED出光远场辐射角度控制在±6°以内,出光效率＞77%。远场辐射峰值强度相较于无结构LED提高了 6.6倍。针对采用微纳结构实现偏振出光的LED,创新设计了具有波片功能的纳米光栅结构集成在LED背部,可将微纳结构反射回的无法利用的TE偏振分量进一步转换成TM偏振分量辐射出去。实验结果表明,所设计的上下表面都集成有金属光栅的LED器件偏振光提取效率相比底部没有任何结构的蓝宝石衬底器件在±60°的宽角度范围内平均增加了 50%,集成器件测得的ER平均值大于20 dB。