面对现代科学技术下集成化和小型化的发展趋势,科学家正在努力探索一种更为有效的电磁波调控方式。近年来,一种厚度小于波长的人工微纳结构超表面应运而生。通过改变亚波长量级微小单元的形状、大小和材料等,超表面可以实现对入射电磁波的波前相位、振幅、偏振的控制进而灵活设计不同类型的功能器件。然而通常超表面结构中的金属或介质组成的微纳结构的加工制备工艺流程复杂,也限制了器件设计的自由度。近年来,基于双光子吸收工艺的三维激光直写的超表面技术得到了快速的发展,可以制备形状复杂且在横向、纵向均可以自由调控的微纳米结构,突破了目前大多数理论设计和制备中通常固定结构的纵向（高度）尺寸、仅对结构的横向尺寸进行大小调控的局限。本论文中,我们研究了基于长宽高三维尺寸均可变化的三维纳米柱超表面结构的光场调控特性,设计了反常光束偏折超表面和偏振双聚焦超透镜,并进行了实验制备和性能测试验证。论文的主要工作和结果如下:（1）提出和实验验证了一种基于金属-介质-金属三维尺寸可变的亚波长纳米柱超表面结构实现不同相位梯度下不同角度的反常反射。理论研究表明,玻璃基底上不同长、宽、高的金属-介质-金属亚波长纳米柱可实现反射方向具有高振幅响应和完整的2π相位延迟调控。研究和设计了工作波长1550nm下分别包含有4、8、16个不同尺寸纳米柱微结构组成的超晶胞单元的具有π/2,π/4或π/8三种相位梯度的反常反射器件。在线偏振正入射平面光下,数值模拟三种结构的反常反射角分别为23.97°,12.21°和5.87°,反常反射率达到83%,与广义斯涅尔理论吻合。同时模拟仿真了相位梯度为π/4的超表面结构对斜入射线偏振光的负折射和全反射现象,数值结果均与解析结果完全吻合。实验研究了双光子激光直写进行三维尺寸可变超表面的制备技术。运用三维激光直写技术在厚度为170 μm的硼硅酸盐玻璃基片上曝光制备了 π/2相位梯度的纳米柱超表面阵列。通过红外偏振探测测得反常反射角度为24°,与设计值基本吻合,验证了设计方法的正确性和实验制备的有效性。（2）提出了并实验验证了一种基于三维尺寸可变的亚波长纳米柱结构的反射式偏振双聚焦超透镜。FDTD理论研究表明,通过改变纳米柱结构单元的三维尺寸可实现对两个正交线偏振态的不同的位相激发。基于这一特性,提出了利用同一套微纳结构实现对两个正交线偏振光在不同方向聚焦的思想,通过对超表面内相位排布的设计,实现了偏振双聚焦功能。该结构在1550 nm通信波长对两个正交线偏振均具有80%的高反射率,仿真模拟获得的焦距和离轴角度（f=20.7 μm,θ=14°）与设计焦距和离轴角度（f=20μm,θ=14°）高度吻合,光斑大小接近衍射极限计算理论值,并且通过调整入射光的偏振角度可灵活调控光斑聚焦强度,该偏振双聚焦功能器件在光通讯中具有重要的应用。（3）实验制备并验证了偏振双聚焦超透镜的性能。采用双光子三维激光直写方式和热蒸镀技术制备了双聚焦Au-PMMA-Au纳米柱超透镜,实际样品加工结果与理论设计的阵列形貌一致。实验搭建了聚焦检测光路,CCD测得的两个正交线偏振光的聚焦光斑与理论模拟完全一致,同时完整测试了两个正交线偏振光360°偏振方位角范围内的72组聚焦强弱光斑,归一化光强与余弦理论曲线趋势一致,验证了器件的双聚焦性能。本论文基于三维尺寸可变的亚波长纳米柱超表面结构设计并实验验证了反常光束偏折超表面及偏振离轴双光束聚焦的超透镜。利用一套微纳结构对两个正交线偏振电磁波的不同的相位响应,实现单个超表面器件对两种偏振态的双聚焦功能,为光通讯波段功能器件的研究提供了新的思路。此外,超表面结构中除了改变面内微纳结构的尺寸,同时引入纵向高度尺寸可变的设计,进一步提高了超表面器件设计的灵活性和自由度。