随着现代科学技术的进步,光、机、电、算、控一体化逐渐成为仪器设备的发展方向,这就对光学系统提出了小型化、集成化的要求。近年来,超构表面取得了一系列令人瞩目的进展,在集成光学领域引起了广泛关注。超构表面是一种二维平面材料,由周期性排列的光学天线组成。对硅、二氧化钛、氮化镓等电介质材料的研究表明,基于电介质材料的超构表面在实现电磁操控的同时还能保持极高的效率。因此,研究基于电介质材料的超构表面,对于小型化光学器件、构建微纳尺度的、高效的集成光路具有重要意义。本论文聚焦基于电介质超构表面的会聚光场,研究会聚光场的色散调控方法、消色差双聚焦的实现、会聚光场的偏振调控及其在偏振探测方面的应用。主要研究内容如下。基于电介质超构表面的会聚光场的色散调控。研究了类十字光学天线的电磁响应,通过调整其结构参数获取了不同的传播相位和不同的色散特性。研究了具有不同色散特性的光学天线的排布方式对会聚光场色散特性的影响。基于不同的排布方式,仿真了具有不同色散特性的聚焦涡旋光发生器和超构透镜的电磁响应,研究了聚焦涡旋光发生器的聚焦圆环大小和超构透镜的焦点尺寸的影响因素。基于材料的线性光学响应和时间带宽积的概念,研究了基于电介质超构表面的会聚光场的色散极限。研究表明,超构表面的口径、工作波段和色散能力是相互制约的,通过提高纳米柱的高度和选用介电常数更高的材料能够提高其色散能力。基于电介质超构表面的消色差双聚焦研究。基于会聚光场的零色散调控,研究了消色差双聚焦超构表面的实现方法,获取了补偿相位的分布形式。基于光学天线的电磁响应,研究了消色差双聚焦超构表面的口径、两焦点间距及焦距之间的限制关系。提出了两种消色差双聚焦超构表面的构建方式,交叉排布和分区域排布。通过仿真研究并对比了基于这两种构建方式的消色差双聚焦超构表面的成像特性。研究表明,基于这两种方法设计的超构表面的焦点尺寸随着工作波长的增大而增大。相较于基于交叉排布的超构表面,基于分区域排布的超构表面的焦点尺寸更小。基于电介质超构表面的会聚光场的偏振调控和偏振探测。研究并比较了偏振态的两种表示方法,琼斯矩阵法和斯托克斯参量法。基于对几何相位和传播相位的操控,研究了一组正交线偏振光和一组正交圆偏振光的独立操控方法,实现了偏振敏感的纵向双聚焦超构表面。基于斯托克斯参量的一种避开相位项的表达形式,提出了用于偏振探测的超构表面的组成结构。仿真获取了该超构表面对不同入射偏振态的电磁响应,分析了无法直接从超构表面的电磁响应获取入射光偏振态的原因。借助仪器矩阵,研究了提高偏振态解析精度的方法。仿真并计算了该超构表面在一定波段范围内的偏振探测精度、器件工作效率和鲁棒性,验证了设计方法的有效性。