提出一种偏振不敏感且高选择性的新型纳米结构颜色滤波器。当平面光入射到超材料表面时，金属与介质交界处会发生表面等离子体共振和光学异常透射现象，部分频率的光被束缚在微纳结构中，而其他频率的光发生透射，从而实现滤色效果。采用时域有限差分法，对4种不同结构的滤波器的透射光谱和颜色显示规律进行研究。同时，还研究了结构周期、圆环直径、十字架宽度和偏振角等参数对透射光谱和滤波特性的影响。结果表明：与单层表面等离子结构相比，所提双层等离子体亚表面结构模型的透射率更高；在可见光波段内，该滤波器具有偏振不敏感特性，半峰全宽的最小值为23.26 nm，并且具有90.5%的高透射率。这项研究为下一代颜色滤波器的设计提供了理论参考。

提出一种基于随机分布偏移相位的轧辊表面峰值密度（PPI）和粗糙度范围可控的无序激光毛化技术。利用多光束干涉原理，分析轧制带钢表面反射光之间形成明暗相间条纹的机制。基于光线追迹方法，研究凸台微结构在等间距分布基础上的偏移产生的随机分布相位，对轧制带钢表面单一波长反射光形成的干涉条纹的影响，以使带钢表面多种波长反射光干涉条纹叠加形成的莫尔条纹近乎消失。轧辊表面凹坑微结构中心间距随机偏移与衰减性“拷贝”获得的轧制带钢表面凸台相同，采用理论与模拟分析得到的均匀分布中心间距随机偏移，利用激光雕刻方法对轧辊材料样件进行无序激光冲击毛化，毛化样件表面粗糙度为3.79μm，PPI为179。所提出的基于均匀分布偏移相位的无序激光可控轧辊毛化技术，实现了PPI和粗糙度范围可控的轧辊毛化，并且可灵活控制轧制带钢表面质量。

结构光三维成像中广泛使用的数字光处理（DLP）投影仪存在结构复杂、设备体积大及投影非线性等问题，制约了结构光三维成像在高探测精度、小探测场景领域的应用。提出了一种集成超表面阵列和微机电系统（MEMS）二维扫描平台的结构光投影芯片设计。设计了基于几何相位原理的超表面阵列，用于生成格雷码和相移法混合编码结构光条纹。通过二维扫描平台突破单一静态超表面的限制，实现了基于时间编码的结构光条纹投影。结果表明：所设计的超表面结构对入射光具有良好的线性相位调制能力，光源转换效率为88.61%；生成的相移条纹符合正弦分布特性，很好地解决了DLP投影非线性问题；产生的条纹宽度均匀，最小宽度为2 mm，探测精度可达亚毫米级。有限元分析结果表明：所设计的二维平台的最小模态频率为511.91 Hz，抗干扰能力强，响应时间为2.4 ms，帧率为333 Hz，投影速率高。芯片尺寸为3 mm×3 mm。最后设计了芯片的集成制造工艺流程，为高探测精度、高投影速率微型化投影设备的制造提供了理论模型和系统解决方案。

提出了一种基于电磁诱导透明（EIT）的多功能偏振无关超表面，其基础结构由1个金属十字结构和4个方环结构组成，并引入了可调控材料硅（Si）以及二氧化钒（VO₂），以实现温光双控。利用模拟计算和理论模型分析得到了基础结构作为双明模间接耦合形成EIT透明窗口的结论。由于EIT以及可调控材料的特性，本设计可以在分子传感、可控慢光以及双通道温光双控开关等领域实现应用，并且具有优异的性能。该结构对蔗糖溶液的传感灵敏度为97.6 GHz/（kg/m³），在分子检测领域展示出了巨大潜力。该结构实现了对慢光效应的可选择控制。依据EIT的作用机理，提出了利用可调控材料改变结构谐振进而控制电磁响应的设计思路，并实现了一种双通道温光双控开关，为今后的EIT超表面设计提供了参考。

提出了一种通过改变二氧化钒的相变状态，实现太赫兹波在透射、反射之间灵活切换且多频点多波束可调的全空间太赫兹编码超表面。仿真结果表明：当二氧化钒处于绝缘态时，在频率f₁=0.6 THz的左旋圆极化波（LCP）垂直入射下，设计的编码超表面可以视为3-bit Pancharatnam-Berry（PB）几何相位编码超表面，产生透射的拓扑荷数为1的涡旋波；当二氧化钒处于金属态时，设计的编码超表面可以视为双频点独立可调的1-bit各向异性反射型编码超表面。频率f₂=0.5 THz的正交线极化波（x与y极化波）垂直入射时，该编码超表面可以产生两种不同形式的对称波束；频率f₃=0.85 THz的正交线极化波垂直入射时，可以实现雷达散射缩减和对称波束。这对设计多功能的太赫兹波束调控器件有一定的借鉴意义。

原子磁强计以其高灵敏度和成本低等优势受到了越来越多的关注，如今，进一步提高原子磁强计的芯片集成度已成为主要趋势，因为它有利于生物磁性测量与成像。但是，目前实现原子磁强计小型化的主要障碍是微加工原子气室的光学元件分立。鉴于此，笔者提出一种基于新兴超表面的超紧凑片上原子气室方案，该方案将超表面与各向异性腐蚀的单晶硅相结合，在保证高灵敏度的同时提高了原子气室的集成度。该方案能够对圆偏振入射光束进行光路操纵，效率可达到80%。超表面采用厚度为500 nm的硅设计而成，可以通过基本的微加工工艺直接在原子气室上制造。所设计的新型原子气室具有集成度高、可大批量制造的优点，为未来生物磁性传感系统的发展提供了参考。

为了进一步提升传统金属纳米结构表面增强拉曼散射（SERS）衬底的检测灵敏度和均匀性，提出了银修饰开放纳米腔多孔阳极氧化铝模板（AAO）复合结构的SERS新衬底，利用AgNPs（Ag nanoparticles）表面的局域表面等离子共振效应、银纳米粒子之间的热点效应，以及AAO结构的开放纳米腔的腔增强效应，实现了高灵敏度分子检测。采用液-液界面自组装方法将AgNPs修饰到AAO腔体中；利用FDTD（finite difference time domain）仿真软件对结构的电磁场分布特性进行了研究；开展了系统的拉曼测试实验，实验结果表明：相较于传统SiO₂-AgNPs衬底，AAO-AgNPs的拉曼光谱强度提高了4.7倍；以R6G（rhodamine 6G）为探针分子，AAO-AgNPs衬底的最大分析增强因子约为2.38×10¹⁰，检测极限可达10^-16 mol/L；此外，实验验证了该复合结构的多分子检测功能。

随着社会的发展，人类对疾病标志物、食品有害因子、环境污染物等的高灵敏和高特异性检测需求不断增长。基于表面等离子体共振（SPR）的传感器作为一种无标记、灵敏度高、可用于实时检测的生物传感器，在检测各类生物化学分子方面展现出了巨大的应用潜力。本文总结了近年来常用或正在快速发展的5种SPR传感器调制方式，在每种调制方式研究现状的基础上，根据近年来增强SPR传感器的研究，从纳米材料敏化和传感器结构优化两个方面总结讨论了增强传感信号的方法，以克服传统SPR传感器灵敏度较低且难以检测低浓度、低相对分子质量物质的缺点。

设计了一种基于二氧化钒的动态可调谐的红外线超宽带吸收器。数值模拟表明：对于横磁（TM）波，当入射角由0?增加到60?时，在17~55 μm波长范围内，吸收器的吸收率可以保持在90%左右；对于横电（TE）波，当入射角由0?增加到55?时，在10~55 μm波长范围内，依然可以实现90%左右的高效吸收；当TM波或TE波垂直入射时，在16~60 μm波段，吸收率大于90%，吸收带宽可以达到54 μm。当二氧化钒的电导率从20 S/m逐渐变化到2×10⁵ S/m时，超宽带吸收器可转换为多峰吸收器。与之前报道过的基于二氧化钒的吸收器相比，所设计的吸收器的带宽和可调性得到了显著改善。该吸收器有望在偏振探测器、热辐射器、红外传感器等领域中得到应用。

超表面在光偏振调控方面具有卓越的能力，利用超表面结构的偏振控制实现信息编码与加密成为一种新兴的光学编码技术。本文旨在介绍超表面偏振光学及其在信息加密领域的最新进展。首先介绍对光束偏振态进行整体调控的各类超表面偏振光学元件，包括超表面波片、偏振器和偏振分束器，强调了超表面在偏振操控方面的卓越性能；接着深入介绍基于不同微型超表面偏振光学元件进行的像素化偏振信息编码，包括对近场偏振态空间分布进行逐点编码的马吕斯超表面，以及对远场偏振态进行空间编码的偏振全息和矢量全息超表面；然后阐述近场与远场像素化偏振空间编码超表面在信息隐藏与加密领域的应用示范；最后进行简要总结，并展望超表面偏振信息编码技术的未来发展趋势与应用潜力。