超表面可以看作是由亚波长结构单元构成的超薄二维超材料,其厚度要远远小于工作波长,主要利用结构单元的电磁响应特性对结构进行设计从而在界面处引入突变相移,进而实现对光的基本物理属性（偏振、相位、振幅）的任意操控。然而,为了实现对波前的完全控制进而实现各种不同的高效超表面器件,往往需要实现0到2π范围的全相位覆盖并同时保持较高的透射效率。在以往的研究中,很多科研人员利用等离子体超表面实现了各种不同的光学功能。然而,由于其存在固有的欧姆损耗导致在透射模式下无法实现高效率。近年来的研究发现,基于全介质超表面实现的光学器件具有高效低损耗、设计灵活、结构简单、易于制备等优点,因此越来越多的研究人员逐渐致力于全介质超表面的研究。本论文主要针对全介质超表面实现高效光束聚焦的问题进行理论和设计研究。首先基于单晶硅的材料参数设计了一种全介质超表面来实现可见光波长的光束聚焦,其结构是由单晶硅圆柱体构成。单晶硅作为超表面结构单元的材料,在可见光波段几乎不显示任何吸收损耗,有利于高效率、透射式超表面器件的设计。通过利用所提出超表面的相位调控机理对结构单元进行了分析探讨,得到结构单元与幅值和相位之间的关系。根据超透镜的相位分布,分别设计了一维透镜和二维透镜来实现光束聚焦。通过对仿真结果的分析发现所设计的超透镜在可见光波长下可以实现高透射率聚焦并保持低的纵横比,为实现可见光高效超表面器件开辟了一个新的途径。其次,我们在近红外波段实现了基于全介质惠更斯超表面的高透射光束聚焦。通过对惠更斯超表面的相位操控机理进行分析得出,设计的超表面结构单元在近红外波长可以同时激发电偶极子共振和磁偶极子共振,而且通过对结构单元的几何参数进行调整可以实现两个共振的光谱重叠进而实现2π全相位响应的覆盖和接近于100%的透射效率。根据超透镜的设计原理通过对超表面的相位分布进行重组,在频谱重叠位置分别设计了一维柱状透镜与二维平面透镜。仿真结果表明,所设计的超透镜,无论一维透镜还是二维透镜,在近红外波段均可以实现高透射率衍射极限聚焦。通过进一步研究发现,超透镜在近红外波段还呈现出了60 nm的工作带宽特性。此外,超表面结构单元的最大纵横比仅仅为0.88,这使得设计的超表面器件更容易制备,有助于实现光学透镜的微型化。因此本文提出的全介质惠更斯超表面在纳米光子器件方面具有显著的优势,为超薄高效超表面器件的设计提供了一种可行的方法。