从1800年赫歇尔发现红外辐射至今,红外技术经历两个多世纪的漫长发展,现已广泛应用于自由空间通讯、军事导航、红外热成像、红外遥感等众多领域。相比传统红外光学器件,基于中红外波段开发的平面超透镜具有调控自由度高、工业兼容性好、效率高、表面可共形设计、方便集成等诸多优点。平面超透镜技术基于光场调控理论上的创新,极大地拓展了新颖光学器件的设计方式,突破了光学器件向着微型集成化、阵列化、轻量化发展的技术瓶颈,已成为近些年来的研究热点。本论文基于中红外波段(3-5μm)的应用需求,利用波导理论、有效介质理论、广义斯涅耳定律等,设计出了聚焦效率高、消色差性能好的二维平面透镜。进而,以优化平面超透镜性能为探究目标,以时域有限差分(finite different time domain,FDTD)为主要研究手段,针对高效率聚焦、超分辨成像、良好消色差性能等需求开展了系列的研究工作。本论文的具体研究内容如下:1.基于波导理论、有效介质理论、广义斯涅耳定律等,设计了在中红外波段具有强烈共振的超表面单元结构,利用FDTD计算手段,计算得到了散射光的极化状态、振幅、强度在不同结构参数下的不同响应。本文基于硅和氟化钙的材料参数,依据P-B相位理论和惠更斯原理设计出了多种不同数值孔径、不同排列方式、应用于不同场景的远场超薄平面超透镜。2.平面超透镜设计及其聚焦效率、超分辨性能优化。为了提升中红外平面超透镜的聚焦效率,本文依据F-P共振(Fabry-Perotresonantor,FPR)增强原理,设计出了一种基于金属-介质-金属(metal-insulator-metal,MIM)亚波长谐振结构的平面超透镜。经仿真实验发现,这种方法得到的汇聚光束中心焦斑光强在原来的基础上提高了 1.5倍。3.提出了一种多波长消色差透镜的设计方法。利用亚波长单元结构的波长选择性以及P-B相位的宽波带响应特性,将振幅调制与相位调制分开,通过合理地排布具有不同波长响应的亚波长结构,设计并实现了在3.2μm、4.1μm、5.0μm共焦面聚焦的多波长消色差透镜。4.提出了一种宽谱消色差透镜的设计方法。根据亚波长结构对入电磁波的相位响应以及P-B相位,利用随机搜索算法对结构参数进行优化,实现了 3-5μm波段具备一定消色差能力的宽谱消色差透镜。