由亚波长天线阵列构成的二维电磁超材料——超表面具有在亚波长尺度内对入射电磁波进行灵活调控的能力,近年来关于超表面的研究已经取得了丰硕的成果。为了提高超表面器件的效率和带宽性能,超表面经历了三个阶段:单层透射型金属超表面、金属-绝缘层-金属(MIM)结构反射式超表面以及全电介质透射型超表面。对于透射型超表面器件,基于金属材料设计的单层超表面由于具有很强的欧姆损耗而导致效率受限(≤25%);而基于离散策略设计的全介质型超表面的工作带宽较窄。本文围绕目前在设计同时具有高效率和宽带宽的透射型超表面器件面临的问题进行研究,工作的主要内容有:1、PB相位的产生与入射波长无关,因而在物理性质上具有固有的带宽特性。为了改善传统基于离散策略设计的PB相位型超表面带宽较窄的问题,对空间相位分布积分设计了类悬链线亚波长结构。经过优化后的类悬链线硅介质柱在23.08~33.52 THz波段内具有接近100%的衍射效率,基于该类悬链线硅介质柱设计并加工了偏折器以在实验上验证了基于类悬链线硅介质柱设计的超表面器件的效率和带宽性能。为了进一步验证类悬链线硅介质柱在设计复杂超表面器件中的性能,设计了具有三次位相分布的二维自加速光束发生器。在三个不同波长的入射光下,实验测得了与理论曲线重合的自加速光束轨迹。不同偏振态入射时可以产生不同的光束轨迹,验证了该自加速光束发生器的偏振复用特性。2、与亚波长介质柱结构互补的狭缝结构也能提供连续PB相位调控。首先,在23.08~33.52 THz波段基于电介质材料设计了类悬链线狭缝结构,该结构在整个设计波段同时具有约为50%的绝对效率和衍射效率。基于该类悬链线狭缝结构设计了一维长焦深平面透镜以验证其性能,电磁仿真的结果与数值计算结果基本一致。通过数值计算进一步对二维长焦深平面透镜的成像性质进行了研究,其成像范围是传统透镜焦深的12.5倍。另外,在可见光波段优化设计的类悬链线狭缝结构在中心波长具有72.54%的衍射效率,在374THz~574THz波段的平均衍射效率为67.66%。并基于此亚波长结构设计了一阶贝塞尔光束发生器,电磁仿真的结果表明其具有与理论结果近似的无衍射距离,相对误差0.4%。