近年来,电介质超构表面凭借其强大的光场调控能力,在成像、显示和检测等方面展现了广阔的应用前景。电介质超构表面不但可以对电磁波波前进行高效调控,而且与传统材料相比,具有结构轻薄、低损耗、易集成等优点。然而,由于超构表面组成单元的电磁共振以及光学材料本身的色散导致超构表面器件呈现明显的色差问题,极大地限制了其在宽波段情况下的应用。如何消除或有效地利用超构表面器件的色差,成为研究者广泛关注的热点问题。本文将从超构表面对电磁波的调控理论出发,围绕超构表面在全电介质光学器件中的光束聚焦和分光特性展开,主要介绍了采用超构表面实现聚焦效应（这种超构表面称为超构透镜）及透射式衍射板等方面的应用。通过设计超构单元的形状、尺寸、转角及空间排列,在宽波段内实现对光波的色差调控。论文的具体内容包括如下几个方面:1、由于中红外波段在材料检测及遥感探测等方面具有广泛的应用,本论文开展了工作波段在8～12μm的消色差超构透镜研究。根据相位拆分原理,将透镜需要的聚焦相位拆分为基础相位和色差相位,并分别用几何相位调控方法和共振相位调控方法实现。以硅纳米柱为超构单元设计了不同数值孔径的消色差超构透镜,数值模拟结果显示我们设计的超构透镜在中红外波段均实现了良好的连续消色差效果。2、根据光学超构表面的多波长分光能力,论文设计了宽带的色差增强超构透镜,数值模拟结果显示其在中红外波段具有良好的分光效果。由于相位拆分原理具有一定的普适性和实用性,与仅采用几何相位设计的正常色差超构透镜的数值模拟结果对比,基于相位拆分原理设计的色差增强超构透镜具有更优异的多波长分光能力。将工作波段内色差增强超构透镜对应的焦距变化量与正常色差超构透镜对应的焦距变化量之比定义为相对色差率,其值为3.48。3、采用之前设计的超构单元结构,论文还设计了宽带消色差的透射式衍射板。数值模拟结果显示,在8～12μm的工作波段内,任意波长的光束通过衍射板后的透射角均保持在26.5°附近,误差在±1°范围内。此结果证明了该设计在中红外波段具有良好的宽带消色差能力。4、根据光信息处理和光谱分析等方面的应用需要,论文进一步使用了介质柱和介质孔结构用于得到更大的相位补偿,设计了中红外波段和可见光波段的色差增强衍射板。数值模拟结果显示,在8～12μm的工作波段内色差增强衍射板的分光角度为25°～47.6°;在450～630 nm的工作波段内实现了27.5°～44.0°的大角度分光。为更简单、更高效地实现色差的灵活调控提供了新的方案。