相位梯度超表面是一种由周期性亚波长结构阵列组成的二维人工超材料,具有高度灵活的电磁响应特性,且能够在亚波长尺度内自由操纵电磁波的振幅、相位以及偏振等参量信息。由于金属材料在光学波段内的固有损耗问题,具有高折射率、低损耗的介质型相位梯度超表面应运而生。相比于传统光学器件,介质型相位梯度超表面具有平面超薄、设计灵活以及紧凑易集成等优势,能够满足现代光学器件和系统对小型化、集成化以及多功能化的需求,在光学成像、探测传感、智能显示等领域具有广阔的应用前景和巨大的潜力。本文基于几何相位和传输相位原理,重点研究了介质型相位梯度超表面在超透镜和超表面全息方面的应用,分别实现了用于光学多参量探测的超透镜阵列、大倍率的旋转变焦超透镜、用于光谱和偏振态重建的多焦点超透镜以及超表面动态全息显示,具体内容如下:（1）提出并实验验证了一种基于硅基超透镜阵列的光学多参量探测器件。该器件由像素化且偏振相关的超透镜阵列组成,通过测量焦点的光强和位置偏移,实现了1550 nm波长下光束振幅、偏振和相位的同时探测。通过分别对22种标量偏振光束、具有空间偏振分布的两种矢量光束（径向偏振光与角向偏振光）以及具有空间相位分布的20阶涡旋光束进行实验测试,验证了该器件的性能,测试误差分别为4.24%、6.28%、2.49%和6.4%。同时,超透镜的平均聚焦效率达48%。（2）提出并实验验证了一种由两个偏振无关的硅基超表面元件组成的旋转变焦超透镜。通过改变两个超表面元件之间的相对旋转角,实现了1550 nm波长下大倍率的光学变焦和变焦成像。在实验测试中,分别实现了±1×～±18×的变焦测试以及+1×～+18×的变焦成像,焦距测试值与理论值之间的平均误差为1.7%,变焦范围覆盖了±3～±54 mm,同时该变焦超透镜的平均聚焦效率达54%。（3）提出并实验验证了一种可实现光谱和偏振态重建的氮化硅基多焦点超透镜。该多焦点超透镜具有波长和圆偏振相关性,且能够在同一焦平面或像平面上产生12个不同位置的焦点或图像,每个位置处的焦点或图像对应于入射光束特定的波长和圆偏振态。通过分析焦点或图像的光强和位置信息,分别在相干光和非相干光条件下实现了对光谱和偏振态的识别与重建。（4）提出并实验验证了一种基于空间信道型超表面的动态全息显示方法。该设计主要由氮化硅基超表面和高速动态激光束调制模块组成,通过在时序上对入射光束进行调制编码并选择性打开超表面上特定的空间信道,实现了633 nm波长下具有大帧数(228)、高帧率（9523 fps）以及高效率（70.2%）的动态全息显示。