超表面是超材料的二维表现形式,具有超薄特性,能有效地控制光在透射或反射模式下的相位、振幅和偏振。在光学系统小型化、集成化的发展趋势下,由于传统的光学元件存在体积大、成本高、工序复杂等缺点,超表面元件凭借其超薄特性有望取代传统光学元件。其中,全介质超表面具有较高的传输效率且大多由半导体材料构成,所以这种超表面在实际的生产应用中有着巨大的潜力。近年来,超表面大多是基于几何相位进行设计,通过调节超表面上结构单元的旋转角度对圆偏振光进行相位调制,但是在得到圆偏振光的过程中光的能量会有一定的损失。基于传输相位的纳米微元,本文设计了一组由非金属材料构成的全介质超表面器件,主要用于实现对线偏振光的偏折和非偏振光的聚焦,仿真计算结果表明基于传输相位的纳米微元对透过的光可以进行相位调制。本文主要研究内容如下:(1)基于硅和二氧化硅的材料参数,设计了把硅纳米柱放置在二氧化硅基底上的结构单元,利用时域有限差分法对结构单元进行了仿真,得到了工作波长下相位和透射率随纳米柱半径的变化。利用仿真计算结果,设计了两种近红外波段下的高效率透射式波前控制装置,分别为反常光束偏转器和偏振不敏感超透镜,通过理论分析和数值仿真对这两种器件的性能进行了研究。(2)利用广义斯涅尔折射定律设计的异常折射光束偏转器可以使垂直基底入射的光发生偏转,本文以12个结构单元构成的偏转器为例进行了设计和优化,理论计算的偏转角为12.1°,优化后的一维光束偏转器出射光束偏转了12.02°,传输效率较高,可以达到80%。利用优化后的结构单元设计了二维光束偏转器,偏转效果比较理想,结果表明基于传输相位型超表面设计的光束偏转器可以使线偏振光发生偏折。(3)基于硅纳米柱设计了不同焦距的偏振不敏感超透镜,尺寸为30.5μm*30.5μm,由2500个结构单元构成,透镜焦距分别设计为77.276μm、37.4755μm时,衍射极限分别为4.79138μm、2.46635μm,仿真计算得到聚焦光斑水平剖面的半峰全宽分别为4.8102μm、2.5021μm,两个透镜几乎都可以实现衍射极限聚焦,说明基于相位传输型超表面设计的超透镜具有相位调制能力,可以使非偏振光产生几乎与衍射极限相同的聚焦效果。综上,本文基于传输相位型全介质超表面对光束偏转器和超透镜的性能进行了深入的研究,这些器件在红外成像、小型化光电系统等领域具有巨大的应用潜力,对全介质超表面光学器件的发展和应用具有积极的作用。