随着各种人工智能、便携式设备、虚拟现实、增强现实等新型视觉系统的不断涌现,光学系统朝着微型化、功能化、集成化方向发展。而传统光学元件通过光在传播方向的逐渐积累对光的波前进行调控,受其组成材料属性(折射率或介电常数等)的限制,调控的自由度小,并且元件尺寸大而不易集成,大大限制了其在集成光学系统中的应用。近年来,随着微纳加工技术与纳米光子器件的迅速发展,出现了一种新型的波前调控元件—光学超表面(Metasurfaces)。光学超表面(或称超构表面)是一种由超原子或超分子构成、结构尺寸在亚波长范围的二维纳米结构,利用纳米结构与界面存在的相位突变以及亚波长厚度对波前调控自由度大的特点和优势操控电磁波,实现不同的功能,包括光学隐身、涡旋光等奇异光场、全息和透镜等。它不仅能实现传统光学元件功能,而且体积小、制备与半导体工艺兼容,同时对波前的调控自由度更大,具有非常广阔的应用潜力和前景。尽管国内外已开展诸多超表面相关研究,但截至目前基于超表面的光学元件在可见光波段宽光谱效应不明显或效率偏低,而可见光波段光学元件的应用又十分广泛,因此开展可见光波段超表面的宽光谱调控研究,实现超表面的高效宽光谱波前调控,具有重要的基础理论价值和实用价值。本论文针对上述问题,提出了拓宽光谱、提高效率的新方案和策略,并围绕在光学系统中应用广泛的透镜,开展了宽光谱超透镜的设计、制备以及表征等方面的研究。具体研究工作如下:1)选用课题组发展的在可见光波段吸收低的纳晶硅作为超原子材料,利用COMSOL多物理场仿真软件对超原子结构的光谱带宽、转化效率、衍射效率等关键性能参数进行了仿真,并分析了超原子单元几何尺寸、结构周期对上述参数的影响,为光学超表面设计奠定了基础。在此基础上,设计了基于超原子单元结构的偏振手性双焦点超透镜,并测试其宽带范围的工作状态,验证设计方法的可行性与准确性。2)通过对超原子单元结构的数据筛选与效率对比、分析,并对单元进行优化,提出利用超分子结构组合实现拓宽宽光谱、提高效率的设计思想,利用超分子结构设计了宽光谱超透镜。3)利用国家纳米科学中心纳米加工实验室的平台设备,制备了设计的宽光谱超透镜;并利用搭建的光学测量平台,对制备的样品进行了表征,达到预期的效果。本论文的设计思想将为基于超表面的宽光谱光学元件,特别是超透镜的设计提供非常有价值的借鉴和指导。研究成果为光学超表面在可见光波段的光学元件中的实际应用奠定重要基础。