超材料是利用亚波长结构实现电磁波调控的人工材料,能够实现诸如负折射、超分辨成像、隐身等电磁现象,已引起广泛关注,并在众多领域取得重要进展。以往的超材料研究多基于共振结构实现对电磁波的调控,常面临带宽窄的本质问题。本文主要研究了双曲色散超材料和全介质超材料,不依赖共振机理而利用传播模式实现对电磁波的调控,因而有望用于构建宽带光学功能元件。针对基于超材料的透射式波片和非线性器件带宽窄,消色差超透镜数值孔径小以及存在球差等具体问题,提出了基于支持传播模式的双曲色散超材料和全介质超材料的解决方案。本文主要研究内容和创新点如下:（1）提出基于双曲色散超材料的宽带波片,以解决基于传播模式的超材料波片由于双折射色散导致的带宽窄问题。理论推导了多光束干涉的相位调控机制,并总结出基于多光束干涉的宽带波片设计方案。将该方案用于双曲色散超材料,设计了微波、太赫兹、近红外波段的宽带四分之一波片。加工并测试了微波样品,实验结果证实7.2~8.6 GHz宽带范围内线偏振度大于0.95的良好偏振转换性能。模拟结果证实,太赫兹和近红外器件分别在1.51~2.19 THz和1503~1716 nm的带宽范围内实现了线偏振度大于0.98的偏振转换性能。（2）提出基于双曲色散超材料的全彩倍频器,以解决共振式非线性超材料由于窄带共振机制导致的带宽窄问题。渐变宽度双曲色散超材料在宽带范围内支持位置与频率相关的慢光效应（称为“彩虹捕获”）,因而能够实现宽带场增强,从而在宽带范围内增强倍频效应。制备并测试了基于金/氧化锌多层的双曲色散超材料样品。在800~1300 nm的泵浦波长范围内的二次谐波转化效率,比未刻蚀的金/氧化锌多层提高了100倍以上,并在相机上观察到全彩二次谐波信号。在功率4.74 m W、波长900nm的泵浦下,实现了最大为2.78×10-6的二次谐波转化效率。（3）提出基于硅超表面的三波长消球差消色差超透镜,以解决消色差超透镜存在的球差未矫正的问题。首先,理论研究了球差矫正机理。基于单晶硅超表面,实现三波长相位独立控制,进而实现三波长消球差、消色差超透镜。加工了焦距365μm、数值孔径0.635的超透镜样品,实验证实了波长490 nm,570 nm,700 nm的消色差聚焦和彩色成像效果,成像性能优于相同数值孔径的非消球差超透镜。