超表面是一种由亚波长结构构成的二维新型材料。一方面,其具有超轻超薄的性质,有望替代传统材料实现光学器件的小型化、轻型化。另一方面,超表面能在亚波长尺度进行电磁波的相位、振幅和偏振调控,可以人为设计和控制对特定波长、偏振的电磁响应,利用超表面可以实现传统光学器件难以实现的功能,在器件的集成化上也有着无与伦比的潜力。自超表面提出以来,已成功实现了包括对光束整形和控制、特殊光束产生、全息复现等多种功能,在成像、探测、光谱、加工等领域中有着广泛的应用前景。然而,超表面大面积加工问题、电磁损耗、色差等仍是超表面进一步应用的主要限制因素。本论文中主要针对超表面的色差特性进行了研究。近年来,国内外研究小组提出了一些对超表面的色散、色差的控制和补偿的方法。由于波长的离散化,共振对入射角等参数的苛刻要求等问题,这些方法仍然难以解决超表面在成像、通信等领域中应用的实际问题。针对超表面的色散特性以及色差问题,本论文展开了基于超表面色散特性和色差调控的研究,论文研究内容主要包括:1、设计了一种工作在太赫兹波段的偏振无关的超表面,通过微透镜阵列激光加工方法快速高效地加工实现了基于PEN柔性基底的超表面带阻滤波器,实验表征得到单层和级联带阻滤波的带宽分别为0.291THz和0.461THz。通过数值模拟和理论分析,厘清了单元结构之间相互的耦合效应与单元结构的振幅色散特性之间的关系,为不同带宽的相关器件设计奠定基础。2、提出了一种利用材料色散和结构色散相互补偿实现消色差平面光学器件的设计方法,建立了以金属-绝缘体-金属亚波长结构的消色差数理模型,详细分析了超表面和传统光学中消色差设计的异同,通过理论计算和数值仿真实现了波长从1μm至2μm的连续超宽带消色差偏折和聚焦超表面器件。3、利用偶极子光天线的无色散相位调控性质结合多波长离轴照明技术,实现了超表面彩色全息。通过空间频谱控制实验实现了二维和三维彩色图像的高质量复现。该方法实现了超表面空间频谱的充分利用,展现了超表面在空间频谱操控上传统光学器件难以企及的优势。4、提出了利用超表面的色散性质和偏振响应性质,建立可实现轨道角动量、波长和偏振同时分离与合束的超表面器件的理论模型,通过单个超表面实现了空分复用、波分复用和偏振复用的集成。通过模拟仿真和初步试验,验证了该器件的复用与解复用功能。