随着半导体集成器件的飞速发展,人类已经逐渐进入了信息化技术促进产业变革的智能化时代。智能化时代一个重要的发展趋势就是器件小型化,高度集成化和工业自动化,因此,对终端产品的核心器件——透镜,也必须能够满足器件小型化和集成化的需求。然而,传统透镜的庞大体积,严重阻碍了其进一步发展,此时,基于衍射光学的平面光学元件——超构表面透镜（metalens）成为了透镜集成化很好的选择。这种通过亚波长纳米结构来进行光调控的平面透镜,以其体积小功能大的独特优势,适合片上集成,在光学成像等领域有着重要的应用价值和极大的发展潜力。近几年来,为了提高成像质量,人们对消色差超构透镜进行了广泛而又深入的研究,取得了辉煌的成果。然而,如今消色差超构透镜的研究却慢慢进入了一个瓶颈状态,数值孔径普遍偏低,聚焦效率与传统透镜差距太大,无法进行有效的应用。而且,超构透镜以及超构表面器件受限于目前微纳制备工艺,导致其发展仍然停留在基础研究层面上,无法进行产业化。为此,本论文对光学超构表面器件的加工方法进行研究,开发出一套全新的制备工艺,给未来实现超构透镜以及超构表面器件的批量化生产奠定了坚实的基础。论文主要研究内容及成果如下:从宽带消色差超构透镜的原理出发,对三种相位调控的机理进行了分析,针对目前超构表面器件微纳加工方法的各自弊端,本文改进了一种气体干法刻蚀工艺,成功制备出了高深宽比二氧化钛纳米结构。摈弃了传统的镀膜剥离法和ALD生长法,用刻蚀的方法制备出最大高度为1500 nm,深宽比最高达到30:1的二氧化钛纳米柱结构,极大地提高了相位调控范围。用这种基于刻蚀工艺制备二氧化钛器件的方法,将目前的制备速度提高了近200倍,而且适用于大规模生产,为将来二氧化钛器件的产业化提供了有力的支持。利用800 nm高度的二氧化钛纳米结构,提供充足的相位,将可见光宽带消色差超构透镜进行变型拓展,展示出了一种集成型光场光谱相机。仅用一个超构透镜阵列和CCD组成的系统,就可以采集到物体的三维空间信息和光谱信息,将目前3D相机与光谱相机的功能集成到了一个超构透镜阵列上。对于宽带消色差超构透镜而言,相位和群延迟是决定数值孔径上限的主要因素,本文采用高度为1500 nm的二氧化钛P-B相位结构,设计和制备出了在650-1200 nm波段的消色差超构透镜。将宽带消色差超构透镜的数值孔径提高到了0.28,最高聚焦效率达到了70%以上,在成像领域有着良好的应用。通过对二氧化钛制备工艺的进一步优化,在实验上验证了一种偏振不敏感的二氧化钛宽带消色差超构透镜在近红外生物成像中的应用。采用开发的适于大规模生产的二氧化钛制备技术,成功制备出高度为1500 nm的高深宽比各向同性结构的消色差超构透镜。研究结果表明,这些高深宽比的纳米结构对相位和群延迟范围有着显著提升,使得消色差超构透镜的平均效率提高到了77.1%—88.5%,最高效率超过了90%,在数值孔径为NA=0.24—0.1的情况下将消色差的范围扩大到了650—1000 nm的波段范围。在光学成像和生物成像方面,这种宽带消色差超构透镜的成像质量可以与传统物镜的成像媲美。而且,超构透镜由于结构紧凑、平面化、高效率和偏振不敏感等优良特性,有望在机载生物医学诊断领域引发一场变革。