二元光学是基于光波衍射理论发展起来的一个新兴光学分支,是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科。二元光学器件具有体积小、重量轻、易复制、造价低、衍射效率高、设计自由度多、材料可选性宽、色散性能独特等优点,并能实现传统光学器件难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等新功能。在空间技术、超精密加工、微光机电系统、计算机技术、信息处理、光纤通信、生物医学及国防军事等众多领域有很广泛的应用前景和应用价值。亚波长结构的二元光学器件,由于具有一些传统光学元件所不具备的特殊性质,因而扩展了二元光学器件的应用领域。本文围绕亚波长结构二元光学器件的优化设计方法,设计了相位延迟元件、偏振分束元件及Dammann光栅等多种二元光学器件,主要研究工作可归纳如下:1.利用等效介质理论设计了在宽波段实现消色散的亚波长结构1/4波片,并根据材料色散的经验公式在设计中考虑材料本身的色散,提出了利用材料本身的色散特性拓宽消色散1/4波片应用波长范围的方法。设计结果表明通过计算介质材料本身的色散可以提高亚波长结构1/4波片的消色散波长范围。针对近红外波长和可见光波长范围,分别设计了消色散1/4波片,所设计的元件在设计波长范围内均保持相位延迟在±2°以内。2.利用严格耦合波分析理论提出了一种新型的非对称式偏振分束光栅的设计方法,该偏振分束光栅分别实现TE、TM偏振波在1级和0级透射衍射级次上偏振分束。针对光纤通信中常用的1.55μm波长光进行设计,所设计的元件在设计参数下具有很高的透射消光比,并且在波长1.5μm-1.6μm的范围和入射角度53.8°～58.9°的范围,TE、TM偏振波的1级和0级透射消光比均大于100。3.将严格耦合波分析理论与遗传算法相结合,设计了具有较高衍射效率的偶数型亚波长Dammann光栅,解决了偶数分束数Dammann光栅设计中的消零级衍射光的难题。利用自编的程序分别设计了分束数为2、4、6的Dammann光栅,所设计的Dammann光栅总衍射效率超过93%,并具有很好的分束均匀性和很小的零级衍射效率。