近年发展起来的超构材料(Metamaterials)利用金属结构中电流共振形成的辐射电磁场来调节电磁波性质,因而可以有效地控制电磁波的偏振态。但是,由于超构材料的光学性质在共振频率附近剧烈变化,设计和制备宽带的超构材料和器件一直是尚待解决的科学问题。我们从优化微结构设计和微结构排列方式等方面入手,设计和制备出了一些新型亚波长偏振光学材料和器件。在微结构设计方面,我们将介质材料引入了超构材料的结构单元。在″金属微结构-介质层-金属反射面″系统中,首次提出和证实通过控制介质层厚度有效控制反射光的光学性质随频率的变化,从而实现没有色散的超构材料光学器件。基于此方法,我们在实验上制备出宽带的四分之一波片和半波片,从而在远小于波长的尺度内有效控制了电磁波的偏振态。同时,我们首次设计和制备出亚波长光栅组合结构,成功地实现了可以任意调控的宽带太赫兹波偏振旋转器,实现了近完美的太赫兹波线偏振自由旋转。该系列工作首次给出了金属和介质微纳结构实现无色散的一般性原理,为构建宽带超构材料提供新思路。在微结构的排列方面,我们将几何尺寸相同但是旋转角度不同的微结构组成超构表面(metasurface)。微结构的旋转在超构表面形成了Pancharatnam-Berry相位,从而使得左旋圆偏振光和右旋圆偏振光沿不同的方向传播。理论上我们在1100 nm-1700 nm波长范围内产生出圆偏振度高达99.5%以上的高质量圆偏振光,并且能量损失小于20%。在实验上,我们利用电子束曝光技术制备出样品,并且测量结果与理论预期相符。我们的研究结果给出了一个有效调控圆偏振光相位的方法,可应用于成像、传感以及信息技术等领域。