电磁超材料为人工构造的亚波长周期性阵列结构,因拥有自然界材料不具备的电磁特性成为研究热点。电磁超表面的偏振调控在显示、光通讯、医学、生物学、传感和光谱学等方面有重要的应用前景。本文研究了超表面对电磁波的偏振调控特性,包括圆二色性、圆转换二向色性、非对称透射特性、偏振转换特性、相位调制特性等。本文的具体内容如下:基于位移电流的介质阵列可以实现与金属微结构类似的电磁响应,而且损耗较低。利用惠更斯原理构建了基于双层硅棒阵列的级联惠更斯表面,通过旋转底层硅棒打破了级联惠更斯表面在光传播方向的对称性,在1.3-1.7μm实现了高效、宽带的透射式圆二色性、圆转换二向色性和反射式圆转换二向色性等手性。提出了电、磁偶极子辐射场的相干模型,分析了电、磁偶极子共振对偏振选择性的作用。考虑应用的可行性,进一步优化结构参数获得了以二氧化硅支撑的双层硅棒阵列。利用级联惠更斯表面的手性在光通讯波段实现了高效的偏振识别和偏振滤波。除了旋转层间角可以打破微结构体系对称性,斜入射电磁波也可打破对称结构的体系对称性。利用斜入射的圆偏振波激发了对称硅棒阵列中不同强度的电、磁偶极子共振模式,实现了高效、双带的非对称透射特性,12.68 THz处的非对称透射系数高达0.92,分析了电、磁偶极子共振对非对称透射特性的作用。为了获得可调的偏振调控特性,将对称硅棒和石墨烯结合通过电控石墨烯的费米能级实现了频率可调的非对称透射特性,并分析了石墨烯费米能级变化与共振频率移动的规律。为了增强石墨烯等离激元共振,提出了GxBNy结构模型。由于晶格匹配,石墨烯与hBN的结合提高了石墨烯载流子迁移率,增强了局域等离激元共振。G3BN2纳米带阵列将场局域在距石墨烯60 nm的范围内,因此石墨烯周围微小的折射率变化会很大程度的影响共振波长,进而实现了超灵敏的折射率传感。在6.79-10.43μm波段G3BN2纳米带阵列传感的灵敏度高达4.21μm/RIU。为了实现功能可选的偏振转换特性,通过优化硅棒几何参数激发了米氏多极子共振,并利用广义的多极子散射理论分解了电偶、磁偶、电四和磁四极子共振的散射强度,分析了各多极子共振对“x”型偏振透射系数谱的贡献。硅棒/石墨烯复合结构利用“x”型偏振透射系数谱实现了波长可调的半波片功能。巧妙地结合“x”型偏振透射系数谱和波长可调特性,实现了功能可选的偏振转换。此外,通过电控石墨烯的费米能级可以调控透射电磁波正交分量的相位,获得了从90°到270°连续变化的相位差,实现了从线偏振到多种偏振态的偏振转换。为了在含石墨烯可调超表面中获得更多的调控自由度,利用十字形金/石墨烯结构实现了二维可调的偏振选择性吸收,并讨论了基于二维调控特性的二进制和三进制偏振编码。含石墨烯可调超表面的响应波段局限在太赫兹和中红外波段,将电控可调的薄层TiN引入到近红外和可见光等较短波段超表面中。与石墨烯类似,薄层TiN的载流子浓度可以在类场效应管结构中通过门电压调控。在1.55μm附近,薄层TiN纳米带阵列实现了波长可调的偏振选择性反射。此外,利用耦合模理论设计了Au光栅/薄层TiN复合结构,实现了电控的大范围动态相位调制。利用史密斯曲线图分析了低耦合态、临界耦合态、过耦合态的相位特征。当共振散射通道和非共振通道的反射强度相当,随波长的增加在1.540μm前后发生180°相位突变。通过电控薄层TiN的载流子浓度使得复合结构的共振在低耦合态、临界耦合态和过耦合态之间转换,实现了337°的大范围相位调制。与以往电控石墨烯、ITO的动态相位调制结构相比,金光栅/薄层TiN复合结构实现了最大的调制范围。