超材料是一类具有天然材料所不具备的奇特物理性质的人工复合材料或人工设计结构,可以根据不同的应用需求设计出理想的结构材料。电磁超表面作为一种二维人工超材料,由于它能以亚波长厚度实现对电磁波相位、偏振和振幅的调控,成为近年来国际学术界研究热点之一。表面等离激元是一种束缚在电介质/金属界面的本征态电磁波,由于具有局域场增强和亚波长限制的特点,表面等离激元被广泛应用于光学领域。最近,梯度超表面被提出可以实现平面波-表面波的转换,且具有高效、精巧等优点。随后基于相似的原理,用于柱面波-导波转换的超材料被提出。本文从传播波-表面波转换的原理出发,分析讨论不同耦合方式的特点,进而提出多层棱镜结构用于柱面波-导波转换,并对这种结构进行平面推广。本文的主要内容如下:第一章,引言。简要介绍超材料、超表面的发展历程、基本原理和相关应用。第二章,用于平面波-表面波转换的器件。从表面波性质出发,介绍三种实现平面波-表面波转换的方法,即棱镜耦合、光栅耦合和超表面耦合,通过对各自耦合原理的分析,讨论三种转换器件的特点。第三章,用于柱面波-导波转换的超材料。对二维平面波-表面波转换器件进行拓展,介绍两种基于梯度超表面原理的梯度线结构,即尖端结构和反射式耦合器件。这两种梯度线结构可以实现将柱面传播波转换为沿线波导传播的导波,填补了柱面入射波耦合器件的空白。第四章,用于柱面波-导波转换的多层棱镜结构。从入射电磁波表达式出发,根据边界条件推导出多层电介质圆柱结构的透反射性质,由此设计出高效的用于柱面波-导波转换的多层棱镜结构。通过数值模拟验证多层棱镜结构的转换效果,并对转换效率和耦合过程进行分析和讨论。第五章,多层棱镜结构的平面推广。将用于柱面波-导波转换的多层棱镜结构推广到二维模型,设计出实现柱面波-导波转换的多层棱镜结构,并通过数值模拟讨论多层棱镜耦合与传统棱镜耦合的差别。