超表面是近年出现的一种能在亚波长尺度内有效调控电磁波相位、振幅和偏振的新型二维材料,它在保留了传统超材料独特电磁特性的基础上,将电磁调控由体调控走向面调控,兼具低损耗、低剖面、易于设计与制作等优势,是调控结构光场、实现光学器件的超微型化和集成的理想平台,在奇异光学、电磁隐身、光束整形、偏振调控、光学全息技术、无线通信与智能感知等诸多领域具有广泛的应用前景。本文在电磁理论框架下,利用时域有限差分等方法,针对金属超表面结构电磁调控展开深入研究,旨在丰富和完善超表面电磁调控理论体系,为今后研发相关光子器件提供理论基础与科学依据。本论文主要的研究内容如下:1、构建了一种基于几何相位的具有柱面透镜聚焦效应的自旋霍尔金属超透镜。该超透镜由相同金属纳米孔阵列构成,其中孔的几何相位仅在一个维度上变化。研究表明,当金属孔几何相位仅包括左旋圆偏振（LCP）或右旋圆偏振（RCP）成分时,透镜仅对LCP光或RCP光形成一聚焦线。由于不同波长和焦距值下可形成极其相似的双曲相位分布,该透镜能在550-900 nm宽光谱范围内聚焦,且实现了超衍射极限。当金属孔几何相位同时包括LCP光与RCP光成分时,透镜可以在上述光谱范围内同时对LCP光与RCP光聚焦。调节金属孔的取向角,可以任意调控自旋相关焦线的横向和纵向位置。另外,通过调节几何相位中的LCP（或RCP）成分比,可以控制自旋相关对应的焦线强度。2、提出了一种利用金属超表面多维操纵光子自旋霍尔效应的新方法。首先构建周期金属纳米孔阵列,基于几何相位的特点,在同一维度内LCP与RCP的具有相反的相位梯度,可以使不同光子自旋态的波束沿不同方向传播,波束的偏折方向由周期内孔个数、孔间距与波长共同决定。在此基础上,构建基于几何相位的金属超表面。当金属孔几何相位仅包含LCP（或RCP）成分时,超表面仅对LCP（或RCP）光聚焦。当金属孔几何相位中同时包含LCP与RCP成分时,超表面可以实现光子的自旋霍尔效应,即同时将不同自旋态的光子聚焦在不同位置。利用该效应,我们获得了LCP光、RCP光在空间任意位置的聚焦,即能独立控制左、右旋圆偏振光的横向与纵向聚焦位置。此外,随着入射角的增加（不超过30°）,聚焦光斑逐渐偏离理论值,但保持着较好的聚焦能力。3、设计了一种简单、高效的基于反射型超表面的偏振转换器。该偏振转换器由不同的各向异性十字型金属颗粒阵列构成。利用平面内各向异性的相位梯度,超表面不仅可以将不同偏振态的电磁波进行分离,而且还可以灵活地调控电磁波的偏振状态,其中包括将线性偏振光转换成LCP光或者RCP光,将圆偏振光转换成线性偏振光等。该偏振转换器很大程度上减少了能量损耗,其偏振转换效率可达到88%以上。